一種雙參量同時(shí)測量的MZI傳感器

江 超，吳 欣，郭小珊，陶武強(qiáng)

(湖北師范大學(xué) 物理與電子科學(xué)學(xué)院，湖北 黃石 435002)

全光纖干涉儀型光纖傳感器因結(jié)構(gòu)緊湊、制作簡單、靈敏度高等特點(diǎn)受到了廣泛關(guān)注[1-2]。1984年，Govind等[3]首次提出用多模內(nèi)部模式干涉理論解釋光學(xué)耦合器中光場的傳輸，給出了單模光纖-多模光纖-單模光纖拼接結(jié)構(gòu)(SMS)的分析方法。1997年，Donlagicd等[4]第一次提到SMS結(jié)構(gòu)在傳感領(lǐng)域應(yīng)用的可行性。此后，國內(nèi)外對SMS結(jié)構(gòu)的研究達(dá)到高潮，出現(xiàn)了大量SMS結(jié)構(gòu)或類似SMS結(jié)構(gòu)的光纖干涉儀傳感器[5-11]。在這些結(jié)構(gòu)中，有的用到價(jià)格較貴的特種光纖，有的拼接復(fù)雜，制作難度大。而且，這些結(jié)構(gòu)中拼接光纖的參數(shù)、光纖中傳輸?shù)哪Ｊ綌?shù)量都對傳感器特性具有較大影響，制作時(shí)需要反復(fù)優(yōu)化才能夠獲得最佳靈敏度。無芯光纖是一種沒有纖芯只有包層的光纖，光在包層中傳輸，包層直接與外界環(huán)境相接觸。由于環(huán)境參數(shù)的變化極易造成無芯光纖包層有效折射率的變化，因此利用無芯光纖構(gòu)造類似SMS結(jié)構(gòu)能夠?qū)崿F(xiàn)環(huán)境參量的測量[12-18]。如果再對結(jié)構(gòu)中的無芯光纖進(jìn)行拉錐，使它的包層厚度更小，接近微型光纖，便可以進(jìn)一步增強(qiáng)光纖中傳輸?shù)墓馀c外界環(huán)境介質(zhì)的相互作用，使敏感性增加，提高測量靈敏度[19-20]。

鑒于此，本文利用單模光纖與無芯光纖拼接一個(gè)類似于SMS的結(jié)構(gòu)，再利用特種光纖熔接機(jī)對無芯光纖部分進(jìn)行精準(zhǔn)拉錐，得到一個(gè)對外界環(huán)境參量變化更加敏感的馬赫-澤德爾干涉儀(MZI)傳感器，以實(shí)現(xiàn)對軸向應(yīng)變與環(huán)境折射率的同時(shí)測量。

1 傳感器結(jié)構(gòu)與原理

1.1 結(jié)構(gòu)制備

2種光纖拼接拉錐構(gòu)成的MZI傳感器結(jié)構(gòu)示意圖與光路圖如圖1所示。MZI傳感器結(jié)構(gòu)制備過程如下。

1)2種光纖正對拼接制備MZI結(jié)構(gòu)。選用標(biāo)準(zhǔn)單模光纖(武漢長飛光纖光纜有限公司，纖芯直徑9 μm，包層直徑125 μm)與無芯光纖(武漢長飛光纖光纜有限公司，包層直徑125 μm)，按照單模光纖-無芯光纖-單模光纖進(jìn)行拼接。寬帶光源接MZI的輸入端，光譜分析儀接MZI的輸出端，當(dāng)無芯光纖取不同長度時(shí)，觀察MZI的透射譜。經(jīng)過反復(fù)對比與優(yōu)化，發(fā)現(xiàn)無芯光纖長度為51 mm時(shí)，MZI透射譜具有更好的條紋顯示度。

2)對制備好的MZI無芯光纖部分進(jìn)行拉錐。將MZI的無芯光纖部分固定在FSM-100P+大芯徑多功能光纖熔接機(jī)(日本藤倉公司)上進(jìn)行拉錐。拉錐參數(shù)設(shè)置為：拉錐后腰部最小直徑為45 μm，中間直錐體長度為3 mm，左右兩邊的錐形部分長度為6 mm。在拉錐過程中，接入寬帶光源與光譜分析儀，實(shí)時(shí)觀察光譜變化，對光纖拉錐過程進(jìn)行監(jiān)控。無芯光纖的錐體拉制成功后，MZI傳感器結(jié)構(gòu)制備完成。

圖1 2種光纖拼接拉錐構(gòu)成的MZI傳感器結(jié)構(gòu)示意圖與光路圖

1.2 測量原理

拉錐前后MZI結(jié)構(gòu)的初始透射譜對比如圖2所示。從圖2可以看出，未拉錐時(shí)透射譜諧振峰較少，條紋間隔較大。拉錐之后透射譜中出現(xiàn)更多敏感的諧振峰。這是由于無芯光纖包層的厚度變小，產(chǎn)生的干涉模式更多。

圖2 拉錐前后MZI結(jié)構(gòu)的初始透射譜對比

傳感器的初始透射譜如圖3所示，選擇自由空間間隔比較大的波谷Dip 1與Dip 2來研究傳感器的特性。傳感器的空間頻譜如圖4所示。從圖4可以看出，傳感器是一個(gè)多模干涉的過程。其中，基模與3個(gè)低階模式在光譜功率成分中占比最大，對光譜的形成起主要作用。還有許多高階模式，在光譜成分中占比較小，對光譜形成也有一定的貢獻(xiàn)。

圖3 傳感器的初始透射譜

圖4 傳感器的空間頻譜

結(jié)合圖1中光路圖可以看出，起傳感作用的主要是拉錐后的無芯光纖。當(dāng)光傳播到光纖的第1個(gè)熔接點(diǎn)(單模光纖+無芯光纖)時(shí)，由于2種光纖的芯徑不匹配，在熔接處激發(fā)出多個(gè)光模式。這些被激發(fā)出的模式耦合進(jìn)入無芯光纖傳輸時(shí)，一部分沿著無芯光纖中心部分傳輸，另一部分沿著無芯光纖包層內(nèi)表面?zhèn)鬏敚?路光傳播時(shí)形成光程差，最后在光纖的第2個(gè)熔接點(diǎn)(無芯光纖+單模光纖)處都耦合到輸出單模光纖中產(chǎn)生干涉，構(gòu)成一個(gè)Mach-Zehnder干涉儀。為了簡化分析過程，只考慮在無芯光纖中傳輸?shù)?個(gè)主要模式形成干涉。假設(shè)這2個(gè)主要傳輸模式分別為沿著無芯光纖中心部分傳輸?shù)哪Ｊ絃Pm和沿著無芯光纖包層內(nèi)表面?zhèn)鬏數(shù)哪Ｊ絃Pn，則LPm與LPn的相位差?mn為：

(1)

式(1)中，Δneff為無芯光纖中LPm模式與LPn模式的有效折射率差；λ為空間自由光波長；L為無芯光纖長度。由式(1)可知，當(dāng)相位差滿足干涉條件時(shí)，干涉儀透射譜的k階波谷中心波長為：

(2)

當(dāng)傳感器的外界參量發(fā)生改變時(shí)，2個(gè)主要模式的有效折射率差以及無芯光纖的長度發(fā)生變化，導(dǎo)致傳感器的透射譜發(fā)生漂移。因此，可以通過觀察透射譜諧振峰波谷的中心波長變化量進(jìn)行軸向應(yīng)變與折射率的測量，并利用公式(2)計(jì)算其理論靈敏度。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 應(yīng)變實(shí)驗(yàn)

傳感器軸向應(yīng)變實(shí)驗(yàn)選用的寬帶光源為自發(fā)輻射光源，光譜范圍為1 250～1 650 nm；光譜分析儀(AQ6370D，日本橫河公司)測量的光譜范圍為600～1 700 nm，精度±0.1 nm。將傳感器固定在2個(gè)等高的位移平臺(tái)之間，并將其調(diào)整到拉直狀態(tài)，用AB膠把2個(gè)固定點(diǎn)粘牢，完全干燥后再進(jìn)行軸向應(yīng)變實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)通過調(diào)節(jié)右邊位移平臺(tái)的千分尺給傳感器施加不同的軸向應(yīng)變，千分尺每轉(zhuǎn)動(dòng)1次就記錄1次實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。軸向應(yīng)變計(jì)算公式為：

ε=Δd/d

(3)

式(3)中，ε為對傳感器施加的軸向應(yīng)變量；Δd為位移平臺(tái)的位移量；d為傳感器兩固定端之間距離。

波谷Dip 1隨軸向應(yīng)變的變化曲線如圖5所示。從圖5可以看出，隨著ε增加，波谷Dip 1的中心波長向短波長方向漂移(藍(lán)移)。將測得的數(shù)據(jù)用Matlab軟件進(jìn)行擬合，得到波谷Dip 1的中心波長與軸向應(yīng)變之間的變化關(guān)系如圖6所示。從圖6可以看出，波谷Dip 1的中心波長漂移量與軸向應(yīng)變之間有極好的線性關(guān)系，線性擬合度R2=0.9967，波谷Dip 1的軸向應(yīng)變靈敏度α1=-5.143 pm/με。

圖5 波谷Dip 1隨軸向應(yīng)變的變化曲線

圖6 波谷Dip 1的中心波長與軸向應(yīng)變之間的變化關(guān)系

波谷Dip 2隨軸向應(yīng)變的變化曲線如圖7所示。從圖7可以看出，隨著ε增加，波谷Dip 2的中心波長也向短波長方向漂移(藍(lán)移)。將測得的數(shù)據(jù)用Matlab軟件進(jìn)行擬合，得到波谷Dip 2的中心波長與軸向應(yīng)變之間的變化關(guān)系如圖8所示。從圖8可以看出，波谷Dip 2的中心波長漂移量與軸向應(yīng)變之間有極好的線性關(guān)系，線性擬合度R2=0.9975，波谷Dip 2的軸向應(yīng)變靈敏度α2=-7.829 pm/με。

圖7 波谷Dip 2隨軸向應(yīng)變的變化曲線

圖8 波谷Dip 2的中心波長與軸向應(yīng)變之間的變化關(guān)系

2.2 折射率實(shí)驗(yàn)

寬帶光源輸出接傳感器輸入端，光譜分析儀接傳感器輸出端，將傳感器兩端用光纖夾持器固定使其處于拉直狀態(tài)。傳感器浸沒在水槽內(nèi)，采用蔗糖溶液來進(jìn)行折射率實(shí)驗(yàn)，蔗糖溶液折射率變化范圍為1.33～1.38。首先，徹底清洗傳感器，將蒸餾水注入水槽中至傳感器完全浸沒，等待約30 s，將蒸餾水吸出；注入無水乙醇至傳感器完全浸沒，等待30 s，將無水乙醇吸出。待傳感器上的無水乙醇完全揮發(fā)，將配制好的蔗糖溶液注入水槽至傳感器完全浸沒，等待約2 min，待光譜穩(wěn)定后記錄數(shù)據(jù)。最后，用蒸餾水和無水乙醇對水槽和傳感器進(jìn)行清洗，依次注入不同折射率的蔗糖溶液，直到完成所有折射率測量實(shí)驗(yàn)。

波谷Dip 1隨折射率的變化曲線如圖9所示，波谷Dip 1的中心波長與折射率之間的變化關(guān)系如圖10所示。從圖9和圖10可以看出，隨著環(huán)境折射率增加，波谷Dip 1光譜曲線紅移，中心波長隨折射率線性變化，線性擬合度R2=0.9813，折射率靈敏度β1=330.2 nm/RIU，靈敏度較高。

圖9 波谷Dip 1隨折射率的變化曲線

圖10 波谷Dip 1的中心波長與折射率之間的變化關(guān)系

波谷Dip 2隨折射率的變化曲線如圖11所示，波谷Dip 2的中心波長與折射率之間的變化關(guān)系如圖12所示。從圖11和圖12可以看出，隨著環(huán)境折射率增加，波谷Dip 2光譜曲線紅移，中心波長隨折射率線性變化，線性擬合度R2=0.9694，折射率靈敏度β2=237.1 nm/RIU，靈敏度較高。

圖11 波谷Dip 2隨折射率的變化曲線

圖12 波谷Dip 2的中心波長與折射率之間的變化關(guān)系

2.3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果討論

軸向應(yīng)變或外界折射率均會(huì)使傳感器干涉譜諧振峰的中心波長發(fā)生線性漂移，且兩者造成的漂移方向是不一樣的，存在交叉敏感。利用傳感器透射譜中波谷Dip 1與Dip 2測得的折射率與應(yīng)變的靈敏度構(gòu)建傳輸矩陣，能夠同時(shí)測量應(yīng)變與折射率，避免交叉敏感相互影響。

設(shè)λ1和λ2分別為波谷Dip 1與Dip 2的中心波長，如果傳感器監(jiān)測到環(huán)境折射率與軸向應(yīng)變同時(shí)變化時(shí)，2個(gè)波谷的中心波長均會(huì)發(fā)生漂移，漂移量計(jì)算公式為[11-12]：

Δλ1=α1Δε+β1Δn

(4)

Δλ2=α2Δε+β2Δn

(5)

式(4)～(5)中，Δλ1為λ1的變化量；Δλ2為λ2的變化量；Δε為軸向應(yīng)變的變化量；Δn為環(huán)境折射率的變化量；α1為波谷Dip 1的軸向應(yīng)變靈敏度;α2為波谷Dip 2的軸向應(yīng)變靈敏度；β1為波谷Dip 1的環(huán)境折射率靈敏度;β2為波谷Dip 2的環(huán)境折射率靈敏度。由前面實(shí)驗(yàn)測得，α1=-5.143 pm/με，α2=-7.829 pm/με，β1=330.2 nm/RIU，β2=237.1 nm/RIU，根據(jù)矩陣?yán)碚?，由?4)和(5)可得到測量矩陣為：

(6)

3 結(jié)論

設(shè)計(jì)了一款雙參量同時(shí)測量的MZI光纖傳感器，利用無芯光纖與單模光纖進(jìn)行正對拼接然后拉錐而構(gòu)成。通過分析傳感器的透射譜與軸向應(yīng)變和環(huán)境折射率的變化關(guān)系，發(fā)現(xiàn)透射譜中波谷的中心波長與軸向應(yīng)變、環(huán)境折射率之間存在極好的線性變化關(guān)系。選擇2個(gè)波谷的軸向應(yīng)變與環(huán)境折射率靈敏度，構(gòu)建測量矩陣，完成了軸向應(yīng)變與環(huán)境折射率雙參量的同時(shí)測量。傳感器具有較高的測量靈敏度，體積小、結(jié)構(gòu)緊湊、結(jié)構(gòu)重復(fù)性好，在工業(yè)、國防、民用與科學(xué)研究等方面有一定的應(yīng)用價(jià)值。