薩格納克干涉儀級聯的高靈敏度溫度傳感器

申萬梅,江 超,郭小珊,黃會玲,李 宏

(湖北師范大學物理與電子科學學院,湖北 黃石 435002)

1 引 言

光纖溫度傳感器由于結構緊湊,靈敏度高,抗干擾能力強,響應速度快,損耗低等特點而引起了人們的廣泛研究。常見的光纖干涉儀型溫度傳感器有Mach-Zehnder干涉儀型[1-2],Fabey-Perot干涉儀型[3-4],Michelson干涉儀型[5]和Sagnac干涉儀型[6-8]等,這些溫度傳感器能夠廣泛應用于通信傳輸、建筑行業(yè)、航空航天和海洋研究等領域。然而干涉儀型溫度傳感器的靈敏度和線性擬合度會受到光纖內部結構特性的限制,靈敏度一般較低。游標效應(Vernier-effect)是提高測量儀器靈敏度的有效方法,并且廣泛用于游標卡尺和氣壓計中。近年來,人們通過使用兩個干涉儀分別作為游標效應的固定和滑動部分應用于光纖傳感器中,發(fā)明了具有增強靈敏度的游標效應光纖傳感器[9-11]。這種游標效應也可以用于光纖溫度傳感器中,例如,通過兩個Fabey-Perot干涉儀級聯構成的高靈敏度溫度傳感器[12-15],Mach-Zehnder干涉儀級聯構成的高靈敏度溫度傳感器[16],Michelson干涉儀構成的高靈敏度溫度傳感器[17]等。尤其是利用Sagnac干涉儀(SI)構成的游標效應溫度傳感器,獲得的溫度靈敏度更高[18-21],劉等人利用光子晶體光纖SI形成游標效應獲得極高的溫度靈敏度[18]；楊等人利用一個SI和一個F-P腔級聯獲得極高溫度靈敏度[19]；丁等人利用兩個高雙折射率的光纖環(huán)級聯構成靈敏度極高的溫度傳感器[20]；邵等人利用兩個SI級聯使溫度靈敏度得到極大的提升[21]。本文利用兩段熊貓光纖直接錯位連接形成兩個SI的級聯產生游標效應,該傳感器的干涉譜有較好的包絡線,提取的包絡線光滑平整,利用包絡線隨溫度的變化進行溫度測量。與傳統(tǒng)的單個SI溫度傳感器相比,兩個SI級聯構成的傳感器溫度靈敏度提高了十幾倍。提出的傳感器結構簡單,制作容易,成本低,靈敏度高,在市場上有一定的應用前景。

2 傳感器結構和傳感原理

2.1 傳感器結構

提出的溫度傳感器結構如圖1所示,它由一個寬帶光源(broad band source,BBS)、一個光譜分析儀(optical spectral analyzer,OSA)、一個3 dB的2×2耦合器、及兩段保偏光纖(PMF)構成的SI1和SI2組成。BBS為北京康冠世紀光電科技有限公司生產的低偏振超寬帶光源,型號為FL-ASE-EB-D-2-2-FC/APC,波長范圍為1250～1650 nm。OSA為日本橫河公司生產的AQ6370D,波長掃描范圍為600～1700 nm,光譜最小分辨率為0.05 nm。這里選擇熊貓光纖作為PMF,依據兩個SI級聯產生游標效應的條件,在我們設計的傳感器中,SI1中PMF1長度取191 cm,SI2中PMF2長度取199 cm,選擇左側SI1作為傳感單元,右側SI2作為參考濾波器。當兩個SI級聯時,在熔接點兩段PMF旋轉一個角度再熔接,即使兩段PMF中的快軸(或者慢軸)旋轉一個角度再熔接,確保該結構是兩個不同的SI級聯,而不是構成一個SI。在進行溫度測量時,把傳感單元SI1放入溫度爐中進行實驗,而參考單元SI2可以不用放入溫度爐中。

圖1 兩個SI級聯的傳感器結構Fig.1 Sensor structure consisting of two SIs cascading

2.2 傳感原理分析

在圖1中,從BBS輸出的光到達3 dB耦合器時,將輸入光均等的分為兩個反向傳播光束,因為PMF中存在快軸和慢軸,當光通過第一個PMF1時產生光程差,再經過PMF2又產生光程差,則輸出總光譜T可以表示為[17,18]:

T=[cos(φ1+φ2)cosθ+cos(φ1-φ2)sinθ]2

(1)

其中,φ1=2πBL1/λ,φ2=2πBL2/λ是光經過兩個PMF的相位差；θ表示兩個PMF快軸(或者慢軸)之間的夾角。則兩個SI的自由光譜范圍(free spectral range,FSR)可以求得:

(2)

其中,B是PMF的雙折射率;λ是輸入的光波長;L1和L2分別是PMF1和PMF2的長度。那么當SI1與SI2級聯時,如果FSR1≈FSR2,那么SI1與SI2疊加形成的包絡線的FSR(或周期)可以表示為:

(3)

在實驗中,可以通過控制兩個SI的長度L來獲得理想的FSR。在傳感器中,SI1被作為傳感部分,SI2被作為固定參考部分,因此當外界溫度變化導致傳感部分SI1干涉光譜的波長漂移,由于級聯的游標效應,將會導致整個光譜包絡線產生大的漂移,包絡漂移的增強因子M可以用下式表示:

(4)

則利用傳感器游標效應產生的包絡波長的漂移量是單個SI1波谷波長漂移量的M倍:

(5)

因此,利用包絡波長漂移量測量溫度的靈敏度為單個SI1測量溫度的M倍:ST=MS1。這就是我們利用SI1與SI2級聯產生游標效應放大溫度靈敏度的理論基礎。

3 實驗結果與討論

3.1 傳感器的干涉譜

圖2為常溫下SI1和SI2的干涉光譜圖,在波長范圍1530～1570 nm之間,兩個SI的干涉譜分布均勻,具有很好的周期性,SI1和SI2對應的FSR分別為3.2 nm和3.0 nm,常溫下PMF的雙折射率B為4.0×10-4。

圖2 SI1和SI2的光譜圖Fig.2 The spectrum of SI1 and SI2

圖3為常溫下SI1和SI2級聯之后形成的傳感器的干涉譜,與傳統(tǒng)的單個SI的干涉譜相比,級聯之后的傳感器的干涉譜出現了很好的包絡,這是由于兩個SI的自由光譜范圍相近。從圖3可以看出,傳感器干涉譜的包絡線周期約為53.4 nm,與該結構理論計算得到的包絡周期(48 nm)相近,基本吻合。

圖3 SI1與SI2級聯后的傳感器光譜圖Fig.3 The spectrum of the sensor by SI1 cascaded with SI2

3.2 溫度靈敏度

當只有單個SI1時(不接入SI2),把SI1放入溫度爐中,控制溫度爐的溫度從40 ℃上升到80 ℃,每隔5 ℃記錄一次光譜數據,在每個溫度測量點,保持5分鐘左右再記錄數據,確保實驗數據真實可靠。圖4表示SI1光譜中波谷dip 1(1549 nm)隨溫度的變化圖,從圖4可以看出,隨著溫度的升高,SI1中dip 1的波長朝著短波長方向移動(藍移)。圖5為SI1中dip 1的波長與溫度的線性擬合圖,實驗獲得的溫度靈敏度為-1.01 nm/℃,線性擬合度為 0.9916,線性度極高,溫度靈敏度也較高。

圖4 SI1中波谷dip 1隨溫度的漂移Fig.4 The dip 1shifts of the single SI1 with temperature

圖5 dip 1的波長與溫度之間的擬合圖Fig.5 Linear fitting between the dip 1 wavelength and temperature

圖6 傳感器干涉譜的上包絡隨溫度的漂移圖(50 ℃→55 ℃)Fig.6 The drifts of the upper envelope peak following temperature increasing from 50 ℃ to 55 ℃

圖7 上包絡波峰波長與溫度之間的線性擬合Fig.7 Linear fitting between the upper envelope peak wavelength and temperature

3.3 溫度測量的重復性

為了檢驗傳感器測量的準確性和嚴密性,往往需要進行重復性實驗,使得實驗結果更具有說服力。圖8是傳感器兩次溫度實驗的結果對比圖,每次溫度實驗控制溫度爐的溫度從50 ℃上升到75 ℃,每步溫度上升5 ℃。完成第一次溫度實驗后,間隔10 d,再在相同條件下重復做第二次升溫實驗,從圖8的實驗結果可以清晰的看到:第一次實驗時,溫度靈敏度為11.03 nm/℃,線性擬合度為0.9996；第二次實驗時,靈敏度為10.77 nm/℃,線性擬合度為0.9984。兩次實驗的靈敏度很接近,線性擬合度都極好,隨著溫度的上升,波長呈現極好的線性變化。由此可以說明兩個 SI 級聯構成的傳感結構重復性好,實驗數據可靠。

圖8 傳感器兩次溫度實驗的對比圖Fig.8 Comparison diagram of two sensor temperature experiments

3.4 溫度測量的穩(wěn)定性

圖9為傳感器的穩(wěn)定性測試結果?？刂茰囟葼t的溫度保持在55 ℃不變,設置實驗時間為80 min,每間隔10 min記錄一次數據。實驗選擇溫度為55 ℃時,傳感器干涉譜上包絡波峰波長1552 nm為研究對象,觀察它隨隨時間變化的漂移情況。實驗結果表明:當外界溫度保持不變時,傳感器考察點的波長和強度保持相對穩(wěn)定,波長最大波動值為 0.8 nm,利用溫度測量靈敏度可以計算測量溫度的誤差為0.07 ℃(0.8/11.03=0.07 ℃)。實驗結果表明傳感器的測量誤差很小,該傳感器結構穩(wěn)定性很好。

圖9 傳感器的溫度穩(wěn)定性實驗結果Fig.9 The experiment results of the sensor measuring temperature at 80 min

4 結 論

本文提出了一種基于游標效應的新型溫度傳感器。該傳感器的游標效應是由兩個自由光譜范圍相近的SI級聯實現的,選擇SI1作為傳感部分,SI2作為參考濾波部分。實驗結果表明:利用級聯形成的包絡線來測量溫度,獲得很高的溫度靈敏度(11.03 nm/℃),它比單個SI1單獨測量溫度的靈敏度(-1.01 nm/℃)高出10.9倍,說明傳感器對溫度靈敏度有明顯的放大作用。并且該傳感器的溫度重復性高,穩(wěn)定性好,測量誤差小,實驗結果與理論分析大致一致,它在市場上有一定的推廣應用價值。