新型結(jié)構(gòu)光纖傳感器的制備與特性研究*

楊紅波， 劉筠筠

(1.鄭州科技學(xué)院 電子與電氣工程學(xué)院，河南 鄭州450064;2.鄭州科技學(xué)院 信息工程學(xué)院，河南 鄭州 450064)

0 引 言

對于長周期類型的光纖光柵，在光學(xué)器件中應(yīng)用較多，利用這種光無源器件的特性，可制備各種濾波器，包括多種類型傳感器[1,2]。螺旋光纖光柵相較于傳統(tǒng)的光纖類型存在一定的特殊性，主要體現(xiàn)在制備過程中應(yīng)用了扭轉(zhuǎn)熔融狀態(tài)的光纖,因此，光纖材料不需要具有光敏特性[3,4]。由于其折射率呈現(xiàn)出螺旋特征，因此能夠?qū)崿F(xiàn)對光波偏振態(tài)的控制，或者對角動量的控制。這種螺旋光柵可用于包括偏振控制器和寬帶濾波器等多種儀器中[5,6]。由于其特殊的折射率分布使得這種光柵可應(yīng)用于傳感領(lǐng)域，對扭轉(zhuǎn)力展現(xiàn)更高的靈敏度，特別適合光纖的扭轉(zhuǎn)測量[7,8]。

基于單模光纖制成的螺旋光柵已得到廣泛的應(yīng)用[9,10]。光纖結(jié)構(gòu)對于光柵性能有一定的影響，主要體現(xiàn)在傳輸特性和包層結(jié)構(gòu)。近些年基于折射率構(gòu)建的下凹型螺旋光柵得到了快速的發(fā)展[11～13]，但是在理論層面上缺少相關(guān)研究。

本文主要研究了基于階躍雙包層的螺旋型光纖光柵。以耦合模為理論依據(jù)對該類型光柵展開了研究，詳細分析了其傳輸譜特性。相比單模光纖模式，本文應(yīng)用了4層波導(dǎo)模型對其存在模式進行了模擬。并在折射率和溫度等方面進行了探究實驗，明確了其傳感特性，最終驗證了其性能。

1 階躍雙包層光纖的傳輸原理

為了深入探究螺旋光柵的傳輸特性，首先對其存在模式進行了求解。首先對光纖進行了近似處理，將其看作無限大包層，之后分析纖芯模式[14,15]。本文主要通過4層波導(dǎo)模型從折射率方面考慮不同結(jié)構(gòu)存在差異性，按照由高到低的順序，分別是纖芯、內(nèi)包層，之后是外包層，最后是外界環(huán)境。本文研究的光纖其纖芯折射率為1.473，內(nèi)包層折射率為1.470，外包層折射率為1.467，對應(yīng)的半徑分別為4.8,36，65.5 μm。

通過對電磁場邊界連續(xù)型條件的求解，可獲取模式分布及傳播常數(shù)。在仿真過程中，對于雙包層光纖主要分析了其模式和折射率分布，即階躍型。如果內(nèi)包層區(qū)域形成大量能量的積聚，為內(nèi)包層模式。相應(yīng)地，如果在區(qū)域之外分散，就形成了外包層模式。

螺旋光柵制備采用了離軸扭轉(zhuǎn)方式，因此該光柵結(jié)構(gòu)為單螺旋。纖芯位置和普通光纖類型無其他差異。相較于纖芯尺寸，其離軸量更小，而且差距較大?；诖丝纱_定其介電常數(shù)位于纖芯位置，以下為微擾表達式

(1)

式中nco和nin為折射率，前者為纖芯位置，后者為內(nèi)包層位置；r0為纖芯的有效半徑；d主要表征了離軸量，τ為扭轉(zhuǎn)率。

依據(jù)耦合模微擾理論，以螺旋光柵為基礎(chǔ)，分析了光波在其內(nèi)部的傳輸，耦合方程為

(2)

(3)

式中ω為光波角頻率,ε0為真空中的介電常數(shù),N為歸一化系數(shù),ej和ek為矢量電場。

當(dāng)光柵為單螺旋類型時，如果形成耦合，依據(jù)能量守恒定律，滿足公式

βj-βk=ku,Mj±1=Mk

(4)

式中βj和βk分別為模式j(luò)和模式k的傳輸常數(shù);Mj和Mk分別為模式j(luò)和模式k下的方位角。

2 光柵的制備與仿真研究

2.1 光柵的制備

CO2激光器光纖熔接機制備光柵的原理如圖1。該加工系統(tǒng)中主要的部件包括：實現(xiàn)橫向位移電機1個，實現(xiàn)旋轉(zhuǎn)的電機1個，光纖夾具1對，以及實現(xiàn)加熱光纖的CO2激光束1個。實際制備時，橫向位移電機可驅(qū)動旋轉(zhuǎn)電機沿著光纖軸向運動，夾具主要用來固定光纖，并形成合適的夾角，再由激光束完成加熱操作。光纖受到驅(qū)動作用，能夠發(fā)生軸向運動，且速度固定為v1。在旋轉(zhuǎn)電機的作用下，即右側(cè)位置，之后光纖可旋轉(zhuǎn)，速度固定為v2。當(dāng)處于熔融狀態(tài)時，光纖可發(fā)生扭轉(zhuǎn)，當(dāng)角度達到360°時，需要采集步進距離數(shù)據(jù)，即橫向位移電機，并以此計算出光柵相關(guān)參數(shù)，如周期長度，其計算式為L=360°×v1/v2，通過光譜儀實現(xiàn)實時檢測。

圖1 CO2激光制備螺旋型光纖光柵的實驗裝置

采用上述加工技術(shù)，可完成對螺旋光柵的制備，其周期為412 m，周期個數(shù)為28。在此期間對CO2激光相關(guān)參數(shù)進行了設(shè)置，如功率為11.98 W，持續(xù)時間共302 s。對于加工中應(yīng)用的電機應(yīng)設(shè)置合適速度，其中旋轉(zhuǎn)電機為40°/s，而橫向位移電機為48 m/s。光譜相關(guān)數(shù)據(jù)進行了測算，其中波長為1 350～1 650 nm，而諧振波長為1 518.2 nm，損耗為-22.64 dB。與理論相比，實驗結(jié)果并無太大差異。但是在波長等方面存在一定差異，原因在于材料色散沒有在計算中加以考慮。

2.2 階躍雙包層光纖的仿真

如果為右手單螺旋類型，那么纖芯基模HE11將會可以和HE2n之間實現(xiàn)良好的耦合作用?；谇蠼饽Ｊ街兴鶎?yīng)的傳播常數(shù)，可獲得周期及波長之間所存在的具體關(guān)系曲線。如圖2，如果光柵周期沒有超過400 μm，則此時的纖芯模式將會和內(nèi)包層模式進行有效的耦合作用；如果該周期已經(jīng)超過了400 μm，則此時的纖芯模式將會和外包層模式出現(xiàn)充分的耦合。

圖2 包層模式諧振峰的波長與光柵周期的關(guān)系曲線

3 傳感特性測量

通過實驗研究了該光柵對環(huán)境中折射率的傳感特性，實驗裝置如圖3所示。

圖3 實驗裝置

當(dāng)處于室溫的環(huán)境條件時，在各種折射率的匹配液中浸沒光柵，然后再利用光譜儀將相關(guān)數(shù)據(jù)記錄下來。與之相關(guān)的諧振峰分析結(jié)果詳見圖4。雖然光柵區(qū)域的環(huán)境折射率有所提升，由之前的1.35提高至1.47，但諧振峰位置并未出現(xiàn)顯著的改變，只有0.3 nm，并且損耗變化只有0.24 dB。通過分析可知，在逐漸增大折射率之后，光柵光譜基本上并未出現(xiàn)顯著的改變。由于此時是內(nèi)包層模式，大部分的能量均分布在內(nèi)包層之中，因此外界折射率不會對其帶來顯著影響。

圖4 諧振峰—折射率曲線

通過深入地開展實驗測試，分析了在應(yīng)變、彎曲、溫度與扭轉(zhuǎn)等方面的傳感特性。進行扭轉(zhuǎn)特性的分析研究過程中，各種折射率大小的光纖都處在2個同軸夾具里。此時將會保持某個夾具的位置不動，然后利用另外的夾具來促使光纖發(fā)生不同方向的360°旋轉(zhuǎn)。在不斷地提高扭轉(zhuǎn)角的值之后，可以得到如圖5的光譜曲線。由圖可知，如果它所受的是逆時針扭轉(zhuǎn)力的作用，那么它的諧振峰將會在長波的方向上發(fā)生一定程度的漂移現(xiàn)象；如果它所受的是順時針扭轉(zhuǎn)力的作用，那么將朝著短波的方向發(fā)生漂移。

圖5 諧振峰波長—扭轉(zhuǎn)率曲線

在加熱爐中放入了擬分析光柵樣品，以探討溫度與光柵之間所存在的具體影響。當(dāng)爐溫逐漸由50 ℃提高為120 ℃的過程中，每隔10 ℃進行光譜數(shù)據(jù)的詳細記錄。本文所得到的諧振峰位置數(shù)據(jù)見圖6。由圖可知，在逐漸地升溫之后，可以發(fā)現(xiàn)諧振峰將會朝著長波的方向發(fā)生不斷的漂移,其波長變化的靈敏度為58.72 pm/℃。

圖6 諧振峰波長—溫度曲線

在進行各種方向下的彎曲研究工作過程中，需在鋼片之上放置光柵樣品，確保兩者為有效緊貼。在此基礎(chǔ)上，將通過螺旋測微器對該鋼質(zhì)薄片進行擠壓，確保傳感單元會與之同時發(fā)生彎曲。在逐漸地提高彎曲量后，可以發(fā)現(xiàn)：光纖軸線的兩側(cè)區(qū)域?qū)霈F(xiàn)折射率的明顯改變，然后影響到了其模式，使得其耦合系數(shù)產(chǎn)生一定的改變，最終會導(dǎo)致光譜發(fā)生漂移現(xiàn)象。在開展該測試研究時，可以發(fā)現(xiàn)樣品中出現(xiàn)了一定大小的曲率。所得到的曲率—諧振波長曲線見圖7。由圖可知，該樣品的彎曲靈敏度為-1.84 nm/m，此外，在逐漸地提高曲率之后，其波長將會朝著短波的方向發(fā)生一定的漂移。

隨后研究了該光柵對應(yīng)變的傳感特性。首先在2個位移臺間放置擬分析的樣品?？紤]到應(yīng)當(dāng)盡量地降低光纖振動或彎曲帶來的影響，所以將會對位移臺進行適當(dāng)?shù)恼{(diào)整，確保光纖具有良好的同軸性，并且將合適的預(yù)應(yīng)力施加到光纖軸向之上。在進行試驗時，需要使某個位移臺保持位置的固定，并且根據(jù)需要來移動另外的位移臺以提供微應(yīng)變，其范圍為0～4 000ε。因為軸向應(yīng)變有可能引起光纖出現(xiàn)一定的光彈效應(yīng)，導(dǎo)致其折射率發(fā)生改變。除此之外，軸向應(yīng)變還有可能使得光柵周期出現(xiàn)少量的波動。因此， 隨著應(yīng)變的增加，光譜隨之改變。本文所得到的應(yīng)變對于諧振峰損耗量的影響見圖8。由圖可知，在逐漸地提高應(yīng)變之后，將會進一步增強了模式之間的耦合，將會轉(zhuǎn)化更多纖芯模式為包層模式，由此帶來的結(jié)果就是諧振峰將會有更加顯著的損耗。

圖8 諧振峰損耗—應(yīng)變曲線

4 結(jié) 論

本文以階躍雙包層光纖作為基礎(chǔ)研究了新型螺旋型光纖傳感器。通過耦合模理論對其傳輸譜特性進行深入地探討。周期合適時，發(fā)現(xiàn)它可實現(xiàn)由纖芯模式向著內(nèi)包層模式的逐步耦合。根據(jù)所獲得的數(shù)據(jù)可知，該光纖光柵并不具有較高的折射率變化敏感性，但是它可以有效地完成關(guān)于應(yīng)變、彎曲、溫度與扭轉(zhuǎn)等4個方面的分析與測試。它可用在折射率比較復(fù)雜的環(huán)境條件之中，不會受到折射率波動所帶來的顯著影響，其傳感測量具有較高的可靠性與穩(wěn)定性。