一種新型的高靈敏度光纖傳感器的研究

武 興 會

(河南工程學(xué)院 電氣信息工程學(xué)院，河南 鄭州 451191)

0 引言

通過近側(cè)面拋磨工藝加工而成的D型光纖因直徑較大而便于封裝，此方法制成的光纖強(qiáng)度較高，具有獨(dú)特的光學(xué)特性[1-3]。因此，近側(cè)面拋磨工藝常被用于制作各種全光纖器件[4-7]。

迄今為止，研究專家主要從兩方面研究D型光纖：

1) 改進(jìn)拋磨工藝。在降低成本的前提下提高光纖的光學(xué)性能，實現(xiàn)低成本的批量生產(chǎn)。

2) 利用D型光纖制造出性能更好的新型全光纖傳感器件。

目前，D型光纖的制作方法主要分為對側(cè)邊的基塊拋磨法和輪式拋磨法、激光法3種[8-10]。與其他兩種方法相比，輪式拋磨法成本低，且制作的光纖實用。2017年，鄭敏娟等[11]研究了一套新型的光纖側(cè)面拋磨和光纖涂覆裝置。同年，Ahmad等[12]在單模光纖方面設(shè)計了一種新的拋磨法。因此，如何通過改進(jìn)D型光纖的制作方法搭建功能更強(qiáng)的拋磨平臺勢在必行。用D型光纖制成的倏逝波傳感器具備體積小、成本低及測量距離遠(yuǎn)等優(yōu)點，因而受到研究者的青睞。2015年，周劍英等[13]利用D型光纖通過飛秒激光方法制作出靈敏度達(dá)37 dB/RIU的光纖傳感器。2016年， 吳學(xué)忠[14]利用D型光纖制成了靈敏度達(dá)1.674 9 rad/MPa的D型光纖開放式琺珀壓力傳感器。2020年， 胡志杰[15]對采用直接拉制的D型光纖作為傳感器進(jìn)行了研究，其制成的傳感器靈敏度高達(dá)196.35 dB/RIU。2021年，張淑莉等[16]提出了一種利用雙層金光柵結(jié)構(gòu)制成的D型光纖傳感器，其制成的傳感器雖同時提高了靈敏度和線性度，但遠(yuǎn)不能滿足當(dāng)今社會需求。因此，利用D型光纖制成的倏逝波傳感器目前面臨的最大問題是無法保證靈敏度和線性度同時達(dá)到較理想的狀態(tài)。

綜上所述，本文首先利用實驗室自主搭建的光纖側(cè)面拋磨裝置制備D型光纖，然后利用D型光纖制備了表面較粗糙的消逝場傳感器，此傳感器可同時提高靈敏度和線性度。

1 傳感器基本原理與表面粗糙度仿真

光在光纖內(nèi)部傳播時，會在纖芯及包層界面形成消逝場。由于光纖的包層在光傳播時不會吸收光，所以光傳播時不會存在能量損失。當(dāng)光纖橫截面被拋磨至D型后，由于消逝場與被測物質(zhì)發(fā)生作用將造成部分能量被吸收，故使光纖的輸出光強(qiáng)減少。消逝場傳感器的機(jī)理是通過測量光纖輸出光強(qiáng)的大小，反推出物質(zhì)溶液的折射率。當(dāng)制作的光纖表面粗糙時可引起瑞利散射，造成較大的損耗，隨之可提高傳感器的靈敏度。

采用D型光纖纖芯半徑為4 μm，纖芯折射率為1.445 6，包層折射率為1.437 8，剩余包層厚度為500 nm，在粗糙度分別為2 nm、5 nm、7 nm和10 nm的條件下，分析D型光纖傳感器分別在待測介質(zhì)折射率為1.33和1.36下的透射譜，如圖1所示。

圖1 不同粗糙度下D型光纖的透射譜

由圖1可看出，光纖表面的粗糙度越小，D型光纖傳感器的共振峰向長波長方向漂移，且共振峰變得更寬、更淺，共振譜的半高全寬明顯變大，靈敏度降低，導(dǎo)致其品質(zhì)因數(shù)急劇降低，這樣會嚴(yán)重影響傳感器的性能。

本文利用側(cè)邊拋磨法通過去掉光纖的包層制成D型光纖傳感器。當(dāng)光傳播時在拋磨區(qū)形成消逝場，消逝場的大小隨徑向位置呈指數(shù)衰減。當(dāng)消逝場傳感器接觸到溶液時，溶液折射率的變化可通過光強(qiáng)的變化進(jìn)行檢測。

2 D型光纖傳感器的制作

圖2(a)為輪式光纖側(cè)面拋磨系統(tǒng)。圖2(b)為根據(jù)圖2(a)自主搭建的輪式光纖側(cè)面拋磨系統(tǒng)。利用搭建的系統(tǒng)進(jìn)行D型光纖的制作。圖2(c)、(d)分別為經(jīng)顯微鏡觀察到的拋磨光纖過渡區(qū)的側(cè)視圖和橫截面圖。 圖2(b)中，由900目粗糙度砂紙包裝而成的磨輪固定在一維y軸平移臺上，平移臺可通過手動控制以達(dá)到充分利用拋磨紙的目的。單模光纖(長飛G652D)的纖芯和包層直徑分別為?9 μm和?125 μm。首先用兩個光纖夾具分別夾住光纖兩端，然后中間剝?nèi)ゼs2.5 cm，用酒精反復(fù)擦洗干凈，剝?nèi)ゲ糠植环旁谀ポ喩?。最后利用光纖適配器將光纖兩端分別連接于ILX Lightwave公司生產(chǎn)的光功率計(OMM-6810B/OMH-6727B)和1 550 nm光纖激光器(STL2000)上，SPF的透射功率通過激光器和光功率計進(jìn)行實時監(jiān)測。通過手動進(jìn)行平移臺在x軸上的調(diào)整，在光纖研磨過程中給光纖適當(dāng)增加壓力。采用激光光源MPS-8033/01對光功率計進(jìn)行穩(wěn)定性測試，測試結(jié)果如圖3所示。由圖3可看出，光功率計的功率穩(wěn)定性優(yōu)于±0.001 dB。

圖2 搭建的系統(tǒng)及制成的光纖

圖3 光功率計的功率穩(wěn)定性測量

3 實驗結(jié)果與討論

3.1 D型光纖傳感器的折射率傳感測試

由拋磨實驗可知，在拋磨初期，功率不發(fā)生改變，隨著拋磨不斷深入，逐漸靠近纖芯時功率發(fā)生了明顯變化，證明此時有消逝波溢出。利用顯微鏡測得光纖損耗與平坦區(qū)剩余直徑關(guān)系如表1所示。由表可看出，光纖拋磨過程中最大損耗為30 dB。因此，以6 dB作為一個損耗梯度制作5組D型光纖，拋磨區(qū)和過渡區(qū)的長度分別為4.2 mm和1.8 mm，如圖4(a)所示。將制作的5組D型光纖用凹形載玻片封裝后，通過不同離子濃度的去離子水溶液進(jìn)行折射率傳感測試。如圖4(b)所示，首先用光源和功率計連接光纖兩端，然后用不同濃度的去離子水溶液浸泡待測光纖，并分別記錄數(shù)據(jù)。每次浸泡完光纖后，用溫水將殘留的溶液清洗干凈，防止產(chǎn)生污染。

表1 拋磨損耗與拋磨平坦區(qū)剩余光纖直徑的關(guān)系

圖4 D型光纖傳感器的側(cè)視圖和折射率傳感裝置圖

折射率傳感靈敏度為

(1)

式中dP，dn分別為損耗和折射率的變化。

不同拋磨損耗的D型光纖在不同折射率溶液中的傳輸功率如圖5所示。由圖可看出，傳感器的傳感靈敏度隨著光纖損耗的增大而增大，6～30 dB光纖的傳感靈敏度分別為4.18 dB/RIU、11.89 dB/RIU、30.12 dB/RIU、56.42 dB/RIU、75.11 dB/RIU。傳輸損耗和折射率經(jīng)擬合后得到的系數(shù)分別為0.972 23、0.979 96、0.978 85、0.986 84、0.993 57。由此可得，30 dB損耗制作的光纖可同時滿足最高的靈敏度和線性度。但在實際制作時，30 dB損耗不及24 dB損耗制作的光纖性能高，因此，損耗為24 dB制成的光纖靈敏度和線性度均需通過進(jìn)一步的實驗來提高。

圖5 不同拋磨損耗的D型光纖傳感器傳輸損耗與折射率的關(guān)系

3.2 D型光纖傳感器的重復(fù)性測試

D型光纖的重復(fù)性同樣重要，因此，我們制作了3個損耗都是24 dB的D型光纖，在條件相同時對其折射傳感性能進(jìn)行測試，測試結(jié)果如圖6所示。經(jīng)過對比分析可得，這3個光纖的靈敏度從小到大依次是50.98 dB/RIU、53.05 dB/RIU、56.22 dB/RIU，最大誤差約為3.8 dB/RIU，體現(xiàn)了較好的靈敏度。造成微小誤差的原因主要有拋磨損耗、環(huán)境干擾，以及每次拋磨因拉力和速度不同而造成的粗糙度不同。本文制作的D型光纖具備很好的可重復(fù)性。

圖6 24 dB拋磨損耗的D型光纖的3組樣品折射率傳感曲線

3.3 D型光纖傳感器的穩(wěn)定性測試

為了測試光纖性能的穩(wěn)定性，準(zhǔn)備碳酸鈣溶液、稀鹽酸、NaCl溶液3種不同溶液。將3個18 dB的D型光纖分別放入3種溶液6 h，每過一段時間記錄功率計值，最后記錄數(shù)據(jù)如圖7所示。由圖可看出，D型光纖具備很好的穩(wěn)定性，其傳輸功率值變化很小，基本變化范圍在±0.02 dB內(nèi)，證明了制備的D型光纖的穩(wěn)定性很好。

圖7 18 dB拋磨損耗的D型光纖在不同溶液中的時間穩(wěn)定性曲線

3.4 D型光纖探針傳感器的折射率傳感測試

為了更好地測量傳感器的折射率傳感，需用切割刀在距離拋磨區(qū)1 cm處進(jìn)行切割，直到露出平整端面為止；然后用鍍膜儀鍍上厚188 nm的Ag膜，得到的D型光纖如圖8所示。由圖可看出，1 550 nm的激光器發(fā)射的入射光經(jīng)過環(huán)形器后，通過被測溶液傳輸?shù)焦饫w探針中。當(dāng)入射光到達(dá)探針的拋磨區(qū)后，消逝場由于與被測物質(zhì)作用會引起能量的吸收，周圍環(huán)境不同的折射率同樣會影響輸出光強(qiáng)。反射光經(jīng)過端面的Ag膜后，將再次通過傳感區(qū)域和環(huán)形器而反射進(jìn)入光功率計。

圖8 折射率傳感實驗裝置圖

同樣條件下，以3 dB作為一個損耗梯度制作6組不同能量損耗的探針型D型光纖，然后對這6組光纖進(jìn)行折射率傳感測試，并對測試結(jié)果進(jìn)行對比分析，如圖9所示。光纖探針的拋磨損耗為6～21 dB(3 dB為上升梯度)對應(yīng)的傳感靈敏度分別是6.99 dB/RIU、16.98dB/RIU、20.89dB/RIU、25.66 dB/RIU、66.02dB/RIU、39.91dB/RIU，傳輸損耗和折射率經(jīng)擬合后得到的系數(shù)分別為0.928 84、0.990 10、0.998 17、0.989 71、0.995 81、0.989 99。由此可得，與非探針型D型光纖相比，探針型D型光纖(損耗均在5 dB以上)的線性相關(guān)系數(shù)均大于0.999，線性度有較大提升。與文獻(xiàn)[13]中對光纖傳感靈敏度的研究對比分析可得，本文研究的損耗為18 dB的探針型D型光纖的靈敏度提高了2倍。折射率為

(2)

式中dPmin=0.005表示光功率計的最小分辨單位。通過式(2)計算可得傳感器的折射率精度為0.000 04。

圖9 不同拋磨損耗的探針型D型光纖傳感器

4 結(jié)束語

通過自主搭建的輪式光纖側(cè)面拋磨系統(tǒng)制備D型光纖，改變光纖的表面粗糙度和探針類型，可較大地提高傳感器的靈敏度及線性度。通過實驗可知，本文制備的D型光纖傳感器不僅具有強(qiáng)大的穩(wěn)定性，且線性度很好。尤其是拋磨損耗為18 dB的傳感器靈敏度和線性相關(guān)系數(shù)分別高達(dá)66.02 dB/RIU和99.58%。通過對折射率的精度進(jìn)行測量和計算，可得其折射率精度高達(dá)0.000 04。本文制作的傳感器在制作成本及性能方面都有很大優(yōu)勢，具有廣泛應(yīng)用于生化傳感(如目前出現(xiàn)的新冠疫情等)及對環(huán)境的污染程度進(jìn)行實時監(jiān)測的潛力。