基于多模細(xì)錐級(jí)聯(lián)的MZI液體折射率傳感器

摘 要： 基于Mach?Zehnder干涉儀原理，結(jié)合光纖熔錐技術(shù)，設(shè)計(jì)并制作了一種結(jié)構(gòu)為細(xì)錐?多模?細(xì)錐的液體折射率傳感器。光經(jīng)第一個(gè)多模細(xì)錐節(jié)點(diǎn)時(shí)，將在后面的多模光纖的纖芯和包層中激發(fā)出纖芯模和包層模，不同的模式有不同的模式折射率；再經(jīng)中間多模光纖部分傳輸時(shí)，不同模式光之間將產(chǎn)生光程差；最后在第二個(gè)多模細(xì)錐節(jié)點(diǎn)處耦合而干涉。對(duì)該傳感器輸出干涉光譜中干涉谷波長(zhǎng)隨外界溶液折射率變化的規(guī)律進(jìn)行了理論分析和實(shí)驗(yàn)研究。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，溶液折射率變化范圍為1.379～1.402時(shí)，干涉譜中1 566.68 nm附近的干涉谷波長(zhǎng)與溶液折射率有單調(diào)遞增的變化關(guān)系，對(duì)應(yīng)的靈敏度為783 nm/RIU。該傳感器制作簡(jiǎn)單、結(jié)構(gòu)緊湊、成本低、靈敏度高，在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域有較好的應(yīng)用前景。

關(guān)鍵詞： 光纖馬赫?曾德?tīng)柛缮鎯x； 折射率傳感； 光纖錐； 多模光纖

中圖分類號(hào)： TN61?34； TN253 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 1004?373X（2016）16?0147?04

Abstract： On the basis of the principle of Mach?Zehnder interferometer （MZI） and fiber pyrometric cone technology， a liquid refractive index sensor with thin?taper?multimode?thin?taper structure was designed and produced. When the light transmits through the first multimode thin taper node， the fiber core mode and cladding mode are excited in the subsequent multimode fiber core and cladding. Since different modes have their own refractive indexes， the optical path difference is produced among different light modes when the light transmits through the intermediate multimode fiber， and then， it forms the coupling and interference at the second multimode thin taper node. The change rule of the interference wave length （in interference spectrum output by the sensor） with the outside solution reflective index is analyzed theoretically and studied in experiment. The experimental results indicate that， when the variation range of solution reflective index is 1.379～1.402， the interference wave length nearby 1 566.88 nm in interference spectrum is monotone increasing with the solution reflective index， and the corresponding sensitivity is 783 nm/RIU. The sensor has the advantages of simple manufacturing， compact structure， low cost and high sensitivity， and has better application prospect in biomedical domain.

Keywords： fiber Mach?Zehnder interferometer； refractive index sensing； fiber taper； multimode fiber

0 引 言

折射率是反映物質(zhì)本質(zhì)的重要物理參數(shù)之一，在環(huán)境監(jiān)測(cè)、食品檢測(cè)、臨床檢驗(yàn)等領(lǐng)域有著非常重要的應(yīng)用。近年來(lái)，光纖Mach?Zehnder干涉（MZI）型折射率傳感器研究受到了廣泛的關(guān)注[1?5]。其中，基于單模?多模?單模（SMS）型光纖MZI結(jié)構(gòu)傳感器更是受到了廣泛重視，文獻(xiàn)[6]將多模光纖包層去除，并與單模光纖熔接，構(gòu)成SMS光纖結(jié)構(gòu)。在1.333～1.371的折射率變化范圍內(nèi)該結(jié)構(gòu)對(duì)環(huán)境折射率變化的響應(yīng)靈敏度為131.64 nm/RIU。文獻(xiàn)[7]用SMS與光纖布拉格光柵級(jí)聯(lián)的光纖結(jié)構(gòu)對(duì)環(huán)境折射率進(jìn)行了測(cè)量。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：在1.324～1.439的折射率變化范圍內(nèi)，該結(jié)構(gòu)對(duì)環(huán)境折射率變化的響應(yīng)靈敏度為7.33 nm/RIU。文獻(xiàn)[8]利用激光打點(diǎn)的方法在多模光纖中形成細(xì)錐，并與單模光纖連接構(gòu)成SMS型光纖結(jié)構(gòu)，在1.33～1.44折射率范圍內(nèi)該結(jié)構(gòu)對(duì)環(huán)境折射率變化的響應(yīng)靈敏度為487 nm/RIU。以上文獻(xiàn)對(duì)SMS型光纖結(jié)構(gòu)的折射率響應(yīng)特性進(jìn)行了研究，然而以上SMS型光纖結(jié)構(gòu)為提高傳感器靈敏度分別采用了氫氟酸腐蝕包層、級(jí)聯(lián)光柵和激光打點(diǎn)等方法，使得傳感器制作技術(shù)要求高且制作過(guò)程繁瑣。因此，研究和制作一種結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、制作方便、靈敏度高、成本低的光纖傳感器是人們所追求的目標(biāo)。

本文設(shè)計(jì)和制作了一種結(jié)構(gòu)為細(xì)錐?多模?細(xì)錐的SMS型折射率傳感器。制作了傳感器樣品，對(duì)傳感器的工作原理進(jìn)行了理論分析，并實(shí)驗(yàn)研究了折射率響應(yīng)特性。當(dāng)外界折射率變化范圍在1.379～1.402時(shí)，該傳感器對(duì)環(huán)境折射率變化的響應(yīng)靈敏度為783 nm/RIU。該傳感器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、便于制作，在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域有較好的應(yīng)用前景。

1 傳感器的制作與理論分析

1.1 傳感器制作

細(xì)錐的制作是通過(guò)熔接機(jī)熔接實(shí)現(xiàn)的。實(shí)驗(yàn)所用熔接機(jī)型號(hào)為古河S177，經(jīng)過(guò)多次熔接實(shí)驗(yàn)，確定熔接參數(shù)如下：首次放電開(kāi)始強(qiáng)度為200、結(jié)束強(qiáng)度為200、預(yù)熔時(shí)間為200 ms、首次放電時(shí)間為2 000 ms，Z退回距離為7 μm。圖1是用上述方法制作的光纖錐，錐區(qū)平坦區(qū)直徑D=64 μm，錐區(qū)長(zhǎng)度L=568 μm。

用上述熔接方法制作兩個(gè)光纖錐，第一個(gè)錐在多模光纖上，第二個(gè)錐在多模光纖與單模光纖的熔接節(jié)點(diǎn)上。兩錐之間的距離為20.0 mm，然后將該結(jié)構(gòu)接入光路，形成如圖2所示的光纖MZI傳感器。

1.2 工作原理

光源發(fā)出的光傳入單模光纖中，當(dāng)光傳到導(dǎo)入光纖與多模光纖（MMF1）熔接節(jié)點(diǎn)處時(shí)，由于多模光纖的芯徑較大，單模光纖中傳輸?shù)墓鈱⒃谠撊劢庸?jié)點(diǎn)處激發(fā)出多個(gè)模式，被激發(fā)的模式將在多模光纖（MMF1）纖芯中傳輸，根據(jù)文獻(xiàn)[9]研究表明MMF1起到增大干涉條紋對(duì)比度的作用。當(dāng)光傳輸經(jīng)第一個(gè)錐點(diǎn)處，多模光纖（MMF1）纖芯中傳輸?shù)墓庥幸徊糠诌M(jìn)入到后面的多模光纖（MMF2）的包層中傳輸，有一部分繼續(xù)在多模光纖（MMF2）纖芯中傳輸，再經(jīng)第二個(gè)錐點(diǎn)處，多模光纖（MMF2）中的包層模和纖芯模將會(huì)耦合進(jìn)入到導(dǎo)出光纖纖芯傳輸。光在MMF2中傳輸時(shí)，由于不同的模式具有不同的模式有效折射率，進(jìn)而導(dǎo)致光程差的產(chǎn)生，形成干涉圖樣。

根據(jù)光束干涉理論[10]，MZI的輸出光強(qiáng)可以表示為：

[I=Incore+mImcladding+m2?Incore?Imcladding? cos2πλncore，neff-ncladding，meff?L] （1）

式中：[I]為輸出光強(qiáng)；[Incore]和[Imcladding]分別為多模光纖內(nèi)傳輸?shù)牡趎階纖芯模和第m階包層模光強(qiáng)；[L]為多模光纖的長(zhǎng)度；[ncore，neff]為第n階纖芯模有效折射率；[ncladding，meff]為第m階包層模的有效折射率；[λ]是光在空氣中的波長(zhǎng)。

纖芯模與包層模之間的相位差為：

[ΔΦm，n=2πλncore，neff-ncladding，meff?L] （2）

當(dāng)[ΔΦm，n]滿足[ΔΦm，n]=[（2j+1）][π]，[j]=0，1，2，…時(shí)，將產(chǎn)生干涉極小值為：

[λj=2ncore，neff-ncladding，meffL2j+1] （3）

對(duì)式（3）關(guān)于折射率求導(dǎo)，得出折射率靈敏度為：

[dλjdRI=2L2j+1?d?RIncore，neff-ncladding，meff] （4）

由上述分析可知，當(dāng)傳感器所處環(huán)境的折射率發(fā)生變化時(shí)，傳感器中纖芯模和包層模的有效折射率將會(huì)發(fā)生改變，進(jìn)而導(dǎo)致傳感器透射光譜發(fā)生漂移。文獻(xiàn)[11]的研究表明，隨著環(huán)境折射率變大，[ncore，neff-ncladding，meff>0]，由式（4）可知[dλjdRI>0]。因此，隨著環(huán)境折射率變大，傳感器透射光譜將向長(zhǎng)波方向增加。通過(guò)測(cè)量特征波長(zhǎng)[λj]的漂移量，就可以解調(diào)出環(huán)境折射率的變化。

2 實(shí)驗(yàn)及結(jié)果分析

圖3為實(shí)驗(yàn)裝置圖，實(shí)驗(yàn)在室溫下進(jìn)行，實(shí)驗(yàn)配置了不同濃度的蔗糖溶液作為折射率樣品， 每次實(shí)驗(yàn)測(cè)量前用阿貝折射率檢測(cè)儀檢測(cè)溶液折射率。實(shí)驗(yàn)中將不同濃度的蔗糖溶液滴在傳感器上，每次測(cè)量之后用無(wú)水乙醇反復(fù)清洗傳感器。實(shí)驗(yàn)對(duì)傳感器的折射率響應(yīng)特性進(jìn)行了研究。圖4為MMF2長(zhǎng)度為5.0 mm時(shí)，傳感器的透射光譜圖，實(shí)驗(yàn)選取1 575 nm附近的干涉谷作為監(jiān)測(cè)對(duì)象，改變環(huán)境折射率時(shí)，記下該波谷處的波長(zhǎng)漂移量。傳感器在不同折射率溶液中的光譜響應(yīng)如圖5所示。圖5表明，在1.379～1.402的折射率變化范圍內(nèi)，隨著蔗糖溶液折射率的增加，該干涉谷波長(zhǎng)向長(zhǎng)波方向漂移了3.71 nm，該實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象與前面理論分析一致。

為了進(jìn)一步分析MMF2的長(zhǎng)度對(duì)傳感器響應(yīng)靈敏度的影響，實(shí)驗(yàn)制作了MMF2長(zhǎng)度不同的傳感器樣品，并用所制作的傳感器樣品對(duì)環(huán)境折射率進(jìn)行測(cè)量。

圖6所示為MMF2長(zhǎng)度為10.0 mm的傳感器在空氣中的透射光譜圖。圖7為該傳感器在不同折射率溶液中的透射光譜。

由圖7可知隨著折射率的增加，特征波長(zhǎng)向長(zhǎng)波方向漂移。當(dāng)傳感器周圍溶液折射率從1.379變化到1.402時(shí)，透射光譜中1 546 nm附近的干涉谷向長(zhǎng)波方向漂移了8.86 nm。

圖8所示為MMF2長(zhǎng)度為20.0 mm的傳感器在空氣中的透射光譜圖。圖9為該傳感器在不同折射率溶液中的透射光譜。由圖9可知，隨著折射率的增加，特征波長(zhǎng)向長(zhǎng)波方向漂移。當(dāng)傳感器周圍溶液折射率從1.379變化到1.402時(shí)，透射光譜中1 567 nm附近的干涉谷向長(zhǎng)波方向漂移了18.8 nm。對(duì)圖5、圖7、圖9所示的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，結(jié)果如圖10所示。

由圖10可知，在1.379～1.402的折射率變化范圍內(nèi)，上述干涉極小值點(diǎn)處波長(zhǎng)與溶液折射率之間有很好的響應(yīng)關(guān)系，當(dāng)MMF2長(zhǎng)度分別為為5.0 mm，10.0 mm和20.0 mm時(shí)，對(duì)應(yīng)的傳感器對(duì)環(huán)境折射率變化的響應(yīng)靈敏度為161.30 nm/RIU，385.21 nm/RIU和783 nm/RIU。

時(shí)特征波長(zhǎng)隨外界折射率的變化

3 結(jié) 論

本文設(shè)計(jì)了一種結(jié)構(gòu)為細(xì)錐?多模?細(xì)錐的SMS型折射率傳感器。制作了傳感器樣品，對(duì)傳感器的工作原理進(jìn)行了理論分析，并通過(guò)實(shí)驗(yàn)研究了傳感器對(duì)環(huán)境折射率變化的響應(yīng)特性。當(dāng)環(huán)境折射率變化范圍在1.379～1.402時(shí)，該傳感器對(duì)環(huán)境折射率變化的響應(yīng)靈敏密度為783 nm/RIU。通過(guò)改變傳感器中起傳感臂作用的MMF2的長(zhǎng)度發(fā)現(xiàn)：傳感器對(duì)環(huán)境折射率的響應(yīng)靈敏度隨著MMF2長(zhǎng)度的增加而變大。該干涉儀結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、便于制作，在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域有較好的應(yīng)用前景。

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