基于多模細錐級聯的MZI液體折射率傳感器

摘 要： 基于Mach?Zehnder干涉儀原理，結合光纖熔錐技術，設計并制作了一種結構為細錐?多模?細錐的液體折射率傳感器。光經第一個多模細錐節點時，將在后面的多模光纖的纖芯和包層中激發出纖芯模和包層模，不同的模式有不同的模式折射率；再經中間多模光纖部分傳輸時，不同模式光之間將產生光程差；最后在第二個多模細錐節點處耦合而干涉。對該傳感器輸出干涉光譜中干涉谷波長隨外界溶液折射率變化的規律進行了理論分析和實驗研究。實驗結果表明，溶液折射率變化范圍為1.379～1.402時，干涉譜中1 566.68 nm附近的干涉谷波長與溶液折射率有單調遞增的變化關系，對應的靈敏度為783 nm/RIU。該傳感器制作簡單、結構緊湊、成本低、靈敏度高，在生物醫學領域有較好的應用前景。

關鍵詞： 光纖馬赫?曾德爾干涉儀； 折射率傳感； 光纖錐； 多模光纖

中圖分類號： TN61?34； TN253 文獻標識碼： A 文章編號： 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

折射率是反映物質本質的重要物理參數之一，在環境監測、食品檢測、臨床檢驗等領域有著非常重要的應用。近年來，光纖Mach?Zehnder干涉（MZI）型折射率傳感器研究受到了廣泛的關注[1?5]。其中，基于單模?多模?單模（SMS）型光纖MZI結構傳感器更是受到了廣泛重視，文獻[6]將多模光纖包層去除，并與單模光纖熔接，構成SMS光纖結構。在1.333～1.371的折射率變化范圍內該結構對環境折射率變化的響應靈敏度為131.64 nm/RIU。文獻[7]用SMS與光纖布拉格光柵級聯的光纖結構對環境折射率進行了測量。實驗結果表明：在1.324～1.439的折射率變化范圍內，該結構對環境折射率變化的響應靈敏度為7.33 nm/RIU。文獻[8]利用激光打點的方法在多模光纖中形成細錐，并與單模光纖連接構成SMS型光纖結構，在1.33～1.44折射率范圍內該結構對環境折射率變化的響應靈敏度為487 nm/RIU。以上文獻對SMS型光纖結構的折射率響應特性進行了研究，然而以上SMS型光纖結構為提高傳感器靈敏度分別采用了氫氟酸腐蝕包層、級聯光柵和激光打點等方法，使得傳感器制作技術要求高且制作過程繁瑣。因此，研究和制作一種結構簡單、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。

本文設計和制作了一種結構為細錐?多模?細錐的SMS型折射率傳感器。制作了傳感器樣品，對傳感器的工作原理進行了理論分析，并實驗研究了折射率響應特性。當外界折射率變化范圍在1.379～1.402時，該傳感器對環境折射率變化的響應靈敏度為783 nm/RIU。該傳感器結構簡單、便于制作，在生物醫學領域有較好的應用前景。

1 傳感器的制作與理論分析

1.1 傳感器制作

細錐的制作是通過熔接機熔接實現的。實驗所用熔接機型號為古河S177，經過多次熔接實驗，確定熔接參數如下：首次放電開始強度為200、結束強度為200、預熔時間為200 ms、首次放電時間為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，錐區平坦區直徑D=64 μm，錐區長度L=568 μm。

用上述熔接方法制作兩個光纖錐，第一個錐在多模光纖上，第二個錐在多模光纖與單模光纖的熔接節點上。兩錐之間的距離為20.0 mm，然后將該結構接入光路，形成如圖2所示的光纖MZI傳感器。

1.2 工作原理

光源發出的光傳入單模光纖中，當光傳到導入光纖與多模光纖（MMF1）熔接節點處時，由于多模光纖的芯徑較大，單模光纖中傳輸的光將在該熔接節點處激發出多個模式，被激發的模式將在多模光纖（MMF1）纖芯中傳輸，根據文獻[9]研究表明MMF1起到增大干涉條紋對比度的作用。當光傳輸經第一個錐點處，多模光纖（MMF1）纖芯中傳輸的光有一部分進入到后面的多模光纖（MMF2）的包層中傳輸，有一部分繼續在多模光纖（MMF2）纖芯中傳輸，再經第二個錐點處，多模光纖（MMF2）中的包層模和纖芯模將會耦合進入到導出光纖纖芯傳輸。光在MMF2中傳輸時，由于不同的模式具有不同的模式有效折射率，進而導致光程差的產生，形成干涉圖樣。

根據光束干涉理論[10]，MZI的輸出光強可以表示為：

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

式中：[I]為輸出光強；[Incore]和[Imcladding]分別為多模光纖內傳輸的第n階纖芯模和第m階包層模光強；[L]為多模光纖的長度；[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。

纖芯模與包層模之間的相位差為：

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

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

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

對式（3）關于折射率求導，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，當傳感器所處環境的折射率發生變化時，傳感器中纖芯模和包層模的有效折射率將會發生改變，進而導致傳感器透射光譜發生漂移。文獻[11]的研究表明，隨著環境折射率變大，[ncore，neff-ncladding，meff>0]，由式（4）可知[dλjdRI>0]。因此，隨著環境折射率變大，傳感器透射光譜將向長波方向增加。通過測量特征波長[λj]的漂移量，就可以解調出環境折射率的變化。

2 實驗及結果分析

圖3為實驗裝置圖，實驗在室溫下進行，實驗配置了不同濃度的蔗糖溶液作為折射率樣品， 每次實驗測量前用阿貝折射率檢測儀檢測溶液折射率。實驗中將不同濃度的蔗糖溶液滴在傳感器上，每次測量之后用無水乙醇反復清洗傳感器。實驗對傳感器的折射率響應特性進行了研究。圖4為MMF2長度為5.0 mm時，傳感器的透射光譜圖，實驗選取1 575 nm附近的干涉谷作為監測對象，改變環境折射率時，記下該波谷處的波長漂移量。傳感器在不同折射率溶液中的光譜響應如圖5所示。圖5表明，在1.379～1.402的折射率變化范圍內，隨著蔗糖溶液折射率的增加，該干涉谷波長向長波方向漂移了3.71 nm，該實驗現象與前面理論分析一致。

為了進一步分析MMF2的長度對傳感器響應靈敏度的影響，實驗制作了MMF2長度不同的傳感器樣品，并用所制作的傳感器樣品對環境折射率進行測量。

圖6所示為MMF2長度為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，特征波長向長波方向漂移。當傳感器周圍溶液折射率從1.379變化到1.402時，透射光譜中1 546 nm附近的干涉谷向長波方向漂移了8.86 nm。

圖8所示為MMF2長度為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，特征波長向長波方向漂移。當傳感器周圍溶液折射率從1.379變化到1.402時，透射光譜中1 567 nm附近的干涉谷向長波方向漂移了18.8 nm。對圖5、圖7、圖9所示的實驗數據進行擬合，結果如圖10所示。

由圖10可知，在1.379～1.402的折射率變化范圍內，上述干涉極小值點處波長與溶液折射率之間有很好的響應關系，當MMF2長度分別為為5.0 mm，10.0 mm和20.0 mm時，對應的傳感器對環境折射率變化的響應靈敏度為161.30 nm/RIU，385.21 nm/RIU和783 nm/RIU。

時特征波長隨外界折射率的變化

3 結 論

本文設計了一種結構為細錐?多模?細錐的SMS型折射率傳感器。制作了傳感器樣品，對傳感器的工作原理進行了理論分析，并通過實驗研究了傳感器對環境折射率變化的響應特性。當環境折射率變化范圍在1.379～1.402時，該傳感器對環境折射率變化的響應靈敏密度為783 nm/RIU。通過改變傳感器中起傳感臂作用的MMF2的長度發現：傳感器對環境折射率的響應靈敏度隨著MMF2長度的增加而變大。該干涉儀結構簡單、便于制作，在生物醫學領域有較好的應用前景。

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