基于單纖拉錐M-Z干涉儀的折射率傳感器

丁祥霞，董興法，呂正兵，姜 莉，吳 婧

（蘇州科技大學光電與信息技術研究所，江蘇蘇州 215009）

基于單纖拉錐M-Z干涉儀的折射率傳感器

丁祥霞，董興法，呂正兵，姜 莉，吳 婧

（蘇州科技大學光電與信息技術研究所，江蘇蘇州 215009）

在單模光纖中級聯(lián)兩個對稱緩錐，中間段去除涂覆層，包層作為傳感臂對外界折射率敏感，實驗上形成M-Z（馬赫-曾德爾）干涉儀。對錐區(qū)光場進行分析，當錐腰半徑為25μm時，光纖內模場半徑達到最大值，約為14.8μm。當錐形光纖錐腰半徑為12.5μm、過渡區(qū)為5 mm、錐間隔為131 mm時，耦合與合波效果最佳，此時傳感臂可檢測的酒精濃度范圍為0～100%，折射率和波長偏移存在很好的線性關系，靈敏度為-120 nm/RIU。該傳感器具有插入損耗低、性能穩(wěn)定和抗干擾能力強等優(yōu)點，可應用于酒廠酒精度檢測和水質監(jiān)測等領域。

光纖光學；干涉儀；對稱緩錐；傳感器；折射率

0 引言

自然界中物質的質量、密度、折射率以及其他相關電學參數(shù)都是反映其特性的重要物理量，其中折射率參數(shù)在環(huán)境監(jiān)測、石油化工和醫(yī)療等領域尤為重要［1］。近年來，越來越多的學者利用單根光纖制作M-Z（馬赫-曾德爾）干涉儀，用于折射率、溫度等方面的測量。光纖M-Z干涉儀不僅具有一般干涉儀的優(yōu)點，還具有制作簡單、價格低、損耗低和性能穩(wěn)定等特性［2］，且在單根光纖上就可以產(chǎn)生干涉，可用于折射率、應力、溫度和濕度等的傳感測量。實現(xiàn)M-Z干涉儀的基本原理是在單光纖上制作出特殊的光纖結構［3］，這些特殊結構要求既能激發(fā)出光纖高階模又能將其再與纖芯基模進行耦合，兩者之間產(chǎn)生相位差，從而發(fā)生干涉。根據(jù)模式激發(fā)方式的不同，特殊光纖結構可分為錯位型［4］、纖芯失配型［5］、光纖氣泡型和光纖錐型［6］等。錯位型是在熔接光纖時使纖芯發(fā)生偏移，在熔接點處將高階模和纖芯基模耦合，但錯位熔接損耗較大，且需嚴格控制熔接參數(shù)；纖芯失配型是將不同芯徑的光纖進行熔接造成芯徑不匹配從而激發(fā)高階模，但由于芯徑不同，光纖耐放電程度也不同，放電過大或過小都會導致熔接失敗，需要反復調整熔接程序［7］；光纖氣泡型是在光纖端面制作空氣氣泡后再進行熔接形成空氣腔而激發(fā)高階模，但在熔接氣泡時需不斷修改熔接參數(shù)，避免由于放電強度過大導致熔接坍塌；光纖錐型是使用物理或化學方法改變光纖直徑（變粗或變細）激發(fā)高階模。由于光纖錐型M-Z干涉儀成本低，制作更為簡便，在折射率傳感測量中被廣泛研究。2008年，Zhao Bingtian等人在一根標準單模光纖上制作出一個錐區(qū)長900μm、錐腰直徑約40μm的銳錐，構成單光纖M-Z干涉儀，其折射率靈敏度約為-35 nm/RIU［8］。隨后的大量研究都是基于錐區(qū)為銳錐的情況，鮮有錐區(qū)為緩錐的研究。

本文將對稱緩錐結構置入單模裸光纖中，制成新型M-Z酒精濃度傳感器。實驗中使用普通拉錐機對單模裸光纖進行拉錐，通過改變拉錐機中步進電機的速度可以制作不同結構的緩錐。經(jīng)過多次實驗找到最佳拉錐參數(shù)，制作出了級聯(lián)對稱緩錐結構M-Z干涉?zhèn)鞲衅鳎治隽隋F形光纖光場變化與光纖半徑的關系［9］，理論推導了波長偏移量和錐間隔以及外界折射率之間的關系［10］。結果表明，該傳感器具有制作簡單、價格低、性能穩(wěn)定且酒精濃度響應靈敏度高等優(yōu)點。

1 錐形光纖的特性分析

光纖M-Z干涉儀主要基于纖芯模和包層模之間的耦合，其結構可分為兩個對稱部分。通過第1個結構時，纖芯中的能量耦合到包層中，經(jīng)過第2個結構時，包層中的能量重新耦合回纖芯中，因為包層模和纖芯模之間存在有效折射率差，不同模式間產(chǎn)生相位差，形成干涉達到傳感檢測目的［11］。光纖M-Z干涉儀主要分為以下幾種:光纖纖芯中置入一對具有一定間隔且結構相同的長周期光纖光柵［12］、有偏差的兩段光纖結構級聯(lián)形成的纖芯失配M-Z干涉儀結構、纖芯直徑被放大的對稱粗錐結構［13］以及在纖芯中置入對稱細錐的M-Z干涉儀結構。

光纖的錐形結構分為包層錐結構（纖芯半徑不變包層半徑變小）和纖芯錐結構（纖芯半徑和包層半徑同時改變）。拉制光纖的常用方法可分為物理器件研磨法、化學試劑腐蝕法以及熔融拉錐法［14］。拉錐光纖的形狀結構分為錐腰區(qū)（錐均勻區(qū)）、過渡區(qū)（錐區(qū)）和未拉錐光纖區(qū)（原始光纖區(qū)）。圖1所示為對稱錐構成M-Z干涉儀的結構示意圖。新型的MZ干涉儀由一段常規(guī)單模光纖和兩個單模緩錐組成，兩個緩錐之間的單模光纖去除涂覆層當成傳感臂。第1個光纖錐將單模光纖中的高階模激發(fā)進入包層，高階模和纖芯基模傳輸一段距離后在第2個光纖錐耦合輸出［15］。兩者間存在的有效折射率差導致相位差，從而產(chǎn)生干涉。

圖1 對稱錐形M-Z干涉儀結構示意圖

在光纖拉制的過程中，隨著光纖半徑的減小，纖芯中傳輸?shù)墓鈭鱿葦U散到包層中［16］，此時包層的歸一化頻率，式中，a為纖芯半徑；λ為光波波長；n0為空氣折射率；nclad為包層折射率。包層支持多種模式傳播，模場半徑隨著光纖外徑的減小而增大［17］；當光纖半徑減小到一定程度（約40μm）時，包層與空氣界面開始影響光纖內的光場，限制模場增大，但是起主導作用的是纖芯中模場向包層中擴散，整體上模場半徑還在持續(xù)增大［18］；當光纖半徑減小到25μm時，光場幾乎全部擴散到包層中，此時包層-空氣組成具有一定折射率差的波導結構，包層與空氣界面對光纖內光場的影響已經(jīng)與纖芯中模場向包層中擴散能力相抵消，此時模場半徑達到最大數(shù)值，約為14.8μm；當光纖半徑繼續(xù)減小時，空氣和包層的限制起主導作用，模場半徑隨著光纖半徑的減小而減小［19］；當光纖半徑減小到0.5μm時，包層中只剩下包層基模Vcd＜2.405。

2 光纖M-Z干涉儀的折射率傳感器

本文采用熔融拉錐法，選用基隆公司的OC-2020拉錐機，光纖為康寧公司的SMF-28單模光纖［15］，其各項參數(shù)如下:纖芯直徑為8.3μm，光纖外徑為125μm，纖芯折射率為1.467 7，包層折射率為1.463 3。圖2所示為光纖錐腰區(qū)和未拉錐光纖的對比圖。實驗中錐形光纖的錐腰區(qū)半徑約為12.5μm，過渡區(qū)約為5 mm。過渡區(qū)長度遠大于錐腰區(qū)直徑，此時拉錐光纖為緩錐光纖結構。

圖2 光纖錐腰區(qū)和未拉錐光纖的對比圖

當光源通過對稱錐時，其輸出譜可以通過光譜分析儀顯示。纖芯的基模和包層模式之間將產(chǎn)生相位差φ，形成M-Z干涉［5］。基模的光程為X1= L1ncore，包層模的光程為X2=L2nclad，兩者的光程差為

式中，L1和L2分別為光信號在纖芯和包層中的傳輸距離；ncore為纖芯折射率。因為L1、L2可近似等于錐間隔L，化簡公式（1）得到ΔX=LΔn，Δn= ncore-nclad，此時基模跟包層模之間的相位差為

式中，λ為輸入光波長。

傳感器輸出端的光強表達式［17］如下:

式中，Icore（λ）和Iclad（λ）分別為纖芯模和包層模的光強；φ0為初始相位［4］。當φ0=0時，干涉條紋峰值波長和光程差的關系為

當外界折射率發(fā)生變化時，光纖包層模的有效折射率也會發(fā)生變化，變化量為δnclad，纖芯基模不受外界干擾，折射率保持不變。此時有效折射率差為δΔn，干涉波長偏移量為Δλ。新的干涉條紋峰值波長和光程差的關系為

聯(lián)立式（4）和式（5），得:

式中，δΔn=ncore-（nclad+δnclad）-（ncore-nclad）= -δnclad；干涉波長偏移量Δλ和包層模有效折射率變化量δnclad的關系為

式中，Δnext為外界折射率變化量。

由式（7）和式（8）可知，隨著外部折射率的增大，包層模有效折射率也增大，干涉譜會發(fā)生偏移，且錐間隔L與波長偏移量Δλ成反比。實驗中使用不同濃度的酒精作為外界溶液，通過追蹤干涉譜峰值波長的偏移量推算出折射率靈敏度，從而可以在外界溶液濃度未知時反推算出外界折射率，達到折射率測量的目的。

3 實驗分析

實驗中所用光源為AT公司的BBS（寬帶光源），OSA（光譜分析儀）為Agilent86140B。圖3所示為在BBS基礎上得到的透射譜曲線，波峰間隔3.72 nm，調制深度約16.7 dB。

實驗裝置如圖4所示。OSA的檢測范圍為1 530～1 570 nm，中心波長設置在1 550 nm附近。實驗中，將錐間隔L=131 mm的傳感器置于固定臺上，保持室溫為25℃不變，將傳感臂浸沒于不同濃度的酒精中，不同濃度的酒精折射率不同，波長偏移量也不相同。圖5所示為酒精濃度為25%、50%和100%（對應折射率為1.348、1.358和1.366）時的透射譜曲線。

圖3 對稱錐結構M-Z干涉儀透射譜

圖4 實驗裝置

圖5 不同濃度的酒精對應的透射譜

從圖中可知，當酒精濃度為25%時，折射率為1.348，此時透射譜曲線藍移1.44 nm；當酒精濃度為50%時，折射率為1.358，此時透射譜曲線藍移2.56 nm；當酒精濃度為100%時，折射率為1.366，此時透射譜曲線藍移3.60 nm。圖6所示為外界折射率與波長偏移量對應圖。從圖中計算得到該傳感器的靈敏度為-120 nm/RIU，與文獻［3］級聯(lián)兩個銳錐效果相近，折射率和波長偏移有很好的線性關系。當折射率靈敏度系數(shù)為正時，隨著折射率的增大，透射譜波長發(fā)生紅移；當折射率靈敏度系數(shù)為負時，隨著折射率的增大，透射譜波長發(fā)生藍移［8］。

圖6 不同折射率對應的波長偏移

4 結束語

本文提出一種新型的光纖緩錐形M-Z酒精濃度傳感器的制作方法，介紹了錐形光纖傳播理論以及新型全光纖M-Z傳感器的工作原理。錐腰半徑為25μm時，模場半徑可達最大值，約為14.8μm，改變酒精濃度，透射譜隨之產(chǎn)生偏移［4］。實驗制作了錐間隔L=131 mm的光纖M-Z酒精濃度傳感器，在一定折射率范圍內，傳感器的折射率響應度較高，靈敏度能達到-120 nm/RIU。該傳感器具有制作簡單、靈敏度高、插入損耗低、價格低廉和性能穩(wěn)定等特點，適合測量酒精等液體濃度，在酒廠及石化等領域有廣泛的應用前景。

［1］湯漢杰.基于倏逝波的錐形光纖液體折射率傳感的研究［D］.廣東，汕頭:汕頭大學，2013.

［2］姜莉.光纖光柵寫入及其應用研究［D］.天津:南開大學，2005.

［3］兆雪，紹敏，喬學光，等.光纖錐在線型馬赫-曾德爾干涉儀的折射率傳感特性［J］.光子學報，2016，45（2）: 0206006.

［4］CHOI H Y，KIM M J，LEE B H.All-fiber Mach-Zehnder type interferometer formed in photonic crystal fiber［J］.Optics Express，2007，15（9）:5711-5720.

［5］Xue Linlin，Yang Li.Sensitivity enhancement of RI sensor based on SMS fiber structure with high refractive index overlay［J］.Journal of Lightwave Technology，2012，30（10）:1463-1469.

［6］張姍姍.新型光纖M-Z干涉?zhèn)鞲薪Y構及特性研究［D］.天津:南開大學，2014.

［7］趙娜.光纖溫度、折射率傳感器研究［D］.西安:西安石油大學，2015.

［8］靖濤，王艷芳.錐形光纖在光纖傳感和光纖激光器上的應用［J］.信息技術，2010，（10）:113-118.

［9］奚小明.拉錐光纖的特性和應用研究［D］.長沙:國防科學技術大學，2010.

［10］趙娜，傅海威，邵敏，等.基于光纖粗錐型馬赫-曾德爾干涉儀的高靈敏度溫度傳感器的研制 ［J］.光譜學與光譜分析，2014，34（6）:1722-1726.

［11］方水平.新型熔錐型M-Z光纖干涉儀的研究與設計［J］.光通信技術，2014，（7）:26-28.

［12］Duhem O，Henninot J F，Douay M.Study of in fiber Mach-Zehnder interferometer based on two spaced 3-dB long period gratings surrounded by a refractive index higher than that of silica［J］.Opt Communication，2000，180（4-6）:255-262.

［13］Geng Y F，Li X J，Tan X L，et al.High-Sensitivity Mach-Zehnder Interferometric Temperature Fiber Sensor Based on a Waist-Enlarged Fusion Bitaper［J］.IEEE Sens Journal，2011，11（11）:2891-2894.

［14］張海玲.細徑保偏光纖熔融拉錐過程的仿真研究與實驗［D］.哈爾濱:哈爾濱工業(yè)大學，2013.

［15］熊貽坤，黃旭光.基于熔融拉錐光纖的液體折射率傳感器［J］.光學學報，2009，29（7）:1956-1960.

［16］黃祝明，張國平.光纖錐探針傳輸特性的研究［J］.物理與工程，2002，12（2）:45-47.

［17］周旋風.光纖模場適配器的制作研究［D］.長沙:國防科學技術大學，2012.

［18］Xia T H，Zhang A P，Gu B.Fiber-optic refractive-index sensors based on transmissive and reflective thin-core fiber modal interferometers［J］.Optics Communications，2010，286（10）:2136-2139.

［19］周紅軍.基于光楔的光纖法-珀應變傳感器解調系統(tǒng)原理研究［J］.激光與紅外，2007，37（6）:555-557.

A Refractive Index Sensor Based on Single Fiber Taper M-Z Interferometer

DING Xiang-xia，DONG Xing-fa，LüZheng-bing，JIANG Li，WU Jing
（College of Electronic and Information Engineering，Suzhou University of Science and Technology，Suzhou 215009，China）

In this paper，we cascade two symmetrical slow tapers in a single-mode fiber and remove the coating between two tapers，which achieve a Mach-Zehnder（M-Z）interferometer.The cladding is act as a sensing arm，which is sensitive to the refractive index in the outside world.Through the analysis of the optical field evolution of taper region，mode field radius will reach maximum value of 14.8μm when fiber taper has a radius of 25μm.When taper waist radius is 12.5μm，transition region is 5 mm，and taper region interval is 131 mm，the effect of coupling and waving is best.The sensing arm can detect alcohol concentration in the range of 0～100%，which has a good linear relationship between refractive index and wavelength offset with detection sensitivity of-120 nm/RIU.The sensor has advantages of low insertion loss，stable performance and strong anti-interference capacity，which can be applied to areas such as distillery and water quality monitoring.

fiber optics；interferometer；symmetrical slow taper；sensor；refractive index

TN253

A

1005-8788（2016）05-0058-04

10.13756/j.gtxyj.2016.05.017

2016-05-17

江蘇省青藍工程中青年學術帶頭人項目資助（2010-101）；江蘇省企業(yè)研究生工作站資助項目（2012-0819）

丁祥霞（1991-），女，江蘇南通人。碩士研究生，主要研究方向為光電信息處理。

董興法，教授。E-mail:dongxfa@mail.usts.edu.cn