一種全光纖Mach-Zehnder干涉式溫度傳感器設計

宮順順+李麗君+蔣露+張艷+李文憲+徐琳

【摘要】 本文提出了一種基于全光纖馬赫-曾德爾（Mach-Zehnder）干涉式光纖溫度傳感器結構，是在單模光纖（SMF）上熔接一段30mm長的細芯徑光纖，利用光纖的纖芯模和包層模對溫度靈敏度的差異，來測量在不同波長處的波長溫度關系，實現對溫度的測量。實驗中我們分別對波長1531.2375nm和1544.39nm處的干涉波谷進行測量，得到兩個波谷的溫度靈敏度分別為89pm/℃和94.7pm/℃，該溫度靈敏度系數遠遠大于光纖布拉格光柵，且測試曲線呈現很好的線性度。該類傳感器具有結構簡單、溫度靈敏度高、造價低等優點。

【關鍵字】 光纖傳感器 馬赫曾德爾干涉儀 溫度

An All-Fiber Mach-Zehnder interferometer Temperature Sensor

Abstract： In this paper， an all fiber fiber temperature sensor based on Mach-Zechnder interferometer （MZI） structure is proposed and experimentally studied. The fiber sensor is constructed by a sandwiching structure with a thin core fiber as 30mm length that was spliced between two standard single mode fibers. By measurement two different interference wavelength dips at 1531.2375nm and 1544.9nm， respectively， shift with temperature， its temperature characteristics are studied. Since the effective refractive index of core modes and cladding modes are different sensitivities to the temperature， the different dips wavelength display different temperature sensitivities with 89pm/℃ and 94.7pm/℃， respectively， which much larger than that of fiber Bragg grating， and very good linearity degree.The sensor has the advantages of simple structure， high temperature sensitivity and low cost

Key words： fiber sensor； Mach-Zehnder interferometer （MZI）； temperature

一、引言

全光纖結構馬赫-曾德爾干涉儀（MZI）由于結構簡單、體積小、質量輕、靈敏度高、抗腐蝕、容易制作且成本低，不易受電磁干擾等優點[1]而被廣泛應用于溫度[2]、濕度[3]、折射率[4]、PH[5]、應變[6]等多種物理量的測量并有著廣泛的應用前景。早在2006年，Enbang Li 等人就不同光纖的模場失配在普通單模光纖之間熔接一段多模光纖進行溫度傳感，在100℃-750℃之間得到了15pm/℃的靈敏度。而將拉錐光纖用于MZI 干涉儀則是基于單模光纖的熔融拉錐技術激發包層模式，例如P.Lu 等人將兩個拉錐光纖級聯實現了溫度和折射率的同時測量[11]。通過在包層區域引入平行于光纖軸向的微孔陣列，形成一種新的光纖結構，光子晶體光纖PCF。而將PCF 用于MZI 也引起了業內的廣泛關注，2013 年紀玉申等利用熔融拉錐PCF 構造的MZI 干涉儀，在折射率變化范圍為1.333～1.349 時，該傳感器對于不同質量濃度氯化鈉溶液的折射率測量靈敏度為210.075nm/RIU，在溫度測量范圍為20～70℃時，其溫度靈敏度約為1.8pm/℃，同時在測量中能夠克服溫度交叉敏感問題[12]。光纖干涉型傳感器具有易于制造和熱穩定性等很多優勢，因此特別適合制作高溫傳感器。

在過去的幾年間，有很多干涉式溫度傳感器被研究出來。2005年Y.Zhu等提出了一種Fabry–Perot （FP）類型的藍寶石光纖高溫傳感器[7]，可用來測量1600度左右的高溫。但是石英在1000度以上性質會發生改變，由于其成本低廉，在工業上仍用來測量900-1000度的溫度。2006年E.B.Li等人提出一種單模光纖和多模光纖混合結構光纖邁克爾遜干涉儀[8]。2008年 Y.Jung等人制作了一種在單模光纖中加入一段空心光纖的新型馬赫曾德爾干涉儀光纖溫度傳感器[9]。然而上述傳感器都存在溫度測量范圍小的缺點。

本文設計和制作了一種新穎的基于馬赫-曾德爾干涉的光纖溫度傳感器，在單模光纖（SMF）中間熔接一段30mm長度的細芯光纖（TCF），形成單?！毿尽獑文５墓饫w傳感器，從而形成馬赫-曾德爾干涉儀傳感結構。對傳感器的溫度特性進行理論分析和實驗研究，通過干涉譜中波谷隨溫度的漂移情況來計算溫度靈敏度。并且對比了不同波長干涉譜的溫度靈敏度，發現長波長具有更高的溫度靈敏度系數。本文制作的光纖傳感器具有制作簡便、成本低、測量結果可靠、穩定性高等優點。

二、原理

系統的結構圖如圖1所示，在第一個單模光纖（SMF）與細芯光纖的熔接點處，由于內徑模式的不匹配部分光從單模光纖的的纖芯進入細芯光纖的包層，然后再第二個細芯光纖與單模光纖的熔接點處耦合回單模光纖。圖2顯示了用COMSOL模擬的光在單模-細芯-單模中傳播的示意圖，用到的細芯光纖的纖芯直徑為5um ，纖芯和包層的折射率分別為1.4457和1.4378。圖2可見，有一部分光場從單模光纖纖芯由于結構的不匹配而進入細芯徑光纖包層，從而激起包層模。

三、實驗研究

3.1制作光纖傳感器

首先，取一段普通單模（SMF）和一段細芯光纖（TCF）用光纖熔接機熔接在一起，用切割刀，切出30mm的細芯光纖，另一端與普通單模光纖熔接我們的光纖溫度傳感器就制作完成了。

3.2溫度測量

實驗裝置如圖3所示，用夾具將傳感器拉直，并固定好，防止傳感器發生彎曲，將傳感器放入高溫老化箱中，高溫老化箱的溫度可控范圍是20-300℃，其溫度精確值是0.1℃；通過控制高溫老化箱的溫度，實現對光纖傳感器加熱的目的。采用寬帶光源（BBS）作為輸出光源，其波長范圍為1520-1610nm，用光譜儀（OSA，YokogawaAQ6370C）作為接收輸出的干涉光，其波長分辨率為0.05nm。

實驗中，溫度從20℃，逐漸增加到300℃，每次間隔為20℃，由圖4可以看出隨著外界溫度的升高，波谷由1531.9625nm漂移到1556.275 nm，當傳感器的外界溫度升高時，小芯徑光纖包層和芯層有效折射率都會相應增大，光纖芯層除了硅元素外還摻雜Ge，包層則主要是硅元素且沒有摻雜，導致芯層熱光系數比包層高。從而，當外界溫度升高時，芯層與包層模式的有效折射率差將會增大纖芯和包層的有效折射率都會相應的增大，干涉光譜會出現紅移現象，由圖5可見，在1531.2375nm（20℃）和1544.39nm（20℃）兩處的波谷1和波谷2的擬合系數分別為0.965和0.9937，靈敏度分別為89pm/℃和94.7pm/℃，實驗結果表明干涉波長越長，溫度靈敏度越高，不同級次干涉谷的波長位移量與外界溫度之間具有良好的線性關系。

此實驗可見，通過改變光纖傳感器周圍環境溫度的方法，來改變光纖的傳輸波長，從而實現對溫度的傳感，該實驗我們重復了3 次以上，每次都能觀測到同樣結果。并且此結構的溫度傳感器的靈敏度遠遠高于光纖布拉格光柵的靈敏度，同樣也是多模-細芯-多模結構的靈敏度的兩倍，具有很高的應用價值。

四、結論

綜上所述，我們提出了一種新型的干涉式光纖溫度傳感器結構，并對其溫度傳感特性進行了實驗研究。我們知道，這種傳感器的干涉譜是由纖芯模式和幾個低階包層模之間的干涉形成的。

在本文中，兩個干涉波的中心波長有相同的溫度特性，隨著溫度的升高，波長出現紅移，最高靈敏度可大94.7pm/℃。這種馬赫-曾德爾光纖溫度傳感器具有靈敏度高，測量范圍大，制作簡單和低成本的特點。

參 考 文 獻

[1]卞繼城，郎婷婷，俞文杰，等“基于馬赫-曾德爾干涉的溫度和應變同時測量的光纖傳感器研究”[J]。光電子.激光，2010，26（11）：2169-2174

[2]Jing-Jing Zhu， A. Ping Zhang， Member，et al.“Fiber-Optic High-Temperature Sensor Based on Thin-Core Fiber Modal Interferometer”[J]IEEE SENSORS JOURNAL， VOL. 10， NO. 9， SEPTEMBER 2010，1415-1418

[3]李雅娟， 黨亞固， 費德君，等“光強調制型光纖濕度傳感器評述”[J]。傳感器與微系統，2009，28（7）：5-8[4]Hai-Wei Fu， Xu Yan， Min Shao，et al.“Fourier Analysis Applied on MZI Transmission

Spectrum for Refractive Index Measurement”[J]IEEE PHOTONICS TECHNOLOGY LETTERS， VOL. 27， NO. 6， MARCH 15， 2015，658-660

[5]荊淼，李偉，莊峙廈，等“光纖化學PH傳感技術的現狀和發展”[J]。傳感技術學報，2002（3）：263-268[6]ZHAO Yong，CAI Lu，HU Hai-feng.Fiber-Optic refractive index sensor based on multi-tapered SMS fiber structure[J]. IEEE Sensors Journal，2015，15（11）：6348-6353

[7]Y. Zhu， Z. Huang， F. Shen， and A.Wang， “Sapphire-fiber-based whitelight interferometric sensor for hightemperature measurements，” Opt.Lett.， vol. 30， no. 7， 2005：711–713

[8] E. B. Li， X. L. Wang， and C. Zhang， “Fiber-optic temperature sensor based on interference of selective higher-order modes，” Appl. Phys.Lett.， vol. 89， no. 9， 2006：091119

[9]Y. Jung， H. Y. Choi， M. J. Kim， B. H. Lee， and K. Oh， “Ultra-compact Mach-Zehnder interferometer using hollow optical fiber for high temperature sensing，” in Proc. OFC/NFOEC 2008， 2008：24-28

[10]Sun Y，Wang Y，Kim Y，et al.“Dual-configuration fiber Bragg grating sensor technique to measure coefficients of thermal expansion and hygroscopic swelling”[J].Experimental Mechanics，2013，54（4）：590-603.

[11]Wang J N， Tang J L. Photonic crystal fiber Mach-Zehnder interferometer for refractive index sensing[J]. Sensors， 2012， 12（3）： 2983-2995

[12]Duan D W， Rao Y J， Xu L C， et al. In-fiber Mach-Zehnder interferometer formed by large lateral offset fusion splicing for gases refractive index measurement with high sensitivity [J]. Sens. Actuators B： Chemical， 2011，160（1）： 1198-1202.