高靈敏度光纖MZI折射率傳感器

關壽華

(大連民族大學 物理與材料工程學院，遼寧 大連 116605)

由于光纖折射率傳感技術在生物、化學、醫療和環境等領域有著廣泛應用，因而近年來受到廣泛的重視，成為熱門研究課題。光纖折射率傳感機制有很多，包括：光纖布喇格光柵、長周期光纖光柵、基于熔接或小偏芯連接技術的光纖馬赫-曾德爾干涉儀(Mach-Zehnder interferometer, MZI)、光纖FP傳感、光纖表面等離子體共振傳感，以及光纖開腔MZI折射率傳感等。利用光子晶體光纖(Photonic crystal fiber, PCF)的特殊結構，可以設計新的折射率傳感機制，如將被測流體注入到光子晶體光纖長周期光柵/布喇格光柵[1-3]、光子晶體光纖sagnac器件的氣孔內來測量折射率[4]；將被測高折射率液體注入部分或全部氣孔內，利用纖芯導模與超模/“衛星波導模”間的耦合效應來測量液體折射率[5-6]。在這些折射率傳感機制中，靈敏度比較高的有：光子晶體光纖長周期光柵/布喇格光柵[3,7]、光子晶體光纖導模與超模/“衛星波導模”間耦合效應的傳感機制[5-6]、光纖表面等離子體共振傳感[8]，以及光纖開腔MZI折射率傳感機制[9-10]。尤其是橫向大偏置結構(Large lateral offset structure, LLOS)光纖開腔MZI，制備簡單，可以實現快速及高靈敏度地測量，具有比較大的研究及應用推廣價值。

本文研究了橫向大偏置結構PCF開腔MZI (LLOS-PCF-MZI)的折射率傳感機制，在一種實芯光子晶體光纖中首次制備了LLOS-PCF-MZI，并測試其折射率傳感特性，其靈敏度約為-15100nm/RIU。LLOS-PCF-MZI制備簡便，靈敏度高，在檢測液體或氣體的濃度、折射率等方面具有較大的應用前景。

1 基本原理

LLOS-PCF-MZI折射率傳感原理如圖1。

圖1 LLOS-PCF-MZI折射率傳感原理圖

光從輸入單模光纖(Single mode fiber, SMF)進入，在單模光纖與PCF橫向大偏置熔接處分成兩束，一束在PCF中傳輸，一束在環境介質中傳輸，兩束光在PCF與輸出單模光纖熔接處進入輸出單模光纖匯成一束，形成干涉，其干涉譜為

(1)

(2)

式中：m為整數；λvm為第m級波谷的中心波長。當環境介質折射率從ns變成ns+Δns，λvm將漂移，設漂移到λvm+Δλvm。則有

(3)

根據(2)式，可推出鄰近兩波谷λvm和λv(m+1)>的間距，即自由光譜范圍(Free Spectral Range，FSR)

(4)

2 實驗過程與結果分析

2.1 傳感器的制作

實驗中所用PCF為SM-10型實芯PCF，外包層直徑為125 μm，有3層空氣孔，呈六邊形結構排列，孔直徑約為5.4 μm，孔間距約為8 μm。實驗中利用商業光纖熔接機手動模式制備LLOS-PCF-MZI。首先，將一段PCF與輸入SMF調節對齊，橫向偏置約62.5 μm，調整好光纖間距，然后熔接在一起；將PCF保留合適長度切去多余部分；將PCF與輸出SMF放入光纖熔接機，在互成90°角的雙攝像頭監控下，調節輸出SMF與PCF對齊，橫向偏置約62.5 μm，然后熔接成圖2。。由于空氣孔增強了光的反射，因此PCF要比兩側SMF更亮一些。

(a) SM-10型PCF (b)LLOS-PCF-MZI顯微照片

2.2 折射率傳感實驗

對腔長330 μm的LLOS-PCF-MZI傳感器的折射率傳感特性進行了測試，實驗裝置如圖3。傳感器兩端分別與光譜分析儀si720的掃描光源和光探測器相連。準備好不同濃度(即不同折射率)的多份鹽水；將不同鹽水逐次浸沒傳感器，靜等一段時間后再測透射譜；每次去除測試完的液體后，用去離子水清洗，晾干，再進行下一次測試。

圖3 LLOS-PCF-MZI傳感器

圖4 LLOS-PCF-MZI傳感器在空氣及水中的透射譜

腔長330 μm LLOS-PCF-MZI傳感器透射譜隨著液體折射率的增大而移動，如圖5(a)，波谷波長隨液體折射率增加量Δn(相對水折射率)的增大而移動，如圖5(b)。可以看出，LLOS-PCF-MZI傳感器透射譜隨液體折射率的增大向短波方向移動，這與前面的理論分析是一致的。對1 562.408 nm處波谷波長的折射率傳感特性進行了定量分析，其折射率響應比較線性，R2因子達到0.999 3，折射率靈敏度約為-15 100 nm/RIU，與用飛秒激光刻蝕法在普通單模光纖中所制開腔MZI的靈敏度基本相當[11]。這表明PCF氣孔對靈敏度的影響不大，可能是因為與包層中傳輸光比較接近的氣孔兩端與單模光纖熔接封閉，進入不了液體，而其他氣孔即使進入液體，對傳輸光的影響也較小。

(a)透射譜對液體折射率增大的響應 (b)波谷波長隨液體折射率 增加量Δn的變化

對另一個腔長1 006 μm的LLOS-PCF-MZI傳感器的折射率傳感特性也進行了測試。實驗結果表明，浸入液體后該MZI的條紋可見度及FSR同樣都大幅度增大，插入損耗也有所減小。隨著液體折射率的增加，透射譜同樣向短波方向移動，近1565 nm處，波谷波長的折射率靈敏度達到-15027.8 nm/RIU，線性響應比較好，R2因子達到0.9995。

綜合以上兩個LLOS-PCF-MZI傳感器的折射率傳感特性實驗結果可以看出，折射率靈敏度都超過-15 000 nm·RIU-1(相差不到0.5 %)，腔長長度的差別對靈敏度沒有明顯的影響，這與前面的理論分析是一致的，因此可以制成靈敏度很高的微腔液體/氣體折射率傳感器。

3 結 語

本文首次在實芯光子晶體光纖中制作了橫向大偏置結構光纖MZI折射率傳感器，并測試了折射率傳感特性，實驗結果表明：折射率變化響應成線性，靈敏度超過-15000 nm·RIU-1，腔長長度對靈敏度沒有影響，并且制作簡單、測量響應快。因此利用此種光纖MZI可以制成高靈敏度、快速響應的微腔液體/氣體折射率傳感器。