高靈敏度光纖MZI折射率傳感器

關(guān)壽華

(大連民族大學(xué) 物理與材料工程學(xué)院，遼寧 大連 116605)

由于光纖折射率傳感技術(shù)在生物、化學(xué)、醫(yī)療和環(huán)境等領(lǐng)域有著廣泛應(yīng)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(jī)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(shù)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(jié)構(gòu)，可以設(shè)計新的折射率傳感機(jī)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(nèi)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(nèi)，利用纖芯導(dǎo)模與超模/“衛(wèi)星波導(dǎo)模”間的耦合效應(yīng)來測量液體折射率[5-6]。在這些折射率傳感機(jī)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(dǎo)模與超模/“衛(wèi)星波導(dǎo)模”間耦合效應(yīng)的傳感機(jī)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(jī)制[9-10]。尤其是橫向大偏置結(jié)構(gòu)(Large lateral offset structure, LLOS)光纖開腔MZI，制備簡單，可以實(shí)現(xiàn)快速及高靈敏度地測量，具有比較大的研究及應(yīng)用推廣價值。

本文研究了橫向大偏置結(jié)構(gòu)PCF開腔MZI (LLOS-PCF-MZI)的折射率傳感機(jī)制，在一種實(shí)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(yīng)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(jìn)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(huán)境介質(zhì)中傳輸，兩束光在PCF與輸出單模光纖熔接處進(jìn)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(shù)；λvm為第m級波谷的中心波長。當(dāng)環(huán)境介質(zhì)折射率從ns變成ns+Δns，λvm將漂移，設(shè)漂移到λvm+Δλvm。則有

(3)

根據(jù)(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，F(xiàn)SR)

(4)

2 實(shí)驗(yàn)過程與結(jié)果分析

2.1 傳感器的制作

實(shí)驗(yàn)中所用PCF為SM-10型實(shí)芯PCF，外包層直徑為125 μm，有3層空氣孔，呈六邊形結(jié)構(gòu)排列，孔直徑約為5.4 μm，孔間距約為8 μm。實(shí)驗(yàn)中利用商業(yè)光纖熔接機(jī)手動模式制備LLOS-PCF-MZI。首先，將一段PCF與輸入SMF調(diào)節(jié)對齊，橫向偏置約62.5 μm，調(diào)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(jī)，在互成90°角的雙攝像頭監(jiān)控下，調(diào)節(jié)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(qiáng)了光的反射，因此PCF要比兩側(cè)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(shí)驗(yàn)

對腔長330 μm的LLOS-PCF-MZI傳感器的折射率傳感特性進(jìn)行了測試，實(shí)驗(yàn)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(zhǔn)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(jìn)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(jìn)行了定量分析，其折射率響應(yīng)比較線性，R2因子達(dá)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(dāng)[11]。這表明PCF氣孔對靈敏度的影響不大，可能是因?yàn)榕c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(jìn)入不了液體，而其他氣孔即使進(jìn)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(yīng) (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(jìn)行了測試。實(shí)驗(yàn)結(jié)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(dá)到-15027.8 nm/RIU，線性響應(yīng)比較好，R2因子達(dá)到0.9995。

綜合以上兩個LLOS-PCF-MZI傳感器的折射率傳感特性實(shí)驗(yàn)結(jié)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(jié) 語

本文首次在實(shí)芯光子晶體光纖中制作了橫向大偏置結(jié)構(gòu)光纖MZI折射率傳感器，并測試了折射率傳感特性，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：折射率變化響應(yīng)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(yīng)快。因此利用此種光纖MZI可以制成高靈敏度、快速響應(yīng)的微腔液體/氣體折射率傳感器。