高靈敏度微腔型光纖應(yīng)變溫度傳感器

宋小康, 冉玲苓, 楊九如， 魏翔宇, 李 唱

(黑龍江大學(xué) 電子工程學(xué)院, 哈爾濱 150080)

0 引 言

光纖傳感已經(jīng)被應(yīng)用到了環(huán)境監(jiān)測、人工智能、生物醫(yī)學(xué)和健康檢測等各個(gè)領(lǐng)域[1-2]。其中，光纖應(yīng)變溫度傳感器一直是人們關(guān)注的焦點(diǎn)之一。近年來，由不同光纖結(jié)構(gòu)制成的光纖應(yīng)變溫度傳感器逐漸受到人們關(guān)注，如光纖布拉格光柵(Fiber Bragg grating, FBG)[3-4]、馬赫-增德干涉儀(Mach-Zehnder interferometer, MZI)[5-6]、長周期光纖光柵[7]、法布里-珀羅干涉儀(Fabry-Perot interferometer, FPI)[8-9]。在這些傳感器類型中，光纖F-P由于其結(jié)構(gòu)緊湊且微小、靈敏度高、交叉靈敏度低等優(yōu)點(diǎn)，受到科研工作者們的廣泛關(guān)注。典型的FPI結(jié)構(gòu)由兩個(gè)高反射模及模間的光干涉構(gòu)成。一般來說，光纖F-P微腔傳感器原理大致分為兩種：一是通過改變腔內(nèi)有效折射率實(shí)現(xiàn)對應(yīng)變和溫度的測量，二是通過改變腔長來實(shí)現(xiàn)測量。

理論分析表明，微腔光纖F-P傳感器的應(yīng)變靈敏度取決于微腔的形狀和尺寸[10]。2009年，李坤等通過使用氫氟酸腐蝕多模光纖制作出F-P腔體，得到應(yīng)變靈敏度為0.95 pm/με[11]。2016年，Wang等制作了橢圓形、球形以及長方形三種不同形狀的微氣泡，研究了氣泡形狀和微腔長度對應(yīng)變靈敏度的影響，得到橢圓形氣泡微腔應(yīng)變傳感器的靈敏度是3 pm/με，長方形氣泡微腔應(yīng)變傳感器的應(yīng)變靈敏度是43 pm/με[12]。2012年，F(xiàn)avero等將具有較大空隙的光子晶體光纖(PCF)和SMF熔接，形成球形和橢球形微腔，實(shí)驗(yàn)表明當(dāng)腔體尺寸為10 μm×60 μm時(shí)，應(yīng)變靈敏度達(dá)到10.3 pm/με[10]。2010年，張興等使用157 nm激光對SMF進(jìn)行微加工，在光纖內(nèi)部形成一個(gè)自封閉矩形微腔，實(shí)驗(yàn)表明該傳感器的應(yīng)變靈敏度為5.2 pm/με[13]。2020年，王解等使用毛細(xì)管與SMF熔接形成了三個(gè)F-P微腔，得到應(yīng)變靈敏度為1.5 pm/με[14]。上述幾種方法有的雖然制作方法簡單，但靈敏度低，通常為幾個(gè)皮米每微應(yīng)變，有的雖然提高了靈敏度但是操作復(fù)雜且成本較高，而且無法同時(shí)測量溫度，不利于推廣。因此，提出一種靈敏度高、結(jié)構(gòu)簡單、可實(shí)現(xiàn)應(yīng)變與溫度同時(shí)測量的光纖傳感器在環(huán)境監(jiān)測、人工智能和健康檢測中具有重要意義[15]。

本文提出了一種基于F-P微腔的高靈敏度光纖應(yīng)變和溫度傳感器，該傳感器是通過將HCF與SMF熔接，在精確長度處切割熔接后的HCF，然后切割拉錐后的SMF，將切割后的SMF插入HCF內(nèi)形成的。它的干涉腔是由HCF和插入HCF的錐區(qū)端面形成的兩個(gè)平行高反射面構(gòu)成，由于制作方法的優(yōu)點(diǎn)，應(yīng)變波長靈敏度為Y=7.63×10-5X+0.006 69，擬合度為99.9%，當(dāng)應(yīng)變?yōu)? με時(shí)，靈敏度為6.77 pm/με，當(dāng)應(yīng)變?yōu)?8 με時(shí)，靈敏度增加到13.4 pm/με，當(dāng)應(yīng)變?yōu)?00 με時(shí)，靈敏度增加到44.84 pm/με，應(yīng)變越大靈敏度提高越大。在溫度測試中，溫度波長靈敏度為152 pm/℃，強(qiáng)度靈敏度為0.029 4 dB/℃。通過雙參數(shù)解調(diào)實(shí)現(xiàn)應(yīng)變與溫度同時(shí)測量。

1 結(jié)構(gòu)制作與原理

該傳感器的制作過程如圖1所示，實(shí)驗(yàn)所用的是芯徑為8.3 μm、外徑為125 μm的普通單模光纖SMF(Corning, SMF-28)，內(nèi)徑為80 μm、外徑為135 μm的空芯光纖HCF(Polymicro Technologies, TSP080135)。如圖1(a)所示，使用商用熔接機(jī)(KL-300T)設(shè)置到特定的熔接程序，具體參數(shù)如表1所示，將普通SMF與HCF熔接，通過調(diào)節(jié)商用熔接機(jī)的馬達(dá)，使普通SMF與HCF 的中心對齊，降低高階模式的激發(fā)，從而實(shí)現(xiàn)反射光譜的整潔性。由于HCF在高溫放電的過程中很容易塌陷，所以要控制好放電功率，保證熔接完成后損耗最小。然后將熔接好的SMF-HCF放置在切割刀上，將另一端尾纖固定在精度為10 μm的微位移平臺(tái)上，在距熔接點(diǎn)300 μm處切割HCF，得到具有精確長度的HCF，如圖1(b)所示。隨后將SMF的兩側(cè)分別固定在由兩個(gè)步進(jìn)電機(jī)控制的固定裝置上，使用電弧放電加熱SMF的中心，由步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行同步的牽引，通過設(shè)置放電功率和放電時(shí)間來控制錐區(qū)直徑，如圖1(c)所示。在顯微鏡下切割錐區(qū)的精確位置，得到一個(gè)端面直徑與HCF內(nèi)徑相仿的錐狀結(jié)構(gòu)，如圖1(d)所示。實(shí)驗(yàn)過程中發(fā)現(xiàn)切割后的錐平面傾斜會(huì)影響光的反射效果，所以要嚴(yán)格控制切面的水平。最后將錐區(qū)在顯微鏡下對準(zhǔn)HCF的中心并插入，直至其中一部分保持在腔內(nèi)，得到一個(gè)F-P空氣微腔，結(jié)構(gòu)圖如圖1(e)所示。使用紫外(UV)膠對堵塞位置填涂實(shí)現(xiàn)了對F-P微腔的密封，在涂UV膠的過程中，由于UV膠的流動(dòng)性較大，應(yīng)快速使用UV燈照射使其固化，以免UV膠進(jìn)入F-P腔干擾光的反射。

圖1 微腔結(jié)構(gòu)制作圖Fig.1 Diagram of the fabrication about micro-cavity

表1 熔接參數(shù)值Table 1 Splicing parameter values

FPI的基本原理是多光束干涉，入射光從SMF進(jìn)入F-P腔，由于表面1兩端(SMF/HCF)和表面2兩端(HCF/SMF)的折射率不同，產(chǎn)生折射率跳變，在兩個(gè)表面多次反射后發(fā)生干涉。該結(jié)構(gòu)的光束傳播可看作正入射，所以表面1和表面2的反射率可由式(1)得到：

(1)

式中：R為反射率的大小；n1和n2分別為反射面兩側(cè)介質(zhì)的有效折射率。

根據(jù)F-P干涉原理，得到輸出的干涉光譜強(qiáng)度為[16]：

(2)

由于SMF和空氣的折射率分別為1.455和1.000，根據(jù)式(1)可求得R1=R2≈0.04。根據(jù)FPI傳感器的干涉光譜強(qiáng)度公式對傳感腔的干涉光譜進(jìn)行模擬計(jì)算，得到干涉光譜與腔長變化之間的關(guān)系如圖2所示。可以看出，隨著腔長的增加，干涉光譜的波長發(fā)生有規(guī)律紅移。

圖2 干涉腔長與波長的關(guān)系Fig.2 Relation between interference cavity length and wavelength

假設(shè)F-P微腔的長度為L，那么反射光譜中一個(gè)波峰對應(yīng)的波長λ可以表示為[17]：

(3)

在外界環(huán)境參量改變的情況下，微腔長度L變?yōu)長+ΔL，同一個(gè)波峰相對應(yīng)的波長λ+Δλ可表示為：

(4)

由式(3)和式(4)可得：

(5)

傳感器實(shí)際受到的軸向應(yīng)變與腔長變化成正比為:

(6)

由式(5)和式(6)可以看出，當(dāng)應(yīng)變增大時(shí)，腔長增大，反射波長發(fā)生紅移。

對于溫度測量，由式(3)對溫度求導(dǎo)，可得：

(7)

由于腔內(nèi)空氣折射率約為1，且熱光系數(shù)很小，所以dn/dT≈0，因此，式(7)可簡化為：

(8)

式中dL/dT為腔長與溫度的關(guān)系。

當(dāng)溫度變化時(shí)，由于UV膠的熱膨脹系數(shù)為225×10-6℃，典型折射率為1.524，所以腔長變化的主要原因是UV膠的收縮與膨脹帶動(dòng)腔長發(fā)生變化。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

實(shí)驗(yàn)裝置如圖3所示。該裝置使用的光源為寬帶光源(BBS)，波長范圍是1 525～1 610 nm，將其連接在光纖環(huán)形器的通道1，光學(xué)信號(hào)沿光纖傳輸并到達(dá)所提出的FPI傳感結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)通過光學(xué)粘合劑(UV膠)固定在精度為0.1 μm的軸向微位移平臺(tái)(Newport Modle ESP-300)上，由于FPI結(jié)構(gòu)的反射，一部分光學(xué)信號(hào)被反射回光纖環(huán)形器中，通過通道3進(jìn)入光譜儀(OSA, Agilent 86142B)中顯示光譜。實(shí)驗(yàn)中設(shè)置初始平臺(tái)距離為56 mm，其中一個(gè)平臺(tái)固定不動(dòng)，通過按鍵控制另外一個(gè)平臺(tái)向外移動(dòng)，每移動(dòng)5 μm(即應(yīng)變量變化88 με)記錄一次干涉光譜。

圖3 應(yīng)變實(shí)驗(yàn)裝置圖Fig.3 Experimental setup for measuring strain

FPI結(jié)構(gòu)在不同應(yīng)變下的干涉光譜如圖4(a)所示。可以看出，隨著應(yīng)變的增加，光譜發(fā)生規(guī)律的紅移。為了研究波長和強(qiáng)度變化與應(yīng)變的關(guān)系，選擇反射光譜中一個(gè)Dip點(diǎn)進(jìn)行記錄并分析，在0～1 144 με測量范圍內(nèi)進(jìn)行擬合，得到擬合結(jié)果如圖4(b)所示。可以看出，由于使用UV膠封裝，該結(jié)構(gòu)的波長漂移與應(yīng)變呈二次相關(guān)，波長靈敏度為Y=7.63×10-5X+0.006 69，擬合度為99.9%，當(dāng)應(yīng)變?yōu)? με時(shí)，靈敏度為6.77 pm/με，當(dāng)應(yīng)變?yōu)?8 με時(shí)，靈敏度增加到13.4 pm/με，當(dāng)應(yīng)變?yōu)?00 με時(shí)，靈敏度增加到44.84 pm/με，此時(shí)已經(jīng)超過先前報(bào)道的應(yīng)變傳感器的靈敏度，如表2所示。隨著應(yīng)變的繼續(xù)增加，靈敏度也會(huì)繼續(xù)增加。由于光源波動(dòng)和環(huán)境溫度的干擾，應(yīng)變光譜強(qiáng)度存在±0.25 dB的上下波動(dòng)。

圖4 (a)不同應(yīng)變下的干涉光譜；(b)不同應(yīng)變下Dip波長變化量和強(qiáng)度變化量Fig.4 (a) Reflection spectrum against different strain; (b) Dip wavelength and intensity versus different strain

表2 不同形狀F-P腔應(yīng)變傳感器對比Table 2 Comparison of strain sensors with different shapes of F-P cavity

為了研究該傳感器對溫度的響應(yīng)，將結(jié)構(gòu)固定在加熱板上進(jìn)行溫度測試，實(shí)驗(yàn)裝置圖如圖5所示。從24 ℃加熱到38 ℃，每隔2 ℃為一個(gè)采樣點(diǎn)，在每一個(gè)采樣點(diǎn)處，待光譜穩(wěn)定后用OSA記錄。

圖5 溫度實(shí)驗(yàn)裝置圖Fig.5 Experimental setup for measuring temperature

該傳感器對不同溫度的響應(yīng)結(jié)果如圖6所示。由于所制備的F-P微腔為空氣腔，其折射率約等于1，熱光系數(shù)極其微小，所以當(dāng)溫度變化時(shí)腔長改變的主要原因是UV膠的膨脹與收縮帶動(dòng)腔長改變。從圖中可以看出，隨著溫度的增加，Dip點(diǎn)的波長從1 537.58 nm移動(dòng)到1 539.71 nm，波長靈敏度為152 pm/℃，相應(yīng)的線性度為99.7%。另外，隨著溫度的增加，Dip點(diǎn)的強(qiáng)度從-50.38變化到-49.97 dB，線性度為99.2%，相應(yīng)的強(qiáng)度靈敏度為0.029 4 dB/με。

圖6 (a)不同溫度下的干涉光譜；(b)不同溫度下Dip波長變化量和強(qiáng)度變化量Fig.6 (a) Reflection spectrum against different temperature; (b) Dip wavelength and intensity versus different temperature

為了實(shí)現(xiàn)雙參數(shù)測量，根據(jù)上述實(shí)驗(yàn)結(jié)果，利用雙參數(shù)解調(diào)的方法實(shí)現(xiàn)應(yīng)變和溫度二者的同時(shí)測量，雙參量靈敏度系數(shù)反轉(zhuǎn)矩陣可以表示為:

(9)

式中：ΔT為溫度變化量；Δε為應(yīng)變變化量；Δλ為波長漂移量；ΔI為強(qiáng)度變化量。Kλε和KIε為應(yīng)變變化引起的Dip點(diǎn)波長變化靈敏度和強(qiáng)度變化靈敏度；KλT和KIT為溫度變化引起的Dip點(diǎn)波長變化靈敏度和強(qiáng)度變化靈敏度；D=KλεKIT-KλTKIε。

需要注意的是，KλT=152 pm/℃，KIT=0.029 4 dB/℃，Kλε=7.63×10-5X+0.006 69，KIε=0，將上述參量代入式(9)可得：

(10)

根據(jù)式(10)可知，只需要測量出光纖傳感器干涉譜中Dip點(diǎn)的波長和強(qiáng)度變化量,便可求出環(huán)境中溫度和應(yīng)變的變化量。

3 結(jié) 論

介紹了一種基于F-P微腔的高靈敏度應(yīng)變溫度傳感器。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該傳感器應(yīng)變波長靈敏度為Y=7.63×10-5X+0.006 69，擬合度為99.9%。當(dāng)應(yīng)變?yōu)? με時(shí)，靈敏度為6.77 pm/με；當(dāng)應(yīng)變?yōu)?8 με時(shí)，靈敏度增加到13.4 pm/με；當(dāng)應(yīng)變?yōu)?00 με時(shí)，靈敏度增加到44.84 pm/με，應(yīng)變越大靈敏度提高越大。在溫度測試中，得到溫度波長靈敏度為152 pm/℃，強(qiáng)度靈敏度為0.029 4 dB/με。本研究引入了雙參數(shù)解調(diào)的方法，實(shí)現(xiàn)了應(yīng)變與溫度的同時(shí)測量。該傳感器具有成本低、線性度高、結(jié)構(gòu)緊湊和靈敏度高等優(yōu)點(diǎn)，將在未來物理、生物和化學(xué)等領(lǐng)域有很好的應(yīng)用前景。