高靈敏保偏光纖模式干涉溫度傳感研究

楊 威,余海湖

(武漢理工大學(xué) 光纖傳感技術(shù)與網(wǎng)絡(luò)國家工程實(shí)驗(yàn)室,湖北 武漢 430070)

0 引言

光纖傳感器具有體積小、抗電磁干擾、耐腐蝕、測量精度高等特點(diǎn),其應(yīng)用發(fā)展廣泛[1]。溫度傳感器在科學(xué)研究、生產(chǎn)自動(dòng)化、實(shí)時(shí)檢測和控制等場合中應(yīng)用廣泛。溫度傳感的測量方式很多,傳統(tǒng)測溫方式有熱電偶、熱敏電阻式等,其傳感機(jī)理通常為受激熒光、干涉、光吸收、熱致光輻射、光散射等,但在高溫、強(qiáng)腐蝕的環(huán)境下溫度傳感器的測量方式受限[2]。Ju Seongmin等[3]用CO2激光脈沖將摻雜的PbO-GeO2-SiO2光纖刻蝕制成光纖布喇格光柵(FBG),在30～250 ℃內(nèi)溫度靈敏度為0.017 3 nm/℃。但此操作方式成本高,且FBG具有較強(qiáng)的交叉敏感特性,對(duì)溫度測試有一定的串?dāng)_影響。段丹陽等[4]提出了一種基于光纖法布里-珀羅(F-P)干涉儀的溫度傳感器,在25～30 ℃內(nèi)溫度響應(yīng)靈敏度為21.504×2π rad/℃,溫度分辨率為0.046 ℃,但在研磨過程中端面的不平整度會(huì)產(chǎn)生較大的實(shí)驗(yàn)誤差影響。Dong Xinran等[5]利用在兩根單模光纖之間嵌入一段鍍鉑膜的多模光纖,最大溫度靈敏度為55.2 pm/℃,但在鍍鉑膜過程中工藝較精細(xì)復(fù)雜,同時(shí)鉑膜層厚度的大小也會(huì)影響實(shí)驗(yàn)的精準(zhǔn)性。Zhou S等[6]、Hong L等[7]、Yue C等[8]利用多芯光纖多個(gè)模式耦合作用實(shí)現(xiàn)了溫度傳感,雖然選用光纖的材質(zhì)種類較為新穎,但傳統(tǒng)多芯光纖的制作工藝難度大且需要進(jìn)行二次拉制,成本較高且光纖體積較大。石小雨等[9]將單模光纖與空心光纖拼接后進(jìn)行放電拉錐。利用包層模式之間的干涉進(jìn)行溫度與應(yīng)力傳感,在30～330 ℃時(shí)靈敏度最高為69.1 pm/℃,由于切割精細(xì),故制備過程復(fù)雜。Tan Jianchang等[10]設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一種雙球結(jié)構(gòu)單模多模單模(DSSMS)光纖溫度傳感器,在30～540 ℃時(shí)靈敏度為37.372 pm/℃,在-25～+25 ℃時(shí)靈敏度為37.28 pm/℃,但因多模光纖內(nèi)部存在較強(qiáng)的模間色散現(xiàn)象,故穩(wěn)定度較弱。

本文提出了一種反向重疊擠壓放電形成雙凸錐結(jié)構(gòu)的Mach-Zehender干涉(MZI)傳感器。首先在單模光纖中焊接一段熊貓型保偏光纖,有效減小了光纖內(nèi)部的偏振模色散現(xiàn)象;而后從光強(qiáng)和波長兩個(gè)角度實(shí)現(xiàn)傳感的解調(diào),進(jìn)而實(shí)現(xiàn)了對(duì)溫度的高靈敏度檢測。經(jīng)理論仿真和數(shù)學(xué)分析可得,當(dāng)保偏光纖長度為2.5 cm時(shí),在1 550 nm處溫度靈敏度為144.78 pm/℃。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,在30～70℃內(nèi)溫度靈敏度為126.45 pm/℃,與理論靈敏度較為相符。該傳感器設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)簡單,制作工藝簡便,傳感單元短小,與FBG結(jié)構(gòu)F-P型多芯型光纖構(gòu)成的傳感結(jié)構(gòu)相比,此結(jié)構(gòu)減少了對(duì)光纖端面平整度的嚴(yán)格要求,同時(shí)也在一定程度上減小了交叉敏感的串?dāng)_影響。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,該傳感器溫度靈敏度高,且制作工藝簡單、成本低,因此作為一種便攜式溫度傳感器件,其存在一定的應(yīng)用價(jià)值。

1 傳感器制作及理論分析

1.1 雙凸錐結(jié)構(gòu)能量仿真

實(shí)驗(yàn)中所制備的傳感結(jié)構(gòu)如圖1所示。由圖可見,沿著光的傳播方向,傳感器包含輸入單模光纖(SMF)、帶有凸錐結(jié)構(gòu)的輸入端保偏光纖(PMF)、剝?nèi)ネ扛矊拥谋Ｆ饫w、帶有凸錐結(jié)構(gòu)的輸出端保偏光纖以及輸出SMF共5部分。其中,帶有凸錐結(jié)構(gòu)的保偏光纖和SMF熔接接頭用作傳感器的兩個(gè)耦合單元,剝?nèi)ネ扛矊拥谋Ｆ饫w作為傳感單元。

圖1 雙凸錐級(jí)聯(lián)結(jié)構(gòu)示意圖

利用有限差分光束傳播法(FD-BPM)對(duì)雙凸錐保偏光纖傳感器能量分布進(jìn)行仿真,得到保偏光纖傳感區(qū)域的能量分布,如圖2所示。由圖可見,光經(jīng)過凸錐之后,一部分能量泄露到包層中,一部分光仍然在纖芯中傳輸。由于凸錐的存在導(dǎo)致光通過凸錐后的發(fā)散角變大,使更多的光進(jìn)入傳感保偏光纖包層中傳播,這有利于干涉信號(hào)對(duì)比度的提升。

圖2 BPM仿真光場分布圖

1.2 傳感原理

由寬帶光源(ASE)發(fā)出的信號(hào)在輸入SMF中以基模形式傳輸,當(dāng)光傳送到第一個(gè)凸錐放大區(qū)域后,由于芯徑不匹配而導(dǎo)致一部分光耦合進(jìn)入包層區(qū)域,激發(fā)包層高階模式;另一部分光仍然在纖芯中傳輸,在傳輸一段距離后,由于模式有效折射率之間存在差別,積累了相位差,故在經(jīng)過第二個(gè)凸錐熔接點(diǎn)時(shí)相遇并發(fā)生干涉。

由干涉理論可知,輸出光強(qiáng)[11]為

(1)

由式(1)可知,當(dāng)余弦項(xiàng)內(nèi)為半波長的整數(shù)倍時(shí),所得數(shù)值為最小值,即所對(duì)應(yīng)的透射光譜出現(xiàn)下陷峰值[12]。

由式(1)推得波長解調(diào)公式:

(2)

光波在保偏光纖中傳輸時(shí),當(dāng)外界溫度發(fā)生變化時(shí),Δneff發(fā)生變化,外界溫度變化影響包層模式的有效折射率,因此,干涉谷所對(duì)應(yīng)的特征波長會(huì)隨著溫度的變化發(fā)生漂移[13]。在變化的溫度場作用下,傳感臂發(fā)生模式干涉的光纖長度L和光纖折射率n會(huì)發(fā)生變化[14]。在弱波導(dǎo)條件下,溫度靈敏度kT可采用光纖單位長度內(nèi)基模和高階模式相位差表示,用MZI干涉原理計(jì)算可得:

(3)

由此可知,當(dāng)干涉距離L增大時(shí),溫度對(duì)于特征波長的靈敏度也隨之增大;同時(shí),特征波長越大,溫度對(duì)于特征波長的靈敏度也越大,即干涉距離增大時(shí),在特征波長越大處對(duì)于溫度變化越敏感。

2 傳感性能測試及分析

2.1 實(shí)驗(yàn)裝置與凸錐結(jié)構(gòu)模擬

實(shí)驗(yàn)測試裝置如圖3所示。圖中,將光纖傳感結(jié)構(gòu)固定在平板加熱器上,并使其處于伸直狀態(tài),輸入ASE光源,輸出的透射干涉光譜由光譜儀OSA檢測(YOKOGAWA AQ6370D),通過調(diào)控平板加熱器的溫度輸出值,觀察記錄光譜儀透射圖譜的變換,從而實(shí)現(xiàn)溫度傳感檢測。傳感器結(jié)構(gòu)通過實(shí)驗(yàn)用熔接機(jī)(Fujikua FSM-100P)制備,在單模光纖和保偏光纖的端面之間采用反向擠壓放電的方式將其熔接成凸錐。經(jīng)過擠壓放電后,纖芯直徑增大到?14.63 μm,包層直徑增大到?203 μm。經(jīng)多次實(shí)驗(yàn)可得到單個(gè)凸錐區(qū)域長度約為241.8 μm,焊接機(jī)放電強(qiáng)度為(360+30) bit/s,放電時(shí)間為2 000 ms。由于凸錐區(qū)直徑增大,故對(duì)模式傳播常數(shù)與纖芯直徑間的關(guān)系進(jìn)行仿真。

圖3 光纖傳感測試結(jié)構(gòu)

圖4為受到擠壓放電后,纖芯直徑與沿著z軸(光傳播)方向所激發(fā)出的模式及相應(yīng)的模式傳播常數(shù)之間的關(guān)系。由圖可知,當(dāng)光纖結(jié)構(gòu)未發(fā)生變化時(shí),光纖纖芯內(nèi)部主要存在沿著x、y軸方向的兩個(gè)偏振方向的基模。當(dāng)纖芯直徑增加時(shí),基模所對(duì)應(yīng)的模式雙折射越大,則兩正交偏振的基模之間的耦合系數(shù)減小,更有利于傳輸時(shí)各偏振模態(tài)的保持。隨著纖芯直徑的逐漸增加,同時(shí)激發(fā)出其他幾種包層模式分別為LP11、LP02、LP21模式,且LP02、LP21包層模式的傳播常數(shù)在逐漸增加,與基模之間的耦合作用更明顯。

圖4 光纖纖芯直徑與傳播常數(shù)間的關(guān)系

2.2 實(shí)驗(yàn)光譜分析

圖5與圖6為實(shí)驗(yàn)制備的兩種干涉長度的保偏光纖雙凸錐傳感器的透射光譜,以及傅里葉變換空間頻譜圖。由圖可見,當(dāng)保偏光纖長度(LPMF)為1.5 cm時(shí),在1 520～1 570 nm波長范圍內(nèi),有兩個(gè)干涉極小值形成,干涉條紋的最大對(duì)比度約為17 dB,相鄰兩干涉谷之間所對(duì)應(yīng)的波長間隔分別為17.055 nm和21.92 nm;當(dāng)保偏光纖的長度為2.5 cm時(shí),有3個(gè)干涉極小值形成,其中干涉條紋的最大對(duì)比度約為12.68 dB。其中相鄰兩個(gè)干涉極小值之間的波長間隔分別為12.74 nm和12.24 nm,干涉條紋主要由纖芯模式和包層模式干涉形成。

圖5 保偏光纖長度(LPMF=1.5 cm)透射譜及傅里葉變換空間頻譜圖

圖6 保偏光纖長度(LPMF=2.5cm)透射譜及傅里葉變換空間頻譜圖

圖7為保偏光纖長度為1.5 cm時(shí)的理論模擬透射譜和實(shí)驗(yàn)透射譜,在1 530～1 570 nm波段約有兩個(gè)干涉谷形成。

圖7 保偏光纖長度(LPMF=1.5 cm)仿真透射譜

圖8為保偏光纖長度長度為2.5 cm時(shí)的理論模擬透射譜和實(shí)驗(yàn)透射譜。由圖可見,在1 530～1 570 nm波段約有3個(gè)干涉谷形成。干涉谷對(duì)應(yīng)的特征波長分別約為1 537 nm、1 549 nm和1 562 nm,與實(shí)際實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象較一致。

圖8 保偏光纖長度(LPMF=2.5cm)仿真透射譜

2.3 溫度傳感實(shí)驗(yàn)

將光纖傳感結(jié)構(gòu)固定在平板加熱器上,設(shè)置溫度區(qū)間為30～70 ℃,每隔5 ℃記錄透射光譜,實(shí)驗(yàn)分別對(duì)保偏光纖長度為1.5 cm和2.5 cm時(shí)的雙凸錐結(jié)構(gòu)進(jìn)行了溫度測試。圖9為保偏光纖長度為1.5 cm時(shí)的溫度傳感特性。

圖9 保偏光纖長度(LPMF=1.5 cm)溫度測試光譜

由圖9可見,隨著溫度的升高,透射圖譜發(fā)生紅移。干涉谷從1 543.325 nm漂移到1 546.485 nm。干涉谷對(duì)應(yīng)的波長漂移和強(qiáng)度變化可以解調(diào)得到外界溫度變化[15-16]。對(duì)應(yīng)波長的靈敏度為75.38 pm/℃,強(qiáng)度靈敏度為0.003 42 dB/℃,擬合線性系數(shù)分別為0.989 3和0.987,波長解調(diào)具有更高的靈敏度。

圖10為保偏光纖長度為2.5 cm時(shí)干涉谷的溫度傳感實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。由圖可見,第2個(gè)干涉谷極小值所對(duì)應(yīng)的波長從1 549.885 nm漂移到1 555.375 nm,對(duì)應(yīng)的波長靈敏度為126.45 pm/℃,強(qiáng)度靈敏度為0.004 64 dB/℃,擬合線性系數(shù)分別為0.987和0.973。

圖10 保偏光纖長度(LPMF=2.5 cm)溫度測試光譜

圖11為保偏光纖長度為2.5 cm時(shí),第2個(gè)干涉谷的升溫與降溫的重復(fù)性實(shí)驗(yàn)。由圖可見,溫度上升、下降對(duì)應(yīng)的波長靈敏度分別為126.45 pm/℃和129.3 pm/℃,強(qiáng)度靈敏度分別為0.004 64 dB/℃和0.004 78 dB/℃,擬合線性系數(shù)分別為0.973和0.981。

圖11 溫度上升、下降時(shí)強(qiáng)度與波長擬合曲線

將本文溫度靈敏度值與其他類似的光纖傳感器進(jìn)行了比較,如表1所示。由表可見,本文提出的傳感器具有較高的溫度靈敏度和干涉強(qiáng)度,同時(shí)制備工藝較簡單。

表1 不同種類光纖溫度傳感器參數(shù)對(duì)比

3 結(jié)束語

本文提出了一種高靈敏度保偏光纖溫度傳感器,通過重疊擠壓放電形成反向凸起錐,將保偏光纖與單模光纖焊接在一起,形成MZI干涉?zhèn)鞲衅鳌４送?本文對(duì)凸錐區(qū)域所激發(fā)的模式進(jìn)行了分析計(jì)算,通過仿真得出,當(dāng)保偏光纖長度為2.5 cm時(shí),在1 550 nm處溫度靈敏度為144.78 pm/℃,與實(shí)際實(shí)驗(yàn)測試靈敏度相符。本研究實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,當(dāng)干涉長度增加時(shí)可以相應(yīng)地提高溫度靈敏度,其靈敏度高于一般報(bào)道中的溫度靈敏度。此傳感結(jié)構(gòu)具有易制造、低成本、較高靈敏度的特點(diǎn),且在實(shí)驗(yàn)中無涂覆任何吸濕增敏材料,故在溫度傳感測試中具有很大的發(fā)展前景。同時(shí),此結(jié)構(gòu)的傳感器也可被應(yīng)用于多種傳感參量的測量,在化學(xué)、物理和生物傳感領(lǐng)域具有很大的應(yīng)用潛力。