基于單纖拉錐M-Z干涉儀的折射率傳感器

丁祥霞，董興法，呂正兵，姜 莉，吳 婧

（蘇州科技大學(xué)光電與信息技術(shù)研究所，江蘇蘇州 215009）

基于單纖拉錐M-Z干涉儀的折射率傳感器

丁祥霞，董興法，呂正兵，姜 莉，吳 婧

（蘇州科技大學(xué)光電與信息技術(shù)研究所，江蘇蘇州 215009）

在單模光纖中級(jí)聯(lián)兩個(gè)對(duì)稱緩錐，中間段去除涂覆層，包層作為傳感臂對(duì)外界折射率敏感，實(shí)驗(yàn)上形成M-Z（馬赫-曾德爾）干涉儀。對(duì)錐區(qū)光場進(jìn)行分析，當(dāng)錐腰半徑為25μm時(shí)，光纖內(nèi)模場半徑達(dá)到最大值，約為14.8μm。當(dāng)錐形光纖錐腰半徑為12.5μm、過渡區(qū)為5 mm、錐間隔為131 mm時(shí)，耦合與合波效果最佳，此時(shí)傳感臂可檢測(cè)的酒精濃度范圍為0～100%，折射率和波長偏移存在很好的線性關(guān)系，靈敏度為-120 nm/RIU。該傳感器具有插入損耗低、性能穩(wěn)定和抗干擾能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，可應(yīng)用于酒廠酒精度檢測(cè)和水質(zhì)監(jiān)測(cè)等領(lǐng)域。

光纖光學(xué)；干涉儀；對(duì)稱緩錐；傳感器；折射率

0 引言

自然界中物質(zhì)的質(zhì)量、密度、折射率以及其他相關(guān)電學(xué)參數(shù)都是反映其特性的重要物理量，其中折射率參數(shù)在環(huán)境監(jiān)測(cè)、石油化工和醫(yī)療等領(lǐng)域尤為重要［1］。近年來，越來越多的學(xué)者利用單根光纖制作M-Z（馬赫-曾德爾）干涉儀，用于折射率、溫度等方面的測(cè)量。光纖M-Z干涉儀不僅具有一般干涉儀的優(yōu)點(diǎn)，還具有制作簡單、價(jià)格低、損耗低和性能穩(wěn)定等特性［2］，且在單根光纖上就可以產(chǎn)生干涉，可用于折射率、應(yīng)力、溫度和濕度等的傳感測(cè)量。實(shí)現(xiàn)M-Z干涉儀的基本原理是在單光纖上制作出特殊的光纖結(jié)構(gòu)［3］，這些特殊結(jié)構(gòu)要求既能激發(fā)出光纖高階模又能將其再與纖芯基模進(jìn)行耦合，兩者之間產(chǎn)生相位差，從而發(fā)生干涉。根據(jù)模式激發(fā)方式的不同，特殊光纖結(jié)構(gòu)可分為錯(cuò)位型［4］、纖芯失配型［5］、光纖氣泡型和光纖錐型［6］等。錯(cuò)位型是在熔接光纖時(shí)使纖芯發(fā)生偏移，在熔接點(diǎn)處將高階模和纖芯基模耦合，但錯(cuò)位熔接損耗較大，且需嚴(yán)格控制熔接參數(shù)；纖芯失配型是將不同芯徑的光纖進(jìn)行熔接造成芯徑不匹配從而激發(fā)高階模，但由于芯徑不同，光纖耐放電程度也不同，放電過大或過小都會(huì)導(dǎo)致熔接失敗，需要反復(fù)調(diào)整熔接程序［7］；光纖氣泡型是在光纖端面制作空氣氣泡后再進(jìn)行熔接形成空氣腔而激發(fā)高階模，但在熔接氣泡時(shí)需不斷修改熔接參數(shù)，避免由于放電強(qiáng)度過大導(dǎo)致熔接坍塌；光纖錐型是使用物理或化學(xué)方法改變光纖直徑（變粗或變細(xì)）激發(fā)高階模。由于光纖錐型M-Z干涉儀成本低，制作更為簡便，在折射率傳感測(cè)量中被廣泛研究。2008年，Zhao Bingtian等人在一根標(biāo)準(zhǔn)單模光纖上制作出一個(gè)錐區(qū)長900μm、錐腰直徑約40μm的銳錐，構(gòu)成單光纖M-Z干涉儀，其折射率靈敏度約為-35 nm/RIU［8］。隨后的大量研究都是基于錐區(qū)為銳錐的情況，鮮有錐區(qū)為緩錐的研究。

本文將對(duì)稱緩錐結(jié)構(gòu)置入單模裸光纖中，制成新型M-Z酒精濃度傳感器。實(shí)驗(yàn)中使用普通拉錐機(jī)對(duì)單模裸光纖進(jìn)行拉錐，通過改變拉錐機(jī)中步進(jìn)電機(jī)的速度可以制作不同結(jié)構(gòu)的緩錐。經(jīng)過多次實(shí)驗(yàn)找到最佳拉錐參數(shù)，制作出了級(jí)聯(lián)對(duì)稱緩錐結(jié)構(gòu)M-Z干涉?zhèn)鞲衅?，分析了錐形光纖光場變化與光纖半徑的關(guān)系［9］，理論推導(dǎo)了波長偏移量和錐間隔以及外界折射率之間的關(guān)系［10］。結(jié)果表明，該傳感器具有制作簡單、價(jià)格低、性能穩(wěn)定且酒精濃度響應(yīng)靈敏度高等優(yōu)點(diǎn)。

1 錐形光纖的特性分析

光纖M-Z干涉儀主要基于纖芯模和包層模之間的耦合，其結(jié)構(gòu)可分為兩個(gè)對(duì)稱部分。通過第1個(gè)結(jié)構(gòu)時(shí)，纖芯中的能量耦合到包層中，經(jīng)過第2個(gè)結(jié)構(gòu)時(shí)，包層中的能量重新耦合回纖芯中，因?yàn)榘鼘幽：屠w芯模之間存在有效折射率差，不同模式間產(chǎn)生相位差，形成干涉達(dá)到傳感檢測(cè)目的［11］。光纖M-Z干涉儀主要分為以下幾種:光纖纖芯中置入一對(duì)具有一定間隔且結(jié)構(gòu)相同的長周期光纖光柵［12］、有偏差的兩段光纖結(jié)構(gòu)級(jí)聯(lián)形成的纖芯失配M-Z干涉儀結(jié)構(gòu)、纖芯直徑被放大的對(duì)稱粗錐結(jié)構(gòu)［13］以及在纖芯中置入對(duì)稱細(xì)錐的M-Z干涉儀結(jié)構(gòu)。

光纖的錐形結(jié)構(gòu)分為包層錐結(jié)構(gòu)（纖芯半徑不變包層半徑變小）和纖芯錐結(jié)構(gòu)（纖芯半徑和包層半徑同時(shí)改變）。拉制光纖的常用方法可分為物理器件研磨法、化學(xué)試劑腐蝕法以及熔融拉錐法［14］。拉錐光纖的形狀結(jié)構(gòu)分為錐腰區(qū)（錐均勻區(qū)）、過渡區(qū)（錐區(qū)）和未拉錐光纖區(qū)（原始光纖區(qū)）。圖1所示為對(duì)稱錐構(gòu)成M-Z干涉儀的結(jié)構(gòu)示意圖。新型的MZ干涉儀由一段常規(guī)單模光纖和兩個(gè)單模緩錐組成，兩個(gè)緩錐之間的單模光纖去除涂覆層當(dāng)成傳感臂。第1個(gè)光纖錐將單模光纖中的高階模激發(fā)進(jìn)入包層，高階模和纖芯基模傳輸一段距離后在第2個(gè)光纖錐耦合輸出［15］。兩者間存在的有效折射率差導(dǎo)致相位差，從而產(chǎn)生干涉。

圖1 對(duì)稱錐形M-Z干涉儀結(jié)構(gòu)示意圖

在光纖拉制的過程中，隨著光纖半徑的減小，纖芯中傳輸?shù)墓鈭鱿葦U(kuò)散到包層中［16］，此時(shí)包層的歸一化頻率，式中，a為纖芯半徑；λ為光波波長；n0為空氣折射率；nclad為包層折射率。包層支持多種模式傳播，模場半徑隨著光纖外徑的減小而增大［17］；當(dāng)光纖半徑減小到一定程度（約40μm）時(shí)，包層與空氣界面開始影響光纖內(nèi)的光場，限制模場增大，但是起主導(dǎo)作用的是纖芯中模場向包層中擴(kuò)散，整體上模場半徑還在持續(xù)增大［18］；當(dāng)光纖半徑減小到25μm時(shí)，光場幾乎全部擴(kuò)散到包層中，此時(shí)包層-空氣組成具有一定折射率差的波導(dǎo)結(jié)構(gòu)，包層與空氣界面對(duì)光纖內(nèi)光場的影響已經(jīng)與纖芯中模場向包層中擴(kuò)散能力相抵消，此時(shí)模場半徑達(dá)到最大數(shù)值，約為14.8μm；當(dāng)光纖半徑繼續(xù)減小時(shí)，空氣和包層的限制起主導(dǎo)作用，模場半徑隨著光纖半徑的減小而減?。?9］；當(dāng)光纖半徑減小到0.5μm時(shí)，包層中只剩下包層基模Vcd＜2.405。

2 光纖M-Z干涉儀的折射率傳感器

本文采用熔融拉錐法，選用基隆公司的OC-2020拉錐機(jī)，光纖為康寧公司的SMF-28單模光纖［15］，其各項(xiàng)參數(shù)如下:纖芯直徑為8.3μm，光纖外徑為125μm，纖芯折射率為1.467 7，包層折射率為1.463 3。圖2所示為光纖錐腰區(qū)和未拉錐光纖的對(duì)比圖。實(shí)驗(yàn)中錐形光纖的錐腰區(qū)半徑約為12.5μm，過渡區(qū)約為5 mm。過渡區(qū)長度遠(yuǎn)大于錐腰區(qū)直徑，此時(shí)拉錐光纖為緩錐光纖結(jié)構(gòu)。

圖2 光纖錐腰區(qū)和未拉錐光纖的對(duì)比圖

當(dāng)光源通過對(duì)稱錐時(shí)，其輸出譜可以通過光譜分析儀顯示。纖芯的基模和包層模式之間將產(chǎn)生相位差φ，形成M-Z干涉［5］?；５墓獬虨閄1= L1ncore，包層模的光程為X2=L2nclad，兩者的光程差為

式中，L1和L2分別為光信號(hào)在纖芯和包層中的傳輸距離；ncore為纖芯折射率。因?yàn)長1、L2可近似等于錐間隔L，化簡公式（1）得到ΔX=LΔn，Δn= ncore-nclad，此時(shí)基模跟包層模之間的相位差為

式中，λ為輸入光波長。

傳感器輸出端的光強(qiáng)表達(dá)式［17］如下:

式中，Icore（λ）和Iclad（λ）分別為纖芯模和包層模的光強(qiáng)；φ0為初始相位［4］。當(dāng)φ0=0時(shí)，干涉條紋峰值波長和光程差的關(guān)系為

當(dāng)外界折射率發(fā)生變化時(shí)，光纖包層模的有效折射率也會(huì)發(fā)生變化，變化量為δnclad，纖芯基模不受外界干擾，折射率保持不變。此時(shí)有效折射率差為δΔn，干涉波長偏移量為Δλ。新的干涉條紋峰值波長和光程差的關(guān)系為

聯(lián)立式（4）和式（5），得:

式中，δΔn=ncore-（nclad+δnclad）-（ncore-nclad）= -δnclad；干涉波長偏移量Δλ和包層模有效折射率變化量δnclad的關(guān)系為

式中，Δnext為外界折射率變化量。

由式（7）和式（8）可知，隨著外部折射率的增大，包層模有效折射率也增大，干涉譜會(huì)發(fā)生偏移，且錐間隔L與波長偏移量Δλ成反比。實(shí)驗(yàn)中使用不同濃度的酒精作為外界溶液，通過追蹤干涉譜峰值波長的偏移量推算出折射率靈敏度，從而可以在外界溶液濃度未知時(shí)反推算出外界折射率，達(dá)到折射率測(cè)量的目的。

3 實(shí)驗(yàn)分析

實(shí)驗(yàn)中所用光源為AT公司的BBS（寬帶光源），OSA（光譜分析儀）為Agilent86140B。圖3所示為在BBS基礎(chǔ)上得到的透射譜曲線，波峰間隔3.72 nm，調(diào)制深度約16.7 dB。

實(shí)驗(yàn)裝置如圖4所示。OSA的檢測(cè)范圍為1 530～1 570 nm，中心波長設(shè)置在1 550 nm附近。實(shí)驗(yàn)中，將錐間隔L=131 mm的傳感器置于固定臺(tái)上，保持室溫為25℃不變，將傳感臂浸沒于不同濃度的酒精中，不同濃度的酒精折射率不同，波長偏移量也不相同。圖5所示為酒精濃度為25%、50%和100%（對(duì)應(yīng)折射率為1.348、1.358和1.366）時(shí)的透射譜曲線。

圖3 對(duì)稱錐結(jié)構(gòu)M-Z干涉儀透射譜

圖4 實(shí)驗(yàn)裝置

圖5 不同濃度的酒精對(duì)應(yīng)的透射譜

從圖中可知，當(dāng)酒精濃度為25%時(shí)，折射率為1.348，此時(shí)透射譜曲線藍(lán)移1.44 nm；當(dāng)酒精濃度為50%時(shí)，折射率為1.358，此時(shí)透射譜曲線藍(lán)移2.56 nm；當(dāng)酒精濃度為100%時(shí)，折射率為1.366，此時(shí)透射譜曲線藍(lán)移3.60 nm。圖6所示為外界折射率與波長偏移量對(duì)應(yīng)圖。從圖中計(jì)算得到該傳感器的靈敏度為-120 nm/RIU，與文獻(xiàn)［3］級(jí)聯(lián)兩個(gè)銳錐效果相近，折射率和波長偏移有很好的線性關(guān)系。當(dāng)折射率靈敏度系數(shù)為正時(shí)，隨著折射率的增大，透射譜波長發(fā)生紅移；當(dāng)折射率靈敏度系數(shù)為負(fù)時(shí)，隨著折射率的增大，透射譜波長發(fā)生藍(lán)移［8］。

圖6 不同折射率對(duì)應(yīng)的波長偏移

4 結(jié)束語

本文提出一種新型的光纖緩錐形M-Z酒精濃度傳感器的制作方法，介紹了錐形光纖傳播理論以及新型全光纖M-Z傳感器的工作原理。錐腰半徑為25μm時(shí)，模場半徑可達(dá)最大值，約為14.8μm，改變酒精濃度，透射譜隨之產(chǎn)生偏移［4］。實(shí)驗(yàn)制作了錐間隔L=131 mm的光纖M-Z酒精濃度傳感器，在一定折射率范圍內(nèi)，傳感器的折射率響應(yīng)度較高，靈敏度能達(dá)到-120 nm/RIU。該傳感器具有制作簡單、靈敏度高、插入損耗低、價(jià)格低廉和性能穩(wěn)定等特點(diǎn)，適合測(cè)量酒精等液體濃度，在酒廠及石化等領(lǐng)域有廣泛的應(yīng)用前景。

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A Refractive Index Sensor Based on Single Fiber Taper M-Z Interferometer

DING Xiang-xia，DONG Xing-fa，LüZheng-bing，JIANG Li，WU Jing
（College of Electronic and Information Engineering，Suzhou University of Science and Technology，Suzhou 215009，China）

In this paper，we cascade two symmetrical slow tapers in a single-mode fiber and remove the coating between two tapers，which achieve a Mach-Zehnder（M-Z）interferometer.The cladding is act as a sensing arm，which is sensitive to the refractive index in the outside world.Through the analysis of the optical field evolution of taper region，mode field radius will reach maximum value of 14.8μm when fiber taper has a radius of 25μm.When taper waist radius is 12.5μm，transition region is 5 mm，and taper region interval is 131 mm，the effect of coupling and waving is best.The sensing arm can detect alcohol concentration in the range of 0～100%，which has a good linear relationship between refractive index and wavelength offset with detection sensitivity of-120 nm/RIU.The sensor has advantages of low insertion loss，stable performance and strong anti-interference capacity，which can be applied to areas such as distillery and water quality monitoring.

fiber optics；interferometer；symmetrical slow taper；sensor；refractive index

TN253

A

1005-8788（2016）05-0058-04

10.13756/j.gtxyj.2016.05.017

2016-05-17

江蘇省青藍(lán)工程中青年學(xué)術(shù)帶頭人項(xiàng)目資助（2010-101）；江蘇省企業(yè)研究生工作站資助項(xiàng)目（2012-0819）

丁祥霞（1991-），女，江蘇南通人。碩士研究生，主要研究方向?yàn)楣怆娦畔⑻幚怼?/p>

董興法，教授。E-mail:dongxfa@mail.usts.edu.cn