基于光纤锥级联的Mach-Zehnder干涉湿度传感器*

程君妮

(榆林学院 能源工程学院，陕西 榆林 719000)

0 引 言

与电子湿度传感器相比，光纤湿度传感器具有灵敏度高、无电火花等优点，是一种可以在核反应堆、化工厂、炼油厂等特殊环境使用的新型传感器[1,2]。目前已经提出多种不同类型的光纤湿度传感器，如法布里珀罗干涉测量法[3～5]，布拉格光栅测量法[6,7]，马赫曾德尔干涉仪测量法[8,9]，长周期光栅测量法等。Tan Y Z等人[10]提出一种基于双包层微纳光纤湿度传感器。当湿度从90 %RH下降到34 %RH时，其灵敏度为97.76 pm/%RH。Noor M Y等人[11]提出基于光子晶体光纤湿度传感器。当相对湿度在60 %～80 %RH和80 %～95 %RH范围内变化，传感器灵敏度为20.3 pm/%RH和61.6 pm/%RH。Shao M等人[12]提出了一种基于单模多模—多模光纤—单模光纤结构的传感器。湿度在35 %～90 %RH湿度范围内传感器灵敏度为0.119 dB/%RH。上述提出的传感器灵敏度较高，但实验条件难以控制，同时测量范围受到限制。近年来在光纤表面涂覆各种湿敏材料以提高其灵敏度已成为热点[13]。Lin Y等人[14]提出在光栅表面涂覆聚酰亚胺以测量相对湿度。当湿度在11.3 %～97.3 %RH范围内变化，灵敏度为13.5 pm/%RH。Chen L H等人[15]提出在法布里珀罗腔干涉端面涂覆聚壳糖以测量相对湿度的传感器，当湿度在20 %～95 %RH范围内变化，传感器灵敏度为0.13 nm/%RH。

Liu N等人[16]提出一种基于单模光纤—空心光纤—单模光纤结构的湿度传感器。当湿度在23.8 %～83.42 %RH范围内变化，湿度灵敏度为1.29 pm/%RH。上述提出的传感器在涂覆湿敏材料后，其灵敏度得到提高，但是传感器灵敏度往往受到涂覆层厚度的影响[17]，未研究涂层厚度对传感器灵敏度产生的影响。

本文提出一种基于单模光纤—色散补偿光纤—光纤锥—色散补偿光纤—光纤锥—色散补偿光纤—多模渐变光纤—单模光纤结构的Mach-Zehnder干涉湿度传感器。通过观察传感器光谱响应来监测环境湿度大小。研究了干涉谱波峰能量与湿度之间的关系，并实验探究了温度对传感器光谱产生的影响。实验结果表明该传感器制作简便、灵敏度高，可应用于湿度测量。

1 传感器制作和原理

图1为传感器结构示意。该传感器是由商业熔接机(古河，S177B)制造。使用剥线钳去除色散补偿光纤(dispersion compensation fiber,DCF)涂覆层，用蘸有酒精的棉花反复擦洗，使用光纤切刀(古河，S325)将DCF切成3段。将准备好的其中一段DCF和SMF熔接，再将余下DCF和已经熔接的DCF端口对芯熔接光纤锥，并依次级联。再接入一段GI MMF，形成了SMF-DCF-光纤锥-DCF-光纤锥-DCF-GI MMF-SMF结构的MZI。实验发现，不同熔接参数会制造出不同直径的光纤锥，从而影响传感器透射谱消光比和周期性。经过多次调试和尝试，得到熔接光纤锥最优参数:首次放电强度+120，首次放电结束强度+100，预熔时间300 ms，首次放电时间1 100 ms，推进距离160 μm。

图1 MZI传感器结构示意

图2为使用该熔接参数制作的光纤锥实物照片。光纤锥长度约为324～346 μm，直径在134～137 μm范围内变化。相比较标准DC光纤(直径120 μm)，被制造的光纤锥直径更大。图3为GI MMF接入和未接入传感器时的透射谱,可以看到，将GI MMF接入传感器，透射谱周期明显增加，且条纹对比度更加明显。这是因为GI MMF比SMF 有更大的数值孔径，所以可以耦合进更多的DCF传导模，增加透射谱条纹对比度。因此，GI MMF起到了光纤耦合器的作用。光从宽带光源发出，在DCF和SMF节点处，由于纤芯失配，一部分光进入DCF纤芯，一部分光进入DCF包层，激发包层中的高阶模产生。在第一个光纤锥处，一部分光耦合进入下一段DCF纤芯，一部分光耦合进入DCF包层，激发包层中的高阶模产生。在第二个光纤锥处，包层中的高阶模被耦合到下一段DCF，再次激发DCF包层模产生。在DCF中的传导模经过GI MMF时，由于纤芯失配，一部分光耦合进入GI MMF纤芯，一部分光耦合进入GI MMF包层。在下一个GI MMF和SMF节点处，包层模和纤芯基模被耦合进SMF，发生干涉。

图2 光纤锥实物照片

图3 透射谱

传感器透射谱能量表示为[20]

(1)

当光通过传感器时，由于光纤纤芯和包层折射率不同，使得经过纤芯和包层传输的两束光产生相位差。当干涉谱能量达到最大值时，相位差Δθ表示为

(2)

式中k为整数。

当传感器外界温度恒定，湿度发生变化时，对式(1)求导，即得到湿度灵敏度计算公式[20]

(3)

使用DCF纤芯和包层直径分别为4.65 μm和120 μm，GI MMF纤芯和包层直径分别为50 μm和125 μm，DCF长15 mm，GI MMF长6 mm。图4(a)为温度25 ℃、湿度24 %RH条件下，MZI传感器在空气中的透射谱,可以看到，波长在1 526.85～1 587.23 nm范围内干涉谱有明显的条纹，条纹周期性较好，且干涉谱消光比达到10 dB，满足测量要求。

对透射谱进行快速傅里叶变换，得到相应的傅里叶空间频谱，如图4(b),可以看到，空间频谱展示了数个峰，说明有多个模式参与了干涉，但存在一个明显的主峰，对应的值为0.086 3 nm-1。同时空间频谱中存在较低的峰，且较低峰对应的频率大于主峰对应的频率，说明产生干涉的过程中，传感器的干涉模式十分稳定。由于高阶包层模对应较高的空间频率，所以，对模间干涉起主要作用的是低阶包层模。因此，可以认为该传感器的干涉图样主要由一个激发的低阶包层模和基模形成。

图4 MZI传感器空气中透射谱和空间频谱

2 实验与结果分析

传感器湿度测量装置是由宽带光源(BBS,Lightcomm,ASE-CL)、恒温恒湿控制器(RH Chamber,We-won,WHTH—225L)和光谱分析仪(OSA,Anritsu,MS9740A) 组成，其中光谱分析仪分辨率为50 pm。传感器被放置在湿度箱内，两个尾端通过单模光纤连接到BBS和OSA。通过使用恒温恒湿控制器，可以实现对湿度精确控制。该控制系统湿度和温度测量范围为20 %～98 %RH和-20～150 ℃，测量误差1 %RH和±1 ℃。

图5(a)为不同湿度条件下传感器的透射谱。实验中选取中心波长为1 568.58 nm处的波峰作为监测对象。温度被控制在35 ℃。湿度从35 %～95 %RH每10 %RH改变1次。从图5中可以看到，随着湿度不断增加，透射光谱能量在明显减少，最大变化了4.35 dB；监测点波长向长波方向发生漂移，漂移了0.19 nm，这与理论分析一致。干涉谱波峰能量的变化大于波长的变化，且灵敏度更高，便于测量。为了分析湿度对传感器透射光谱在傅立叶时域产生的影响，对图5(a)透射谱进行傅立叶快速变换(fast fourier transform,FFT)，如图5(b)所示。可以发现，不同湿度对应的空间频谱都有一个明显的主峰。图5(b)中的插图是主峰放大图。从插图中可以看到主峰对应的值均为0.087 9 nm-1，说明随着环境湿度不断增加，该透射谱的主要干涉模式并未发生改变。进一步对比图4(b)和图5(b)主峰，可以发现在大湿度环境中透射谱傅里叶变换谱的峰值小于空气中的透射谱傅里叶变换谱的峰值，这是因为随着外界环境湿度不断增大，根据消逝波原理，更多的包层模能量耦合到外界，导致透射谱总能量减少。

图5 不同湿度下传感器透射谱与空间频谱

在恒定湿度条件下，当外界温度不断升高，空气中水分子含量会减少。因此，在湿度测量过程中，温度也应该被考虑。为了得到传感器温度响应，保持湿度不变，然后温度逐渐升高。温度从35～75 ℃每10 ℃改变1次。图6为该传感器在不同温度下的透射光谱。实验中仍选取1 568.58 nm处波峰作为监测对象。可以看到,随着温度不断上升，透射谱发生红移，漂移了1.78 nm。这是由于温度升高，光纤自身热光效应和热膨胀效应使传感器有效折射率差和干涉臂长度增加，导致整个透射谱发生红移。监测点波峰能量基本不动。

图6 不同温度条件下传感器透射谱

对传感器透射谱监测点能量与湿度变化关系进行拟合，可以看到传感器透射谱能量和湿度有较好的线性关系。当湿度在35 %～95 %RH范围内变化，其响应灵敏度为-0.074 9 dB/%RH，线性度R2为0.995。由不同温度下传感器的光谱响应，可以看到随着温度不断升高，其透射谱能量基本保持不动。

3 结 论

本文提出了一种基于光纤锥级联纤芯失配的Mach-Zehnder干涉湿度传感器。对该传感器传光理论进行了分析，研究了外界湿度变化引起传感器透射光谱响应特性。实验结果表明:透射光谱能量随着湿度的增大而减少，当湿度在35 %～95 %RH范围内变化，其响应灵敏度为-0.074 9 dB/%RH，线性度R2为0.995。在温度不断升高的情况下，传感器透射谱能量几乎没有变化。该传感器具有制造简单、灵敏度高等优点，可以被广泛应用于不同领域的湿度测量。