基于侧面抛磨锗芯光纤的折射率传感器*

刘秀浩，万鲁雪，马任德，夏云杰

（曲阜师范大学 物理工程学院，山东 曲阜 273165）

0 引 言

光纤折射率传感器因具有体积小、成本低、灵敏度高等优点，在生物和化学研究领域受到了广泛关注。基于光纤布拉格光栅[1]、法布里-珀罗干涉仪[2]、马赫-曾德尔干涉仪[3-4]等器件，很多高性能的光纤折射率传感器被设计出来。其中，基于单模-多模-单模（Single mode-Multimode-Single mode，SMS）光纤结构的折射率传感器[5]，不仅对环境扰动具有非常灵敏的响应，而且结构简单、成本低廉，吸引了众多研究者的注意。

目前，已开发出4 种方案用于制作高灵敏度的SMS 光纤结构的折射率传感器，包括光纤拉锥[6]、错芯熔接[7]、氢氟酸（Hydrofluoric，HF）刻蚀[8-9]和轮式侧面抛磨[10]。光纤拉锥法和错位熔接法虽然生产成本较低，但操作过程复杂，制作的光纤结构鲁棒性较差。HF 刻蚀法虽然操作简单，但HF 是一种具有极强腐蚀性的剧毒材料，在实验过程中容易对人体产生危害。轮式侧面抛磨法不仅避免了超精细对准熔接，还避免了危险材料的使用，而且插入损耗较低。但是，这种方法产生的抛磨位置是一个应力释放区，极易损坏抛磨光纤，难以重复利用，且抛磨区域由抛磨轮的直径决定，无法实现小区域抛磨。以上4 种方案制作的SMS 光纤结构中熔接的多模光纤纤芯直径都较大，为了提高测量灵敏度，多模光纤的熔接长度分别为4 cm[6]、1.5 mm[7]、30 mm[8]、35 mm[9]、40 mm[10]。然而，若多模光纤太长，制作的传感器尺寸较大，将导致测量样品的需求量很大，同时容易激发出多个高阶模式，使得传输光谱分布复杂。

针对以上问题，本文选用了纤芯直径为16 μm的锗芯光纤（Ge-doped fiber，GDF），制备并侧面抛磨了GDF 长度分别为0 μm、23 μm、70 μm、690 μm、2 mm 的SMS 光纤结构，然后开展折射率传感实验。研究发现，该传感器具有较高的折射率灵敏度。当GDF 长度为70 μm 时，在1.333 ～1.367折射率区间内，灵敏度最高，可达623.5 nm/RIU。当GDF 为2 mm 时，插入损耗变大，传输光谱变得十分复杂。使用的多模光纤纤芯直径较小，相应制作的传感器尺寸非常小，从而在传感应用中具有很高的样品利用率。此外，SMS 光纤结构被AB 胶固定在玻璃槽内，使传感器具有很好的鲁棒性和可重复利用性。

1 SMS 光纤结构制作

GDF 的包层和纤芯直径分别为125 μm、16 μm，单模光纤的包层和纤芯直径分别为125 μm、8.4 μm。GDF的纤芯直径大于单模光纤的纤芯直径，可确保抛磨至GDF 纤芯附近时单模光纤的纤芯不被破坏。

SMS 光纤结构的制作过程如图1 所示。图1（a）将端面切平的单模光纤和GDF 用光纤熔接机熔接；图1（b）将熔接好的光纤用切割刀在靠近GDF 处再次切割；图1（c）将切割好的光纤与另一根端面切平的单模光纤进行熔接。最终，制作出了GDF 长度分别为23 μm、70 μm、690 μm、2 mm 的SMS光纤结构。

图1 SMS 光纤结构的制作过程

将熔接好的SMS 光纤结构用AB 胶（A:B=1:10）固定在一个两边深中间浅、表面光滑的玻璃槽内，并将涂有AB 胶的玻璃槽放在90 ℃的加热板上烘烤15 min，使AB 胶具有足够的强度。然后，用不同型号（30 U、9 U、5 U、3 U、1 U）的砂纸进行抛磨，抛磨后的SMS 结构如图1（d）所示。在AB 胶的固定下，该结构具有好的鲁棒性，可重复利用。

GDF 纤芯的熔点小于石英光纤。放电熔接过程中，为了使石英光纤熔化，GDF 可能出现鼓泡的现象。同时，若单模光纤与GDF 切割端面不平，则会导致熔接处光纤弯曲。因此，在熔接前必须调整好切割角度、放电时间以及放电电流等参数。

2 实验装置

图2 为SMS 光纤结构的传输光谱测试实验简图，用于检测侧面抛磨过程、折射率测量过程中SMS 光纤结构传输光谱的变化。该装置利用超连续谱光源（波长范围450 ～2 400 nm）提供宽带光谱输出，并用波长分辨率为0.02 nm 的光谱分析仪（Aq6317c，波长范围600 ～1 700 nm）对传输光谱进行实时监测。SMS 光纤结构被固定在玻璃槽内，俯视图和侧视图如图2 虚线框内所示。

图2 SMS 光纤结构的传输光谱测试实验装置

3 实验结果及分析

对GDF 长度为0 μm、23 μm、70 μm、690 μm、2 mm 的SMS 光纤结构依次抛磨，并用图2 所示装置实时检测。根据光谱波形的变化判断光纤的抛磨深度，在达到最深干涉条纹时停止抛磨。首先测量GDF 长度分别为0 μm、23 μm、70 μm 的SMS 光纤结构在空气、水、酒精（折射率依次是1.000、1.333、1.367）中的传输光谱，得到结果如图3 所示。

从图3 可以看出，随着外界折射率的增加，传输光谱向长波方向偏移，且长波长处谐振波的偏移距离大于短波。对比图3（a）～图3（c），熔接的GDF 长度越长，谐振波长偏移越明显。

图3 侧面抛磨SMS 光纤结构随折射率变化的传输光谱

GDF 长度为0 μm、23 μm、70 μm 的SMS 光纤结构，在1 150 ～1 650 nm 范围内，传输光谱都存在两个谐振波长。为了尽量减小色散影响，选取1 300 nm 附近的谐振波长进行分析。根据波长偏移与外界折射率之间的关系，通过线性拟合获得了传感器的折射率灵敏度，如图4 所示。

图4 谐振波长随折射率变化

如图4 所示，波长偏移量随折射率呈非线性变化，因此将1.000 ～1.367 的折射率范围分为两个折射率子区间，分别为1.000～1.333、1.333～1.367，近似认为在子区间内为线性。在1.333 ～1.367 这个子区间计算侧面抛磨SMS 光纤结构的折射率测量灵敏度，对结果进行拟合，得到GDF 长度为0 μm、23 μm、70 μm 的SMS 光纤结构的折射率灵敏度分别为229.4 nm/RIU、364.7 nm/RIU、623.5 nm/RIU。对比灵敏度可知，GDF 的熔接长度会影响SMS 光纤结构的折射率测量灵敏度。GDF 长度越长，灵敏度越高。与其他SMS 光纤结构的折射率传感器相比[6-10]，使用的多模光纤纤芯直径很小，在较短的熔接长度区间内就能产生较高的灵敏度。

为进一步观察GDF 长度与折射率灵敏度之间的关系，测量GDF 长度为690 μm 的SMS 光纤结构在空气、水、酒精中的传输光谱，如图5 所示。

图5 GDF 长度为690 μm 的SMS 光纤结构的传输光图

图6 GDF 长度为690 μm 时，谐振波长随折射率变化

从图5 可以看出，随着外界折射率的增加，谐振波长向长波偏移，变化规律与图3 相同。图6 显示了在波长1 300 nm附近，当折射率为1.000、1.333、1.367时SMS光纤结构谐振波长的位置。由图6可知，GDF 长度为690 μm 时，在1.333 ～1.367 的折射率区间内，灵敏度只有511.8 nm/RIU，小于GDF 长度为70 μm 时的灵敏度。由此推断，当GDF 过长时，不但会降低折射率灵敏度，还会造成测量样品需求量和GDF 使用量的增加。

为了验证以上结论，对GDF 长度为2 mm 的SMS 光纤结构进行折射率传感实验，并观察波形变化。如图7 所示，当GDF 长度为2 mm 时，在侧面抛磨过程中会激发光纤包层模式，导致传输光谱十分复杂和不稳定。长波处的插入损耗明显增大，高达57 dB。在折射率传感实验中，无法清晰观察到随折射率变化谐振波长的偏移规律，也无法进行灵敏度的测量。因此，GDF 长度过长，不但会产生较大插入损耗和样品需求量，而且会造成光纤浪费和传输光谱的不稳定。

图7 GDF 长度为2 mm 的SMS 光纤结构的传输光谱

4 结 语

本文通过侧面抛磨SMS 光纤结构，设计制作了一种高灵敏度的折射率传感器。该传感器的制作方法操作简单、成本低廉、安全性高。SMS 光纤结构被固定在玻璃槽内，鲁棒性好，可重复使用。多模光纤纤芯直径较小，熔接较短的多模光纤就可以产生较高的灵敏度。制作的传感器尺寸较小，易于开展微小区域的折射率测量，具有很高的样品利用率。当GDF 长度为70 μm 时，在折射率范围1.333 ～1.367 内，SMS 光纤结构的折射率测量灵敏度为623.5 nm/RIU。此外，侧面抛磨的SMS 光纤结构还可以作为光流控芯片和光电芯片构建的通用平台。