一种新型光纤MZI折射率传感器

关寿华

(大连民族大学 物理与材料工程学院，辽宁 大连116605)

全光纤折射率传感器由于在生物、化学、环境监测等领域有着广泛应用，因此受到了日益增长的关注和研究。光纤折射率传感机制有很多,光纤布喇格光栅、长周期光纤光栅、光纤马赫-曾德尔干涉仪(Mach-Zehnder interferometer, MZI)等等。其中，光纤MZI由于结构紧凑、制备和探测都很简便，因此受到广泛重视，但绝大多数的光纤MZI都是基于熔接或小偏芯连接技术制成[1-2]，由于是把纤芯基模耦合到高次模，因此折射率灵敏度不高[3]。而光纤开腔MZI折射率传感器[4]对模式耦合方式的改进，极大提高了折射率灵敏度，而且还保留了原有的优点。此外，光子晶体光纤(Photonic crystal fiber, PCF)这一新型光纤，也成为研制新型高灵敏度光纤折射率传感器的重要载体。例如：将被测液体或气体充入到基于光子晶体光纤的长周期光栅[5-6]、布喇格光栅[7]、萨格纳克干涉仪[8]等器件的气孔内来测量折射率，都获得了很高的灵敏度。但与这些高灵敏度光纤折射率传感器相比，横向大偏置结构(Large lateral offset structure, LLOS)光纤开腔MZI[4,9]，不但制备十分简便，只需要用到光纤熔接机，而且折射率灵敏度高、探测方便、响应速度快，值得深入研究和探索。

本文设计了阶梯式横向大偏置结构光纤MZI(Staged LLOS MZI, SLLOS-MZI)，分析了干涉机制及折射率传感特性，并在一种实芯光子晶体光纤中制备了SLLOS-MZI (SLLOS-PCF-MZI)，测试其折射率传感特性，其灵敏度约为-4 614.9 nm·RIU-1。SLLOS-PCF-MZI传感器制备简单、操作简便、灵敏度高，在检测液体或气体的浓度、折射率等方面具有较大的应用前景和推广价值。

1 基本原理

SLLOS-PCF-MZI的结构特点是， PCF与两侧光纤熔接时，横向偏离约62.5 μm，如图1。

当一束光从输入单模光纤(Single mode fiber, SMF)输入，在输入光纤与PCF的熔接处分成两束，一束在PCF中传输，该束光在中间光纤与输出单模光纤熔接处再分成两束，一束直接进入输出光纤，另一部分进入外部环境中传输，再进入输出光纤，两束光在输出光纤中汇成一束，形成干涉，其干涉谱为：

(1)

当(1)式中余弦函数的相位值为(2m+1)π时(m为整数)，I将达到最小值Imin(波谷)，设λvm代表第m级波谷的中心波长，当环境介质从ns变成ns+Δns时，λvm将漂移，设漂移到λvm+Δλvm，则可以推出[9]：

(2)

2 实验与结果分析

2.1 SLLOS-PCF-MZI的制作与讨论

制备MZI所用的PCF是SM-10型实芯PCF，包层直径为125 μm，有3层空气孔，孔直径约为5.4 μm，孔间距约为8 μm，气孔在横截面上排列成六边形。实验中，采用手动模式在商业光纤熔接机上制备 SLLOS-PCF-MZI。首先，在熔接机上，根据互成90°角双摄像头的监控，将一段PCF与输入SMF调节对齐，再调节横向偏离约62.5 μm，将两光纤的间距调整合适之后，熔接在一起；取下后用光纤切割刀将PCF的多余部分切去；再将PCF与输出SMF一起放入光纤熔接机，仔细调节使两光纤对齐，再调节横向偏离约62.5 μm，然后熔接在一起，最后形成结构如图2，制成SLLOS-PCF-MZI。用30倍读数显微镜观测发现，处于SLLOS-PCF-MZI中间的PCF的长度约为327μm，并且PCF要比两侧SMF更亮一些。

SLLOS-PCF-MZI在空气和水中的透射谱及相应的空间频谱如图3。由图3(a)可以看出，该SLLOS-PCF-MZI的插入损耗在空气中约为-49.83 dB，放入水中，减小约为-46.17 dB，同时条纹可见度和自由光谱范围也得到改善。这一现象在光纤开腔MZI折射率传感器[9-10]中已经有过相关报道，主要是因为环境介质换成液体，减小了光纤端面处的散射损耗和非传导模损耗。根据图3(b)中的空间频谱可以发现，在空气中时呈现多模干涉形态，其中第2模式的幅度与第3、4模式相差不是很大。但浸入水后，第3、4模式减小到极弱的程度，而第2模式有所增强，呈现双模干涉形态，因此条纹可见度增大到约11.2 dB，自由光谱范围改善。因此，SLLOS-PCF-MZI更适合基于液体折射率或浓度的传感领域。

2.2 SLLOS-PCF-MZI折射率特性测试与结果讨论

对中间PCF长约327 μm的SLLOS-PCF-MZI的折射率传感特性进行了实验测试，所用实验装置如图4。

光谱分析仪si720的扫描光源和光探测器分别与MZI传感器的两端相连，以便测试新型MZI的透射谱。调配好浓度不同的多份盐溶液(折射率也不同)，并用阿贝折射仪测量出折射率。用盐溶液浸没MZI传感器，等稳定后观测透射谱，再除去测试完的盐溶液，并用去离子水多次清洗，最后晾干。更换不同盐溶液，重复以上步骤，完成折射率传感特性的测试。

该SLLOS-PCF-MZI传感器的折射率传感特性测试实验结果如图5。由图5(a)可见，随着所浸入盐溶液折射率的增大，MZI传感器透射谱向短波方向移动，符合理论分析的结果，并且和已经报道的两种光纤开腔MZI的传感特性相同[4,10]。接近1530nm的波谷波长随着盐溶液折射率的增大向短波方向移动，计算出盐溶液折射率相对去离子水折射率的增加量Δnout，并对该波谷波长随盐溶液折射率增加量Δnout的变化进行定量分析，见图5(b)。分析结果表明：波谷波长对环境折射率变化的响应呈线性，R2因子达到0.997，折射率灵敏度达到-4614.9 nm·RIU-1。

基于综合分析，在目前的众多波长调制型光纤折射率传感器中，SLLOS-PCF-MZI属于折射率传感特性比较强的一种类型，与光子晶体光纤长周期光栅的气孔内折射率传感特性相仿[11]，但与之相比，SLLOS-PCF-MZI制备简单，操作方便，响应速度快，因此在应用中更具有优势。

3 结 语

本文设计了一种新型光纤MZI，阶梯式横向大偏置结构光纤MZI，理论分析了干涉原理和折射率传感特性，并在实芯光子晶体光纤中成功制备，测试了折射率传感特性，测试结果表明：透射谱对环境介质折射率变化的响应呈线性，折射率灵敏度超过-4 614.9 nm·RIU-1，并且制备简单、测量响应快。在基于液体浓度或折射率变化的传感领域，此种新型光纤MZI可以用来制成灵敏度高、响应速度快的微腔传感器，具有较大的研究价值和应用前景。