一种双参量同时测量的MZI传感器

江 超，吴 欣，郭小珊，陶武强

(湖北师范大学 物理与电子科学学院，湖北 黄石 435002)

全光纤干涉仪型光纤传感器因结构紧凑、制作简单、灵敏度高等特点受到了广泛关注[1-2]。1984年，Govind等[3]首次提出用多模内部模式干涉理论解释光学耦合器中光场的传输，给出了单模光纤-多模光纤-单模光纤拼接结构(SMS)的分析方法。1997年，Donlagicd等[4]第一次提到SMS结构在传感领域应用的可行性。此后，国内外对SMS结构的研究达到高潮，出现了大量SMS结构或类似SMS结构的光纤干涉仪传感器[5-11]。在这些结构中，有的用到价格较贵的特种光纤，有的拼接复杂，制作难度大。而且，这些结构中拼接光纤的参数、光纤中传输的模式数量都对传感器特性具有较大影响，制作时需要反复优化才能够获得最佳灵敏度。无芯光纤是一种没有纤芯只有包层的光纤，光在包层中传输，包层直接与外界环境相接触。由于环境参数的变化极易造成无芯光纤包层有效折射率的变化，因此利用无芯光纤构造类似SMS结构能够实现环境参量的测量[12-18]。如果再对结构中的无芯光纤进行拉锥，使它的包层厚度更小，接近微型光纤，便可以进一步增强光纤中传输的光与外界环境介质的相互作用，使敏感性增加，提高测量灵敏度[19-20]。

鉴于此，本文利用单模光纤与无芯光纤拼接一个类似于SMS的结构，再利用特种光纤熔接机对无芯光纤部分进行精准拉锥，得到一个对外界环境参量变化更加敏感的马赫-泽德尔干涉仪(MZI)传感器，以实现对轴向应变与环境折射率的同时测量。

1 传感器结构与原理

1.1 结构制备

2种光纤拼接拉锥构成的MZI传感器结构示意图与光路图如图1所示。MZI传感器结构制备过程如下。

1)2种光纤正对拼接制备MZI结构。选用标准单模光纤(武汉长飞光纤光缆有限公司，纤芯直径9 μm，包层直径125 μm)与无芯光纤(武汉长飞光纤光缆有限公司，包层直径125 μm)，按照单模光纤-无芯光纤-单模光纤进行拼接。宽带光源接MZI的输入端，光谱分析仪接MZI的输出端，当无芯光纤取不同长度时，观察MZI的透射谱。经过反复对比与优化，发现无芯光纤长度为51 mm时，MZI透射谱具有更好的条纹显示度。

2)对制备好的MZI无芯光纤部分进行拉锥。将MZI的无芯光纤部分固定在FSM-100P+大芯径多功能光纤熔接机(日本藤仓公司)上进行拉锥。拉锥参数设置为：拉锥后腰部最小直径为45 μm，中间直锥体长度为3 mm，左右两边的锥形部分长度为6 mm。在拉锥过程中，接入宽带光源与光谱分析仪，实时观察光谱变化，对光纤拉锥过程进行监控。无芯光纤的锥体拉制成功后，MZI传感器结构制备完成。

图1 2种光纤拼接拉锥构成的MZI传感器结构示意图与光路图

1.2 测量原理

拉锥前后MZI结构的初始透射谱对比如图2所示。从图2可以看出，未拉锥时透射谱谐振峰较少，条纹间隔较大。拉锥之后透射谱中出现更多敏感的谐振峰。这是由于无芯光纤包层的厚度变小，产生的干涉模式更多。

图2 拉锥前后MZI结构的初始透射谱对比

传感器的初始透射谱如图3所示，选择自由空间间隔比较大的波谷Dip 1与Dip 2来研究传感器的特性。传感器的空间频谱如图4所示。从图4可以看出，传感器是一个多模干涉的过程。其中，基模与3个低阶模式在光谱功率成分中占比最大，对光谱的形成起主要作用。还有许多高阶模式，在光谱成分中占比较小，对光谱形成也有一定的贡献。

图3 传感器的初始透射谱

图4 传感器的空间频谱

结合图1中光路图可以看出，起传感作用的主要是拉锥后的无芯光纤。当光传播到光纤的第1个熔接点(单模光纤+无芯光纤)时，由于2种光纤的芯径不匹配，在熔接处激发出多个光模式。这些被激发出的模式耦合进入无芯光纤传输时，一部分沿着无芯光纤中心部分传输，另一部分沿着无芯光纤包层内表面传输，2路光传播时形成光程差，最后在光纤的第2个熔接点(无芯光纤+单模光纤)处都耦合到输出单模光纤中产生干涉，构成一个Mach-Zehnder干涉仪。为了简化分析过程，只考虑在无芯光纤中传输的2个主要模式形成干涉。假设这2个主要传输模式分别为沿着无芯光纤中心部分传输的模式LPm和沿着无芯光纤包层内表面传输的模式LPn，则LPm与LPn的相位差Ømn为：

(1)

式(1)中，Δneff为无芯光纤中LPm模式与LPn模式的有效折射率差；λ为空间自由光波长；L为无芯光纤长度。由式(1)可知，当相位差满足干涉条件时，干涉仪透射谱的k阶波谷中心波长为：

(2)

当传感器的外界参量发生改变时，2个主要模式的有效折射率差以及无芯光纤的长度发生变化，导致传感器的透射谱发生漂移。因此，可以通过观察透射谱谐振峰波谷的中心波长变化量进行轴向应变与折射率的测量，并利用公式(2)计算其理论灵敏度。

2 实验结果与分析

2.1 应变实验

传感器轴向应变实验选用的宽带光源为自发辐射光源，光谱范围为1 250～1 650 nm；光谱分析仪(AQ6370D，日本横河公司)测量的光谱范围为600～1 700 nm，精度±0.1 nm。将传感器固定在2个等高的位移平台之间，并将其调整到拉直状态，用AB胶把2个固定点粘牢，完全干燥后再进行轴向应变实验。实验通过调节右边位移平台的千分尺给传感器施加不同的轴向应变，千分尺每转动1次就记录1次实验数据。轴向应变计算公式为：

ε=Δd/d

(3)

式(3)中，ε为对传感器施加的轴向应变量；Δd为位移平台的位移量；d为传感器两固定端之间距离。

波谷Dip 1随轴向应变的变化曲线如图5所示。从图5可以看出，随着ε增加，波谷Dip 1的中心波长向短波长方向漂移(蓝移)。将测得的数据用Matlab软件进行拟合，得到波谷Dip 1的中心波长与轴向应变之间的变化关系如图6所示。从图6可以看出，波谷Dip 1的中心波长漂移量与轴向应变之间有极好的线性关系，线性拟合度R2=0.9967，波谷Dip 1的轴向应变灵敏度α1=-5.143 pm/με。

图5 波谷Dip 1随轴向应变的变化曲线

图6 波谷Dip 1的中心波长与轴向应变之间的变化关系

波谷Dip 2随轴向应变的变化曲线如图7所示。从图7可以看出，随着ε增加，波谷Dip 2的中心波长也向短波长方向漂移(蓝移)。将测得的数据用Matlab软件进行拟合，得到波谷Dip 2的中心波长与轴向应变之间的变化关系如图8所示。从图8可以看出，波谷Dip 2的中心波长漂移量与轴向应变之间有极好的线性关系，线性拟合度R2=0.9975，波谷Dip 2的轴向应变灵敏度α2=-7.829 pm/με。

图7 波谷Dip 2随轴向应变的变化曲线

图8 波谷Dip 2的中心波长与轴向应变之间的变化关系

2.2 折射率实验

宽带光源输出接传感器输入端，光谱分析仪接传感器输出端，将传感器两端用光纤夹持器固定使其处于拉直状态。传感器浸没在水槽内，采用蔗糖溶液来进行折射率实验，蔗糖溶液折射率变化范围为1.33～1.38。首先，彻底清洗传感器，将蒸馏水注入水槽中至传感器完全浸没，等待约30 s，将蒸馏水吸出；注入无水乙醇至传感器完全浸没，等待30 s，将无水乙醇吸出。待传感器上的无水乙醇完全挥发，将配制好的蔗糖溶液注入水槽至传感器完全浸没，等待约2 min，待光谱稳定后记录数据。最后，用蒸馏水和无水乙醇对水槽和传感器进行清洗，依次注入不同折射率的蔗糖溶液，直到完成所有折射率测量实验。

波谷Dip 1随折射率的变化曲线如图9所示，波谷Dip 1的中心波长与折射率之间的变化关系如图10所示。从图9和图10可以看出，随着环境折射率增加，波谷Dip 1光谱曲线红移，中心波长随折射率线性变化，线性拟合度R2=0.9813，折射率灵敏度β1=330.2 nm/RIU，灵敏度较高。

图9 波谷Dip 1随折射率的变化曲线

图10 波谷Dip 1的中心波长与折射率之间的变化关系

波谷Dip 2随折射率的变化曲线如图11所示，波谷Dip 2的中心波长与折射率之间的变化关系如图12所示。从图11和图12可以看出，随着环境折射率增加，波谷Dip 2光谱曲线红移，中心波长随折射率线性变化，线性拟合度R2=0.9694，折射率灵敏度β2=237.1 nm/RIU，灵敏度较高。

图11 波谷Dip 2随折射率的变化曲线

图12 波谷Dip 2的中心波长与折射率之间的变化关系

2.3 实验结果讨论

轴向应变或外界折射率均会使传感器干涉谱谐振峰的中心波长发生线性漂移，且两者造成的漂移方向是不一样的，存在交叉敏感。利用传感器透射谱中波谷Dip 1与Dip 2测得的折射率与应变的灵敏度构建传输矩阵，能够同时测量应变与折射率，避免交叉敏感相互影响。

设λ1和λ2分别为波谷Dip 1与Dip 2的中心波长，如果传感器监测到环境折射率与轴向应变同时变化时，2个波谷的中心波长均会发生漂移，漂移量计算公式为[11-12]：

Δλ1=α1Δε+β1Δn

(4)

Δλ2=α2Δε+β2Δn

(5)

式(4)～(5)中，Δλ1为λ1的变化量；Δλ2为λ2的变化量；Δε为轴向应变的变化量；Δn为环境折射率的变化量；α1为波谷Dip 1的轴向应变灵敏度;α2为波谷Dip 2的轴向应变灵敏度；β1为波谷Dip 1的环境折射率灵敏度;β2为波谷Dip 2的环境折射率灵敏度。由前面实验测得，α1=-5.143 pm/με，α2=-7.829 pm/με，β1=330.2 nm/RIU，β2=237.1 nm/RIU，根据矩阵理论，由式(4)和(5)可得到测量矩阵为：

(6)

3 结论

设计了一款双参量同时测量的MZI光纤传感器，利用无芯光纤与单模光纤进行正对拼接然后拉锥而构成。通过分析传感器的透射谱与轴向应变和环境折射率的变化关系，发现透射谱中波谷的中心波长与轴向应变、环境折射率之间存在极好的线性变化关系。选择2个波谷的轴向应变与环境折射率灵敏度，构建测量矩阵，完成了轴向应变与环境折射率双参量的同时测量。传感器具有较高的测量灵敏度，体积小、结构紧凑、结构重复性好，在工业、国防、民用与科学研究等方面有一定的应用价值。