新型结构光纤传感器的制备与特性研究*

杨红波， 刘筠筠

(1.郑州科技学院 电子与电气工程学院，河南 郑州450064;2.郑州科技学院 信息工程学院，河南 郑州 450064)

0 引 言

对于长周期类型的光纤光栅，在光学器件中应用较多，利用这种光无源器件的特性，可制备各种滤波器，包括多种类型传感器[1,2]。螺旋光纤光栅相较于传统的光纤类型存在一定的特殊性，主要体现在制备过程中应用了扭转熔融状态的光纤,因此，光纤材料不需要具有光敏特性[3,4]。由于其折射率呈现出螺旋特征，因此能够实现对光波偏振态的控制，或者对角动量的控制。这种螺旋光栅可用于包括偏振控制器和宽带滤波器等多种仪器中[5,6]。由于其特殊的折射率分布使得这种光栅可应用于传感领域，对扭转力展现更高的灵敏度，特别适合光纤的扭转测量[7,8]。

基于单模光纤制成的螺旋光栅已得到广泛的应用[9,10]。光纤结构对于光栅性能有一定的影响，主要体现在传输特性和包层结构。近些年基于折射率构建的下凹型螺旋光栅得到了快速的发展[11～13]，但是在理论层面上缺少相关研究。

本文主要研究了基于阶跃双包层的螺旋型光纤光栅。以耦合模为理论依据对该类型光栅展开了研究，详细分析了其传输谱特性。相比单模光纤模式，本文应用了4层波导模型对其存在模式进行了模拟。并在折射率和温度等方面进行了探究实验，明确了其传感特性，最终验证了其性能。

1 阶跃双包层光纤的传输原理

为了深入探究螺旋光栅的传输特性，首先对其存在模式进行了求解。首先对光纤进行了近似处理，将其看作无限大包层，之后分析纤芯模式[14,15]。本文主要通过4层波导模型从折射率方面考虑不同结构存在差异性，按照由高到低的顺序，分别是纤芯、内包层，之后是外包层，最后是外界环境。本文研究的光纤其纤芯折射率为1.473，内包层折射率为1.470，外包层折射率为1.467，对应的半径分别为4.8,36，65.5 μm。

通过对电磁场边界连续型条件的求解，可获取模式分布及传播常数。在仿真过程中，对于双包层光纤主要分析了其模式和折射率分布，即阶跃型。如果内包层区域形成大量能量的积聚，为内包层模式。相应地，如果在区域之外分散，就形成了外包层模式。

螺旋光栅制备采用了离轴扭转方式，因此该光栅结构为单螺旋。纤芯位置和普通光纤类型无其他差异。相较于纤芯尺寸，其离轴量更小，而且差距较大。基于此可确定其介电常数位于纤芯位置，以下为微扰表达式

(1)

式中nco和nin为折射率，前者为纤芯位置，后者为内包层位置；r0为纤芯的有效半径；d主要表征了离轴量，τ为扭转率。

依据耦合模微扰理论，以螺旋光栅为基础，分析了光波在其内部的传输，耦合方程为

(2)

(3)

式中ω为光波角频率,ε0为真空中的介电常数,N为归一化系数,ej和ek为矢量电场。

当光栅为单螺旋类型时，如果形成耦合，依据能量守恒定律，满足公式

βj-βk=ku,Mj±1=Mk

(4)

式中βj和βk分别为模式j和模式k的传输常数;Mj和Mk分别为模式j和模式k下的方位角。

2 光栅的制备与仿真研究

2.1 光栅的制备

CO2激光器光纤熔接机制备光栅的原理如图1。该加工系统中主要的部件包括：实现横向位移电机1个，实现旋转的电机1个，光纤夹具1对，以及实现加热光纤的CO2激光束1个。实际制备时，横向位移电机可驱动旋转电机沿着光纤轴向运动，夹具主要用来固定光纤，并形成合适的夹角，再由激光束完成加热操作。光纤受到驱动作用，能够发生轴向运动，且速度固定为v1。在旋转电机的作用下，即右侧位置，之后光纤可旋转，速度固定为v2。当处于熔融状态时，光纤可发生扭转，当角度达到360°时，需要采集步进距离数据，即横向位移电机，并以此计算出光栅相关参数，如周期长度，其计算式为L=360°×v1/v2，通过光谱仪实现实时检测。

图1 CO2激光制备螺旋型光纤光栅的实验装置

采用上述加工技术，可完成对螺旋光栅的制备，其周期为412 m，周期个数为28。在此期间对CO2激光相关参数进行了设置，如功率为11.98 W，持续时间共302 s。对于加工中应用的电机应设置合适速度，其中旋转电机为40°/s，而横向位移电机为48 m/s。光谱相关数据进行了测算，其中波长为1 350～1 650 nm，而谐振波长为1 518.2 nm，损耗为-22.64 dB。与理论相比，实验结果并无太大差异。但是在波长等方面存在一定差异，原因在于材料色散没有在计算中加以考虑。

2.2 阶跃双包层光纤的仿真

如果为右手单螺旋类型，那么纤芯基模HE11将会可以和HE2n之间实现良好的耦合作用。基于求解模式中所对应的传播常数，可获得周期及波长之间所存在的具体关系曲线。如图2，如果光栅周期没有超过400 μm，则此时的纤芯模式将会和内包层模式进行有效的耦合作用；如果该周期已经超过了400 μm，则此时的纤芯模式将会和外包层模式出现充分的耦合。

图2 包层模式谐振峰的波长与光栅周期的关系曲线

3 传感特性测量

通过实验研究了该光栅对环境中折射率的传感特性，实验装置如图3所示。

图3 实验装置

当处于室温的环境条件时，在各种折射率的匹配液中浸没光栅，然后再利用光谱仪将相关数据记录下来。与之相关的谐振峰分析结果详见图4。虽然光栅区域的环境折射率有所提升，由之前的1.35提高至1.47，但谐振峰位置并未出现显著的改变，只有0.3 nm，并且损耗变化只有0.24 dB。通过分析可知，在逐渐增大折射率之后，光栅光谱基本上并未出现显著的改变。由于此时是内包层模式，大部分的能量均分布在内包层之中，因此外界折射率不会对其带来显著影响。

图4 谐振峰—折射率曲线

通过深入地开展实验测试，分析了在应变、弯曲、温度与扭转等方面的传感特性。进行扭转特性的分析研究过程中，各种折射率大小的光纤都处在2个同轴夹具里。此时将会保持某个夹具的位置不动，然后利用另外的夹具来促使光纤发生不同方向的360°旋转。在不断地提高扭转角的值之后，可以得到如图5的光谱曲线。由图可知，如果它所受的是逆时针扭转力的作用，那么它的谐振峰将会在长波的方向上发生一定程度的漂移现象；如果它所受的是顺时针扭转力的作用，那么将朝着短波的方向发生漂移。

图5 谐振峰波长—扭转率曲线

在加热炉中放入了拟分析光栅样品，以探讨温度与光栅之间所存在的具体影响。当炉温逐渐由50 ℃提高为120 ℃的过程中，每隔10 ℃进行光谱数据的详细记录。本文所得到的谐振峰位置数据见图6。由图可知，在逐渐地升温之后，可以发现谐振峰将会朝着长波的方向发生不断的漂移,其波长变化的灵敏度为58.72 pm/℃。

图6 谐振峰波长—温度曲线

在进行各种方向下的弯曲研究工作过程中，需在钢片之上放置光栅样品，确保两者为有效紧贴。在此基础上，将通过螺旋测微器对该钢质薄片进行挤压，确保传感单元会与之同时发生弯曲。在逐渐地提高弯曲量后，可以发现：光纤轴线的两侧区域将会出现折射率的明显改变，然后影响到了其模式，使得其耦合系数产生一定的改变，最终会导致光谱发生漂移现象。在开展该测试研究时，可以发现样品中出现了一定大小的曲率。所得到的曲率—谐振波长曲线见图7。由图可知，该样品的弯曲灵敏度为-1.84 nm/m，此外，在逐渐地提高曲率之后，其波长将会朝着短波的方向发生一定的漂移。

随后研究了该光栅对应变的传感特性。首先在2个位移台间放置拟分析的样品。考虑到应当尽量地降低光纤振动或弯曲带来的影响，所以将会对位移台进行适当的调整，确保光纤具有良好的同轴性，并且将合适的预应力施加到光纤轴向之上。在进行试验时，需要使某个位移台保持位置的固定，并且根据需要来移动另外的位移台以提供微应变，其范围为0～4 000ε。因为轴向应变有可能引起光纤出现一定的光弹效应，导致其折射率发生改变。除此之外，轴向应变还有可能使得光栅周期出现少量的波动。因此， 随着应变的增加，光谱随之改变。本文所得到的应变对于谐振峰损耗量的影响见图8。由图可知，在逐渐地提高应变之后，将会进一步增强了模式之间的耦合，将会转化更多纤芯模式为包层模式，由此带来的结果就是谐振峰将会有更加显著的损耗。

图8 谐振峰损耗—应变曲线

4 结 论

本文以阶跃双包层光纤作为基础研究了新型螺旋型光纤传感器。通过耦合模理论对其传输谱特性进行深入地探讨。周期合适时，发现它可实现由纤芯模式向着内包层模式的逐步耦合。根据所获得的数据可知，该光纤光栅并不具有较高的折射率变化敏感性，但是它可以有效地完成关于应变、弯曲、温度与扭转等4个方面的分析与测试。它可用在折射率比较复杂的环境条件之中，不会受到折射率波动所带来的显著影响，其传感测量具有较高的可靠性与稳定性。