高灵敏保偏光纤模式干涉温度传感研究

杨 威,余海湖

(武汉理工大学 光纤传感技术与网络国家工程实验室,湖北 武汉 430070)

0 引言

光纤传感器具有体积小、抗电磁干扰、耐腐蚀、测量精度高等特点,其应用发展广泛[1]。温度传感器在科学研究、生产自动化、实时检测和控制等场合中应用广泛。温度传感的测量方式很多,传统测温方式有热电偶、热敏电阻式等,其传感机理通常为受激荧光、干涉、光吸收、热致光辐射、光散射等,但在高温、强腐蚀的环境下温度传感器的测量方式受限[2]。Ju Seongmin等[3]用CO2激光脉冲将掺杂的PbO-GeO2-SiO2光纤刻蚀制成光纤布喇格光栅(FBG),在30～250 ℃内温度灵敏度为0.017 3 nm/℃。但此操作方式成本高,且FBG具有较强的交叉敏感特性,对温度测试有一定的串扰影响。段丹阳等[4]提出了一种基于光纤法布里-珀罗(F-P)干涉仪的温度传感器,在25～30 ℃内温度响应灵敏度为21.504×2π rad/℃,温度分辨率为0.046 ℃,但在研磨过程中端面的不平整度会产生较大的实验误差影响。Dong Xinran等[5]利用在两根单模光纤之间嵌入一段镀铂膜的多模光纤,最大温度灵敏度为55.2 pm/℃,但在镀铂膜过程中工艺较精细复杂,同时铂膜层厚度的大小也会影响实验的精准性。Zhou S等[6]、Hong L等[7]、Yue C等[8]利用多芯光纤多个模式耦合作用实现了温度传感,虽然选用光纤的材质种类较为新颖,但传统多芯光纤的制作工艺难度大且需要进行二次拉制,成本较高且光纤体积较大。石小雨等[9]将单模光纤与空心光纤拼接后进行放电拉锥。利用包层模式之间的干涉进行温度与应力传感,在30～330 ℃时灵敏度最高为69.1 pm/℃,由于切割精细,故制备过程复杂。Tan Jianchang等[10]设计并实现了一种双球结构单模多模单模(DSSMS)光纤温度传感器,在30～540 ℃时灵敏度为37.372 pm/℃,在-25～+25 ℃时灵敏度为37.28 pm/℃,但因多模光纤内部存在较强的模间色散现象,故稳定度较弱。

本文提出了一种反向重叠挤压放电形成双凸锥结构的Mach-Zehender干涉(MZI)传感器。首先在单模光纤中焊接一段熊猫型保偏光纤,有效减小了光纤内部的偏振模色散现象;而后从光强和波长两个角度实现传感的解调,进而实现了对温度的高灵敏度检测。经理论仿真和数学分析可得,当保偏光纤长度为2.5 cm时,在1 550 nm处温度灵敏度为144.78 pm/℃。实验结果表明,在30～70℃内温度灵敏度为126.45 pm/℃,与理论灵敏度较为相符。该传感器设计结构简单,制作工艺简便,传感单元短小,与FBG结构F-P型多芯型光纤构成的传感结构相比,此结构减少了对光纤端面平整度的严格要求,同时也在一定程度上减小了交叉敏感的串扰影响。实验结果表明,该传感器温度灵敏度高,且制作工艺简单、成本低,因此作为一种便携式温度传感器件,其存在一定的应用价值。

1 传感器制作及理论分析

1.1 双凸锥结构能量仿真

实验中所制备的传感结构如图1所示。由图可见,沿着光的传播方向,传感器包含输入单模光纤(SMF)、带有凸锥结构的输入端保偏光纤(PMF)、剥去涂覆层的保偏光纤、带有凸锥结构的输出端保偏光纤以及输出SMF共5部分。其中,带有凸锥结构的保偏光纤和SMF熔接接头用作传感器的两个耦合单元,剥去涂覆层的保偏光纤作为传感单元。

图1 双凸锥级联结构示意图

利用有限差分光束传播法(FD-BPM)对双凸锥保偏光纤传感器能量分布进行仿真,得到保偏光纤传感区域的能量分布,如图2所示。由图可见,光经过凸锥之后,一部分能量泄露到包层中,一部分光仍然在纤芯中传输。由于凸锥的存在导致光通过凸锥后的发散角变大,使更多的光进入传感保偏光纤包层中传播,这有利于干涉信号对比度的提升。

图2 BPM仿真光场分布图

1.2 传感原理

由宽带光源(ASE)发出的信号在输入SMF中以基模形式传输,当光传送到第一个凸锥放大区域后,由于芯径不匹配而导致一部分光耦合进入包层区域,激发包层高阶模式;另一部分光仍然在纤芯中传输,在传输一段距离后,由于模式有效折射率之间存在差别,积累了相位差,故在经过第二个凸锥熔接点时相遇并发生干涉。

由干涉理论可知,输出光强[11]为

(1)

由式(1)可知,当余弦项内为半波长的整数倍时,所得数值为最小值,即所对应的透射光谱出现下陷峰值[12]。

由式(1)推得波长解调公式:

(2)

光波在保偏光纤中传输时,当外界温度发生变化时,Δneff发生变化,外界温度变化影响包层模式的有效折射率,因此,干涉谷所对应的特征波长会随着温度的变化发生漂移[13]。在变化的温度场作用下,传感臂发生模式干涉的光纤长度L和光纤折射率n会发生变化[14]。在弱波导条件下,温度灵敏度kT可采用光纤单位长度内基模和高阶模式相位差表示,用MZI干涉原理计算可得:

(3)

由此可知,当干涉距离L增大时,温度对于特征波长的灵敏度也随之增大;同时,特征波长越大,温度对于特征波长的灵敏度也越大,即干涉距离增大时,在特征波长越大处对于温度变化越敏感。

2 传感性能测试及分析

2.1 实验装置与凸锥结构模拟

实验测试装置如图3所示。图中,将光纤传感结构固定在平板加热器上,并使其处于伸直状态,输入ASE光源,输出的透射干涉光谱由光谱仪OSA检测(YOKOGAWA AQ6370D),通过调控平板加热器的温度输出值,观察记录光谱仪透射图谱的变换,从而实现温度传感检测。传感器结构通过实验用熔接机(Fujikua FSM-100P)制备,在单模光纤和保偏光纤的端面之间采用反向挤压放电的方式将其熔接成凸锥。经过挤压放电后,纤芯直径增大到∅14.63 μm,包层直径增大到∅203 μm。经多次实验可得到单个凸锥区域长度约为241.8 μm,焊接机放电强度为(360+30) bit/s,放电时间为2 000 ms。由于凸锥区直径增大,故对模式传播常数与纤芯直径间的关系进行仿真。

图3 光纤传感测试结构

图4为受到挤压放电后,纤芯直径与沿着z轴(光传播)方向所激发出的模式及相应的模式传播常数之间的关系。由图可知,当光纤结构未发生变化时,光纤纤芯内部主要存在沿着x、y轴方向的两个偏振方向的基模。当纤芯直径增加时,基模所对应的模式双折射越大,则两正交偏振的基模之间的耦合系数减小,更有利于传输时各偏振模态的保持。随着纤芯直径的逐渐增加,同时激发出其他几种包层模式分别为LP11、LP02、LP21模式,且LP02、LP21包层模式的传播常数在逐渐增加,与基模之间的耦合作用更明显。

图4 光纤纤芯直径与传播常数间的关系

2.2 实验光谱分析

图5与图6为实验制备的两种干涉长度的保偏光纤双凸锥传感器的透射光谱,以及傅里叶变换空间频谱图。由图可见,当保偏光纤长度(LPMF)为1.5 cm时,在1 520～1 570 nm波长范围内,有两个干涉极小值形成,干涉条纹的最大对比度约为17 dB,相邻两干涉谷之间所对应的波长间隔分别为17.055 nm和21.92 nm;当保偏光纤的长度为2.5 cm时,有3个干涉极小值形成,其中干涉条纹的最大对比度约为12.68 dB。其中相邻两个干涉极小值之间的波长间隔分别为12.74 nm和12.24 nm,干涉条纹主要由纤芯模式和包层模式干涉形成。

图5 保偏光纤长度(LPMF=1.5 cm)透射谱及傅里叶变换空间频谱图

图6 保偏光纤长度(LPMF=2.5cm)透射谱及傅里叶变换空间频谱图

图7为保偏光纤长度为1.5 cm时的理论模拟透射谱和实验透射谱,在1 530～1 570 nm波段约有两个干涉谷形成。

图7 保偏光纤长度(LPMF=1.5 cm)仿真透射谱

图8为保偏光纤长度长度为2.5 cm时的理论模拟透射谱和实验透射谱。由图可见,在1 530～1 570 nm波段约有3个干涉谷形成。干涉谷对应的特征波长分别约为1 537 nm、1 549 nm和1 562 nm,与实际实验现象较一致。

图8 保偏光纤长度(LPMF=2.5cm)仿真透射谱

2.3 温度传感实验

将光纤传感结构固定在平板加热器上,设置温度区间为30～70 ℃,每隔5 ℃记录透射光谱,实验分别对保偏光纤长度为1.5 cm和2.5 cm时的双凸锥结构进行了温度测试。图9为保偏光纤长度为1.5 cm时的温度传感特性。

图9 保偏光纤长度(LPMF=1.5 cm)温度测试光谱

由图9可见,随着温度的升高,透射图谱发生红移。干涉谷从1 543.325 nm漂移到1 546.485 nm。干涉谷对应的波长漂移和强度变化可以解调得到外界温度变化[15-16]。对应波长的灵敏度为75.38 pm/℃,强度灵敏度为0.003 42 dB/℃,拟合线性系数分别为0.989 3和0.987,波长解调具有更高的灵敏度。

图10为保偏光纤长度为2.5 cm时干涉谷的温度传感实验数据。由图可见,第2个干涉谷极小值所对应的波长从1 549.885 nm漂移到1 555.375 nm,对应的波长灵敏度为126.45 pm/℃,强度灵敏度为0.004 64 dB/℃,拟合线性系数分别为0.987和0.973。

图10 保偏光纤长度(LPMF=2.5 cm)温度测试光谱

图11为保偏光纤长度为2.5 cm时,第2个干涉谷的升温与降温的重复性实验。由图可见,温度上升、下降对应的波长灵敏度分别为126.45 pm/℃和129.3 pm/℃,强度灵敏度分别为0.004 64 dB/℃和0.004 78 dB/℃,拟合线性系数分别为0.973和0.981。

图11 温度上升、下降时强度与波长拟合曲线

将本文温度灵敏度值与其他类似的光纤传感器进行了比较,如表1所示。由表可见,本文提出的传感器具有较高的温度灵敏度和干涉强度,同时制备工艺较简单。

表1 不同种类光纤温度传感器参数对比

3 结束语

本文提出了一种高灵敏度保偏光纤温度传感器,通过重叠挤压放电形成反向凸起锥,将保偏光纤与单模光纤焊接在一起,形成MZI干涉传感器。此外,本文对凸锥区域所激发的模式进行了分析计算,通过仿真得出,当保偏光纤长度为2.5 cm时,在1 550 nm处温度灵敏度为144.78 pm/℃,与实际实验测试灵敏度相符。本研究实验结果表明,当干涉长度增加时可以相应地提高温度灵敏度,其灵敏度高于一般报道中的温度灵敏度。此传感结构具有易制造、低成本、较高灵敏度的特点,且在实验中无涂覆任何吸湿增敏材料,故在温度传感测试中具有很大的发展前景。同时,此结构的传感器也可被应用于多种传感参量的测量,在化学、物理和生物传感领域具有很大的应用潜力。