基于保偏光子晶體光纖的高靈敏度曲率傳感器

陳大鳳，魯 平，劉德明

(華中科技大學(xué)光學(xué)與電子信息學(xué)院下一代互聯(lián)網(wǎng)接入國家工程實(shí)驗(yàn)室，武漢430074)

引 言

近年來，全光纖在線馬赫-曾德爾干涉儀(in-line Mach-Zehnder interferometer，IMZI)已經(jīng)被廣泛研究。通過引入模式耦合器，在線馬赫-曾德爾干涉儀可以實(shí)現(xiàn)纖芯模式與包層模式的耦合和再耦合，它的優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)結(jié)實(shí)而緊湊，容易制造而且可采用波長(zhǎng)或者功率編碼進(jìn)行測(cè)量，所以已經(jīng)廣泛應(yīng)用于應(yīng)變、溫度、折射率［1-3］等等一些測(cè)量應(yīng)用。基于在線馬赫-曾德干涉儀的曲率傳感器中有很多是通過熔接不同種類的光纖制得。GONG等人提出的是單模-多模-單模結(jié)構(gòu)，測(cè)得的曲率靈敏度最大為10.38nm/m-1，測(cè)量范圍是0.25m-1～0.5m-1［4］。WANG 等人提出了多模-單模-多模結(jié)構(gòu)進(jìn)行曲率測(cè)量，得到的靈敏度最大為(14.40±0.02)nm/m-1［5］。MAO等人通過錯(cuò)位熔接得到的單模-多模-單模結(jié)構(gòu)的最大曲率靈敏度是22.947nm/m-1［6］。

還有一些曲率傳感器是通過在單模光纖上制作出特殊結(jié)構(gòu)制得的，比如拉錐、刻光柵等等。相應(yīng)的研究有:級(jí)聯(lián)兩個(gè)光纖錐體結(jié)構(gòu)［7］，將1根多模光纖和1個(gè)光纖光柵［8］或者長(zhǎng)周期光纖光柵［9］串聯(lián)來進(jìn)行曲率傳感。然而拉錐后的光纖比較脆弱，在測(cè)量的過程中容易折斷，而涂上保護(hù)材料又會(huì)增加實(shí)驗(yàn)的復(fù)雜度。同樣，引入光纖光柵也會(huì)增加實(shí)驗(yàn)的難度，并且易受溫度的影響［10］。

目前，一些基于特種光纖的曲率傳感器也得到了研究，比如在兩段單模光纖之間熔接一段光子晶體光纖［11］，或者雙芯光纖［12］。XU 等人提出了一種曲率傳感器，它是基于單模-雙芯-單模結(jié)構(gòu)［13］，得到的靈敏度為4.3421nm/m-1。

本文中提出一種新穎的曲率傳感器結(jié)構(gòu)，其是由單模-鼓包-保偏光子晶體光纖-多模-單模光纖所組成。該傳感器在0.04582m-1～0.054776m-1以及0.054776m-1～0.06929m-1曲率范圍內(nèi)均呈現(xiàn)出線性靈敏度，靈敏度值分別為93.95nm/m-1和30.89nm/m-1，該靈敏度比參考文獻(xiàn)［5］和參考文獻(xiàn)［11］中的都高，同時(shí)光子晶體光纖對(duì)溫度不敏感，所以該結(jié)構(gòu)適合用于高靈敏度小曲率測(cè)量，且應(yīng)用前景更大。

1 實(shí)驗(yàn)原理和傳感頭設(shè)計(jì)

傳感頭設(shè)計(jì)如圖1a所示。單模光纖(single-mode fiber，SMF)里的光通過鼓包時(shí)，部分光功率被耦合到保偏光子晶體光纖(polarization-maintaining photonic crystal fiber，PM-PCF)的包層，而纖芯和包層里的光功率分配決定了干涉譜的對(duì)比度，所以控制鼓包的大小及保偏光子晶體光纖和多模光纖(multimode fiber，MMF)的長(zhǎng)度很重要。保偏光子晶體光纖纖芯和包層里的光在多模光纖的纖芯里發(fā)生干涉后再被耦合到單模光纖里輸出，這樣就構(gòu)成了一個(gè)全光纖在線馬赫-曾德爾干涉儀。單模光纖與長(zhǎng)度L1=3.6cm的保偏光子晶體光纖通過熔接機(jī)(Fujikura FSM-60S)手動(dòng)模式熔接成一個(gè)鼓包，這個(gè)只需將熔接機(jī)的重疊參量設(shè)成25μm以上，此處是35μm。多模光纖(長(zhǎng)度L2=3mm)與保偏光子晶體光纖錯(cuò)位熔接，錯(cuò)位22μm。圖1b顯示的是本實(shí)驗(yàn)中所用的保偏光子晶體光纖的截面顯微圖。該光纖剝?nèi)ネ扛矊雍蟮闹睆綖?25μm。

Fig.1 a—schematic diagram of proposed curvature sensor head b—crosssection micrograph of PM-PCF

鼓包的設(shè)計(jì)原因是:單模光纖與保偏光子晶體光纖熔接容易產(chǎn)生氣泡［14］，在實(shí)驗(yàn)過程中發(fā)現(xiàn)通過重疊熔接(即熔成鼓包)就可以避免氣泡產(chǎn)生，同時(shí)由于坍塌區(qū)域的存在，所以重疊值選為35μm，得到一個(gè)小鼓包。當(dāng)然坍塌區(qū)域可通過適當(dāng)?shù)娜劢訁⒘勘苊猓沁@對(duì)操作者的熔接技術(shù)有很大的要求，所以本文中充分利用了坍塌區(qū)域及重疊熔接降低了對(duì)熔接技術(shù)的要求。光纖長(zhǎng)度的選擇是基于高階模容易損耗的原理，因而盡量選擇短一些的。

基于纖芯模式和包層模式的總相位差［15］公式，當(dāng)相位差滿足φ=(2m+1)π時(shí)，m是一個(gè)非負(fù)整數(shù)，則諧振的波谷波長(zhǎng)為:

式中，nco-eff和ncl-eff分別表示的是纖芯和包層模式的有效折射率，L是在線馬赫-曾德爾干涉儀的物理長(zhǎng)度，λm是m對(duì)應(yīng)的真空波長(zhǎng)。

當(dāng)某一曲率施加于在線馬赫-曾德爾干涉儀上時(shí)，纖芯和包層模式的相位差就會(huì)發(fā)生變化，干涉譜的波谷波長(zhǎng)則發(fā)生漂移，這樣就可通過測(cè)試波長(zhǎng)的漂移來得到所施加的曲率大小。

2 實(shí)驗(yàn)裝置與實(shí)驗(yàn)結(jié)果

圖2所示是實(shí)驗(yàn)中所用的曲率測(cè)量裝置，一臺(tái)輸出光譜為(1520～1610)nm的放大自發(fā)輻射(amplified spontaneous emission，ASE)光源，用來探測(cè)傳感器輸出光譜的光譜分析儀(optical spectrum analyzer，OSA)(YOKOGAWA AQ6370C)，其分辨率為0.02nm。實(shí)驗(yàn)中用到的保偏光子晶體光纖和單模光纖都是由長(zhǎng)飛光纖光纜有限公司所制造。該在線馬赫-曾德爾干涉儀的兩端由位移平臺(tái)上的光纖夾持器夾住，通過調(diào)節(jié)位移平臺(tái)上的千分尺(分辨率為10μm)引入位移便可以產(chǎn)生彎曲以改變傳感光纖的曲率。整個(gè)光學(xué)系統(tǒng)都是放置在防震光學(xué)平臺(tái)上以保證其穩(wěn)定性。

Fig.2 Experimental setup of curvature sensor

由幾何分析可得曲率與位移s之間的關(guān)系式:

式中，L是兩個(gè)光纖夾持器之間的初始位置(即馬赫-曾德爾干涉儀的物理長(zhǎng)度)，此處為20cm，s是位移平臺(tái)向內(nèi)移動(dòng)的距離，r是彎曲的半徑。

圖3中給出的是室溫下(大約為25℃)沒有引入曲率時(shí)，該傳感器的傳輸光譜。作者選擇位于1540nm附近的波谷波長(zhǎng)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。

Fig.3 Transmission spectrum of IMZI sensor without curvature

實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖4所示，位移為70μm～160μm，對(duì)應(yīng)的曲率為0.04582m-1～0.06929m-1，分別測(cè)出相應(yīng)的傳輸光譜。圖所呈現(xiàn)的趨勢(shì)是隨著曲率的增加，波谷波長(zhǎng)向短波長(zhǎng)漂移。

Fig.4 Transmission spectra of IMZI sensor under different curvatures

每個(gè)曲率都對(duì)應(yīng)著一個(gè)波谷波長(zhǎng)，數(shù)據(jù)整理如圖5所示，表示波長(zhǎng)和曲率變化之間的關(guān)系，擬合的結(jié)果顯示在0.04582m-1～0.054776m-1及0.054776m-1～0.06929m-1曲率范圍內(nèi)各自呈現(xiàn)線性關(guān)系，靈敏度值分別為93.95nm/m-1，30.89nm/m-1，相應(yīng)得到該傳感器曲率測(cè)量的分辨率分別為0.0002m-1和0.0006m-1，該分辨率受光譜分析儀的分辨率所限制。因此該傳感器可以應(yīng)用于高精度的小曲率測(cè)量場(chǎng)合。

3 結(jié)論

提出了一種小曲率傳感器結(jié)構(gòu)，并對(duì)其曲率靈敏度進(jìn)行了理論分析和實(shí)驗(yàn)測(cè)量，測(cè)得的曲率靈敏度在0.04582m-1～0.054776m-1及0.054776m-1～0.06929m-1范圍內(nèi)分別為 93.95nm/m-1，30.89nm/m-1，且各自成線性關(guān)系。因此，該保偏光子晶體光纖曲率傳感器在健康監(jiān)測(cè)等需要測(cè)量小曲率的場(chǎng)合具有良好的應(yīng)用前景。

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