基于側(cè)面拋磨鍺芯光纖的折射率傳感器*

劉秀浩，萬魯雪，馬任德，夏云杰

（曲阜師范大學 物理工程學院，山東 曲阜 273165）

0 引 言

光纖折射率傳感器因具有體積小、成本低、靈敏度高等優(yōu)點，在生物和化學研究領(lǐng)域受到了廣泛關(guān)注?；诠饫w布拉格光柵[1]、法布里-珀羅干涉儀[2]、馬赫-曾德爾干涉儀[3-4]等器件，很多高性能的光纖折射率傳感器被設(shè)計出來。其中，基于單模-多模-單模（Single mode-Multimode-Single mode，SMS）光纖結(jié)構(gòu)的折射率傳感器[5]，不僅對環(huán)境擾動具有非常靈敏的響應(yīng)，而且結(jié)構(gòu)簡單、成本低廉，吸引了眾多研究者的注意。

目前，已開發(fā)出4 種方案用于制作高靈敏度的SMS 光纖結(jié)構(gòu)的折射率傳感器，包括光纖拉錐[6]、錯芯熔接[7]、氫氟酸（Hydrofluoric，HF）刻蝕[8-9]和輪式側(cè)面拋磨[10]。光纖拉錐法和錯位熔接法雖然生產(chǎn)成本較低，但操作過程復雜，制作的光纖結(jié)構(gòu)魯棒性較差。HF 刻蝕法雖然操作簡單，但HF 是一種具有極強腐蝕性的劇毒材料，在實驗過程中容易對人體產(chǎn)生危害。輪式側(cè)面拋磨法不僅避免了超精細對準熔接，還避免了危險材料的使用，而且插入損耗較低。但是，這種方法產(chǎn)生的拋磨位置是一個應(yīng)力釋放區(qū)，極易損壞拋磨光纖，難以重復利用，且拋磨區(qū)域由拋磨輪的直徑?jīng)Q定，無法實現(xiàn)小區(qū)域拋磨。以上4 種方案制作的SMS 光纖結(jié)構(gòu)中熔接的多模光纖纖芯直徑都較大，為了提高測量靈敏度，多模光纖的熔接長度分別為4 cm[6]、1.5 mm[7]、30 mm[8]、35 mm[9]、40 mm[10]。然而，若多模光纖太長，制作的傳感器尺寸較大，將導致測量樣品的需求量很大，同時容易激發(fā)出多個高階模式，使得傳輸光譜分布復雜。

針對以上問題，本文選用了纖芯直徑為16 μm的鍺芯光纖（Ge-doped fiber，GDF），制備并側(cè)面拋磨了GDF 長度分別為0 μm、23 μm、70 μm、690 μm、2 mm 的SMS 光纖結(jié)構(gòu)，然后開展折射率傳感實驗。研究發(fā)現(xiàn)，該傳感器具有較高的折射率靈敏度。當GDF 長度為70 μm 時，在1.333 ～1.367折射率區(qū)間內(nèi)，靈敏度最高，可達623.5 nm/RIU。當GDF 為2 mm 時，插入損耗變大，傳輸光譜變得十分復雜。使用的多模光纖纖芯直徑較小，相應(yīng)制作的傳感器尺寸非常小，從而在傳感應(yīng)用中具有很高的樣品利用率。此外，SMS 光纖結(jié)構(gòu)被AB 膠固定在玻璃槽內(nèi)，使傳感器具有很好的魯棒性和可重復利用性。

1 SMS 光纖結(jié)構(gòu)制作

GDF 的包層和纖芯直徑分別為125 μm、16 μm，單模光纖的包層和纖芯直徑分別為125 μm、8.4 μm。GDF的纖芯直徑大于單模光纖的纖芯直徑，可確保拋磨至GDF 纖芯附近時單模光纖的纖芯不被破壞。

SMS 光纖結(jié)構(gòu)的制作過程如圖1 所示。圖1（a）將端面切平的單模光纖和GDF 用光纖熔接機熔接；圖1（b）將熔接好的光纖用切割刀在靠近GDF 處再次切割；圖1（c）將切割好的光纖與另一根端面切平的單模光纖進行熔接。最終，制作出了GDF 長度分別為23 μm、70 μm、690 μm、2 mm 的SMS光纖結(jié)構(gòu)。

圖1 SMS 光纖結(jié)構(gòu)的制作過程

將熔接好的SMS 光纖結(jié)構(gòu)用AB 膠（A:B=1:10）固定在一個兩邊深中間淺、表面光滑的玻璃槽內(nèi)，并將涂有AB 膠的玻璃槽放在90 ℃的加熱板上烘烤15 min，使AB 膠具有足夠的強度。然后，用不同型號（30 U、9 U、5 U、3 U、1 U）的砂紙進行拋磨，拋磨后的SMS 結(jié)構(gòu)如圖1（d）所示。在AB 膠的固定下，該結(jié)構(gòu)具有好的魯棒性，可重復利用。

GDF 纖芯的熔點小于石英光纖。放電熔接過程中，為了使石英光纖熔化，GDF 可能出現(xiàn)鼓泡的現(xiàn)象。同時，若單模光纖與GDF 切割端面不平，則會導致熔接處光纖彎曲。因此，在熔接前必須調(diào)整好切割角度、放電時間以及放電電流等參數(shù)。

2 實驗裝置

圖2 為SMS 光纖結(jié)構(gòu)的傳輸光譜測試實驗簡圖，用于檢測側(cè)面拋磨過程、折射率測量過程中SMS 光纖結(jié)構(gòu)傳輸光譜的變化。該裝置利用超連續(xù)譜光源（波長范圍450 ～2 400 nm）提供寬帶光譜輸出，并用波長分辨率為0.02 nm 的光譜分析儀（Aq6317c，波長范圍600 ～1 700 nm）對傳輸光譜進行實時監(jiān)測。SMS 光纖結(jié)構(gòu)被固定在玻璃槽內(nèi)，俯視圖和側(cè)視圖如圖2 虛線框內(nèi)所示。

圖2 SMS 光纖結(jié)構(gòu)的傳輸光譜測試實驗裝置

3 實驗結(jié)果及分析

對GDF 長度為0 μm、23 μm、70 μm、690 μm、2 mm 的SMS 光纖結(jié)構(gòu)依次拋磨，并用圖2 所示裝置實時檢測。根據(jù)光譜波形的變化判斷光纖的拋磨深度，在達到最深干涉條紋時停止拋磨。首先測量GDF 長度分別為0 μm、23 μm、70 μm 的SMS 光纖結(jié)構(gòu)在空氣、水、酒精（折射率依次是1.000、1.333、1.367）中的傳輸光譜，得到結(jié)果如圖3 所示。

從圖3 可以看出，隨著外界折射率的增加，傳輸光譜向長波方向偏移，且長波長處諧振波的偏移距離大于短波。對比圖3（a）～圖3（c），熔接的GDF 長度越長，諧振波長偏移越明顯。

圖3 側(cè)面拋磨SMS 光纖結(jié)構(gòu)隨折射率變化的傳輸光譜

GDF 長度為0 μm、23 μm、70 μm 的SMS 光纖結(jié)構(gòu)，在1 150 ～1 650 nm 范圍內(nèi)，傳輸光譜都存在兩個諧振波長。為了盡量減小色散影響，選取1 300 nm 附近的諧振波長進行分析。根據(jù)波長偏移與外界折射率之間的關(guān)系，通過線性擬合獲得了傳感器的折射率靈敏度，如圖4 所示。

圖4 諧振波長隨折射率變化

如圖4 所示，波長偏移量隨折射率呈非線性變化，因此將1.000 ～1.367 的折射率范圍分為兩個折射率子區(qū)間，分別為1.000～1.333、1.333～1.367，近似認為在子區(qū)間內(nèi)為線性。在1.333 ～1.367 這個子區(qū)間計算側(cè)面拋磨SMS 光纖結(jié)構(gòu)的折射率測量靈敏度，對結(jié)果進行擬合，得到GDF 長度為0 μm、23 μm、70 μm 的SMS 光纖結(jié)構(gòu)的折射率靈敏度分別為229.4 nm/RIU、364.7 nm/RIU、623.5 nm/RIU。對比靈敏度可知，GDF 的熔接長度會影響SMS 光纖結(jié)構(gòu)的折射率測量靈敏度。GDF 長度越長，靈敏度越高。與其他SMS 光纖結(jié)構(gòu)的折射率傳感器相比[6-10]，使用的多模光纖纖芯直徑很小，在較短的熔接長度區(qū)間內(nèi)就能產(chǎn)生較高的靈敏度。

為進一步觀察GDF 長度與折射率靈敏度之間的關(guān)系，測量GDF 長度為690 μm 的SMS 光纖結(jié)構(gòu)在空氣、水、酒精中的傳輸光譜，如圖5 所示。

圖5 GDF 長度為690 μm 的SMS 光纖結(jié)構(gòu)的傳輸光圖

圖6 GDF 長度為690 μm 時，諧振波長隨折射率變化

從圖5 可以看出，隨著外界折射率的增加，諧振波長向長波偏移，變化規(guī)律與圖3 相同。圖6 顯示了在波長1 300 nm附近，當折射率為1.000、1.333、1.367時SMS光纖結(jié)構(gòu)諧振波長的位置。由圖6可知，GDF 長度為690 μm 時，在1.333 ～1.367 的折射率區(qū)間內(nèi)，靈敏度只有511.8 nm/RIU，小于GDF 長度為70 μm 時的靈敏度。由此推斷，當GDF 過長時，不但會降低折射率靈敏度，還會造成測量樣品需求量和GDF 使用量的增加。

為了驗證以上結(jié)論，對GDF 長度為2 mm 的SMS 光纖結(jié)構(gòu)進行折射率傳感實驗，并觀察波形變化。如圖7 所示，當GDF 長度為2 mm 時，在側(cè)面拋磨過程中會激發(fā)光纖包層模式，導致傳輸光譜十分復雜和不穩(wěn)定。長波處的插入損耗明顯增大，高達57 dB。在折射率傳感實驗中，無法清晰觀察到隨折射率變化諧振波長的偏移規(guī)律，也無法進行靈敏度的測量。因此，GDF 長度過長，不但會產(chǎn)生較大插入損耗和樣品需求量，而且會造成光纖浪費和傳輸光譜的不穩(wěn)定。

圖7 GDF 長度為2 mm 的SMS 光纖結(jié)構(gòu)的傳輸光譜

4 結(jié) 語

本文通過側(cè)面拋磨SMS 光纖結(jié)構(gòu)，設(shè)計制作了一種高靈敏度的折射率傳感器。該傳感器的制作方法操作簡單、成本低廉、安全性高。SMS 光纖結(jié)構(gòu)被固定在玻璃槽內(nèi)，魯棒性好，可重復使用。多模光纖纖芯直徑較小，熔接較短的多模光纖就可以產(chǎn)生較高的靈敏度。制作的傳感器尺寸較小，易于開展微小區(qū)域的折射率測量，具有很高的樣品利用率。當GDF 長度為70 μm 時，在折射率范圍1.333 ～1.367 內(nèi)，SMS 光纖結(jié)構(gòu)的折射率測量靈敏度為623.5 nm/RIU。此外，側(cè)面拋磨的SMS 光纖結(jié)構(gòu)還可以作為光流控芯片和光電芯片構(gòu)建的通用平臺。