探地雷達應力與折射率傳感器的制備與性能

楊其鋒， 陳曉宇， 吳慶玲

（河南工學院a.電子信息工程學院；b.新鄉(xiāng)市嵌入式系統(tǒng)應用工程技術(shù)研究中心；c.圖書館，河南新鄉(xiāng)453003）

0 引 言

目前，光纖傳感器已廣泛運用于軍隊、工農(nóng)業(yè)、建筑業(yè)、醫(yī)院行業(yè)及科技發(fā)展等行業(yè)，并且扮演著非常重要的角色［1-2］。尤其近些年來，越來越多用于測量應力與折射率的光纖傳感器均已問世，如基于光柵的光纖傳感器、基于光子晶體的光纖傳感器（PCF）［5-6］、基于邁克耳孫光纖干涉儀［7］及其他基于微結(jié)構(gòu)的光纖傳感器［8-9］。Tabassum等［10］研制了基于光子晶體的應變傳感器，經(jīng)過實驗測量，其對外界發(fā)生的應變感知靈敏度為3.02 pm/με；左路路等［11］基于雙芯光纖研究了用于測量溫度與應力的全光纖型傳感系統(tǒng)，經(jīng)過測量，其靈敏度可達1.25 pm/με；Netsuwan［12］基于大直徑光纖錐研究出以干涉儀作為濾波器的應力傳感器，實驗結(jié)果顯示在波長1 557 nm附近，其研制的傳感器敏感度可達3 pm/με；2014年，Wang［13］以RIU為單位折射率設計并制作了多模光纖傳感器，經(jīng)過測量其靈敏度為32.2 nm/RIU；譚躍剛等［14］以化學腐蝕為方法研制了靈敏度可達216.21 dB/RIU的液體折射率傳感器；后來Shen等［15］又研制出了基于Bragg光柵且折射率靈敏度可達14.41 nm/RIU的光纖傳感器。但是以上這些傳感器的制作工藝非常復雜、靈敏度一般且費用較高，不適合大批量生產(chǎn)。

基于以上分析，本文以MZI為基本原理，偏芯熔接為構(gòu)造方法，光纖包層模和纖芯模對應力、折射率的敏感特性為機理，研制了可用于測量應力和折射率的新型光纖傳感器。當外界施加不同的應力及測量不同濃度的甘油水時，傳感器干涉光譜的波長都靠近短波移動，應力和折射率的靈敏度分別為7.00 pm/με和55.223 nm/RIU。

1 光纖傳感器結(jié)構(gòu)設計及工作原理

本文研究的用于應力和折射率測量的新型光纖傳感器結(jié)構(gòu)設計如圖1所示。其由3段型號為SMF-28e（SMF）的單模光纖組成，其中光纖的纖芯直徑8.2 μm，包層直徑125μm，可通過偏芯熔接的方法實現(xiàn)模間干涉。光信號傳輸方式為：首先光信號從最左邊SMF的纖芯進入，然后激發(fā)的部分纖芯模經(jīng)過SMF1的纖芯傳輸至最右邊的SMF，而其他纖芯模進入包層進行耦合后激發(fā)出包層模。當所有模式傳輸至熔接點A2時，纖芯模不但相互耦合還與包層模耦合，這就導致所有的能量重新分配后引起干涉谷的生成。盡管許多的模式在SMF1包層中被激發(fā)，但包層模具有主次要之分，處于主要位的包層模與纖芯模發(fā)生干涉后產(chǎn)生干涉光譜；處于次要的包層模也會和纖芯模發(fā)生干涉，但這種干涉不會產(chǎn)生光譜，其只對產(chǎn)生的光譜進行有效的調(diào)制。

圖1 新型光纖傳感器的結(jié)構(gòu)及光信號傳輸方式

光纖SMF1的輸出端總光強，

式中，I1代表SMF1中纖芯的光強；I2代表SMF1中包層的光強；Δn代表兩者的有效折射率差；中心波長用λ表示，當傳輸譜中的信號幅度為最小值時，其對應的位置滿足π的奇數(shù)倍，即

可得相鄰波谷的波長，

由式（3）可得，光纖的長度、中心波長及纖芯與包層的有效折射率差同時對濾波器相鄰波谷的波長間隔有一定的影響。

SMF1的長度會隨受到的應力產(chǎn)生細小的變化。由于純石英構(gòu)成包層的彈光系數(shù)遠遠小于摻鍺石英纖芯的彈光系數(shù)，這就導致兩者之間的有效折射率差大大減小，同時會對傳輸譜線造成一定的影響。輸出波長的變化量在溫度不變時可用下式表示［16］：

式中：ν和pe分別代表光纖的泊松系數(shù)與有效彈光系數(shù)；ε代表其單位長度的形變量。從式（4）可得，透射光譜曲線在存在軸向應力的情況下沿著短波移動。

SMF1的包層與其周圍環(huán)境的折射率成正比關(guān)系，但纖芯具備相對較小的直徑，使其不會隨著外界環(huán)境折射率的變化而變化。對式（2）的折射率求導后可得：

式中：?Δn/?n＜0，所以?λ/?n＜0，這就很好地解釋了為什么環(huán)境折射率增加時，傳感器譜線干涉谷處的波長會沿著短波方向移動。

根據(jù)上述設計思想及理論推導，本文設計的傳感器測試系統(tǒng)如圖2所示，主要包括寬譜光源（BBS，KOHERAS，Super Kuersa）、傳感器、測試平臺以及光譜分析儀（OSA，YOKOGAWA，AQ6375）。

圖2 設計的光纖傳感器的測試系統(tǒng)示意圖

2 實驗結(jié)果與討論

實驗中，為了確定光纖纖芯偏移量和干涉消光比的關(guān)系，制備了一批長度和偏移量均各異的偏芯光纖濾波器。如圖3所示，當SMF1長度一定時，干涉達到最大所對應的偏移量為6μm，這時具有最明顯的干涉現(xiàn)象。以1 545 nm左右兩個透射波谷為參考點，對不同長度SMF1的光譜（FSR）進行了測量，測量結(jié)果如圖4所示。從圖中可以看出，SMF1長度L越長，自由光譜（FSR）的值越小，也就是說，1/L越大，F(xiàn)SR值也越大，兩者呈現(xiàn)出較好的線性關(guān)系，相關(guān)系數(shù)平方達到了0.983 4，具有非常好的擬合效果，且與上節(jié)的理論推導結(jié)果一致。值得注意地是，SMF1不宜過長和過短，因為過長會導致較大的損耗；過短會導致FSR太寬影響測試結(jié)果。因此，綜合考慮，最后設計的偏芯熔接光纖的偏移量dco=6μm，長度為L=4 cm。

圖3 SMF1纖芯偏移量與消光比的關(guān)系

圖4 光纖傳感器FSR與L-1的關(guān)系

制作的光纖傳感器如圖5所示，將傳感器放置于室內(nèi)一段時間，其產(chǎn)生的近紅外透射光譜如圖6所示。從圖中可以看出，本文制作的傳感器具有較好的干涉消光與FSR，且基本不存在損耗。分別選取1 570和1 585 nm附近的波谷對傳感器的應力和折射率特性進行了分析，實驗中的可移動平臺溫度不變，始終保持20℃，然后應力從0開始增加，每次增加的步進為100με，增加至500με停止。

圖5 光纖傳感器樣品

圖6 光纖傳感器近紅外透射光譜圖

光纖傳感器透射光譜波峰/波谷隨著應力的增加沿著短波方向偏移。實驗結(jié)果如圖7所示，在應力增加的范圍內(nèi)，波長約偏移了3.5 nm，和上節(jié)理論分析中的式（3）、（4）結(jié)果吻合。經(jīng)過多次重復測試后發(fā)現(xiàn)，本文研制的傳感器具備良好的應力響應特性。1 585 nm附近的波谷隨著應力變化而發(fā)生的曲線變化如圖8所示。本文研制的傳感器的應力靈敏度更高，可達7.00 pm/με。除此之外，波谷波長的偏移量與應力的線性良好，其相關(guān)系數(shù)平方達到了0.997 7，

圖7 光纖傳感器應力透射圖

圖8 特征波長干涉谷與應力的關(guān)系

具有非常好的擬合效果。

配制了質(zhì)量分數(shù)范圍為0%～50%的甘油水溶液對本文研制的光纖傳感器的折射率進行了分析。實驗結(jié)果發(fā)現(xiàn)，室內(nèi)溫度不變時，甘油水溶液的折射率與其質(zhì)量分數(shù)成正比關(guān)系，0%～50%的溶液對應的折射率為1.331～1.398 RIU。

當溫度不變時，使光線傳感器放置質(zhì)量分數(shù)分別為0、20%、30%、40%和50%的甘油水溶液一段時間，其產(chǎn)生的透射光譜如圖9所示。從圖中可以得出：光線傳感器的光譜曲線隨著溶液折射率的增大而向短波長方向偏移，這與上節(jié)的理論分析所得到的結(jié)果相同。當折射率為1.332～1.398 RIU時，波長總共偏移了3.7 nm，由此計算得出的傳感器的折射率靈敏度為55.223 nm/RIU。用品質(zhì)因子δ（FOM）對折射率傳感器的整體性能進行了分析與評價，δ=S/?1/2代表FOM的定義，其中?1/2和S分別代表光傳感器的透射譜半峰全寬和靈敏度，其δ值達到了10.85 RIU-1，遠遠高于其他光纖傳感器的品質(zhì)因子。折射率發(fā)生改變時，干涉谷的波長變化如圖10所示，其線性擬合曲線相關(guān)系數(shù)的平方可達0.996 2，具有非常好的擬合效果。

圖9 傳感器在不同折射率溶液中的光譜圖

圖10 特征波長干涉谷與折射率的關(guān)系

3 結(jié) 語

本文以MZI為基本原理，設計并制作了新型的具有高靈敏度的單模光纖偏芯結(jié)構(gòu)光纖傳感器。然后以1 585和1 570 nm兩處的干涉谷為例對傳感器的應力和折射率進行了測量與分析。實驗結(jié)果表明：本文研制的傳感器的干涉谷的波長變化和應力、折射率存在非常好的線性關(guān)系，當施加的應力為0～500με時，其透射光譜隨著應力的增加向短波方向偏移，經(jīng)過計算測量的應力靈敏度可達7.00 pm/με。當折射率為1.332～1.398 RIU時，傳感器的透射光譜隨著溶液折射率的增大而向短波長方向偏移，經(jīng)過計算得出的傳感器的折射率靈敏度為55.223 nm/RIU。本文設計和制作的光纖傳感器不僅結(jié)構(gòu)非常簡單，而且具備小體積和高靈敏度的特點，在工業(yè)學及軍事應用方面，尤其對探地雷達在檢測應用方面有非常廣闊的應用前景。