光纤布拉格光栅嵌入SMS光纤结构的湿度传感器

邵 敏, 乔学光, 傅海威, 李 岩, 姚 妮, 贾振安

1.西安石油大学理学院陕西省光电传感测井重点实验室, 陕西 西安 710065 2.西北工业大学理学院陕西省光信息技术重点实验室, 陕西 西安 710072 3.西北大学物理学院, 陕西 西安 710069 4.浙江大学光电工程系现代光学仪器国家重点实验室, 浙江 杭州 310027

光纤布拉格光栅嵌入SMS光纤结构的湿度传感器

邵 敏1, 2, 乔学光3, 傅海威1, 李 岩1, 姚 妮4, 贾振安1

1.西安石油大学理学院陕西省光电传感测井重点实验室, 陕西 西安 710065 2.西北工业大学理学院陕西省光信息技术重点实验室, 陕西 西安 710072 3.西北大学物理学院, 陕西 西安 710069 4.浙江大学光电工程系现代光学仪器国家重点实验室, 浙江 杭州 310027

提出了一种基于光纤布拉格光栅嵌入单模-多模纤芯-单模(single-mode-multimode fiber core-single mode, SMS)光纤结构的湿度传感器。当环境湿度变化时，SMS光纤结构的干涉光谱会发生漂移，而光纤布拉格光栅对湿度不敏感，其纤芯基模保持不变。因此利用SMS光纤结构对环境湿度的敏感性去调制光纤布拉格光栅纤芯基模，通过检测光纤布拉格光栅纤芯基模的反射能量变化就可以实现湿度测量。数值模拟了SMS光纤结构的内部光场分布规律，理论计算了不同环境折射率时，多模纤芯的长度、直径对SMS光纤结构输出能量耦合系数的影响。理论模拟表明，随着环境折射率变化，SMS光纤结构中传输的纤芯基模的输出能量耦合系数会发生变化。同时制作了传感器样品并对其进行了传感实验研究，实验结果表明多模纤芯长35 mm、纤芯直径为85 μm的传感器在45%～95%RH湿度变化范围内，湿度灵敏度为0.06 dBm·(%RH)-1。在20～80 ℃温度范围内，传感器的温度灵敏度为0.008 nm·℃-1，温度所带来的湿度测量误差为0.047%RH·℃-1。传感器具有制作简单、灵敏度高、反射式能量检测等优点，在湿度测量领域有一定的应用价值。

光纤布拉格光栅；单模-多模纤芯-单模光纤结构；湿度传感

引 言

湿度是指空气中的水蒸气的含有量，表示空气的干燥程度，常用的度量值有绝对湿度、露点、相对湿度等。绝对湿度是指单位体积空气中含有水蒸气的质量，与温度和压力有关。露点指空气中水蒸气含量和气压不变的条件下冷却达到饱和时的温度。相对湿度(relative humidity, RH)表示空气中的绝对湿度与同温度下的饱和绝对湿度的比值。湿度测量在气象、农林业、生物化学、建筑、医疗卫生等领域中有着广泛的应用。尤其在林业中，湿度是林火预报重要的衡量指标之一，空气中的水分含量是森林能否燃烧以及衡量林火蔓延速度的重要参数。相对湿度越大，可燃物的水分吸收越快，蒸发越慢，可燃物含水量增加，越不容易发生火灾。所以湿度的测量尤为重要。与传统的电类湿度传感器相比，光纤型湿度传感器[1-3]可工作在严重污染和强电磁干扰的环境中，可实现多点、远距离测量，而且无污染，吸引了广泛关注。基于光纤布拉格光栅的湿度传感器，具有结构紧凑、能够波分复用等优点，在光纤型湿度传感器中研究较多。由于光纤布拉格光栅自身对外界环境的湿度变化不敏感，为了提高光纤布拉格光栅的湿度灵敏度，研究者们提出了多种方案。一是在光纤布拉格光栅上涂覆湿敏材料[4-5]，如聚酰亚胺、水凝胶、聚乙烯醇等。Ding[6]在光纤布拉格光栅上涂覆聚酰胺，实现了20%～80%RH湿度范围内的湿度测量。David[7]在化学腐蚀光纤光栅直径后涂覆玻璃增强型聚酰亚胺，传感器的灵敏度可达1.28 pm·(%RH)-1。由于湿敏材料在高温作用下性能容易发生改变，所以镀膜类湿度传感器的稳定性会受到一定的影响。二是写制特殊的光纤光栅[8-9]，如Yuan[10]在镀制环烯烃类共聚物(TOPAS)的微结构光纤上写入光纤布拉格光栅，传感器的湿度灵敏度为-0.7 pm·(%RH)-1。但这种方法受限于光纤光栅的写制技术，且增加成本。而且多数的湿度传感器未涉及温度与湿度的交叉灵敏问题。基于此，提出了一种基于光纤布拉格光栅嵌入单模-多模纤芯-单模(single-mode-multimode fiber core-single mode, SMS)光纤的湿度传感器，利用SMS光纤结构对外界环境的敏感性，实现了湿度测量。传感器制作简单、无需镀膜、湿度灵敏度高且可消除温度影响等优点。

1 传感器的结构原理与制作

光纤布拉格光栅嵌入SMS光纤结构的原理图见图1所示。当光从单模光纤进入多模纤芯时，由于纤芯失配会激发出多个高阶模，这些高阶模和纤芯基模在多模纤芯中传输一段距离后耦合进入单模光纤。高阶模和纤芯基模遇到光纤布拉格光栅时，被部分反射后进入到多模纤芯，并经由单模光纤输出。当外界环境的湿度发生变化时，由于光纤布拉格光栅自身对湿度并不敏感，所以反射回来的纤芯基模的能量和波长会保持不变。多模纤芯无包层，环境空气充当了其包层，因此多模纤芯中传输的各阶模式对外界环境的变化很敏感。同时，石英光纤中的SiO2分子与湿气的H2O分子之间存在着吸附[11-12]，所以空气湿度变化时，多模纤芯内的有效折射率发生改变，进而导致SMS光纤结构的透射光谱发生漂移。因此SMS光纤结构的透射光谱会调制光纤布拉格光栅纤芯基模的能量，使之随湿度改变而变化。SMS光纤结构是传感元件，感知外界环境湿度参量的变化，而且传输纤芯基模和高阶模。光纤布拉格光栅则充当了滤波器和反射镜，仅保留纤芯基模和某些高阶模，并将它们反射输出。

将SMS光纤结构与光纤布拉格光栅结合，不仅可以解决光纤布拉格光栅对外界环境湿度的不敏感，无需镀制湿敏材料，也无需腐蚀光纤布拉格光栅的直径至微纳量级，降低其机械强度。还可以实现反射式测量，有利于传感器的封装。

图1 FBG嵌入SMS光纤结构的原理图

实验中将一段长为35 mm多模光纤(S105/125)剥除去涂覆层，酒精擦拭干净后，用光纤切刀将其两端平整切除后放入浓度为45%的氢氟酸中，腐蚀时间为10 min。腐蚀结束后，取出多模纤芯，用蒸馏水多次反复清洗以去除残留余酸，得到直径为85 μm的多模纤芯。选用一根单模光纤(SMF-28)上写入的布拉格光纤光栅，光栅栅距为530 nm。利用光纤熔接机(Furukawa，S177)将多模纤芯与光纤布拉格光栅进行无偏芯熔接，多模纤芯距光纤布拉格光栅的距离小于5 mm。多模纤芯的另一端与一根单模光纤也进行无偏芯熔接，形成单模-多模纤芯-单模光纤(SMS)结构与光纤布拉格光栅的级联。为了获得较高的反射率，光纤布拉格光栅的尾纤端面打磨粗糙。图2是单模光纤与多模纤芯熔接点处的照片。

图2 多模纤芯与单模光纤的熔接照片

图3是光纤布拉格光栅与光纤布拉格光栅嵌入SMS光纤结构的反射光谱图。从图3(a)中可以知道，光纤布拉格光栅的反射中心波长λ0为1 553.480 nm。图3(b)表明与SMS光纤结构级联后，光纤布拉格光栅的反射中心波长未发生变化，但在纤芯基模λ0的左侧出现了高阶模λ1(1 552.005 nm)。这说明SMS光纤结构与光纤布拉格光栅级联后，激发出了光纤布拉格光栅的高阶模。

图3 FBG(a)与FBG嵌入SMS光纤结构(b)的反射光谱图

2 SMS光纤结构的理论模拟

当光由单模光纤进入到多模纤芯时，会在多模纤芯内激发出一系列的高阶模式。假设单模光纤与多模纤芯的熔接为理想化，由于输入场的圆对称性，则只有纤芯基模LP01和LP0m模在光纤中传输。忽略辐射损耗，则从单模光纤进入多模纤芯中的输入光场可以看作是由所有传导模式的线性叠加而成[13]，表示为

(1)

式中Ψm(r)是LP0m模的光场分布，由多模纤芯的直径、纤芯折射率决定；bm是每个模式的激励系数，bm写作

(2)

当传播z距离后，多模纤芯内的光场分布为

(3)

式中βm=kneff是每个模式的传播常数。

对E(r,z)和单模光纤中输出的基模光场分布E0(r)使用重叠积分，得到能量耦合系数

(4)

在理想波导中，各个模式之间的光之间独立传播，互不影响。但是在外界因素，破坏了波导的均匀性时，模式之间会发生能量的交换，导致模式耦合。在SMS光纤结构中，当光从单模光纤进入到多模纤芯，由于纤芯失配使得由原来单模光纤中的单一模式激发出了多模纤芯中的多个模式。激发出的各阶模式的能量就由单模光纤中的纤芯基模和多模纤芯中的对应模式的耦合系数决定。能量耦合系数是入射光功率与多模纤芯中每一特定模式的耦合功率的函数，决定了各激发模式功率的大小。通过求解耦合系数，可以计算出各阶模式传输的光功率，并确立模式之间的干涉。

由于耦合系数的求解较为复杂，一般采用数值模拟方法研究光波导内的光场分布。光束传播法(beam propagation method, BPM)[14]是标量亥姆霍兹方程的迭代解法，其基本思想是把波导沿着传播方向剖成若干个二维截面，每一个截面上的电磁场分量可用偏微分方程来表示。根据前一个截面上的已知场分布计算出下一个截面上的场分布。BPM算法具有计算快捷、节省存储空间、运算速度快等优点，而且能够直观形象地反映出光波导中光场的传输与分布情况，是目前光波导器件研究与设计中使用较多的方法之一。本文使用美国RSOFT公司研发的RSOFT商用软件，利用BPM算法对SMS光纤结构进行数值模拟。

表1 SMS光纤结构仿真模型的参数设置

在RSOFT软件内建立仿真模型，并对初始输入的光场能量进行归一化。理论计算中参数设置详见表1，其中两段单模光纤的长度均为1 mm。模拟得到SMS光纤结构的内部光场分布见图4所示。从图中可以发现，光在单模光纤中传输时，光场的能量分布没有发生变化，保持为1.0。当光从单模光纤进入多模纤芯时，激发出了多个模式，各个模式之间产生耦合，导致能量变弱或叠加。而且在多模纤芯内部某些传输点能量极大，某些传输点处能量极小，使得光场分布在传输距离的方向上出现了周期性，即自映像效应。从多模纤芯输出至单模光纤的归一化能量为0.24，即SMS光纤结构的输出耦合能量系数为0.24。

图4 SMS光纤结构的光场传输示意图

模拟计算了不同多模纤芯参数的SMS光纤结构在不同环境折射率下纤芯基模的输出耦合能量系数，计算中选取的参数除外界环境折射率、多模纤芯直径和长度外，其余参数仍按表1设置，计算结果见图5所示。从图中可以发现在特定波长下，纤芯基模的输出耦合能量系数由多模纤芯的直径和长度决定。当选择合适的多模纤芯参数时，就可获得较高的输出耦合能量系数，因此通过改变多模纤芯的参数可优化设计传感器结构。图5还表明纤芯基模的输出耦合能量系数随着环境折射率的改变而改变。由于空气湿度改变时，大气的折射率会发生改变，SMS光纤结构对环境折射率的敏感性说明其可用于湿度测量。当环境折射率从1.0增加至1.1时，多模纤芯长35 mm、直径为85 μm的SMS光纤结构的纤芯基模的输出耦合能量系数从0.24增加至0.29，因此可以预期制作的传感器的纤芯基模的能量对湿度响应敏感。

图5 不同环境折射率下SMS光纤结构的输出能量耦合系数

Fig.5 Output coupling coefficients of the SMS fiber structure at different surrounding refractive indices

3 结果与分析

将制作好的传感器样品绷直后两端固定在有机玻璃上，然后将封装好的传感器放入湿度箱(WHTH-225L-20-300)中，湿度实验的装置图见图6所示，宽带光源(Lightcomm, ASE-CL)发出的光经1×2耦合器进入传感器后，光纤布拉格光栅将光再反射至耦合器，反射光谱由光谱仪(Anritsu, MS9740A)接收。湿度箱的温度设定为20 ℃，从45%RH开始以5%RH为间隔增加湿度箱的湿度至95%RH，用光谱仪记录不同湿度下传感器的反射光谱。

图6 实验装置图

湿度实验结果见图7所示。图7表明，当环境湿度增加时，光纤布拉格光栅纤芯基模的能量线性增加，这与前述模拟结果相符。而纤芯基模的波长在湿度实验中几乎保持不变，说明该传感器可实现基于能量检测的湿度测量。图8是根据实验数据绘制的传感器湿度灵敏度曲线，图中实点为实验观测值，实线为线性拟合直线。从图中可得知，当湿度变化范围为45%RH～95%RH时，光纤布拉格光栅纤芯基模的能量增加了3.39 dBm，传感器的湿度灵敏度为0.06 dBm·(%RH)-1，线性度为0.997。

图8 传感器的湿度灵敏度曲线

由于温度对湿度测量结果有一定影响，所以对传感器的温度响应特性也进行了实验研究。将湿度箱的湿度设定为60%RH，并保持不变。从20～80 ℃，每间隔10 ℃改变湿度箱的温度，记录光纤布拉格光栅纤芯基模的光谱，实验结果见图9所示。图9表明随着环境温度的升高，光纤布拉格光栅纤芯基模的波长向长波方向移动，发生红移，而能量变化幅度不大。这是因为由于热膨胀效应，光纤布拉格光栅纤芯基模的中心波长发生红移，而SMS光纤结构干涉光谱的漂移量较小，所以光纤布拉格光栅纤芯基模的能量调制不明显。传感器的温度灵敏度为0.008 nm·℃-1，线性度为0.999。而温度实验中纤芯基模的能量变化幅度较小。在20～80 ℃温度范围内，能量变化小于0.2 dBm，温度所带来的湿度测量误差为0.047%RH·℃-1，在实际应用中可以忽略温度对湿度测量的影响。实验结果表明传感器的波长对温度敏感，能量对湿度敏感，意味着传感器具有可同时区分测量温度与湿度的潜力。

图9 传感器的温度灵敏度曲线(插图为纤芯基模反射光谱的温度响应)

Fig.9 The peak wavelength as a function of temperature (Inset shows the reflective spectral responses of the core mode at different temperature)

4 结 论

提出了一种基于光纤布拉格光栅嵌入SMS光纤结构结合的传感器。利用SMS光纤结构对外界环境参量敏感的特性，调制光纤布拉格光栅纤芯基模的能量，实现湿度测量。利用RSOFT软件建立了SMS光纤结构模型，理论分析了多模纤芯的长度、直径、外界环境折射率对SMS光纤结构内部光场分布及输出耦合能量系数的影响。制作了传感器样品并对其进行了传感实验研究，实验结果表明多模纤芯长35 mm，纤芯直径为85 μm的传感器在45%～95%RH湿度变化范围内，湿度灵敏度为0.06 dBm·(%RH)-1，纤芯基模波长保持不变；在20～80 ℃温度范围内，温度灵敏度为0.008 nm·℃-1，而纤芯基模能量变化幅度较小，因此温度对湿度测量结果的影响可以忽略。该传感器可实现基于能量检测的湿度传感测量，在湿度测量领域有一定的应用前景。

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(Received Jan.8, 2015; accepted May 16, 2015)

Fiber Humidity Sensor Based on Fiber Bragg Grating Sandwiched in SMS Fiber Structure

SHAO Min1，2，QIAO Xue-guang3，FU Hai-wei1，LI Yan1，YAO Ni4，JIA Zhen-an1

1.Shaanxi Key Laboratory of Photoelectric Oil-gas Logging and Detecting, School of Science, Xi’an Shiyou University, Xi’an 710065, China 2.Shaanxi Key Laboratory of Optical Information Technology, School of Science, Northwestern Polytechnical University, Xi’an 710072, China 3.School of Physics, Northwest University, Xi’an 710069, China 4.National Key Laboratory of Modern Optical Instrumentation, Department of Optical Engineering, Zhejiang University, Hangzhou 310027, China

A fiber humidity sensor based on Fiber-Bragg Grating (FBG) sandwiched in single-mode-multimode fiber core-single mode (SMS) fiber structure is proposed and demonstrated.When the surrounding humidity changes, the central wavelength of FBG remains unchanged for it is insensitive to humidity, while the interference spectrum of SMS fiber structure will shift for it is sensitive to the surrounding humidity.Hence, the shift of the SMS fiber structure interference spectrum with humidity could modulate the FBG core mode.Through measuring the reflected power of the FBG core mode the detection of humidity can be realized.The beam propagation of the SMS fiber structure with different lengths of multimode fiber core (MMFC), diameters of MMFC, and surrounding refractive indices are theoretically simulated with beam propagation method.Theoretical simulation indicates that the output core mode power coefficients shift with surrounding humidity of the SMS fiber structure.Experimental results show that the sensor has a linear response to humidity with enhanced sensitivity of 0.06 dBm·(%RH)-1in the humidity range of 45%～95%RH with length of 35 mm and diameter of 85 μm.The temperature effect of the sensor is also discussed, the temperature sensitivity is 0.008 nm·℃-1in the temperature range of 20～80 ℃ and the measurement error of temperature is 0.047% RH·℃-1.Such cost-effective, high sensitive, and reflective power detection based optical fiber humidity sensor could be used in humidity sensing applications.

Fiber Bragg Grating；Single-mode-multimode fiber core-single mode fiber structure；Humidity sensing

2015-01-08，

2015-05-16

国家自然科学基金项目(61275088, 61327012)和陕西省自然科学基础研究计划项目(2016JQ6021)资助

邵 敏，女，1979年生，西安石油大学理学院副教授 e-mail: shaomin@xsyu.edu.cn

TN253

A

10.3964/j.issn.1000-0593(2016)09-3008-06