同时测量曲率和温度的高灵敏度光纤传感器*

刘 理, 吴官权, 漆世锴, 曾 伟, 毛莉莉

(九江学院 电子工程学院，江西 九江 332005)

0 引 言

曲率和温度是两个重要的物理参量，曲率和温度传感器已经被广泛的用于结构健康检测领域[1]。光纤传感技术因其具有抗电磁干扰、体积小、耐腐蚀和灵敏度高等特点备受广大研究学者青睐。基于布拉格光纤光栅[2]、长周期光栅[3]和倾斜布拉格光纤光栅[4]等生产过程复杂、制造成本昂贵。另外，基于多模光纤(multi-mode fiber,MMF)[5]、光子晶体光纤[6]、空芯光纤[7]和细芯光纤[8]的，利用这些特种光纤与SMF熔接激发包层模式并与纤芯模式耦合干涉形成光纤模式干涉仪，但其灵敏度和条纹对比度还比较低。研究表明可通过拉锥的方式提高光纤模式干涉仪的灵敏度[9,10]，但这类型传感器温度和曲率之间有比较大的串扰。

本文对传统的基于多模—单模—多模光纤结构的模式干涉仪进行了改进和优化设计。通过检测干涉谷值波长和功率变化，同时实现了温度和曲率的高灵敏测量，温度灵敏度为71.42 pm/℃，曲率灵敏度高达141.63 dB/m-1，温度对曲率的串扰几乎为0。

1 传感器结构与原理

本文首先采用单模—多模—单模—多模—单模光纤熔接的方式形成模式干涉仪，如图1所示。MMF的纤芯和包层直径分别为105 μm和125 μm，SMF的纤芯和包层直径分别为9 μm和125 μm。由于多模和单模的芯径不匹配，光会从MMF1的纤芯耦合至SMF2的包层中，SMF2的纤芯模和包层模可通过MMF2耦合至SMF3中，形成模式干涉仪，最后的干涉谱输出强度为[11]

(1)

式中Ico和Icl分别为传输光在纤芯和包层中的光强，Δneff=nco-ncl为纤芯和包层的有效折射率之差，l为SMF2的长度。干涉谱谷值对应波长为

(2)

式中k为正整数。

图1 MMF-SMF-MMF结构

当外界环境温度不变时，传感器曲率发生变化时，SMS2外部包层受到挤压和拉伸，而纤芯受到的挤压基本可以忽略不计，从而导致模式干涉仪的Δneff将会发生变化，进而导致透射谱的谷值波长λdip将发生漂移。同时光纤弯曲时，包层能量损耗急剧增加，干涉谱的条纹消光比也将发生变化。因此，传感器可以通过检测干涉谷值波长和谷值功率来实时监测外界曲率。

当外界环境保持曲率不变，而温度发生变化时，因SMS2的纤芯和包层的热光系数不一样，干涉仪的Δneff也将会发生变化，从而导致透射谱的λdip发生漂移，但纤芯模和包层模的能量基本不会发生变化，干涉条纹消光比基本保持不变。

设光纤模式干涉仪谷值波长的漂移量为

Δλdip=k1C+k2T

(3)

式中k1和k2分别为干涉谷值波长对曲率C和温度T的灵敏度

ΔE=k3C+k4T

(4)

式中k3和k4分别为干涉谷值功率对曲率C和温度T的灵敏度。联立式(3)和式(4)可知

(5)

因此,曲率和温度的同时测量可通过检测模式干涉仪某一谷值波长和功率的变化来实现。

可通过提高条纹对比度和激发高阶包层模式来提高传感器的灵敏度，因为包层模的阶数越高，热光系数越大，传感器的温度灵敏度越大[12]；消光比越大，光纤弯曲时，条纹对比变化越明显，谷值功率变化范围越大，曲率测量范围也将越大。为了达到增敏的目的，本文首先将图1所示结构的MMF长度设置为半自聚焦长度，再将SMF2进行了拉锥处理。

通过BMP软件仿真可知，当单模—多模—单模光纤(single modal-multimodal-single modal,SMS)结构中，MMF很长时，MMF中激发的模式会相互干涉耦合，每隔1.1 cm就会自聚焦一次，轴心的能量达到最大值，同时可发现在两个自聚焦点中间点位置处光斑却是圆环状、轴心的能量为0，圆环的内半径大于SMF纤芯半径，如图2(b)所示。当MMF长度为自聚焦长度1/2时，MMF的光能将全部耦合至SMF的包层中，SMF纤芯能量基本为0，如图2(a)所示。本文正是利用SMS结构的此种特性，首先将MMF长度设置为5.5 mm，这样可以有效激发高阶包层模式，增加高阶包层模量能量分配。

图2 BPM仿真SMS结构光场分布

通过氢氧焰和电动位移平台对SMF2进行熔融拉锥，进一步激发高阶包层模式，并合理设置锥长，达到控制包层模的传播损耗目的，使SMF2纤芯模和包层模的能量基本一致，提高干涉仪的条纹对比度，如图3(a)所示。初始SMF2的长度为5 mm，传感器的透射谱如图3(b)中带空心圆曲线所示，因为包层模能量还比较高，消光比较小。在SMF2拉锥过程中，通过光谱仪实时监测传感器的透射谱，当拉锥长度为10 mm时停止拉锥，光纤锥的锥腰直径最小为50 μm。此时模式干涉仪的消光比最高可达40 dB，如图3(b)带实心框曲线所示。

图3 传感器制作原理图

2 实验结果和讨论

图4 曲率测量方案

两个夹具的初始距离为22.5 cm，通过调节位移平台使两者距离逐渐靠近，每次调节距离为10 μm。从图5(a)可以看出：随着夹具距离的靠近，干涉仪的透射谱消光比逐渐减小，干涉谷值(dip2)功率逐渐增加，这主要是由部分包层模式辐射至光纤外造成的。可通过多项式拟合出谷值功率与曲率之间关系，如图5(b)带实心方框曲线所示。曲率在0.324 6～0.615 9范围内，谷值功率呈抛物线变化。当曲率变化在0.324 6～0.459 0范围内时，dip2的功率和曲率之间近似成线性关系，线性度为0.944 3，在此范围内曲率灵敏度高达141.63 dB/m-1，如图5(b)带实心圆点曲线所示；同时弯曲时dip2对应的波长也会发生漂移，dip2波长对曲率的灵敏度为4.7 nm/m-1，如图5(b)带空心方框曲线所示。

图5 传感器的曲率响应

为了测量传感器的温度特性，保持干涉仪处于平直状态，并将其放置在水浴锅中，控制驱动电压，使温度从35 ℃变化到65 ℃，干涉仪的透射谱变化如图6(a)所示。由于包层模的热光系数大于纤芯的，当温度增加时，纤芯与包层有效折射率差变大，dip2的波长发生了明显的红移，而功率基本没有变化。通过线性拟合，可以看出dip2的波长与温度呈线性关系，干涉仪dip2波长的温度灵敏度为71.43 pm/℃，如图6(b)所示。

图6 传感器的温度响应

通过上述实验测量的灵敏度数据，并结合式(5)可以得到曲率和温度的计算公式为

(7)

传感器的分辨率受限于光谱仪的分辨率，实验采用的光谱仪型号Yokogawa AQ6370D。频率分辨率为20 pm，功率分辨率为0.001 dBm。由式(7)计算可知传感器的曲率和温度分辨率分别为7.061×10-6m-1和0.28 ℃。

3 结 论

实验结果表明:干涉仪的消光比最高可达40 dB，所提出的传感器的曲率灵敏度高达141.63 dB/m-1，温度灵敏度可达71.43 pm/℃，并且温度对曲率的串扰几乎为0，曲率和温度分辨率分别为7.061×10-6m-1和0.28 ℃。因其制作简单，结构紧凑，成本低，灵敏度高等特点，可用于结构安全监测领域。