偏心孔辅助的双芯光纤器件及其应用研究

杨 菁，金 缘，叶 鹏，关春颖

哈尔滨工程大学纤维集成光学教育部重点实验室，黑龙江哈尔滨150001

1966年，高锟[1]首次提出光纤有望作为光的低损耗传输介质，奠定了光信息时代的基础。此后，以光纤为基础发展起来的光纤传感技术成为了信息领域的热点。相继出现了基于各种不同机理的光纤传感器，如：长周期光纤光栅[2]、布拉格光纤光栅[3]、各种干涉仪[4-7]、耦合器[8-9]等。与传统电子型传感器相比，光纤传感器具有灵敏度高、集成度高、耐腐蚀、抗电磁干扰、易于实现远程控制等诸多优势，因此在航空航天、环境监测、资源勘探、结构监测等众多领域都得以广泛应用。

随着应用领域的不断拓展，不同领域对光纤传感器也提出了不同的要求。受传统通信光纤结构简单的限制，光纤传感器无论在性能还是测量维度等方面都难以满足新的要求。特种光纤因具有灵活多变的结构，能够将更复杂的光路集成于单根光纤中来提升传感器的性能；也能更容易地将功能材料与光纤相结合，扩展光纤传感器的传感对象。多芯光纤、少模光纤和微结构光纤是常见的三类特种光纤。多芯光纤在同一包层中含有多个独立的纤芯，在空间上为传感器的制备提供了更多维度。纤芯数量的增加使其可以将更多光路或光学结构集成到一根光纤中，从而提高传感器的集成度。如利用多芯光纤光栅进行弯曲传感，可同时辨别弯曲曲率和弯曲方向[10-12]；将多个干涉仪集成到单根多芯光纤内部，可扩展单个光纤传感器的测量参数[13]；多芯光纤可用于实现多路干涉来提高干涉型传感器的灵敏度[14-15]。多芯光纤除了可以用于拓展光路数量外，纤芯之间的耦合效应也用于研制传感器。如双芯光纤两纤芯间的共振耦合用于温度[9]和弯曲传感[16-17]。芯间距较小的多芯光纤会产生超模效应，超模间的干涉已被用于实现应变[18]、弯曲[19]、振动[20]、折射率[21]等参量传感。少模光纤（few mode fiber,FMF）通常是指可以支持2∼10 个模式传输的多模光纤。相比于单模光纤（single mode fiber, SMF），少模光纤具有更大的信息承载量，可以有效拓展传感器测量参量数量。如高阶模式模场具有较好的方向可辨别性，可以通过检测模场旋转角度实现传感器解调[22]。此外，不同模式对不同参量变化的敏感性不同，用多个模式可实现多参量传感器[23-24]。微结构光纤（microstructured optical fiber, MOF）作为特种光纤的一类，因光纤横截面具有特殊几何或者折射率分布，而具备传统光纤不具有的特点，如高双折射、强倏逝场、低温度敏感、易于集成功能材料等，因此受到光纤传感领域的关注。纯石英光子晶体光纤（photonic crystal fiber, PCF）芯模和包层模间的材料色散一致，可以有效降低干涉型传感器的温度串扰[4]。MOF 内部空气孔可以集成液体功能材料（如磁流体、热敏材料等）来增加光纤敏感性，实现对磁场、温度等物理量高灵敏度传感[25-27]。在PCF 空气孔中选择性填充的液体可以充当液芯与石英纤芯构成干涉仪[28]或耦合器[29]。MOF 内部空气孔可以作为天然的微流通道[30-32]，微流传感器具有灵敏度高、消耗待测样品量小、液体与光作用距离长、生物兼容性好等优点，在化学和生命科学领域表现出巨大的应用潜力。

近年来，利用特种光纤研制光纤传感器已得到广泛的研究。本文设计一种特殊的偏心孔辅助的双芯光纤，详细介绍了偏心孔辅助的双芯光纤的设计及基本特性，在此基础上介绍了多种基于偏心孔辅助的双芯光纤的集成器件，并对其传感机理和特性进行了深入研究。

1 偏心孔辅助的双芯光纤设计

偏心孔辅助的双芯光纤（eccentric hole-assisted dual-core fiber, EHADCF）具有多芯、少模、空气孔特点，能够使一根光纤同时具有纤芯间耦合、多模传输、微流通道等特性。光纤结构示意图如图1(a) 所示，光纤包含2 个纤芯，直径为d1的纤芯位于包层中心，包层中有1 个直径为d3的偏心空气孔，空气孔内靠近中心纤芯的内壁悬挂1 个直径为d2的纤芯，如图1 中虚线所示，悬挂纤芯与中心纤芯边缘间距为L。图2(a) 给出了EHADCF 几个低阶模式的色散曲线。在计算过程中，中心纤芯、悬挂纤芯、空气孔、包层直径分别为8.50 µm、11.20 µm、45.00 µm 和125.00 µm，悬挂纤芯与中心纤芯边缘间距为7.50 µm，纤芯和包层折射率差为0.005。波长在1.10∼1.25 µm 范围内，中心纤芯和悬挂纤芯都支持LP01和LP11两个模式，中心纤芯和悬挂纤芯中的LP11模分别在1.25 µm 和1.37 µm 截止。即在常用的1.31 µm 波长处，中心纤芯为单模纤芯，而悬挂纤芯为双模纤芯；在1.55 µm 波长处，两个纤芯均为单模纤芯。两纤芯基模有效折射率在波长为1.55 µm 处相等，满足相位匹配条件，两个模式将发生共振耦合，耦合时的奇模和偶模电场如图2(b) 所示。图2(c) 为光在EHADCF 中的传输情况，光从中心纤芯入射，传输一段距离后光会被完全耦合到悬挂纤芯中，然后再从悬挂纤芯耦合回中心纤芯，并以此往复。光从一个纤芯全部耦合到另一个纤芯所需的最短传输长度定义为耦合长度Lc，这里Lc为10.4 mm。由于两纤芯尺寸和结构不同，远离相位匹配波长两个基模不能发生共振耦合，因此当光纤长度为Lc的奇数倍时，中心纤芯透射光谱在1.55 µm 附近会出现共振峰，如图2(d) 所示。

图1 偏心孔辅助的双芯光纤Figure 1 Eccentric hole-assisted dual-core fiber

图2 EHADCF 模式及传输特性仿真分析Figure 2 Simulation analysis of mode and transmission characteristics of EHADCF

EHADCF 采用异尺寸双纤芯设计使两纤芯仅在相位匹配时发生共振耦合，而在非相位匹配波长时，两纤芯可作为独立传输通道用于光纤器件集成。同时，悬挂纤芯具有较大的直径和芯包折射率差，在1.31 µm 波段为少模纤芯，可以设计此波段工作的少模光纤器件，并将单模器件与少模器件集成到一根光纤中。大空气孔和悬挂纤芯结构的设计，便于功能材料或微流通道集成到光纤内，悬挂纤芯和空气孔内物质直接接触，具有较强的倏逝场，有利于改善光纤传感器的灵敏度。另外，非中心对称结构也利于辨别被测参量的方向。

所制备的EHADCF 样品如图1(b) 所示，中心纤芯、悬挂纤芯、空气孔和包层直径分别为8.5 µm、12.4 µm、46.8 µm 和129.0 µm，中心纤芯和悬挂纤芯边缘间距为7.5 µm。光纤横截面折射率分布如图1(c) 所示。在632.8 nm 波长下，中心纤芯和悬挂纤芯具有相同的折射率，为1.457 02，纤芯包层折射率差为0.004 25。

2 基于偏心孔辅助的双芯光纤定向耦合器的弯曲传感器

光纤定向耦合器作为一种成熟的光纤器件广泛应用于通信、传感、激光等领域。在传感领域中，通过外部环境（温度、折射率等）的改变影响光纤定向耦合器的共振波长或输出端口之间的分光比从而实现对外部参量的测量[9,33]。常见的光纤定向耦合器主要为拼接型[34]和熔融拉锥型[35]两种。拼接型定向耦合器由于拼接面的粘接及弧形槽的限位使其不适用于形变测量。同时，除拼接面外，包层保持完整限制了导模倏逝场的延伸，该类耦合器也不适用于外界折射率的传感。对于熔融拉锥型光纤定向耦合器，由于锥区（耦合区）直径非常小，机械强度大幅下降，使其也不适于形变传感且使用过程中易受损坏。文献[36] 提出的基于EHADCF的定向耦合器可以较好地解决上述问题。

2.1 传感器工作原理分析

基于EHADCF 的定向耦合器[36]结构如图3 所示，一段EHADCF 被焊接到两段SMF之间，EHADCF 的中心纤芯两端与SMF 纤芯直接对准焊接。由于两纤芯间距很小，在相位匹配波长附近两纤芯间能量会发生交换，单根光纤自身即可构成光纤定向耦合器。宽谱光经SMF 光纤入射EHADCF 中心纤芯后，在经过耦合长度奇数倍传输后，满足相位匹配波长的光全部被耦合到悬挂纤芯中，悬挂纤芯中的光进入SMF 包层中很快被损耗掉，出射端SMF透射谱中会出现中心波长为相位匹配波长的共振峰。

图3 EHADCF 定向耦合器结构示意图Figure 3 Schematic diagram of optical fiber directional coupler based on EHADCF

在x和y偏振态下，两纤芯基模的色散曲线如图4(a) 和4(b) 所示，两纤芯基模相位匹配波长分别为1.790 µm 和1.827 µm，插图为两种偏振态下两纤芯中基模模场分布。光由中心纤芯入射的情况下，两纤芯中光的传输方程和边界条件可表示为

式中：c 表示中心纤芯；s 表示悬挂纤芯；βc和βs分别为有效传播常数；耦合系数Ksc和Kcs可表示为

式中：ω为角频率；ε0为真空中的介电常数；Ec和Es分别为中心纤芯和悬挂纤芯中的模式电场；Sc和Ss分别为中心纤芯和悬挂纤芯的横截面；nc、ns和ncl分别为中心纤芯、悬挂纤芯和包层的折射率。在x和y偏振态时的相位匹配波长分别为1.790 µm 和1.827 µm，相应的耦合长度分别为4.81 mm 和4.41 mm。EHADCF 的长度为1 倍耦合长度时，两个偏振态下定向耦合器的透射光谱如图4(c) 所示。EHADCF 弯曲时引入的应力会对光纤折射率进行调制，引起两纤芯间相位匹配波长和耦合系数改变，从而导致共振峰漂移，通过检测共振峰漂移量可以实现弯曲传感。

图4 EHADCF 定向耦合器理论分析。(a) x 和(b) y 偏振态下两纤芯基模色散曲线；(c) EHADCF 定向耦合器透射光谱Figure 4 Theoretical analysis of EHADCF directional coupler.(a) and (b) are dispersion curves of the fundamental modes in center and suspended cores for x- and y-polarizations; (c)transmission spectra of EHADCF directional coupler

2.2 传感器制备与测试

将EHADCF 一端与SMF 对准熔接在一起，为了确保熔接过程中EHADCF 空气孔不发生明显形变，需要适当减小放电时间和熔接电流强度。EHADCF 与SMF 焊点照片如图5 的插图所示，这里空气孔几乎没有形变和坍塌。利用光纤精确切割系统来控制EHADCF 的长度，最终确定双芯光纤长度为4.45 mm 时，中心纤芯透射谱共振峰振幅可达最大，透射光谱如图5 所示。在两个偏振态下，器件插入损耗均为2.3 dB。对于x偏振态，EHADCF 的长度恰好为其耦合长度，共振峰中心波长为1 826.6 nm，非常接近理论计算得到的相位匹配波长，共振峰振幅为21.91 dB。对于y偏振态，由于EHADCF 长度大于其耦合长度（4.41 mm），共振峰中心波长为1 847.1 nm，与理论计算的相位匹配波长略有偏差，其共振峰振幅为16.1 dB。

图5 计算和测试的不同偏振态下长度为4.45 mm 的EHADCF 定向耦合器透射光谱Figure 5 Measured and calculated transmission spectra of the sensor with 4.45 mm long EHACDF for different polarizations

EHACDF 的结构非对称，因此EHACDF 定向耦合器可实现具有方向辨别能力的弯曲传感器。图6 定义了EHACDF 的弯曲方向，在0◦、90◦、180◦方向下定向耦合器弯曲响应如图7(a)∼(c) 所示，共振峰中心波长与弯曲曲率的关系如图7(d) 所示，在测试范围内不同弯曲方向下共振峰中心波长都随弯曲曲率增大呈线性变化。在0◦的弯曲方向下，共振峰中心波长随弯曲曲率增大发生蓝移，弯曲灵敏度为−15.95 nm/m−1。在90◦和180◦的弯曲方向下，共振峰中心波长随弯曲曲率增大发生红移，弯曲灵敏度依次为2.688 nm/m−1和14.870 nm/m−1。由于该弯曲传感器在0◦和180◦两个方向发生弯曲时，共振峰具有相反的漂移方向，因而具有弯曲方向识别能力。

图6 EHADCF 弯曲方向示意图Figure 6 Diagram of EHADCF bending direction

图7 EHADCF 定向耦合器弯曲响应测试结果。(a)∼(c) 依次为弯曲方向0◦、90◦、180◦情况下不同弯曲曲率下的透射谱；(d) 不同弯曲方向下共振峰中心波长与弯曲曲率的关系Figure 7 Experimental results on bending response of the EHADCF directional coupler.(a)∼(c)Transmission spectrum variation against the curvature at 0◦, 90◦and 180◦, respectively;(d) relationship between the resonance dip wavelength and the curvature at different bending direction

3 基于偏心孔辅助的双芯光纤定向耦合器的微流折射率传感器

近年来，生命科学与生化技术已成为研究热点，光纤传感器因具有测量精度高、检测速度快等优势，在生化分析领域具有广泛的应用，如：对折射率[37]、PH 值[38]、生化物质成分及浓度[39-40]等参量的测量。光微流技术是生化分析领域中的重要技术，通过将光学传感器和微流通道进行集成，促使物质与光信号发生相互作用，进而实现对微流通道中物质成分及浓度的检测[41-42]。微结构光纤因具有空气孔作为天然的微流通道而被视为光微流传感器的理想平台。基于EHADCF 定向耦合器也可以实现微流折射率传感器[43]，光纤内空气孔作为微流通道，悬挂纤芯与空气孔中液体直接相互作用，可测量液体的折射率。

3.1 传感器工作原理分析

基于EHADCF 定向耦合器的微流折射率传感器结构如图8 所示[43]，EHADCF 的两端正对熔接SMF。两个液体注入/流出微孔位于焊点附近，与空气孔一起形成微流通道。宽谱光从入射端SMF 进入EHADCF 中心纤芯，如果EHADCF 的长度恰好是相位匹配波长下耦合长度的奇数倍，则在出射端的焊点处，相位匹配波长的光将全部耦合到悬挂纤芯中。因此，透射光谱中会出现明显的共振峰。当液体进入微流通道后，悬挂纤芯的环境改变，导致其模式有效折射率改变，进而引起耦合系数和相位匹配波长变化，使得共振峰发生漂移。通过检测共振峰偏移量可实现折射率测量。

图8 光纤微流折射率传感器示意图Figure 8 Schematic diagram of the fiber optofluidics sensor

实验所用的EHADCF 参数如下：中心芯、悬挂芯、空气孔和包层的直径依次为9.1 µm、12.5 µm、44.3 µm 和125.0 µm，两纤芯边缘间距为7.3 µm。利用有限差分光束传播法（finite difference beam propagation method, FD-BPM）计算的两纤芯基模色散曲线如图9(a) 所示。空气孔未填充液体状态时，悬挂纤芯中基模有效折射率neff,sc与中心纤芯中基模有效折射率neff,cc在1 603 nm 处相等，两纤芯发生共振耦合，其奇偶模的场分布如图9(b) 所示。图9(c) 是波长为1 603 nm 的光在EHADCF 中的传输情况，此时耦合长度约为6.17 mm。填充折射率为1.335 的液体后，相位匹配波长红移到1 793.3 nm。

图9 光在EHADCF 中传输的仿真计算结果。(a) 色散曲线；(b) EHADCF中奇偶模的三维模场分布；(c) 1 603 nm 的光在未填充的EHADCF中的传输情况Figure 9 Simulative beam propagation in the EHADCF.(a) Dispersion curves; (b) 3D field distributions of odd and even modes at 1 603 nm; (c) beam propagation in the EHADCF without filling at 1 603 nm

3.2 传感器制备与测试

基于EHADCF 的光纤微流折射率传感器的制备过程与前述基于定向耦合器的弯曲传感器类似。通过反复测试，使共振峰振幅达最大值的EHADCF 的最短长度为6.2 mm，此时透射光谱如图10 所示。这里也给出了EHADCF 长度约为3 倍和5 倍耦合长度的定向耦合器的透射光谱。可以看出双芯光纤长度为耦合长度奇数倍时，透射谱中仅在相位匹配波长处出现谐振峰，谐振峰的深度几乎一致。用高频CO2激光器制备注入/流出微孔，在EHADCF 侧壁上靠近两端焊点处制备两个微孔将空气孔与外界联通，如图11(a) 所示。调整EHADCF 空气孔朝向激光出射方向，并使EHADCF 处于CO2激光器焦平面上，制备的微孔如图11(b) 所示，激光刚好刻蚀穿透空气孔侧壁而未损伤悬挂纤芯。最后用环氧树脂胶封装微孔，制得的光纤微流折射率传感器样品，如图11(c) 所示。

图10 奇数倍耦合长度EHADCF 纤内定向耦合器的透射光谱Figure 10 Transmission spectra of the EHADCF-based directional coupler when the EHADCF length is the odd times coupling length

图11 传感器制备Figure 11 Fabrication of sensor

基于EHADCF 定向耦合器的微流折射率传感器特性实验测试结果如图12 所示。EHADCF 长度为29 mm，两微孔间距为26.9 mm 时的透射光谱如图12(a) 所示，理论计算和测试光谱吻合较好。微流通道折射率变化时光谱演变和谐振峰漂移测试结果如图12(b) 和12(c) 所示。折射率在1.335∼1.385 范围内，共振峰中心波长随折射率增加线性红移，波长灵敏度为627.5 nm/RIU。共振峰振幅随折射率增加而增大，并在折射率为1.395 时达到最大，约为21.5 dB。折射率在1.335∼1.370 范围内，振幅随折射率增加有较好的线性度，振幅灵敏度约为102.2 dB/RIU。该光纤微流折射率传感器的温度特性如图12(d) 所示，在未注入溶液时，温度从30◦C 上升到90◦C 的过程中，共振峰中心波长最大漂移量仅0.4 nm。因此，该传感器对温度变化不敏感。

图12 基于EHADCF 定向耦合器的微流折射率传感器的传感特性测试。(a) 传感器透射光谱；(b) 透射谱随折射率增加的变化情况；(c) 共振峰振幅和中心波长与折射率的关系；(d) 共振峰波长对温度变化不敏感Figure 12 Sensing characteristics measurement of the refractive index sensor based on the EHADCF directional coupler.(a) Transmission spectrum of the sensor; (b) transmission spectrum evolves with the increasing refractive index; (c)relationship between resonance dip wavelength and amplitude and refractive index; (d) resonance dip wavelength is insensitive to temperature

4 基于偏心孔辅助的双芯光纤定向耦合器的温度传感器

光纤温度传感器在电力系统检测、航天航空、石油勘探、农业等领域有广泛应用。受限于石英本身极低的热光系数和热膨胀系数，通常石英光纤温度传感器灵敏度较低。在光纤上复合热敏材料提高光纤的温度敏感性是研制高灵敏度光纤温度传感器的重要方法。PCF 具有天然微流通道，因便于进行材料填充而受到重点关注。基于热敏材料填充的PCF 可构成干涉仪或定向耦合器用于实现温度传感[44-46]。在PCF 中选择性地填充热敏材料的共振耦合型光纤温度传感器表现出极高的温度灵敏度，但温度测量范围较小使其实际应用受到限制[29,47-50]。文献[51] 提出了一种基于液体填充的EHADCF 共振耦合型光纤温度传感器，在提高温度灵敏度的同时具有较大的温度测量范围。

4.1 传感器工作原理分析

基于液体填充的EHADCF 共振耦合型光纤温度传感器结构如图13 所示[51]。EHADCF定向耦合器的空气孔中填充具有热光系数较大的液体，用于增强光纤的热敏感性。实验中EHADCF 的参数如下：中心纤芯、悬挂纤芯、空气孔及包层的直径依次为8.5 µm、12.4 µm、45.4 µm 和12.8 µm，两纤芯边缘间距为6.7 µm。填充液体前后EHADCF 光纤的色散曲线如图14(a) 所示，相位匹配波长分别为1 810 nm 和1 980 nm。悬挂芯直径和两芯边缘间距对相位匹配波长和耦合距离的影响如图14(b)∼(d) 所示。相位匹配波长随悬挂芯直径增大而红移，随芯间距增大而蓝移；芯间距增大还将导致耦合长度变大。环境温度发生变化会导致空气孔中热敏材料的折射率发生改变，从而引起两纤芯间的相位匹配波长和耦合系数改变，促使共振峰漂移。通过检测共振峰偏移量可以实现温度测量。

图13 基于液体填充的EHADCF 温度传感器结构示意图Figure 13 Schematic diagram of the liquid-filled EHADCF based temperature sensor

图14 EHADCF 定向耦合器特性分析。(a) 色散曲线；(b) 悬挂芯直径对相位匹配波长的影响（两纤芯边缘间距为3.15 µm）；(c) 芯间距对相位匹配波长的影响（悬挂芯直径为13.1 µm）；(d) 芯间距对耦合长度的影响（悬挂芯直径为13.1 µm）Figure 14 Characteristic analysis of EHADCF directional coupler.(a) Dispersion curves; (b) influence of suspended core diameter on phase matching wavelength (edge separation of the two cores is 3.15µm);(c)influence of separation on phase matching wavelength(diameter of suspended core is 13.1 µm); (d) influence of separation on coupling length (diameter of suspended core is 13.1 µm)

4.2 传感器制备与测试

图15(a) 中蓝色线是长度为10.5 mm 的EHADCF 定向耦合器在填充折射率为1.33 的液体前后的透射光谱。未填充液体时插入损耗约为0.05 dB，主共振峰中心波长约为1 813.5 nm，振幅约为18.2 dB。为了将热敏液体集成到空气孔中，仍利用高频CO2激光器在双芯光纤空气孔侧壁靠近焊点的地方制备微孔，如图15(b) 所示。将折射率匹配液（在589.3 nm 下，折射率匹配液的折射率为1.33，Cargille Laboratories）填充到空气孔中。该折射率匹配液热光系数为−3.37×10−4/◦C，比石英热光系数（8.6×10−6/◦C）高2 个数量级[45]。折射率匹配液可填满两个微孔之间的空气孔，在显微镜下观察到的填充折射率匹配液的双芯光纤如图15(c)所示。最后用紫外胶密封两个微孔。制备的液体填充的EHADCF 共振耦合型光纤温度传感器样品透射谱如图15(a) 中红色曲线所示。填充折射率匹配液后，传感器插入损耗约为0.43 dB。透射谱中存在两个明显共振峰，中心波长分别为1 795 nm 和2 126 nm。

图15 传感器制备。(a) 长度为10.5 mm的EHADCF在填充折射率匹配液前后的透射谱；(b) 未填充折射率匹配液的微孔显微照片；(c) 填充折射率匹配液后的微孔显微照片Figure 15 Sensor fabrication.(a) Measured transmission spectra of the 10.5 mm long EHADCF before and after filling refractive index matching fluid; (b) micrographs of a microhole fabricated by CO2 laser;(c)micrographs of the microholes after refractive index matching liquid filling

液体填充的EHADCF 共振耦合型温度传感器的传感特性如图16 所示。共振峰随温度升高而发生蓝移，中心波长随温度升高线性减小，温度灵敏度为−556.5 pm/◦C，且具有良好的重复性。该液体填充的EHADCF 共振耦合型光纤温度传感器温度灵敏度较高，温度测量范围更大，弥补了液体填充的共振耦合型光纤温度传感器温度测量范围小，实用性不强的缺点。

图16 温度传感特性测试结果Figure 16 Experimental results of temperature sensing characteristics measuring

5 基于偏心孔辅助的双芯光纤定向耦合器的湿度传感器

由于石英对湿度不敏感，光纤湿度传感器通常以石英光纤结合湿敏材料的形式，将对湿度的直接测量转变为对湿敏材料折射率变化的测量。利用侧抛技术将EHADCF 的空气孔打破，可以将湿敏材料集成到悬挂纤芯表面，从而利用偏心孔辅助的双芯光纤定向耦合器实现高灵敏湿度传感器[52]。

5.1 传感器工作原理分析

基于偏心孔辅助的双芯光纤定向耦合器的湿度传感器结构如图17 所示[52]。利用光纤侧抛技术将空气孔打破，使悬挂纤芯直接暴露于外界环境，将折射率为1.5 的明胶填充到开放的空气孔中包裹住悬挂纤芯。明胶同时充当湿敏材料和悬挂纤芯包层两个角色。明胶吸收空气中水分子后发生溶胀，导致其折射率降低。空气孔中折射率变化对悬挂纤芯中模式有效折射率的影响远大于对中心纤芯中模式有效折射率的影响。因此，两个纤芯间的耦合系数、相位匹配波长均会受环境湿度变化影响，导致透射谱中共振峰发生漂移。通过检测共振峰漂移量，可以测量相对湿度（relative humidity, RH）。

图17 明胶覆盖的EHADCF 定向耦合器型湿度传感器结构示意图Figure 17 Schematic diagram of gelatin coated humidity sensor based on EHADCF directional coupler

EHADCF 参数如下：中心纤芯、悬挂纤芯、空气孔、包层直径分别为8.5 µm、13.1 µm、45.8 µm 和129.0 µm，两纤芯边缘间距为7.9 µm。悬挂纤芯上覆盖明胶层厚度对EHADCF模式的影响如图18 所示。计算中抛磨平面距光纤中心30 µm。明胶填满开放空气孔，即明胶上表面与空气孔的抛磨面齐平。在1 680 nm 波长附近，中心纤芯和悬挂纤芯中的基模会发生较强的共振耦合。明胶将悬挂纤芯包裹相当于悬挂纤芯的包层。高折射率的明胶导致悬挂纤芯中一部分能量泄漏到明胶中，从而使悬挂纤芯中模式对明胶折射率变化极其敏感。空气孔填充明胶后，共振耦合波长处悬挂纤芯基模泄漏到明胶中的能量占总能量的26.02%。明显高于没有明胶填充时的0.019%。湿度升高导致明胶折射率降低，从而导致悬挂纤芯中基模有效折射率发生改变，进而引起两纤芯之间的相位匹配波长和耦合系数发生改变。通过明胶的辅助，共振峰对环境湿度变得敏感。在明胶层厚度为0.5∼2.5 µm 之间时，中心纤芯与悬挂纤芯中基模间在1 680 nm 波长下不满足相位匹配，始终不发生明显耦合。

图18 覆盖不同厚度明胶层的侧抛的EHADCF 的模场分布仿真计算结果Figure 18 Simulated field distributions of the side-polished EHADCF for different thicknesses of gelatin layers

5.2 传感器制备与测试

利用光纤侧抛系统对EHADCF 定向耦合器进行侧抛，抛磨深度约为34 µm。将明胶（G108395，Aladdin Bio-Chem Technology Co., Ltd.）在65◦C 温度下配制成质量浓度为5%的溶液，并利用微流注射泵将明胶溶液填充到开放空气孔中。温度变化会影响明胶溶液的流动性，温度越低流动性越差，一次填充形成的明胶膜越厚。在温度为20◦C 的干燥空气中静置3 h 后再次进行填充。填充15 次后明胶可填充满开放的空气孔，如图19 所示。

图19 15 次明胶涂覆的EHADCF 定向耦合器的SEM 测试结果Figure 19 Gelatin coated side polished EHADCF directional coupler after 15 fabrication processes

所制备的基于EHADCF 定向耦合器的湿度传感器透射光谱如图20 中RH 为30% 的曲线所示，插入损耗约为1.2 dB。透射光谱在1 688 nm 处有一个明显的共振峰，消光比约为6.5 dB。由于明胶层折射率较大导致部分光泄漏到明胶层中，因此波长在1 770 nm 之后损耗明显增大。

湿度传感器的测试结果如图20 所示。相对湿度从30% 上升到60% 的过程中，共振峰从1 676 nm 红移到1 690 nm，并且在此过程中共振峰振幅逐渐增大。而湿度从60% 继续上升到90% 的过程中，共振峰表现出显著的蓝移，并且振幅明显减小。在相对湿度为70%∼90% 范围内共振峰波长漂移量约140.1 nm，平均湿度灵敏度为−7.005 nm/%RH；最大灵敏度出现在相对湿度为90% 时，达−18.94 nm/%RH。在该相对湿度范围内，传感器的最大迟滞波长误差为6.25 nm，出现在相对湿度为70% 处，最大迟滞误差为1%RH。同时，该湿度传感器温度串扰较低，温度灵敏度为−346.7 pm/◦C。相对湿度在70%∼90% 范围内最小温度串扰和平均温度串扰分别为0.018%RH/◦C 和0.050%RH/◦C。该湿度传感器在1 h 内共振峰波长波动仅为±0.04 nm，响应时间和恢复时间分别为2.97 s 和1.28 s，具有良好的稳定性和响应速度。

图20 传感器性能测试。(a) 和(b) 相对湿度增加过程中光谱演变；(c) 和(d) 共振峰波长与相对湿度和温度的关系；(e) 波长稳定性；(f) 对呼吸的响应Figure 20 Sensor performance testing.(a) and (b) are the shifts of the transmission spectra for different RH in the RH increasing process; (c) and (d) are the wavelength dependences of the resonance dip on the RH and temperature, respectively; (e) fluctuation of the center wavelength of the resonance dip; (f) response time of the IFDC-based RH sensor to human breathing

6 基于偏心孔辅助的双芯光纤的干涉型微流折射率传感器

干涉型光纤传感器因具有高灵敏度、高分辨率及制备过程简单而受到传感领域的重视。然而干涉型传感器透射光谱通常具有一系列连续且均匀的干涉峰，在应用过程中很难区别每个干涉峰。本节提出一种基于EHADCF 的马赫- 曾德尔干涉仪（Mach-Zenhder interferometer,MZI）传感器。由于EHADCF 的多模特性，可以在不同波长区间由不同模式形成干涉。相邻两干涉区之间存在干涉间断区，可用作光谱参照标志识别对干涉峰的次序。文献[53] 提出了一种可辨别干涉峰次序的MZI，并将其用于折射率传感。

6.1 传感器工作原理分析

传感器的结构如图21 所示，一段EHADCF 被错位熔接到两段SMF 之间形成SMFEHADCF-SMF，由于EHADCF 两个纤芯间距较小，SMF 纤芯可以同时覆盖中心纤芯与悬挂纤芯的一部分。光从SMF 传输到第1 个焊点处后分束，分别进入中心纤芯和悬挂纤芯，在第2 个焊点处合束发生干涉，构成MZI。空气孔作为微流通道用于填充待测液体。液体折射率的改变会导致悬挂纤芯中模式有效折射率发生变化，进而引起两纤芯中光相位差的改变，造成透射谱干涉峰漂移。通过检测干涉峰漂移量即可实现对液体折射率的测量。为了识别干涉峰次序，需要在光谱中引入参考标志。利用悬挂纤芯的少模特点，使该MZI 在不同波段由不同模式发生干涉，可在光谱中产生多段分离的干涉谱。两段干涉谱之间由干涉模式跳变引起的干涉间断区可作为识别干涉峰次序的标志。

图21 EHADCF-MZI 结构示意图Figure 21 Schematic diagram of the EHADCF-MZI

本实验中使用的EHADCF 详细参数如下：中心纤芯、悬挂纤芯、空气孔和包层直径依次为8.5 µm、12.1 µm、44.8 µm 和125.0 µm，两纤芯边缘间距为7 µm。由于悬挂纤芯直径较大且与空气孔折射率差较大，所以悬挂纤芯中可以支持多个导模。EHADCF 的模式特性如图22 所示，中心纤芯中LP01模和悬挂纤芯中LP01模有效折射率在波长1 700 nm 处相等。由于两纤芯间距很近，两纤芯中基模在该波长下满足相位匹配会发生共振耦合。因此所提出的EHADCF-MZI 的工作波长必须远离共振波长。中心纤芯LP11模在波长约为1 160 nm 处截止，大于该波长中心纤芯只支持基模传输。悬挂纤芯支持的模式比中心纤芯多，它的LP11模在波长约为1 420 nm 处截止，LP21模在波长约为960 nm 处截止。

图22 EHADCF 中各模式的色散曲线和模场分布。(a) 色散曲线；(b) 和(c) 为980 nm 波长下中心纤芯LP01 模和LP11 模；(d) 和(e) 为980 nm 波长下悬挂纤芯LP01 模和LP11 模；(f) 为940 nm波长下悬挂纤芯LP21 模；(g) 和(h) 为1 310 nm 波长下中心纤芯与悬挂纤芯中LP01 模；(i) 为1 310 nm 波长下悬挂纤芯中LP11 模Figure 22 Dispersion curves for different modes and typical field distributions in the SEHADCF.(a) Dispersion curves; (b) and (c) LP01 and LP11 modes in center core at 980 nm; (d)and (e) LP01 and LP11 modes in the suspended core at 980 nm; (f) LP21 mode in the suspended core at 940 nm; (g) and (h) LP01 mode in the center and suspended cores at 1 310 nm; (i) LP11 mode in the suspended core at 1 310 nm

为了在不同波段包含不同模式干涉，SMF 与EHADCF 焊接错位量对模式激发效率的影响如图23 所示。在980 nm 波长下、横向错位量约为8 µm 时，中心纤芯与悬挂纤芯中的LP11模式被等量激发。在1 310 nm 波长下、错位量约为6 µm 时，中心纤芯的LP01模和悬挂纤芯的LP11模被等强度激发。为了使MZI 在不同波段形成以不同模式为主导的干涉，第1 个焊点横向错位量确定为6∼8 µm，以便能较均衡地激发各个模式。通过第2 个焊点的横向错位量来调节出射端SMF 接收的各个模式的光强比例，进而得到较高的消光比。在波长较短时，通过调节第2 个焊点的横向错位量可得到两纤芯中LP11模占主导的干涉。随着波长的增加，中心纤芯中LP11模会先于悬挂纤芯中LP11模截止，因此可以形成中心纤芯LP01模与悬挂纤芯LP11模为主导的干涉。若波长继续增加，悬挂纤芯中LP11模截止，将形成中心纤芯LP01模与高阶包层模之间的干涉。

图23 不同波长下EHADCF 中各模式激发系数与焊点处横向错位量的关系。(a)980 nm；(b) 1 310 nmFigure 23 Relationship between excitation coefficients of modes of the SEHADCF and the lateraloffset of the spicing point for different wavelengths.(a) 980 nm; (b) 1 310 nm

6.2 传感器制备与测试

利用手动熔接模式将SMF 沿EHADCF 两纤芯方向错位约7 µm 进行熔接，然后将SMF与超连续谱光源连接，而EHADCF 与另一根SMF 对准，监测其透射光谱并调整错位量，直到干涉峰消光比达到最大时进行熔接。制备的EHADCF-MZI 透射光谱如图24 所示，由于错位熔接EHADCF-MZI 的插入损耗相对较大可达15 dB。这里EHADCF 长41 mm，在600∼2 400 nm 波段内具有3 个分离的干涉区，依次为第一干涉区（图24(a)，920∼1 140 nm）、第二干涉区（图24(a)，1 280∼1 420 nm）及第三干涉区（图24(b)，1 810∼2 325 nm）。在第一干涉区内，干涉谱的FSR 为20.6 nm，是两个纤芯中LP11模式干涉。在第二干涉区内，干涉谱的FSR 为26.1 nm，因中心纤芯LP11模式截止，此干涉为中心纤芯LP01模和悬挂纤芯LP11模干涉引起的。在第三干涉区内，干涉谱的FSR 为29.1 nm，是中心纤芯LP01模和高阶包层模发生干涉的。两个干涉区之间存在因干涉模式跳变产生的干涉间断区，可作为参考标志帮助识别干涉峰次序。

图24 EHADCF-MZI 样品透射谱Figure 24 Transmission spectra of EHADCF-MZI

类似前面的耦合器型传感器，利用高频CO2激光器在焊点处制备微孔，使空气孔与外界联通。EHADCF-MZI 固定在载玻片上，然后用注射器针头和环氧胶将其中一个微孔密封用于液体注入，完成EHADCF-MZI 微流折射率传感器的制备。双芯光纤长度为36.2 mm 的EHADCF-MZI 微流折射率传感器其透射光谱如图25(a) 所示。在920∼1 140 nm和1 270∼1 510 nm 两个波段发生干涉。利用微流注射泵将不同折射率的甘油溶液注入传感器，测试结果如图25 所示。选择第二干涉区内的第5 和第13 个干涉峰作为测试对象。两个干涉峰都随折射率增加表现出线性红移，其折射率灵敏度分别为294.5 nm/RIU 和353.9 nm/RIU。

图25 传感器的折射率响应。(a) 传感器透射光谱；(b) 传感器注入不同折射率溶液后的传输谱；(c) 和(d) 透射谱1 415∼1 455 nm 和1 495∼1 530 nm 波段的局部放大；(e) 和(f) 第5 个和第13 个干涉峰波长与折射率的关系Figure 25 RI response of the sensor.(a) Transmission spectrum of the sensor; (b) transmission spectra of the sensor injected solutions with different RIs; (c) and (d) are partial zoomed views of the transmission spectra in the wavelength range from 1 415 to 1 455 nm and from 1 495 to 1 530 nm, respectively; (e) and (f) are the relationships between wavelengths of the 5th and the 13th interference valley and RI, respectively

7 基于偏心孔辅助的双芯光纤的模式转换器

随着社会信息化的飞速发展，日益增长的信息量逐渐逼近现有光纤通信网络的数据传输极限。以复杂模式作为独立信号传输通道的模分复用技术已成为研究热点。无论对通信领域利用高阶模式进行模分复用，还是研制高阶模式输出的光纤激光器而言，都面临一个关键问题，即如何在光纤中有效产生高纯度的高阶模式。利用设计的EHADCF 可实现LP01和LP11模式间的高效转换[54]。

7.1 模式转换器工作原理分析

基于EHADCF 的模式转换器结构如图26(c) 所示，一段SMF 与拉锥的EHADCF 正对熔接，光从SMF 入射进入EHADCF 中心纤芯传输至锥区时，由于中心纤芯基模和悬挂纤芯LP11模相位匹配发生共振耦合，光从中心纤芯LP01模转化为悬挂纤芯中LP11，实现模式转换。本实验所用EHADCF 的参数如下：实验测得此光纤包层、中间芯、悬挂芯和空气孔的直径分别为125.0 µm、8.1 µm、13.0 µm 和45.0 µm，少模悬挂芯和中间单模芯边缘距离约为5.6 µm。未拉锥时，中心纤芯LP01模（cLP01）与悬挂纤芯LP11模（sLP11）在800∼1 800 nm不满足相位匹配，因而不发生共振耦合。EHADCF 拉锥至锥腰直径为原直径的0.77 倍时，中心纤芯LP01模与悬挂纤芯LP11模在波长1 310 nm 处满足相位匹配，将发生共振耦合，进而实现模式转换。

图26 基于EHADCF 的模式转换器原理。(a) EHADCF横截面；(b) 未拉锥的偏心孔辅助的双芯光纤的模式传输示意图；(c) 拉锥后的偏心孔辅助的双芯光纤的模式传输示意图；(d) 拉锥前后EHADCF模式色散曲线Figure 26 Principle of mode converter based on EHADCF.(a) Cross-section of the EHADCF; (b)schematic diagram of the mode transmission of the untapered EHADCF; (c) schematic diagram of the mode transmission of the tapered EHADCF; (d) dispersion curves of untapered and tapered EHADCFs

模式转换器的传输特性如图27 所示，这里锥腰直径为96.2 µm（拉锥率为0.77），整个锥区长为2.34 mm。在波长1 310 nm（B 点）处，单模中间芯中LP01模式的能量几乎转化为少模悬挂芯中的LP11模式，转换效率达−30 dB（99.9%），这与色散曲线一致。而远离相位匹配波长时（A 点），所有的能量都在中心芯中。而在C 点两个芯的模式发生耦合，但耦合效率较低导致中间芯和悬挂芯都有能量。

图27 EHADCF 中间芯传输谱Figure 27 Transmission spectrum of center core of EHADCF

7.2 模式转化器制备方法与性能测试

将两端正对熔接SMF 的EHADCF 置于拉锥机上进行熔融拉锥，利用超连续谱光源和光谱分析仪在拉锥过程中实时监测EHADCF 的传输光谱。拉锥前后的透射光谱如图28(a) 所示，拉锥前在1 130∼1 430 nm 波段传输谱没有共振峰。拉锥后锥区长度为6.9 mm，锥腰直径为65 µm，其透射光谱共振峰中心波长约为1 310 nm，10 dB 带宽约为75.2 nm，共振峰消光比达−23.5 dB，该模式转化器的最大转换效率大于99%。为了确定该共振峰是由中心纤芯LP01转换为悬挂纤芯LP11引起的，用波长为1 310 nm 的单色激光器作为光源，用红外相机拍摄EHADCF 的出射光场，光场如图28(b) 所示。可以清楚地观测到拉锥的EHADCF 出射光场为LP11模，通过控制入射光偏振态可以调控输出LP11模的偏振态。该模式转换器输出LP11模的模式纯度可达95.2%。同时，所提出的基于拉锥EHADCF 的模式转化器具有良好的温度和折射率稳定性。在20∼80◦C 范围内，温度引起的共振峰波长和振幅变化分别小于0.8 nm 和0.3 dB。外部折射率在1.335∼1.405 的范围内，由折射率变化引起的共振峰波长漂移和振幅变化分别小于0.5 nm 和0.3 dB。

图28 模式转换器实验结果。(a) 传输光谱，插图为拉锥与未拉锥的EHADCF的显微照片；(b) 不同偏振态下模式转换器输出的矢量模Figure 28 Experimental results of the mode converter.(a) Transmission spectra, the inset: the side microscope photograph of tapered and untapered EHADCF; (b) output intensity distributions of the modal field rotated with the PC and a vector mode

此外，若EHADCF 拉锥的锥腰直径很小，中心纤芯中光会泄漏至包层，进而形成芯模与包层模的干涉。干涉光谱和共振耦合形成的共振峰叠加将发生叠加。对干涉谱包络进行拟合可以得到共振峰的信息，通过同时检测干涉光谱包络和某一干涉峰的波长变化情况，利用灵敏度矩阵法可实现双参量传感。

8 结 语

在传感应用中，由于纤芯数量增加，双芯光纤在两个方面较单芯光纤更有优势：1）双芯光纤具有更多的传感通道；2）双芯光纤可实现更复杂的传感结构。上述两个优势使得双芯光纤更易于研制多参量、高性能的光纤传感器。但是，纤芯数量增加也使双芯光纤传感器面临纤芯信号难以有效分离的问题。下一阶段，利用双芯光纤的结构优势研制多参量、高性能的光纤传感器和实现双芯光纤各纤芯与单模光纤的高效、低成本连接将是未来双芯光纤传感器研究的热点。

本文简要回顾了近几年来基于偏芯孔辅助的双芯光纤开展的传感器研究工作，首先设计了一种全新的偏心孔辅助的双芯光纤，详细讨论了其传输特性和模式特性，并在此基础上开展了光纤传感器研究。其次利用偏心孔辅助的双芯光纤耦合特性和结构特点研制了弯曲传感器和微流折射率传感器。再次结合功能材料研制了高灵敏度温度和湿度传感器。最后基于该光纤的模式特性和结构特点研制了具有干涉峰次序辨别能力的干涉型微流折射率传感器和模式转换器。特种光纤以其灵活的结构、丰富的特性受到光纤传感器研究人员的青睐，为研制适用于特定领域的高性能光纤传感器提供了更广阔的空间。