基于S锥结构光纤传感器的研究

杨帆　曹晔　李美琪　鞠慧

文章编号：10069798（2022）02000106;DOI：10.13306/j.10069798.2022.02.001

摘要：針对传统基于S锥结构的光纤传感器存在制作工艺复杂、灵敏度低和温度交叉敏感等问题，本文设计并验证了一种同时测量折射率（refractiveindex，RI）和温度的新型光纤传感器。传感结构由细芯光纤（thin-corefiber，TCF）上制作的S锥结构和单模光纤（single-modefiber，SMF）上制作的球形结构组成，并对光谱特性进行理论和实验研究。实验结果表明，在1.3384～1.3527的折射率范围内，折射率灵敏度最大可达到201.19074nm/RIU，折射率灵敏度是现有的基于单模S锥结构光纤传感器的4倍。在30℃～70℃变化范围中，温度灵敏度最大可达到0.0717nm/℃。通过将灵敏度系数代入灵敏度矩阵中，可实现折射率和温度的双参量测量，温度交叉敏感问题得以解决，具有制作成本低、结构简单、实验稳定性好等特点。该研究应用前景广阔。

关键词：S锥;细芯光纤;球形结构;折射率;温度

中图分类号：TN253;TP212.14文献标识码：A

由于光纤传感器具有低传输损耗、尺寸小、制作简单等优点，被广泛应用于物理、化学、生物研究等领域[1]。目前，常见的干涉型光纤传感器结构有SMS结构[2]、偏芯结构[3]、锥形结构[4]和光纤光栅[5]等，可通过使用这些结构制成的传感器来监测温度[67]、湿度[89]、应变[1011]、磁场[1213]和折射率[1415]等参数。近年来，由于形状近似英文字母S而命名的S锥结构，因其成本低、结构紧凑、光纤稳定性好而引起了广泛研究。2015年，LIUHF等人[16]提出了一种光纤湿度传感器，该传感器基于涂有SiO2纳米颗粒的S锥光纤结构，分别根据波长和强度求出湿度灵敏度，但是SiO2纳米颗粒成本较高，且该传感器制作过程较为复杂;2018年，ZHAOJF等人[17]提出了一种S锥级联光纤布拉格光栅传感器，得到了较高的射率灵敏度，但是该传感器的温度交叉敏感问题没有解决;2019年，ZHAOWM等人[18]提出了一种基于多梯度S锥的折射率传感器，灵敏度为51.17nm/RIU，该传感器求得的折射率灵敏度较低;2020年，LIMQ等人[19]制造一种基于嵌入长周期光栅中S锥的光纤传感器，用于测量应变，该传感器同样存在制作过程复杂的问题。为简化制作步骤、提高灵敏度和解决温度交叉敏感问题，本文提出了一种同时测量温度和折射率的光纤传感器，传感结构包括细芯光纤上制作一个S锥和一个球形结构。与传统单模光纤上制作的S锥结构相比，该传感器集合了细芯光纤对光的束缚能力弱、更易激发高阶包层模以及S锥结构本身的优势，其中细芯S锥和球形结构分别充当激发器和耦合器的功能，模式干涉将出现在级联光纤结构的输出端，输出端的干涉光谱会随着温度和折射率的变化发生不同的偏移。基于光谱的偏移可分别求出折射率和温度灵敏度，通过灵敏度矩阵可实现折射率和温度的同时测量。该研究实现了双参量同时测量，解决了温度交叉敏感问题，提高了灵敏度，具有一定的研究价值和应用前景。

1光纤传感器制作和实验原理

1.1传感器结构

光纤传感器示意图如图1所示。光纤传感器的结构由细芯S锥和球形结构组成。在这种结构中，由于细芯光纤对光的束缚能力弱，位于细芯光纤的S锥结构更容易激发包层模，单模光纤上的球型结构将包层模部分耦合回纤芯模，模式干涉将出现在级联光纤结构的输出端。

1.2制作方式

球形结构的制造方法采用电弧放电，将一段单模光纤的末端去除涂覆层固定在熔接机中心放电部位，将放电强度设置为200，放电模式设置为“电弧”。放电1次即得到球形结构。细芯S锥的制作过程与球形结构相比较为复杂，首先开启熔接机的手动模式，手动调节熔接机中左右马达之间的距离到最小。将一段直径为5μm，包层直径为125μm的细芯光纤去除涂覆层，用无水酒精擦拭干净，放置在熔接机中，并通过手动操作引入x方向的横向偏移，以精确控制x方向上光纤的移动，将放电模式设置为“清洁模式”，放电强度设置为85，对细芯光纤进行放电操作。放电1次后，通过手动控制熔接机的左右马达，使细芯光纤再次处于伸直状态。反复进行上述操作，直至细芯S锥结构可以获得理想的几何参数。最后用光纤切割刀将制作好的两种结构一端进行切割，使切面干净光滑，用熔接机将细芯S锥和球锥拼接在一起。实验中，W1是细芯S锥腰部直径，W1=98.7μm;L1是锥区长度，L1=441.3μm;Δd是错位量，Δd=27.9μm;W2是球形直径，W2=149.7μm;L是级联结构之间的距离，L=1.5cm。显微镜图片如图2所示。

1.3传感原理

传感器的输出光强为

其中，Icore和Iclab分别表示纤芯模式和包层模式的光强;Δφ为纤芯模式和m阶包层模式的相位差，即

其中，ncore和nclab分别表示纤芯模式的有效折射率和m阶包层模式的有效折射率;Δneff表示纤芯模式和包层模式之间有效折射率的差;λ为波长;L是干涉臂的长度。

当透射波谷满足Δφ=2k+1π方程时（其中k是随机整数），透射波谷波长λD可以表示为

当传感器周围环境发生变化时，Δneff和L会发生相应变化，导致包层模和纤芯导模之间的干涉发生变化。当干涉仪周围环境的折射率增加时，包层模式的有效折射率随之变化，由于纤芯不与外界环境接触，所以纤芯模式的有效折射率几乎没有变化。因此，Δneff发生变化，根据式（3），透射光谱的波谷波长λD将会发生偏移。由于热光效应和热膨胀效应，透射光谱特性也可能对环境温度的变化敏感。当环境温度变化时，由于热光效应的影响，ncore和nclab都会增加。纤芯和包层的组成分别为掺锗石英和熔融石英，掺锗石英芯的热光系数远高于熔融石英包层[20]，ncore则会变化得更大。此外，由于光纤的热膨胀效应，光纤长度也会增加。因此L和Δneff都会增加，根据式（3），透射光谱的波谷波长λD将会向长波方向偏移，即红移。因此，可以通过监测干涉仪的波谷波长偏移来测量温度和折射率的变化值。

2实验过程及结果分析

2.1折射率传感实验

折射率传感系统示意图如图3所示。实验系统主要包括型号为AQ6370的光谱仪（opticalspectralanalysis，OSA），宽带光源（broadbandlightsource，BLS），其波长范围为1250～1640nm。

制备不同浓度的氯化钠溶液，然后用折射率测量仪测量每种浓度氯化钠溶液的折射率，溶液的折射率在1.3384～1.3527之间变化。将传感结构置于所制备的氯化钠溶液中，两端与输入光纤和输出光纤连接，分别接入宽带光源与光谱仪，将传感器浸入不同浓度的氯化钠溶液中，在室温下研究传感器对环境折射率的响应。每次测量后，用干净的纸巾将覆在传感器上的氯化钠溶液吸走，用浓度为99%的工业酒精清洗表面的氯化钠结晶，干燥5min后再继续进行下一个折射率的测量。

在不同折射率条件下，传感结构的透射光谱如图4所示。由图4可以看出，随着折射率的增加，透射谱中波谷1（Dip1）和波谷2（Dip2）的波长向着短波长的方向漂移。由于包层模式的有效折射率对外部环境折射率的变化非常敏感，包层折射率随着外界环境折射率的增加而增加，造成有效折射率差减小，根据式（3），干涉光譜的波长向短波长方向偏移，即蓝移的现象。

Dip1和Dip2的RI灵敏度响应曲线如图5所示，图5显示了在折射率变化条件下，2个波谷波长偏移的线性关系。由图5a可以看出，在该折射率变化范围内，波长从1588.13nm偏移到1585.65nm，变化了2.48nm，灵敏度为-171.58691nm/RIU，线性度为0.99112;由图5b可以看出，在该折射率变化范围内，波长从1603.11nm偏移到1600.16nm，偏移2.95nm，灵敏度为-201.19074nm/RIU，线性度为0.99271。

2.2温度传感实验

温度传感系统示意图如图6所示。与折射率传感类似，将传感结构置于温控箱中，将温控箱的温度从30℃增加到70℃，每5℃取样1次。由于在温度变化环境中，传感器的性能也会受到波动。因此，研究温度对波长偏移的影响很重要。

在不同温度下，传感结构的透射光谱如图7所示，由图7可以看出，温度在30～70℃范围内，透射光谱发生了变化，当外界温度增加时，透干涉光谱呈现出干涉波谷的波长向长波方向移动，即红移现象，与1.3节的分析一致。

波长随温度变化曲线如图8所示。由图8a可以看出，波长从1563.62nm增到1566.19nm，共增加2.57nm，其灵敏度和线性度分别为0.05072和0.9984nm/℃;由图8b可以看出，波长共增加2.79nm，其灵敏度和线性度分别为0.0717和0.9972nm/℃。

2.3实验数据分析

由上述实验可知，在温度和折射率上，Dip1和Dip2的灵敏度系数不同，在特定光强下，折射率与温度引起的光纤传感器的波长漂移可表示为

其中，ΔλDip1和ΔλDip2分别是Dip1和Dip2的偏移;ΔT为温度变化;ΔR为折射率变化;KT，Dip1和KR，Dip1是Dip1的温度灵敏度和折射率灵敏度;KT，Dip2和KR，Dip2是Dip2的温度灵敏度和折射率灵敏度。

所有的灵敏度系数都已在实验中得出，其中KT，Dip1为0.05072nm/℃，KT，Dip2为0.0717nm/℃，KR，Dip1为-171.58691nm/RIU，KR，Dip2为-201.19074nm/RIU，可以用一个灵敏度矩阵，得到外界温度和折射率的变化规律为

代入实验数据，利用波长的变化量，得到相应的折射率与温度的变化量为

通过细芯S锥级联球形结构的光纤传感器，可实现对折射率与温度的双参数测量。

3结束语

本文基于细芯S锥和球形结构制作了一种光纤传感器，并对所提出传感器的折射率和温度特性理论进行分析和实验研究。折射率和温度灵敏度最高分别可以达到-201.19074nm/RIU和0.0717nm/℃，线性度分别为0.99271和0.9972，该光纤传感器的折射率灵敏度约为单模S锥结构光纤传感器的4倍。在30～70℃变化范围中，温度灵敏度最大可达到0.0717nm/℃。将折射率灵敏度和温度灵敏度代入传感矩阵，实现了双参数测量，解决了温度交叉敏感问题。该传感器具有结构简单、体积小、无需复杂工艺、灵敏度高等优点，有望将在物理、化学和生物传感领域得到广泛的应用。

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ResearchonOpticalFiberSensorBasedonS-taperStructure

YANGFan，CAOYe，LIMeiqi，JUHui

（TheCollegeofElectronicandInformation，QingdaoUniversity，Qingdao266071，China）

Abstract：InviewoftheproblemsoftraditionalopticalfibersensorbasedonS-taperstructure，suchascomplexmanufacturingprocess，lowsensitivityandtemperaturecrosssensitivity，anewopticalfibersensorforsimultaneouslymeasuringrefractiveindex（RI）andtemperatureisproposedandverifiedinthispaper.ThesensorheadiscomposedofthincorefiberS-taperstructureandsphericalstructure.ThespectralcharacteristicsofRIandtemperatureareinvestigatedtheoreticallyandexperimentally.Experimentalresultsshowthatthemaximumrefractiveindexsensitivityis-201.19074nm/RIUintheRIrangeof1.3384～1.3527，whichisfourtimeshigherthanthatoftheexistingopticalfibersensorbasedonsingle-modeS-taperstructure.Andthetemperaturesensitivityis0.0717nm/℃inthetemperaturerangeof30～70℃.Bysubstitutingthesensitivitycoefficientintothesensitivitymatrix，thetwoparametersmeasurementofrefractiveindexandtemperaturecanberealized，andtheproblemoftemperaturecrosssensitivitycanalsobesolved.Thesensorhastheadvantagesoflowcost，simplestructureandhighsensitivity.

Keywords：S-taper;thin-corefiber;sphericalstructure;refractiveindex;temperature

收稿日期：20211119;修回日期：20220115

基金項目：国家自然科学基金资助项目（11444001）;天津市自然科学基金资助项目（14JYBJC16500）

作者简介：杨帆（1996），男，硕士研究生，主要研究方向为光纤传感。

通信作者：曹晔（1976），男，博士，教授，主要研究方向为光纤传感和光纤滤波。Email：cynever@163.com