Page 39 - 网络电信2018年10月刊下
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解   决  方  案

            多芯光纤构成的光纤折射率传感器


            董航宇，孙四梅，江超，夏果，刘继兵，胡义慧
            湖北师范大学 物理与电子科学学院

                                                                     摘要:提出了一种基于多芯光纤马赫-曾德尔干涉仪
                                                                 (MZI)的新型光纤折射率传感器。利用光在单模光纤、
                                                                 多芯光纤与多模光纤中相互耦合形成稳定的透射干涉图
                                                                 谱，利用透射图谱随环境折射率的线性变化进行折射
                                                                 率测量。采用NaCl溶液进行了液体折射率测量实验。
                                                                 实验发现:传感器透射谱的谐振峰值强随着NaCl溶液折
                                                                 射率呈线性变化，传感器折射率灵敏度达到4.997dB/
                                                                 RIU(RIU为折射率单位)。设计的光纤折射率传感器具有
                                                                 结构紧凑、制备简单、成本低和灵敏度较高等优点，在
                                                                 工业、国防、日常生活等方面有广泛的应用前景。
                                                                     关键词:光纤折射率传感器;多模光纤;多芯光纤;折
                                                                 射率



                引言
                自从光纤传感器诞生以来得到了广泛的研究，各种结构的                          图1 (a)MCF显微图;( b)传感器结构示意图
            光纤传感器层出不穷，被广泛用于科学研究、工业生产、国防
            军事和日常生活等领域         ［1］ 。近年来，各种光纤马赫-曾德尔干
            涉仪(MZI)结构不断出现，能够进行温度、应变、折射率、气压
            等物理量的测量      ［2-7］ 。在生物和医疗等领域，针对液体折射率
            的准确测量有重要意义。已经报道过的光纤折射率传感器主要
            结构有基于光纤光栅        ［8-9］ 、法布里-珀罗干涉仪     [10-11] 、马赫-曾
            德尔干涉仪    ［12］ 等。而基于MZI结构的光纤折射率传感器有内置                 125μm;多模光纤纤芯直径为62.5μm，包层为125μm;多芯光纤
            微腔的普通单模光纤结构          ［12］ 、锥形光纤与微纳光纤结构        [13] 、  包含七个纤芯，光纤正中间有一个纤芯，周围对称分布六个纤
            多种光纤纤芯错位熔接结构          [14] 、多种光纤纤芯正对熔接结构        [15-  芯，每个纤芯的直径均为7.9μm，纤芯之间的距离为42.4μm，
            16]                    [17]                     [18]
              、光纤光栅混合熔接结构            、和带有特殊微结构的光纤                包层为150μm。在这个结构中，多芯光纤的长度大约20mm，两
            等。但这些结构都不同程度存在一些问题，例如，有的控制困                          段多模光纤的长度均约为10mm左右，输入单模光纤接宽带光源
            难;有的需要精密加工和化学腐蚀等微处理技术;有的需要光纤                         (BBS)，输出单模光纤接光谱分析仪(OSA)。光纤熔接利用日本
            拉锥技术;有的测量灵敏度偏低等。                                     横河的多功能光纤熔接机(FujikuraFSM-100P+)完成。两个多模
                多芯光纤具有一些特定的性能，利用多芯光纤也能够构成                        光纤的作用是作为光耦合器将光耦合到多芯光纤和收集多芯光
            MZI光纤传感器     [19-20] 。在文献  ［19］ 中利用多芯光纤与多模光纤         纤的光。
            正对熔接获得高温光纤传感器，在文献               ［20］ 中利用单模光纤与            基于多芯光纤的传感器原理如下:当光线从SMF到MMF时，
            多芯光纤错位熔接构成了温度与折射率同时测量传感器。本文                          由于模场失配，会激发出多个导模;然后MMF把光耦合进MCF的
            利用光纤熔接技术制备了一种类似于文献                ［19］ 的传感器结构用       七个纤芯与包层中;最后MMF再将来自MCF的光耦合到SMF输出。
            于折射率测量，它由单模光纤(SMF)-多模光纤(MMF)-多芯光纤                    首先，在第一个MMF-MCF熔接处，由于MMF的大芯径，横向光场
            (MCF)-多模光纤(MMF)-单模光纤(SMF)正对拼接而成。在不同折                 被分配到MCF的每一个芯径，一部分能量则被耦合到MCF的包层
            射率的饱和食盐水溶液环境下，对传感器测量折射率进行了研                          中。同样的在第二个MCF-MMF熔接处，MCF的七个纤芯模式和包
            究。本文设计的光纤折射率传感器与文献                ［20］ 中的多芯光纤错       层里的低阶模被重新耦合到MMF的导模中。由于传感器结构包含
            位结构构成的光纤折射率传感器相比，制作更容易，操作更简                          MMF和MCF两个部分的截面，每个部分激发的模式非常复杂，而
            单，克服了光纤错位熔接易断的缺点，但灵敏度稍低。                             且不同模式的光程差复杂导致实际干涉比较复杂。由于拼接的
                                                                 MMF要比MCF短，因此为了分析简单起见，只考虑由MCF引起的光
                一、传感器结构与原理                                       程差。在MCF中，光程差是由纤芯模和包层模之间的有效折射率
                如图1所示，传感器由单模光纤(SMF)-多模光纤(MMF)-多                  差异引起的，这里我们只考虑由MCF纤芯模和包层模之间引起的
            芯光纤(MCF)-多模光纤(MMF)-单模光纤(SMF)依次正对熔接在                  干涉，因此该结构仍然可以视为MZI模型，则透射谱光强可表示
            一起构成。单模光纤选用标准型号，纤芯直径为9μm，包层为

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