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基于全光纤多模干涉的折射率传感器
王剑锋，金永兴，赵宇，董新永
摘要：本文报道了一种利用光纤多模干涉理论制作的折射率传感器，该传感器由两个单模光纤（SMF）之间嵌入一小段无包层结构的多模光纤组成的。本文从理论和实验两个方面研究了该折射率传感器干涉形成的特征波长透射光谱与折射率的关系。结果表明，在外界折射率1.336到1.372的变化范围内，该传感器的测量分辨率为5.3times;折射率单元（RIU），在生物和化学领域具有较好的应用前景。
关键词：光纤传感器 SMS光纤结构 光纤干涉 折射率测量
- 介绍
基于全光纤技术的折射率测量具有抗电磁干扰、体积小、响应速度快等特有的优点，具有广阔的应用前景，目前基于光纤的各种折射率传感器受到了广泛使用。近年来，基于光纤布拉格光栅（FBG）、长周期光栅（LPG）、倾斜光纤布拉格光栅（TFBG）和光子晶体光纤（PCF）的折射仪得到了广泛的研究。LPG折射率传感器的工作原理取决于包层模式有效折射率的变化。当LPG周围的折射率发生变化时，相应的特征波长会在透射光谱中发生变化。对于PCF折射率传感器，其传感机制是基于检测光子带边缘波长随环境折射率变化的偏移量。
近年来，单模-多模-单模光纤结构中出现的模间干涉已被用于诸如带通滤波器、温度传感器、波长可调谐光纤透镜和位移传感器等器件的设计和制造。本文从理论和实验两方面研究了该传感器特征波长漂移与折射率的关系。该传感器是由一小段去除了纤芯周围包层的多模光纤（MMF），插入两个单模光纤（SMF）之间组成的。本论文是基于测量重新成像的特征波长的漂移来实现测量多模光纤纤芯周围的折射率变化。
- 理论背景
本文所提出的SMS光纤结构包括输入、输出单模光纤（SMF）和具有特定长度L的多模光纤（MMF）纤芯部分形成的三明治结构，如图1所示。阶跃型多模光纤纤芯采用无偏芯拼接在两个单模光纤之间。但是，在两个接口处，单模和多模光纤还是存在偏移。
图1单模-多模-单模光纤结构的示意图
基于单模光纤基模的圆对称特性，假设输入光场分布为E(r,0)。当光线射入MMF纤芯时，输入场可以由MMF的本征模分解。由于输入场的圆对称性和上述假设的理想对准，只有模可以被激发。将的场分布写作，忽略来自多模光纤的少量辐射，我们得到了
其中，是每个模式的激发系数，它可以通过E(r,0)和Fm(r)之间的重叠积分来计算
多模光纤激发的模式数量，其中a是MMF纤芯的半径，和分别为多模光纤芯层和包层的折射率，是自由空间中的波长。
当光在多模光纤中传播时，不同模式之间会发生干涉。和（m，n为正整数）的相位差可以表示为
L是MMF纤芯的长度，是和之间的有效折射率差，是自由空间中的波长。根据式（1），两个相邻的最小值（自由空间范围）之间的波长间距可以表示为：
可以看出，自由空间范围随MMF纤芯长度的减小而增大。同时，MMF区域周围折射率的变化也会改变包层模和的有效折射率差。这种效应会引起纤芯模和包层模之间耦合条件的变化，进而导致干涉条纹的偏移。
为了实现多模光纤中光场的振幅计算，采用光束传播方法模拟了SMS光纤结构中光的传播。作为一个数值模拟的例子，选择标准单模光纤（SMF28）作为单模光纤，芯层和包层的各自折射率分别为1.4504和1.4447。SMF芯的半径为4.1m，输入光波长为1550 nm。选择的多模光纤参数为：纤芯折射率1.4667，纤芯半径52.5m。
传播光场的相应振幅分布如图2所示。MMF纤芯段的长度约为20 mm。将波长为1550nm的光输入SMF产生的本征模作为多模光纤段的输入场，输入光强是归一化的。光沿着多模光纤传播和会聚，并以大约7.4 mm的周期重新成像。计算得到的多模光纤场的振幅是周期对称的。如图2所示，与归一化强调输入光强度相比，输出SMF的光强度为0.1346。
图2 . 单模-多模-单模光纤结构中传播光场的振幅分布。
图3 不同环境折射率中SMS的传输光谱
作为一个仿真实例，数值模拟表明，选择的光纤参数与上述具有不同环境折射率的SMS结构的传输光谱参数相同。假定周围液体的可测量折射率小于MMF芯的折射率。在本例中，MMF纤芯的长度为13 mm，MMF纤芯的半径为90m，理想的测量范围为1.336到1.376。具有不同环境折射率的SMS结构的透射光谱如图3所示。在输入光的强度是归一化的情况下，1.336～1.376的外界环境折射率范围内，光谱可以近似地得到波形的单调红移。因此，通过测量输出SMF的光强来反映MMF纤芯周围物质的折射率。
- 实验结果与讨论
本文提出的光纤折射率传感器如图1所示。在两个标准单模光纤（SMF-28）之间插入一段长度为L的MMF纤芯段。采用化学腐蚀的方法，将芯径105m、包层直径125m的多模阶跃折射率光纤制作了MMF芯段。首先用40%氢氟酸（HF）溶液对MMF进行5分钟的腐蚀，使其纤芯直径小于105m，然后用10%的氢氟酸溶液替代，以降低腐蚀速度，避免对光纤锗掺杂纤芯的损伤。多模光纤芯经腐蚀后直径约为90m。将一段SMF先在一端拼接到MMF纤芯上，再在另一端切割长度为L的MMF纤芯。最后，将另一段SMF拼接到切割的MMF纤芯上。该传感器制作工艺简单，可采用普通光纤熔接机和常规工具制作。
为了测量该传感器的透射光谱，将放大自发辐射宽带光源（L C波段ASE光源）的光射入到该传感器中，并用AQ6370光谱分析仪（OSA）测量该传感器的光。所有的实验都是在一个可控的环境中进行的，温度变化的影响可以忽略不计。为了在实验过程中保持光纤的直线和静止，将光纤传感器固定在显微镜载玻片上。用无水乙醇清洁传感部分，然后在空气中干燥进行每次测量，直到透射光谱恢复到初始状态，即MMF区域周围的介质为空气。所用的测量液体样品为盐溶液，折射率范围为1.336至1.372。
当周围介质为空气时，不同长度的MMF纤芯（L=20 mm和40 mm）的透射光谱可以从OSA中清楚地获得，如图4所示。图中的干涉极小值主要是多模干涉效应与单模和多模光纤之间耦合效应共同作用的结果。当MMF纤芯长度为20mm时，观察到一个1571.7nm的光谱干涉极小值。特征波长被抑制19.5dB，3dB带宽为12.8nm。当MMF纤芯的长度增加到40mm时，在光谱区域观察到了1539.3nm和1582.1nm两个不同干涉极小值。在1539.3nm和1582.1nm处，特征波长分别被抑制了20dB和25dB，3db带宽分别为11.8nm和5.2nm。这种现象可以解释为，当MMF纤芯段长度较短时，它们的导模相位差较小，如式（3）所示。由于MMF模式之间的相互作用可能产生的干涉图样应具有很大的自由光谱范围，因此可以从等式（4）中获得测量波长范围内干扰较小的波长信号。此外，MMF所有激发模式的耦合系数取决于波长和耦合长度，结构的传输损耗是波长的函数。我们从理论上研究了基于传输损耗的折射传感器。然而，它需要一个非常精确的控制长度的MMF纤芯，以获得最佳的测量灵敏度。因此，制造工艺是困难的。因此，本文报道并讨论了基于特征波长漂移测量的折射率测量方法。
图4 不同长度MMF纤芯的透射光谱。
所提出的传感器（L=20 mm）对各种周围介质的透射光谱如图5所示。在传感器暴露在空气中，1571.7nm为测量的再成像特征波长。当周围的折射率逐渐从1.336增加到1.372时，总红移为5.72nm。在不同周围介质的透射光谱损耗相差小于1dB。实验结果与之前的模拟结果一致。
图5相互作用长度L为20 mm的传感器在不同折射率液体的透射光谱
所提出的传感器（L=40 mm）对各种周围介质的透射光谱如图6所示。在传感器暴露在空气中，1539.33nm为测量的再成像特征波长。当周围的折射率从1.336逐渐增加到1.372时，总红移为6.76nm。可以看出，随着MMF纤芯的长度增加，传感器的灵敏度更高。同时，由于低阶模式干涉，传感器暴露在空气中的1582.08nm处测量的再成像特征波长，在周围折射率逐渐从1.336增加到1.372时显示出总红移5.31nm。其特征波长偏移小于特征波长1539.33nm。因此，由于高阶模式干涉，传感器更为敏感。
图6相互作用长度L为20 mm的传感器在不同折射率液体的透射光谱
当再成像特征波长为1539.33 nm时，所述传感器对周围介质的波长响应特征曲线如图7所示。假设OSA的分辨率为10 pm，则很可能获得5.41times;折射率单位（RIU）的折射率灵敏度。大多数光纤折射仪，如TFBG和LPG对周围小于1.4的折射率值具有约小于10-3 RIU的灵敏度，而该折射率区域对于生物医学和化学传感器的应用非常重要。因此，该传感器具有很大的化学和生物应用潜力。
图7 传感器折射率相应特征曲线
- 结论
本文介绍了一种简单的折射率测量传感器，并进行了理论和实验验证。该传感器是通过在两段SMF之间插入一段长度为L的MMF纤芯，通过普通熔接而成。测量了不同长度（L=20 mm和40 mm）的传感器对周围不同介质的透射光谱。结果表明，在多模光纤（MMF）传感区域，再成像特征波长随周围折射率的增加呈现红移。MMF纤芯的长度越长，折射率测量越灵敏。同时，由于更高阶的模式干涉，该传感器对MMF传感区域的折射率变化更加灵敏。实验获得了5.41times;折射率的检测灵敏度。由于该传感器对小于1.4的折射率值具有较高的测量灵敏度，在化学和生物传感领域具有良好的应用前景。
基于模式干涉原理实现温度和折射率的同时测量
熊睿，孟红云，姚琪琪，黄犇，刘咏梅，薛红超，谭春华，黄旭光
摘要——提出并用实验论证了一种基于模式干涉原理的温度和折射率的同时测量的简单光纤传感器。传感结构是通过将两端多模光纤插入到三段单模光纤中形成的。由于包层模与纤芯模干涉形成的两个特征波长具有不同的灵敏度响应，可以通过检测两个特征波长的漂移来实现折射率和温度的测量。实验结果表明，折射率范围为1.3105-1.3517，最大折射率灵敏度为-37.9322 nm/RIU。温度范围为25℃-85℃，最大温度灵敏度0.0522 nm/℃。提出的该传感装置具有易于制造、坚固、成本效益高、灵敏度高的优点，在物理、生物和化学传感中的应用中具有很大的潜力。
关键词：光纤传感器 模态干扰 折射率 温度
I引言
光纤传感器因其在基础研究、环境评估、生物化学分析和化学工业的广泛应用，已经备受关注。与传统传感器相比，光纤传感器具有抗电磁干扰，耐侵蚀性，体积小，灵敏度高以及长距离传感等优势。在过去的几年，用于测量折射率和温度的多种光纤传感器被发明出来，例如基于光纤布拉格光栅（FBGs），长周期光栅（LPGs）和光子晶体光纤（PCFs）的光纤传感器，都有自己的缺点。基于光栅（FBGs和LPGs）的传感器需要昂贵的制造设备，包括相位掩模和激光源。基于PCFs的传感器需要专门设计的高成本PCFs。
最近，全光纤干涉仪由于其制造方法简单，灵敏度高，体积小受到大量的研究。例如基于两个花生形状结构、锥形纤维和芯径不匹配的光纤模式干涉仪。他们全部都是主包层模和纤芯模之间的干涉，通过选择不同阶数干涉的波长（峰值），可以实现对折射率和温度的同时测量。实际上，其他的包层模也会被激发，它们与纤芯模的干涉将会对主包层模和纤芯模的干涉所产生的主干涉图样进行调制。通常来说，这种调制效应非常弱，可以被忽略。但由于不同的包层模式对环境的变化有不同的响应，当调制效应比较强时，干涉频谱的某些特定阶数的传输衰减会周围介质参数（如折射率、温度）的变化表现出不同的响应。因此，可以选择干涉谱上两个不同的特征波长实现折射率和温度的同时测量。基于上述原理，本文我们提出了一种将两段多模光纤熔接入三段单模光纤中的光纤干涉仪。已经有报告将类似的结构用于温度测量或折射率测量，而我们扩展了这种结构用于同时测量折射率和温度的可行性。因为我们的传感器易于制造，坚固，并且成本效益高，在物理，生物和化学传感方面有着巨大的应用潜力。
II传感原理
图1显示了所提出的传感器结构的示意图。由三个SMF之间拼接的两个MMF形成，并且由于芯径不匹配，MMF作为模式耦合器来分裂和复合光。首先，宽带光源（BBS）发出的光经过SMF的引导到达MMF1，由于芯径失配，将激励出高阶的模式。当光继续传播时，部分光线进入无涂覆的SMF纤芯，同时其余部分进入到未涂覆的SMF包层。纤芯模式和包层模式不同的传播常数会相互干涉，然后将光重新耦合到引出SMF中。
图1传感器结构示意图
芯层和包层之间的相位差可以写为
其中，为输入光波长，为无涂覆单模光纤的长度，为纤芯模和k阶包层模的有效折射率差。当相位差为时，干涉谱中第m个波谷的波长可表示为
如果纤芯模和k阶包层模的有效折射率差改变,则干涉谱中第m个波谷的波长改变量可为
当无涂覆SMF周围环境折射率增加时包层模的有效折射率也会增加，而纤芯模的有效折射率不变。因此，纤芯模和包层模之间的有效折射率差将会降低，导致特征波长向波长更短的范围内漂移。同理，由于纤芯模热光系数高，纤芯模和包层模之间的有效折射率差将随着环境温度的增加而增加，导致特征波长向更长波长漂移。应注意的是，传感器的传输频谱是主要的包层模和纤芯模组成的。其他较弱的包层模也会被激发，它们与纤芯模的干涉将会对主包层模和纤芯模的干涉所产生的主干涉图样进行调制。因此，干涉谱中某些特定的传输波长会因为不同的包层模对环境变化有不同的反应，而对周围介质参数的变化（折射率或温度）表现出非常不同的响应。所以，通过监测两个不同特征波长的漂移可以实现折射率和温度的同时测量。
图2实验系统原理图
图3浸入蒸馏水中的传感器的透射光谱。
III实验结果与讨论
图1所示的传感器是由两段M
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资料编号：[1197]
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