一種多模干涉sms結(jié)構(gòu)的光纖折射率傳感器

一種多模干涉sms結(jié)構(gòu)的光纖折射率傳感器

1基于多模干涉sms結(jié)構(gòu)的光纖折射傳感器隨著生物化工產(chǎn)業(yè)的蓬勃發(fā)展，生化傳感器越來(lái)越受國(guó)內(nèi)外科學(xué)研究人員的影響。新型生化探測(cè)技術(shù)也成為環(huán)境監(jiān)測(cè)、臨床檢驗(yàn)、食品檢測(cè)等眾多領(lǐng)域的重要研究課題。液體的折射率作為反映液體本質(zhì)的重要物理參量,在生產(chǎn)實(shí)踐中具有舉足輕重的地位,因此對(duì)折射率檢測(cè)方法的探究有著重要的研究意義與價(jià)值。關(guān)于折射率的測(cè)量方法有很多,由于光纖傳感器具有靈敏度高、抗電磁干擾、抗化學(xué)腐蝕、尺寸小和快速響應(yīng)等特點(diǎn),在折射率傳感領(lǐng)域的應(yīng)用引起了人們的廣泛興趣,目前基于光纖的各種折射率傳感器已得到廣泛的研究。如各種基于光纖布拉格光柵(FBG)、長(zhǎng)周期光纖光柵(LPG)、傾斜光纖布拉格光柵(TFBG)、光子晶體光纖和單模光纖(SMF)宏彎的折射率傳感器,但已有方法在測(cè)量折射率1.4以下液體時(shí)獲得的靈敏度不是很理想。近年來(lái),基于單模-多模-單模(SMS)結(jié)構(gòu)的多模干涉被廣泛應(yīng)用在光纖帶通濾波器、應(yīng)變傳感器、溫度傳感器、位移傳感器和波長(zhǎng)可調(diào)光纖透鏡等設(shè)計(jì)領(lǐng)域,但對(duì)利用SMS結(jié)構(gòu)的折射率傳感特性未見(jiàn)報(bào)道。本文給出了一種基于多模干涉SMS結(jié)構(gòu)的光纖折射率傳感器。傳感器主要由一段去掉包層的多模光纖(MMF)嵌入到兩根單模光纖之間組成,基本原理主要基于耦合模在多模光纖中形成的模場(chǎng)干涉。實(shí)驗(yàn)研究了液體折射率與多模諧振波長(zhǎng)之間的關(guān)系,在測(cè)量折射率1.4以下液體時(shí),獲得了較高的靈敏度。2導(dǎo)模光纖的制作光纖傳感頭如圖1所示,長(zhǎng)度為L(zhǎng)的多模光纖芯(MMFC)嵌入一段標(biāo)準(zhǔn)的單模光纖(SMF-28)之間。多模光纖纖芯是通過(guò)纖芯直徑105μm和包層直徑125μm的多模光纖化學(xué)腐蝕得到的?？紤]到實(shí)驗(yàn)條件及加工過(guò)程等因素,本SMS結(jié)構(gòu)中多模光纖纖芯直徑為90μm。先把多模光纖放入體積分?jǐn)?shù)為40%的氫氟酸溶液5min,使光纖的直徑腐蝕到大致105μm以下。摻鍺的纖芯的腐蝕速度比較快,所以用體積分?jǐn)?shù)為10%的氫氟酸代替來(lái)減少腐蝕速度,這樣可以用來(lái)保護(hù)纖芯,最后得到直徑90μm的多模光纖纖芯。腐蝕得到的光纖直徑均勻,表面光滑,如圖1(b)所示。首先將一段單模光纖與MMFC一端連接,然后在另一端切成長(zhǎng)度L的MMFC,最后與另外一段單模光纖連接。制作過(guò)程比較簡(jiǎn)單,同時(shí)可以通過(guò)普通的光纖熔接設(shè)備和工具來(lái)完成。利用光纖熔接設(shè)備將單模光纖和多模光纖進(jìn)行無(wú)偏心對(duì)接,忽略光在單模光纖和多模光纖連接面的反射。光源發(fā)出的光傳入單模光纖中,在接近多模光纖前端面其光場(chǎng)分布接近高斯分布,作為多模光纖的入射場(chǎng),當(dāng)光束在MMFC傳輸時(shí),多模光纖中的高階本征模(LP0m)被激勵(lì),不同模式的光在多模光纖中相互耦合。設(shè)多模光纖中兩種不同的傳導(dǎo)模式LP0m和LP0n(m,n是正整數(shù)),其模之間的相位差為ΔΦm,n=2π(nmeff?nneff)Lλ=2πΔnm,neffLλ,(1)ΔΦm,n=2π(neffm-neffn)Lλ=2πΔneffm,nLλ,(1)式中Δnm,neffeffm,n是導(dǎo)模LP0m和LP0n之間的等效折射率差,λ為自由空間光波長(zhǎng)。(1)式中兩個(gè)相鄰干涉極小的波長(zhǎng)間隔為Δλ≈λ2Δnm,neffL.(2)Δλ≈λ2Δneffm,nL.(2)由(2)式可以看出,兩個(gè)干涉極小波長(zhǎng)間隔隨MMFC的長(zhǎng)度增加而減小,MMFC長(zhǎng)度越長(zhǎng),在測(cè)量范圍內(nèi)可得到的干涉峰越多。同時(shí),導(dǎo)模LP0m和LP0n之間的等效折射率差隨MMFC周圍的液體折射率的增加而增加,所以隨著外界折射率的提高,諧振波長(zhǎng)向長(zhǎng)波方向移動(dòng)。不同階數(shù)導(dǎo)模的模場(chǎng)分布的差異導(dǎo)致它們與SMF基模耦合系數(shù)的不同,所以只有少數(shù)導(dǎo)模才有可能被有效地耦合到單模光纖中,其他模式將耦合到單模光纖的包層中,最終被損耗掉。同時(shí)耦合系數(shù)大的模式之間在耦合到單模中會(huì)產(chǎn)生干涉現(xiàn)象,改變MMFC長(zhǎng)度、半徑、折射率都會(huì)引起傳輸光譜的諧振波長(zhǎng)移動(dòng),故利用這個(gè)效應(yīng)可以測(cè)量液體折射率。3多模光纖干涉峰的形成利用放大自發(fā)輻射寬帶光源入射到如圖1所示的傳感器中,用AQ6370光纖光譜儀來(lái)測(cè)量傳感系統(tǒng)的透射光譜。實(shí)驗(yàn)過(guò)程中保持環(huán)境溫度不變,同時(shí)傳感光纖被固定在載玻片上面。每次測(cè)量后,用無(wú)水乙醇清洗傳感單元,然后在空氣中自然風(fēng)干直到透射光譜與原來(lái)傳感器置于空氣中透射光譜一致。測(cè)量用的液體是鹽溶液,折射率從1.336變化到1.372。不同長(zhǎng)度的MMFC(L=10,20,40mm)置于空氣中的透射光譜如圖2所示。圖中的干涉極小值主要是多模干涉效應(yīng)與單模和多模光纖之間耦合效應(yīng)共同作用的結(jié)果。當(dāng)MMFC長(zhǎng)度為10mm和20mm時(shí),透射光譜中可以觀察到一個(gè)干涉極小值,分別為1591.9nm和1571.7nm。當(dāng)MMFC長(zhǎng)度增加到40mm時(shí),透射光譜中可以觀察到兩個(gè)干涉極小值,分別為1539.9nm和1582.1nm。此現(xiàn)象與前面理論推斷兩個(gè)干涉極小波長(zhǎng)間隔隨MMFC的長(zhǎng)度增加而減小的結(jié)論一致。另外,輸入波長(zhǎng)和實(shí)驗(yàn)中多模光纖的長(zhǎng)度的變化導(dǎo)致多模光纖中導(dǎo)模模場(chǎng)分布差異,從而改變了耦合到單模光纖基模的功率,進(jìn)而可推斷透射光譜中的光譜損耗與傳輸光波波長(zhǎng)有關(guān)。長(zhǎng)度10mm的MMFC置于不同折射率溶液的透射光譜如圖3所示。為了能比較直觀觀察透射光譜的變化,圖中也給出了傳感單元置于空氣中的透射光譜。由圖3可知,隨折射率的增加,在空氣中諧振波長(zhǎng)1591.9nm向長(zhǎng)波方向移動(dòng),這與理論推斷折射率增加將導(dǎo)致諧振波長(zhǎng)紅移的結(jié)論一致。當(dāng)傳感器周圍溶液的折射率從1.336變化到1.372時(shí),諧振波長(zhǎng)向長(zhǎng)波方向移動(dòng)了大約2.0nm。長(zhǎng)度20mm的MMFC置于不同折射率溶液的透射光譜如圖4所示。當(dāng)傳感器周圍溶液的折射率從1.336變化到1.372時(shí),諧振波長(zhǎng)為1571.7nm向長(zhǎng)波方向移動(dòng)了5.72nm,不同折射率溶液得到透射光譜損耗相差大約在1dB。與長(zhǎng)度為10mm的MMFC傳感器相比,長(zhǎng)度為20mm的MMFC傳感器的靈敏度要高于長(zhǎng)度10mm的傳感器。長(zhǎng)度40mm的MMFC置于不同折射率溶液的透射光譜如圖5所示。當(dāng)溶液的折射率從1.336變化到1.372時(shí),諧振波長(zhǎng)為1539.33nm,向長(zhǎng)波方向移動(dòng)了6.67nm,即隨著MMFC長(zhǎng)度的增加,傳感器的靈敏度也隨之增加。同時(shí),當(dāng)溶液的折射率從1.336增加到1.372時(shí),諧振波長(zhǎng)為1582.08nm,向長(zhǎng)波方向移動(dòng)了5.31nm。相對(duì)于諧振波長(zhǎng)1539.33nm來(lái)說(shuō),諧振波長(zhǎng)1582.08nm由更低階模式干涉形成。因此得出結(jié)論:形成多模干涉峰的模式階越高,折射率傳感越靈敏。波長(zhǎng)1593.33nm與液體折射率變化的關(guān)系如圖6所示。圖中外部折射率變化0.036,諧振波長(zhǎng)移動(dòng)了6.67nm。實(shí)驗(yàn)中使用的光譜儀OSA的波長(zhǎng)分辨率為10pm,所以得到傳感器的折射率靈敏度為5.4×10-5RIU(RIU為折射率單元)。LPG,FBG和TFBG等折射率傳感器在折射率1.4以下時(shí)得到的靈敏度就比較差,主要是當(dāng)環(huán)境折射率遠(yuǎn)離包層的折射率時(shí),折射率的變化對(duì)包層的等效折射率的影響比較小,故靈敏度比較低。然而這個(gè)折射率區(qū)域在生物和化學(xué)方面的應(yīng)用非常重要,所以得到的傳感器在化學(xué)和生物領(lǐng)域有比較好的應(yīng)用前景。4不同熱值頻率仿真實(shí)