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基于新型纤芯错位结构迈克尔逊干涉仪的微型全光纤高温传感器

Haoran Cao and Xuewen Shu

摘要:利用迈克尔逊干涉仪在普通单模光纤上实现了一种小型全光纤高温传感器。该传感器探头由一个纤芯不匹配光纤接头（CMFJ）和一段端裂光纤组成。CMFJ的产生是由于预熔诱导的微弯纤维端与正常的劈裂纤维端轴向拼接而成。通过CMFJ耦合到光纤包层中的光在被切割平整的光纤端面反射后在同一点被耦合回光纤芯，从而与在纤芯传播的反射光发生干涉。反射干涉光谱中的倾角波长在50～600℃的温度范围内出现红移。在550℃时，最大温度灵敏度为115.34pm/°C，最大非线性相关系数为99.95%。该全光纤温度传感器具有结构紧凑、制造容易、成本低、重复性好等优点，并能够监测不同环境下的温度变化。

关键词：光纤传感器、高温传感、迈克尔逊干涉仪

1. 引言

光纤传感器与传统传感器相比，具有经济、适用、紧凑、隔离电磁等诸多优点，在传感器发展过程中已成为不可缺少的组成部分。在这些光纤传感器中，高温传感器由于在石油勘探、工业生产和其他恶劣环境的温度监测中发挥着巨大的作用而日益引起人们的研究兴趣。多种类型的光纤传感器被用于高温传感，特别是基于新型光纤结构^[1]-[11]和特殊光纤^[12]-[20]的多模干涉仪。用于温度传感的基本多模干涉仪包括马赫-曾德尔干涉仪(MZI)^[1]-[5]、迈克尔逊干涉仪(MI)^[6][7]、法布里-珀罗干涉仪(FPI)^[8]、[9]和萨格纳克光纤环^[10]、[11]。例如，甄银等人用CO₂激光器制成了V型槽的马赫-曾德尔干涉仪，将温度从50℃提高到550℃,在500℃下其温度灵敏度最高为114.65pm/℃, ^[2]。袁等人^[7]，介绍了用飞秒激光制作的全光纤干涉式温度传感器，在接近1000℃时其灵敏度为14.72pm/℃ ^[10]。Shi等人研制了基于萨格纳克环的光纤激光温度传感器，在30℃～40℃范围内获得了1.739nm/°C的温度灵敏度。然而，上述干涉仪结构或多或少会遇到一些制造复杂 ^{[1]-[3]、[7]}、低温灵敏度^[4]、[5]和温度范围窄^[10]、[11]的问题。此外，包括多芯光纤^[12]、[13]、光子晶体光纤(PCF)^[14]、[15]和其他类型的光纤^[16]-[20]在内的特殊光纤也被广泛地用于高温传感。最近，邓等人^[12]展示了一种高达900℃的高温传感器，采用多芯光纤制成其灵敏度为165pm/°C。Nguyen等人^[17]提出了一种基于悬芯光纤的高温传感器，最高温度可达1100℃。然而，与普通光纤(包括单模光纤和多模光纤)相比，特种光纤价格昂贵，成为其广泛应用的阻碍。此外，对于纤芯失配干涉仪传感器，近年来已有许多研究报道，其中一些是基于不同纤芯直径的拼接光纤^[21]、[22]。另一些是基于使用熔接器的手动模式^[23]、[24]在纤芯之间具有一定偏移量的熔接光纤。据我们所知，前者已用于高温传感^[19]，而后者的高温响应尚未被研究。

本文介绍了一种基于迈克尔逊干涉仪的微型光纤高温传感器。传感器探针通过预熔接的单模光纤熔接至未经处理的单模光纤而形成。通过预处理将微弯引入纤维端部。微弯导致两根纤维纤芯在轴向方向熔接时不匹配，这对于包层模的激励和纤芯模的干涉起着重要作用。由于热光系数的差异和热膨胀效应，当温度上升到600℃时，该传感器可以达到最大温度灵敏度115.34pm/°C。该传感器探头仅采用商用熔接器制造，具有体积小、成本低、制造容易的特点。

1. 原理与制作

上文提出的温度传感器的结构原理图如图1所示。传感器探头主要由两个光纤部分组成，分别称为SMF A和SMF B。SMF B作为温度传感部分，两个光纤部分之间的接头作为光耦合器。

该装置的工作原理可解释如下：如图1所示，光射入SMF A。当在光纤芯中传播的入射光遇到CMFJ时，部分光被耦合到光纤包层中，并且激发了几种包层模式。纤芯基模和激励包层模在SMF B中传播时由于菲涅耳反射在光纤端面反射，然后在接合区复合在一起。由于光路和有效折射率在这些模式之间的不同，因此会出现模式间干涉。

图1迈克尔逊干涉仪示意图

这种温度传感器的基本理论原理可以用迈克尔逊干涉仪来分析。由于CMFJ的存在，可以激发出不同阶数的包层模式，但为了简单起见，假设只有两种模式占主导地位，一种是纤芯基模，另一种是起主要作用的包层模式。因此，迈克尔逊干涉方程可以表示为：

其中I_co.和I_cl.,dom分别表示纤芯基模和主包层模的强度，phi;是两个假设模之间的相位差。当phi;等于(2m 1)pi;，(m=0，plusmn;1，plusmn;2，...)时，干涉强度在波长处达到最小值，如下所示：

,m=0,plusmn;1,plusmn;2,hellip; (2)

其中Delta;n_eff.是纤芯模n_co.,eff的有效折射率与主包层模n_cl.,dom.,eff的有效折射率之差，L表示SMF B的长度，lambda;是真空中的入射光波长。因此，自由谱范围（FSR）可以近似计算为：

(3)

如式（3）所示，在lambda;和Delta;n_eff.不变的情况下，FSR与L成反比，这个可在下面的实验中得到验证。此外，根据等式(2)，对于环境温度变化，波谷波长与温度的关系可表示为：

（4）

其中和表示热光效应，表示热膨胀效应。实验中使用的光纤是标准单模光纤(YOFC有限公司制造)，纤芯直径为8.2mu;m，包层直径为125mu;m。根据文献[25]中列出的相似热光系数，纤芯基模的热光系数(6.65times;10^_6/°C)略大于包层模热光系数(6.5times;10^_6/°C)。此外，根据文献[26]可知，光纤的热膨胀系数为0.5times;10^_6/°C。 因此，这两种效应的综合影响将导致干涉波谷波长随温度的升高而红移。

采用商用光纤熔接器(Fujikura, FSM-80S)制作两段光纤的连接处。使用商业纤维切割机（Fujkula，CT-30）切割光纤末端端面。首先，手动操作用熔接机对切割好的SMF A进行预熔。电弧放电强度为标准，放电持续时间为100ms。通过控制熔接机的X和Y电机，将SMF A端面置于两电极的中心，设定熔接参数后进行熔接。在电极放电和加热的作用下，SMF A端部膨胀并转变为具有微弯的球形端面，这个端面从而引起轴向纤芯位置的小位移，如图2(a)所示。然后，将SMF A的球形端面自动拼接到SMF B，其熔合参数如下：放电强度选择为标准-50，电弧放电的持续时间设定为1000ms，重叠量设定为0mu;m，以保证两光纤端面自然熔接在一起。

图2(a)预融合步骤后纤维端部的侧面图 (b)干涉仪结构中结合处的显微镜图像和(c)接头处的光纤纤芯的放大图像

采用50倍放大率的CCD摄像机对传感器探头的接头进行了观察如图2b所示。球状光纤末端端面和未处理光纤末端端面的可见不对称接触证明了SMF A微弯曲的存在。微弯主要由预熔接过程中的应力松弛和自然重力影响引起。图2(c)显示了接头处纤芯的放大图，可以看到明显的纤芯的错位，这对激励包层模式和重新耦合反射的纤芯和包层模式起着关键作用。SMF A纤芯与包层之间弯曲方向的不同可能是由于与电极之间距离不同而引起的电弧放电段加热不均匀造成的。SMF B被切割成一个合适的长度，用来获得合适的干涉条纹图案，以进一步进行熔接后的温度传感实验。图3(a)展示了SMF B长度在10mm，20mm，30mm时不同的反射谱线。随着SMF B长度的减小FSR逐渐变大，这也与上面的理论分析的公相一致。此外，在反射模式中观测到的杂乱的干涉峰值主要是由纤芯基模与多阶包层模之间或者不同阶层包层模之间的干涉引起的。考虑到测温范围广，选择SMF B的传感长度为10mm进行后续的高温传感实验，这也使得传感器更加紧凑。

为了进一步分析参与干扰的模式，对干涉谱进行快速傅里叶变换（FFT）得到空间频谱，结果如图3（b）所示。根据[18]，有效折射率差与空间频率xi;之间的关系可以表示如下：

(5)

图3（a）测量的反射谱（b）不同传感长度的FFT谱

其中lambda;₀为中心波长，通常为1550 nm。

在10mm、20mm和30mm的长度范围内，主要的空间频率分别为0.019998nm^-1、0.039995nm^-1和0.060961nm^-1。根据式（5），相应的有效折射率差分别为0.002402、0.002402和0.002441。这些数值与LP₀₁模与LP₀₃模的有效折射率差0.002438一致，表明LP₀₃模是与纤芯基模产生干涉的主要包层模式。插入的两幅图是用CMOSOL计算得到的LP₀₁模与LP₀₃模的模场分布。

1. 实验结果与讨论

用于高温试验的实验装置的原理图如图4所示。采用超连续宽带光源（SBLS，YSL光子学）作为光源。光谱分析仪（OSA，YOKOGAWA，AQ6370C）被用来记录反射信号。将传感长度为10mm的传感器探头置于温度精度为1°C的高温炉中进行实验。为了避免光纤端面的污染，将传感器探头固定在氧化铝陶瓷基片上。实验中，温度由50℃提高到600℃，每次增加50℃，每个测度点停留的时间为15分钟，这样足以获得稳定的干涉谱线。

图4实验装置原理图。

为了释放SMF中的残余应力，提高测量重复性，将传感器探头加热到700℃，保温4小时进行退火，并在测量前冷却到室温。降温后的反射光谱与原始光谱相比显示出蓝移，这是由于残余应力释放造成的，并且与[15]中所描述的现象一致。记录了约1485nm附近的波谷波长，用于评估传感器探头的温度灵敏度。

图5(a)显示了L=10mm的迈克尔逊干涉仪在50℃至600℃的温度范围内的温度响应。干涉波谷随温度升高有明显的红移，这与上述理论分析一致。此外，随着温度的升高，漂移速度逐渐增大，这意味着温度灵敏度也增加。图5(b)显示了在不同温度下测得的波谷波长及其抛物线拟合曲线，其中非线性相关系数为0.9995。利用拟合方程的导数，在550℃时，最大温度灵敏度为115.34pm/°C。它略大于用方程4(97.65pm/°C)计算的理论值，这主要是由于二氧化硅光纤的热光系数随着温度的升高而增加^[27]。温度灵敏度高于大多数基于^{[14]、[16]、[17]、[19]}光纤的传感器以及基于激光加工的复杂结构的高温传感器^[4]、[7]。

为了评价迈克尔逊干涉仪的重复性，进行了三个重复的循环，并将结果绘制在图6中。这两组散射符号分别代表了波谷波长对温度在增加和减少方向上的响应。显然，三个温度循环之间没有明显的差别，这意味着有良好的可重复性。

图5 (a)传感长度为10mm的传感器探头在不同温度下的反射干涉光谱。（b）迈克尔逊干涉仪的高温响应

图6在三个加热循环中的高温响应。

但是，在某些温度点仍存在微小的偏差，而这些偏差可能主要是因为高温炉微小的温度波动。

1. 结论

总体上，本文提出并论证了基于迈克尔逊干涉仪的微型高温传感器。传感器探头仅采用商用熔接器和SMF制造。CMFJ可以激励包层模态，使反射包层模与纤芯基模重新耦合。实验结果表明，该全光纤温度传感器在50℃～600℃范围内可对温度变化进行监测，550℃时最高灵敏度为115.34pm/°C。 该传感器具有体积小、制造容易、成本低、能在大范围环境中监测温度的优点。

参考文献

[1] S. Yuan, Z. Tong, J. Zhao, W. Zhang, and Y. Cao, “High temperature fiber sensor based on spherical-shape structures with high sensitivity,”Opt. Commun., vol. 332, pp. 154–157, Dec. 2014.

[2] Z. Yin, Y. Geng, X. Li, X. Tan, and R. Gao, “V-groove all-fiber core-cladding intermodal interferometer for hightemperature sensing,” Appl. Opt., vol. 54, no. 2, pp. 319–323,Jan. 2015.

[3] Y. Liu et al., “Fiber-optic Mach–Zehnder interferometric sensor for highsensitivity high

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