基于单模-多模-单模结构的光纤折射率传感器

基于单模-多模-单模结构的光纤折射率传感器

1光纤sms结构的应用基于多模干扰原理的单模-单模光束结构（sms）在光纤通信和光纤传感器领域得到了广泛的研究和应用[8、9、10、11、12、13、14]。SMS结构通过在两段普通单模光纤(SMF)之间熔接一段特定长度的多模光纤(MMF),使得入射基模在MMF中激发出一系列高阶本征模式。由于各个模式传输常数不同,在传输过程中产生多模干涉效应。利用这种结构制作而成的全光纤滤波器、折射率计[5～18]、和温度传感器等具有成本低、易于制作、结构简单和抗电磁干扰等优点。基于光纤SMS结构的折射率传感器近年来得到了广泛的研究。SMS结构用于折射率传感的基本思想是:周围折射率(SRI)的变化使得导模的有效折射率产生相应变化,进而影响SMS结构的输出特性。Wu等在SMS结构的输出SMF上写入光纤光栅(FBG),利用FBG反射耦合到输出SMF包层中的高阶模式,通过检测包层模式的布拉格波长漂移进行折射率传感。这种方法得到的折射率传感器灵敏度相对较小,只有7.33nm/RIU。Wu等人通过腐蚀的方法将SMS结构中的MMF包层腐蚀掉,外界环境充当MMF的包层,SRI的变化最终影响SMS结构的输出特性。但是这种腐蚀方法不易操作,增加了传感器制作的困难程度,并且当腐蚀不均匀时会产生很大的实验误差。Wang等人通过将SMS结构中的MMF进行拉锥来增强悠逝场,SRI的变化通过拉锥部分影响SMS结构的输出特性。在1.33～1.44折射率范围内,这种方法得到的折射率传感器灵敏度达到了1900nm/RIU。但是制作拉锥需要精度较高的设备,并且拉锥部分非常容易断裂。本文用无芯光纤(NCF)替代SMS结构中的MMF,当SRI与小于NCF折射率并且二者十分接近的情况下,NCF可以看作是具有阶跃折射率分布的弱导MMF。当SRI变化时,NCF中导模的有效折射率将发生改变,进而影响输出特性。由于NCF与普通SMF具有相近的外径,因此易于熔接,并且不易断裂,成本更低。2原理2.1导模有效折射的解析基于NCF的SMS结构光纤折射率传感器如图1所示。一段长度为L的NCF熔接在两段完全相同的普通SMF之间。NCF周围的被测物质可以看作是包层,当被测物质的折射率小于NCF的折射率,并且两者相差不大时,NCF可以看作是具有阶跃折射率分布的弱导MMF。这样便构成了传统的SMS结构。当光从一端的SMF入射到NCF时,在NCF中将会激发出一系列高阶本征模式。在弱导近似条件下,入射光Ψs(r)可以近似为归一化高斯光束,即有其中,高斯模场半径ωs为式中:as为SMF半径;Vs为SMF归一化频率;k。为真空中波数;ns＿core和ns＿clad分别为SMF纤芯和包层的折射率。如果SMF和NCF的轴线在同一条直线上,入射功率仅会耦合到NCF中的圆对称模式中,即入射光在NCF中仅能够激发出LP0n模式。假设NCF中第n阶的模式场分布为Ψn(r),并且忽略NCF中的辐射模式,那么NCF中的总场分布Ψ(r,z)可以表示为式中:N表示NCF中可以容纳的模式总数;ηn和βn分别为第n阶模式场的激发系数和传输常数。当z=0时,式(4)可以写成这表明,NCF中的总场分布与入射场分布相等。激发系数ηn可以通过计算入射场分布与第n阶模式场分布的重叠积分得到,即为了计算激发系数ηn,需要得到Ψn(r)的解析形式。Ψn(r)满足标量的Helmholtz方程,因此可以表示为将Ψn(r)归一化。模式传输常数βn表示为其中,neff(n)为第n个模式的有效折射率。βn可以通过求解LP0n模式的特征方程得到。LP0n模式的特征方程为在给定的光纤参数及特定的波长条件下,特征方程是关于有效折射率neff的方程。通过求解特征方程,得到各个导模的有效折射率,进而得到相应的传输常数βn。这样,就可以得到Un和Wn。最终激发系数ηn可以表示为2.2引入dcf到输出smf在NCF与输出SMF熔接点处,NCF中的模式场能量将会耦合到输出SMF当中。可以利用NCF到输出SMF的功率耦合系数计算折射率传感器的输出特性。传感器的输出特性可以表示为由于输出SMF和输入SMF完全相同,因此输出SMF中的模式场分布可以用式(5)表示。考虑到式(8)中的归一化条件,传感器的输出特性可以化简为3传感器的输出特性表1给出了用于仿真的SMF和NCF的物理参数。首先,需要在表1给定的光纤参数下求解式(10)所给出的LP0n模式的特征方程,得到不同模式的有效折射率及传输常数。表2给出了部分数值计算结果。在得到了相应的模式传输常数后,利用式(11)计算得到的不同波长下的模式激发系数,如图2所示。其中,SRI=1.35。从图可以看出,不同波长下,模式激发系数有微小的不同。这是由于工作波长改变使得光纤归一化频率发生变化,归一化频率的改变影响光纤中可以容纳的导模数量,进而影响激发系数。同时,在特定波长下激发系数均存在一最大值,并且当模式数目增大到一定程度时激发系数趋于0。为了研究传感器的输出特性,需要确定NCF的长度。一般情况下,为了使得MMF中的功率更有效耦合到输出SMF中,通常选取自聚焦长度为MMF的长度。这里采用光束传输法(BPM,beampropagationmethod)确定自聚焦长度。图3(a)为采用OptiBPM软件仿真分析得到的NCF中光场的幅度分布。输入SMF长度为0.3cm。可以明显看到,NCF中的第1个自聚焦点位于62332μm处。图3(b)为NCF中心区域(截面积与SMF纤芯截面积相等)的功率曲线。在62332μm处,功率与在0.3cm处入射到NCF中的功率相等。因此,自聚焦长度Lz59332μm。由文献中的近似计算公式式(17)计算得到的自聚焦长度为58250μm,与仿真分析得到的结果略有不同。这是由于在文献中的传输常数采用了近似解析式表示,当MMF中可以容纳的导模数量增加时,这种近似方法将引入较大的误差。确定NCF的自聚焦长度后,选取L=Lz。采用式(13)计算传感器在不同SRI下的输出特性得到图4。可以看出,传感器具有带通的输出特性。当SRI由1.3增加到1.4时,通带中心波长和特征波长(输出特性曲线中的极小值)将向长波长方向漂移。4sms结构输出的稳定性为了验证基于NCF折射率传感器的传感特性,利用光纤熔接机将不同长度的NCF熔接在两端普通SMF之间进行实验。实验框图如图5所示。光源采用宽带光源(BBS)。NCF浸没在折射率溶液当中。输出SMF连接到光谱分析仪(OSA)。折射率溶液为由不同比例的蒸馏水和甘油配制成的甘油水溶液。NCF由实验室自行拉制,其外径为104μm,略小于普通SMF外径。为了确定所需熔接的NCF长度,同样采用BPM方法进行仿真分析,分析结果如图6所示。从图6可以看出,当NCF外径变为104μm时,自聚焦长度变短,约为4.12cm。在实验中,选取NCF长度分别为3.98、4.03和4.28cm。当溶液的折射率在1.3～1.4范围内变化时,OSA记录下不同长度NCF折射率传感器的输出光谱,如图7所示。传感器的输出光谱中存在多个特征波长,这里只给出了在1520～1580nm范围内的比较明显的部分。所有实验均在室温下进行。从图7可以看出,随着溶液折射率的增大,特征波长将向长波长方向漂移。这与数值分析结果相一致。特征波长与SRI变化关系如图8所示,R2均在0.98以上。这表明,在1.3～1.4的折射率范围内,特征波长与SRI变化近似呈线性关系。基于SMS结构的折射率传感器的灵敏度与MMF长度无关,3条拟合曲线的平均斜率为205.42,即SRI每变化1,特征波长随之增加205.42nm。这种基于NCF的光纤折射率传感器在1.3～1.4的范围内的灵敏度为205.42nm/RIU。为了验证传感器的传感效果,在室温下对已知折射率的液体进行测试。采用实验室中的无水乙醇作为测试液体。在室温下,无水乙醇折射率为1.3612。利用实验过程中制作NCF长度为4.03cm的折射率传感器对无水乙醇进行了12次测量,其中两次的输出光谱如图9所示。图中,存在Dip1和Dip2两个特征波长位置,其中Dip2对应图8中的特征波长与SRI关系曲线。由图8和9得到的无水乙醇在室温下的平均折射率为1.3598,相对误差为0.1%。5实验结果分析对基于NCF的SMS结构进行了详细的理论分析,进而通过数值方法求解了LP0n模式的特征方程,得到了不同