引言

光纤传感器具有体积小、制作方便、实时性、耐腐蚀性、电磁抗扰性和长距离传输等优点，广泛应用于折射率、温度、气体浓度、应力、液位等环境参量的测量^[1]。光纤模式干涉仪是一种具有优良性能的全光纤干涉器件，广泛应用于光纤传感、光纤通信等领域。该类型干涉仪需要特殊结构实现模式的分束和合束，以实现纤芯模在纤芯中传输，包层模在包层传输。由于纤芯模和包层模的传输路径不同，导致了纤芯模和包层模产生相位差，从而形成干涉条纹。外界环境变化对纤芯模和包层模的影响不同，从而使两路光相位差发生改变，导致干涉条纹出现漂移。通过测量干涉条纹的漂移量，实现对外界环境参量变化的测量。研究人员提出了各种光纤干涉仪的多种结构，如基于锥形光纤的干涉仪^[2-3]、花生形结构^[4-5]、光纤纤芯直径不匹配^[6-7]和不对称结构^[8-11]的马赫-曾德尔干涉仪（Mach Zehnder interfero- meter，MZI）。

少模光纤传感器作为一种新型的光纤传感器，具有结构简单、模式个数有限、有效面积大、模式耦合可控等优点，近年来得到了研究人员的广泛关注。 Ｗang等人利用FMF中LP01模式和LP02模式的干涉效应制作出MZI干涉仪，实现应变和温度的分别测量^[12]。张栅等设计了一种温度不敏感的应变传感器^[13]。Tong Ｚ等人设计了FMF和球型结构级联的新式传感器，用于温度和折射率的同时测量^[14]。

本文提出了一种结构简单、易于制作的MZI，传感器结构是在无涂敷的少模光纤两端熔接2段无芯光纤，由于采用的是双模干涉，传感器的输出光谱比多模干涉光谱波形更简单稳定。选取MZI干涉谱中的2个特征波谷作为特征波长，利用特征波长的漂移测量液体的温度。

1   传感器的制作及工作原理

本文设计的传感器结构示意图如图1所示。2根作为输入输出的SMF与2段长度相同的CLF分别进行同轴熔接，CLF长度为3 mm，因光纤的模场分布不同，在SMF与CLF的熔接点1和4产生模式失配，起到激发和耦合高阶模式的作用；在2段CLF中熔接一段去掉涂覆层的FMF，组成CLF-FMF-CLF结构的MZI型全光纤器件。由模式失配激发的LP01与LP11两种模式在少模光纤的纤芯中传输，其他高阶模在包层中传输。在第2段无芯光纤的作用下LP01与LP11两种模式重新耦合回单模光纤发生干涉，形成干涉光谱。当外界温度变化时，两种模式的光程差发生变化，干涉光谱的干涉波谷发生漂移，通过分析干涉光谱谐振波谷的位移，获得外界环境温度的变化。

图  1  传感器结构示意图

Figure  1.  Schematic diagram of sensor structure

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制作的传感器所用的SMF是康宁公司生产的SMF-28，纤芯与包层直径分别为8.2 μm和125 μm；所用FMF为长飞公司生产的两模光纤，纤芯与包层直径分别为14 μm和125 μm；CLF为长飞公司生产，直径为125 μm。实验过程中，为防止光纤弯曲，抖动对传感器温度测量性能产生影响，对制作的传感器进行了封装，将制作的传感器放置在开槽的石英管中，传感器两端采用UV紫外胶固定，封装的传感器如图2所示。

图  2  封装传感器

Figure  2.  Packaged sensor

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根据相关文献可知，MZI干涉传感器的透射强度可以表示为^[15]

式中：${I_{{\rm{core}}}}$和${I_{\rm{h}}}$分别为基模和高阶模的强度；$\mathrm{\Delta }\varphi$为基模与高阶模的相位差，可以表示为

式中：$ {{\text{λ }}_{\text{0}}} $为中心波长；$n_{{\rm{eff}}}^{{\rm{core}}}$和$n_{{\rm{eff}}}^{\rm{h}}$ 分别为基模和高阶模的有效折射率，$\Delta {n_{{\rm{eff}}}} = n_{{\rm{eff}}}^{{\rm{core}}} - n_{{\rm{eff}}}^{\rm{h}}$为基模与高阶模之间的有效折射率差；$ L $是传感单元的长度。当 $ \Delta \varphi $为$ \left( {2m + 1} \right){\text{π }} $时出现干涉现象极小,第$ m $阶峰值波长为

当外界温度发生变化时，由（3）式对温度求微分可知，温度的灵敏度为

由热膨胀系数的定义$\alpha = \dfrac{1}{L}\dfrac{{\partial L}}{{\partial T}}$ ，基模和高阶模有效折射率的热光系数定义$\varepsilon = \dfrac{1}{{\Delta {n_{{\rm{eff}}}}}}\dfrac{{\Delta {n_{{\rm{eff}}}}}}{{\partial T}}$ ，代入（4）式，得：

2   实验结果及分析

实验系统原理如图3所示。所设计的传感器两端分别连接放大自发辐射光源(ASE)和光谱分析仪。传感器放置在温度可调的恒温设备中，利用光谱仪对不同温度时的光谱响应进行测量。ASE光源波长范围为1 510 nm ～1 590 nm，输出最大功率为40 mW。光谱分析仪采用Finisar公司的WaveAnalyzer 1500S，光谱分辨率高达1.25 pm。实物如图4所示。

图  3  实验系统原理图

Figure  3.  Schematic diagram of experimental system

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图  4  实验系统图

Figure  4.  Experimental system diagram

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根据文献可知，所用光纤的热光系数比热膨胀系数大一个数量级，说明热光效应起主要作用，温度灵敏度可以简化为$\dfrac{{{\rm{d}}{\lambda _m}}}{{{\rm{d}}T}} = {\lambda _m}\varepsilon$。随着温度的升高，少模光纤中的LP01模式和LP11模式的有效折射率都会增加，但LP01模式增加较大。折射率差值随温度增加变大，${{\rm{\varepsilon}} }$ 随温度也增加变大，因此，传感器的谐振波长随温度变化向长波方向移动。

实验测量了传感器在25 ℃～75 ℃温度范围内传感器的透射光谱，不同温度时的测量结果如图5所示。随着温度的升高，透射谱线的形状基本保持不变，干涉模式没有变化，整体向长波方向漂移，与理论分析结果一致。经过计算，选取温度灵敏度较大的干涉谷波长 1 550 nm和1 534 nm作为特征波长进行比较，作为传感器使用时，只选择其中灵敏度最高的波长值就可实现温度测量。将2个特征波长分别与温度值进行线性拟合，拟合结果如图6所示。由图6可知，特征波长与温度呈现很好的线性关系，在温度测量范围内，两波谷的温度测量灵敏度分别为68 pm/℃和44.5 pm/℃。灵敏度差别较大是由于不同波长处，不同模式的有效折射率差值不同。该传感结构简单、灵敏度高，有很好的应用前景。

图  5  不同温度透射谱

Figure  5.  Transmission spectrum at different temperatures

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图  6  特征波长拟合曲线

Figure  6.  Fitting curves of characteristic wavelength

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传感器结构和温度灵敏度与所列参考文献相比如表1所示。由表1可知，本文设计的传感器灵敏度高于文献[5]、[7]、[8]中设计的传感器，低于文献[3]中传感器的灵敏度，但本文设计的传感器采用同轴熔接的方法，比参考文献[3]中拉锥结构传感器制作方法简单，结构稳健，可重复性好。

表  1  不同结构灵敏度比较

Table  1.  Comparison of sensitivity with different structures

参考文献	传感器结构	温度灵敏度/（pm·℃−1）
[3]	拉锥结构	995
[5]	花生结构	47
[7]	同轴熔接	10
[8]	非对称花生结构	59

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3   结论

本文提出并制作了一种基于无芯-少模-无芯结构的温度传感器，实现了温度的高精度测量。利用少模光纤和无芯光纤的模式失配激发高阶模，基模和高阶模在少模光纤中受外界温度调制，在输出端产生干涉谱。通过实验证明了此方法的可行性，实验结果表明，传感器的特征波长与温度呈很好的线性关系，在测量温度范围内，温度测量灵敏度分别为68 pm/℃和44.5 pm/℃，因此，本文所设计的传感器制作简单，灵敏度较高。受恒温实验装置所限，未进行较大温度范围的实验测量，但传感器仍有望应用于温度更高的测量场景。