基于氧化石墨烯涂层的侧抛光纤马赫-曾德尔干涉仪温湿度传感器 
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1 引言
近年来,光纤传感器因其突出的优点,如抗电磁干扰、体积小、无标签传感等,受到了研究者极大的关注,在环境监测和生物化学等领域得到了广泛的研究[1-2]。随着社会的发展需求与传感技术的进步[3],许多不同原理的光纤传感器被研制出来,如法布里-珀罗(FP)干涉型光纤传感器[4]、迈克耳孙干涉型光纤传感器[5-6]、萨格纳克干涉型光纤传感器[7]和马赫-曾德尔(MZ)干涉型光纤传感器[8]等,其中马赫-曾德尔干涉仪(MZI)具有制作简单、重复性好、灵敏度高等优点,是用于各种传感检测的新型干涉仪,常用于折射率、温度、曲率、液位等参数的测量[9-13]。马赫-曾德尔干涉仪通常是通过在两个独立的光纤模态耦合接头处分裂和重组不同的光学模式(如纤芯模和包层模)形成的。光纤锥型[14]、双核光纤[15]、偏芯熔接[16]、单模-多模-单模结构[17]都可以制作成模态耦合接头。Wu等[18]基于两个花生形状的结构,提出了一个简单且低成本的MZI,当干涉长度为22 μm时,温度灵敏度为46.8 pm/℃,应力灵敏度为1.4 pm/με。Tong等[19]提出了一种基于单模凹锥光纤和多模光纤的双参数光纤传感器,实验结果测得温度灵敏度为0.02 nm/℃和0.031 nm/℃,液位灵敏度为0.022 nm/mm和0.07 nm/mm,可实现温度和液位的同时测量。Chiu等[20]提出一种涂覆氧化石墨烯(GO)涂层、用于湿度传感的倾斜光纤光栅传感器,其湿度灵敏度为-0.01 nm/%RH。Vaz等[21]提出了一种用于相对湿度传感的光纤FP干涉仪结构,在传感光纤上涂覆聚偏二氟乙烯(PVDF)薄膜后,传感器在恒定温度下的灵敏度为32.54 pm/%RH,对于温度变化的灵敏度为-15.2 pm/℃。Liu等[22]提出了一种基于涂覆GO的芯偏置光纤MZI的新型湿度传感器,在相对湿度为30%~60%的条件下,测得灵敏度为0.104 dB/%RH和0.0272 nm/%RH。光纤MZI传感器因其体积紧凑、价格低廉、制作简单、灵敏度高等特点而成为光纤传感领域的一个研究热点。然而,由于光纤包层的隐失场很弱,因此MZI光纤传感器的RI灵敏度相对较低。此外,由于光纤光栅传感测量中的交叉敏感机制,目前大多数光纤MZI传感器只能测量单个物理参数,不能满足同时测量多个物理参数的要求。近年来,人们将光纤加工技术应用于光纤传感器的性能提升,取得了良好的效果,如光纤拉锥[23]、腐蚀[24]、扭转[25]和侧抛[26]等。
本文提出一种基于微锥结构的侧抛光纤MZI传感器,并对其传感性能进行了理论和实验研究。该传感器制作过程简单。制作过程为:利用光纤熔接机在一段单模光纤上制作两个微锥结构后,通过微锥点激发包层模,使其与纤芯模实现MZ干涉;通过设计光纤侧边抛磨系统,对两微锥点中间的单模进行侧边抛磨。理论和实验结果表明:减小包层直径可以有效增强包层模的隐失场强度,从而使传感器对外界环境变化的感应更加灵敏。实验测试了不同侧抛深度的光纤MZI结构的折射率和温度的响应特性。最后,选择折射率灵敏度较高的侧抛光纤MZI结构,在其传感区域沉积GO薄膜,分析其在温度和湿度双参量同时测量方面的应用。
2 传感器的原理与仿真
基于微锥结构的侧抛光纤MZI传感器结构如
式中:Icore和Iclad分别表示在纤芯和包层中传输光的强度;
当相位满足2π
干涉光的强度和波长与光纤MZI中光纤长度、纤芯和包层的有效折射率等参量有关。在传输过程中,包层中传输光的相位会受到外界环境折射率的影响,而纤芯中传输光的相位则不会受到影响。当外界环境变化作用于传感光纤时,干涉光的强度和波长会发生变化,透射光谱的形状也会相应地改变。实验中,可以通过监测干涉光谱的波长变化来测量外界环境折射率和温度的变化。
利用光束传播法(BPM)对所设计的微锥侧抛光纤MZI结构进行数值仿真。本研究采用2D模型,X和Z方向单元网格大小分别设为0.1 μm和1 μm;边界条件采用完全匹配层。单模光纤纤芯和包层直径分别设置为8 μm和125 μm,相应的折射率为1.4682和1.4628。两个微锥结构中间段单模光纤长度为3 cm,侧抛深度为44 μm,侧抛平坦区域和过度区域长度分别设置为7 mm和6 mm。数值模拟了该结构在折射率1.34附近的折射率响应光谱,如
图 2. 微锥侧抛光纤MZI结构仿真结果。(a) 不同折射率下的干涉光谱;(b) 折射率传感线性拟合曲线图;(c) 波长为1564 nm (dip A) 的光场传输图;(d) 波长为1558 nm (peak B)的光场传输图
Fig. 2. Simulation results of the micro taper side-polished fiber MZI structure. (a) Interference spectra under different refractive indexes; (b) linear fit curve diagram of refractive index sensing; (c) light field transmission diagram at wavelength of 1564 nm (dip A); (d) light field transmission diagram at wavelength of 1558 nm (peak B)
3 传感器制作与实验研究
3.1 侧抛光纤MZI结构制作
使用普通单模光纤(G652D),首先将熔接机设置为SM-SM的手动熔接模式,放电功率为100 bit,放电时间为2000 ms,然后把剥去5 cm涂覆层的单模光纤放置在光纤熔接机中进行放电,最后使得光纤受热软化,在相距3 cm的位置制作成两个锥点,两个锥点的锥径均为80 μm,如
在微锥结构基础上进行侧边抛磨加工,利用如
图 4. 光纤侧边抛磨系统与侧抛区域显微图。 (a) 侧边抛磨加工平台; (b) 光纤侧抛区域显微镜视图
Fig. 4. Fiber side-polished system and the micrograph of side-polished area. (a) Fiber side-polished system; (b) micrograph of fiber side-polished area
3.2 折射率与温度传感特性
实验中,对三种不同侧抛深度的传感器S1、S2、S3在折射率为1.34附近的折射率响应进行了测试分析,其折射率响应光谱如
图 5. 折射率和温度测量的实验装置
Fig. 5. Experimental device for refractive index and temperature measurement
图 6. 微锥MZI结构不同折射率下的传感曲线图。 (a)~(c) 侧抛深度为0,29.2,41.7 μm的微锥MZI结构的折射率响应光谱; (d)~(f) 对应的传感曲线线性拟合
Fig. 6. Sensing curves of micro taper MZI structures under different refractive indexes. (a)--(c) Refractive index response spectra of micro taper MZI structures with side-polished depths of 0, 29.2, and 41.7 μm; (d)--(f) linear fit of sensing curve
由上述实验结果验证得出,没有经过侧抛的微锥光纤MZI传感器的折射率灵敏度比较低,对光纤传感器传感区域进行侧抛且侧抛深度在一定范围内时,其传感区域的侧抛深度越深,传感器对环境折射率的变化越敏感,且有较好的线性拟合度,由此说明可以通过对该光纤结构进行侧边抛磨来改善传感器的性能,增大其隐失场的强度,提高其对折射率的灵敏度,且折射率灵敏度可以提高数倍。
另外,还研究了侧抛加工对光纤MZI结构温度传感特性的影响。对3个不同侧抛深度的光纤MZI结构进行了温度响应测试。温度响应测试实验中,通过加热板改变传感器周围的温度,使用热电偶对温度进行标定。实验温度大致在30~80 ℃范围内,每间隔10 ℃左右记录一次数据,测量其对温度的敏感特性,将传感器S1、S2、S3依次进行温度响应测量实验,其温度响应光谱如
图 7. 微锥MZI结构不同温度下的传感曲线图。 (a)~(c) 侧抛深度为0,29.2,41.7 μm的微锥MZI结构的温度响应光谱; (d)~(f) 对应的传感曲线线性拟合
Fig. 7. Sensing curves of micro taper MZI structures under different temperatures. (a)--(c) Temperature response spectra of micro taper MZI structures with side-polished depths of 0, 29.2, and 41.7 μm; (d)--(f) linear fit of sensing curve
3.3 温湿度双参量同时测量
本文设计的微锥光纤MZI结构,是通过包层模和纤芯模形成MZ干涉。对MZI光纤进行侧边抛磨后,可以有效打破光纤包层截面的圆对称性,包层模式解简并形成偏振方向垂直和平行于侧抛面的两个包层模式,这两种正交偏振包层模具有不同的折射率响应性能[23]。相比于垂直侧抛面的包层模,偏振方向平行于侧抛面的包层模具有更强的隐失场。因此,它们与纤芯模干涉峰对周围环境折射率变化的响应是不同的[28]。再结合侧抛加工对该光纤MZI结构温度传感没有影响的特性,提出利用侧抛光纤MZI结构沉积GO薄膜,通过结合GO的亲水特性,实现对湿度和温度双参量的同时测量。GO是石墨烯通过强酸氧化得到的产物,是一种独特的含氧功能材料,长久以来被视为亲水性物质,其表面存在很多含氧官能团,它们对分子具有很好的吸附能力[29],尤其是极性分子,具有良好的亲水性。GO吸收周围水分子会改变包层模的有效折射率从而影响输出光谱特性。随着湿度的增加,GO吸附外界水分子后,增加了GO层之间的距离,导致GO层膨胀[30],使GO电导率下降,改变其折射率,GO薄膜和水分子之间发生电荷转移,折射率的虚部随着湿度的增加而变化,有效折射率随之改变,导致光吸收发生变化[31-33],进而影响光场的强度与波长漂移,通过监测强度或波长的变化,测算空气中的湿度。
选择折射率灵敏度较高的传感器样品S3进行GO纳米薄膜的沉积,选用单层GO原液(10 mg/mL)作为沉积GO薄膜的原材料,加入去离子水进行离心振荡稀释成2 mg/mL,取1 mL稀释后的GO水溶液滴在光纤传感区表面,放入设置为70 ℃的鼓风干燥箱中干燥3 h,使GO溶液的水分蒸发后在传感区域沉积为一层薄膜。氧化石墨烯湿度传感机理如
图 8. 氧化石墨烯的湿度传感机理和显微镜图。(a) 湿度传感机理; (b) 涂覆GO薄膜的光纤截面; (c) 2 mg/mL GO溶液沉积后的薄膜厚度
Fig. 8. Humidity sensing mechanism and microscope image of GO. (a) Humidity sensing mechanism; (b) cross section of fiber coated with GO film; (c) nanolayer thickness after deposition with GO concentration of 2 mg/mL
对制作好的侧抛光纤MZI传感器进行温湿度测量,该步骤在恒温恒湿箱中完成,如
图 10. 温湿度双参量传感曲线。(a)(b) dip1、dip2随湿度和温度变化的光谱响应; (c)(d) 湿度和温度传感线性拟合
Fig. 10. Temperature and humidity sensing curves. (a) (b) Spectrum responses of dip1 and dip2 with humidity and temperature, respectively; (c) (d) linear fits of humidity and temperature sensing curve
由上可知,结合敏感系数矩阵可以实现对温度和湿度双参量的同时测量,传感器的敏感系数矩阵可表示为[34]
式中:Δλ1、Δλ2分别为波谷dip1和dip2特征波长的变化量;
因此,通过(5)式计算,可由dip1和dip2的波谷漂移量得到湿度和温度的变化量,进而可以实现湿度和温度的同时测量。
4 结论
提出一种基于微锥的侧抛光纤MZI传感器结构,利用光纤熔接机制作微锥结构,激发包层模与纤芯模,实现MZ干涉。通过设计光纤侧边抛磨系统,对光纤MZI结构进行侧抛加工,提升了包层模的隐失场强度。光纤MZI传感器经过侧边抛磨后能够有效地增强其对环境折射率传感响应,其折射率传感灵敏度随着抛磨深度的增加获得明显提升。当抛磨深度为44.2 μm时,折射率传感灵敏度可达-117.145 nm/RIU,提高了近3倍。与此同时,侧抛加工对该光纤MZI传感器的温度响应特性几乎没有影响。最后,采用浸涂法在侧抛光纤MZI表面沉积GO薄膜,利用GO亲水性结合敏感系数矩阵实现了对温度和湿度双参量的同时测量,其中湿度灵敏度达到-76.1 pm/%RH。该侧抛光纤MZI传感器具有制作简单、成本低、灵敏度高、多参数同时测量等优点,可应用于化学和生物传感领域。
[2] Liu S H, Zhang H L, Li L T, et al. Liquid core fiber interferometer for simultaneous measurement of refractive index and temperature[J]. IEEE Photonics Technology Letters, 2019, 31(2): 189-192.
[3] 卞继城, 郎婷婷, 俞文杰, 等. 基于马赫-曾德尔干涉的温度和应变同时测量的光纤传感器研究[J]. 光电子·激光, 2015, 26(11): 2169-2174.
[6] 邵敏, 韩亮, 兆雪, 等. 基于在线型光纤迈克耳孙干涉仪的液位传感器[J]. 光学学报, 2018, 38(3): 0328021.
[10] 俞夏雨奇, 赵春柳, 王家辉, 等. 基于游标效应的双MZI温度传感理论研究[J]. 光通信技术, 2018, 42(1): 24-27.
[12] 杨洋, 朱肖彤, 闫良俊, 等. 基于侧边粗抛磨单模光纤的高精度曲率传感技术研究[J]. 光学学报, 2020, 40(14): 1406004.
[14] Tian Z B. Yam S S H, Barnes J, et al. Refractive index sensing with Mach-Zehnder interferometer based on concatenating two single-mode fiber tapers[J]. IEEE Photonics Technology Letters, 2008, 20(8): 626-628.
[15] Liu Y, Li Y, Yan X J, et al. Effect of waist diameter and twist on tapered asymmetrical dual-core fiber MZI filter[J]. Applied Optics, 2015, 54(28): 8248-8253.
[16] 傅海威, 闫旭, 李辉栋, 等. 基于纤芯失配型马赫-曾德尔光纤折射率和温度同时测量传感器的研究[J]. 光学学报, 2014, 34(11): 1106001.
[19] Tong Z R, Luan P P, Cao Y, et al. Dual-parameter optical fiber sensor based on concatenated down-taper and multimode fiber[J]. Optics Communications, 2016, 358: 77-81.
[25] Tian K, Farrell G, Wang X, et al. Strain sensor based on gourd-shaped single-mode-multimode-single-mode hybrid optical fibre structure[J]. Optics Express, 2017, 25(16): 18885-18896.
[27] 程君妮. 基于光纤锥和纤芯失配的Mach-Zehnder干涉湿度传感器[J]. 物理学报, 2018, 67(2): 024212.
[30] Wang Y Q, Shen C Y, Lou W M, et al. Polarization-dependent humidity sensor based on an in-fiber Mach-Zehnder interferometer coated with graphene oxide[J]. Sensors and Actuators B: Chemical, 2016, 234: 503-509.
[34] 谭展, 廖常锐, 刘申, 等. 基于空芯光纤和光纤布拉格光栅的温度应变同时测量传感器[J]. 光学学报, 2018, 38(12): 1206007.
张平, 刘彬, 刘正达, 刘娟, 王梦宇, 伏燕军, 万生鹏, 何兴道, 吴强. 基于氧化石墨烯涂层的侧抛光纤马赫-曾德尔干涉仪温湿度传感器[J]. 光学学报, 2021, 41(3): 0306003. Ping Zhang, Bin Liu, Zhengda Liu, Juan Liu, Mengyu Wang, Yanjun Fu, Shengpeng Wan, Xingdao He, Qiang Wu. Temperature and Humidity Sensor Based on a Graphene Oxide-Coated Side-Polished Fiber Mach-Zehnder Interferometer[J]. Acta Optica Sinica, 2021, 41(3): 0306003.
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