1 引言

在许多实际应用中,远程声波的探测越来越重要。例如,高功率变电站一般都设置在人烟稀少的地方。变电站中变压器内部电流的局部放电会产生微弱的声音,通过检测这种微弱的声音信号就可以实时监测高功率变压器的运行情况^[1]。对声波进行探测时,通常采用基于电容、压电转换器或者可动线圈的电子声级器。其中驻极体电容声级器的应用最广,其探测光波的主要原理是利用电容的调制测量振动膜的动态形变。然而,由于高功率变压器中存在巨大的电磁场,传统的电子声学传感器只能安装在变压器外部,这就间接降低了传感器的探测灵敏度。

光纤声传感器具有重量轻、灵敏度高、抗电磁干扰等诸多独特的优点,在近年来受到广泛关注。特别的,光纤声传感器可以直接与通信光缆连接,有利于光学传感与传输信号的集成。例如可将光纤声传感器与光纤网络、光载无线通信网络、无线光通信网络等集成,从而形成远程声信号监测网络。目前光纤声传感器多采用干涉原理^[2]。例如,Zhu等^[3]报道了一种基于马赫-曾德尔干涉仪的声学传感器;Ni等^[4]研制了一种基于法布里-珀罗干涉微腔结构的光纤声传感器;吴锋等^[5]结合光纤迈克耳孙干涉仪原理和3×3耦合器相位解调方法,实现了一种新型的光纤声传感器系统;Ma等^[6]使用具有稳定相位偏置的Sagnac干涉仪对有振动膜的声学传感器进行解调;Jo等^[7]提出了一种新型的相位板光纤声传感器,这种声传感器具有小体积、高灵敏度等优点。此外,基于光纤光栅的声学传感器同样受到广泛关注,例如光纤布拉格光栅^[8-9]和长周期光纤光栅(LPG)^[10]。声压会使光纤产生形变,导致光纤光栅周期或者有效折射率(光弹效应)发生改变。通过谐振波长的变化就可以探测声波信号。基于光栅的光纤声传感器具有尺寸小、精度高、可重复性好等优点。然而,无论是基于干涉方法还是光纤光栅方法的传感器,外界温度变化都会对这两种光纤声传感器产生严重的交叉干扰。因此如何消除温度对传感器的干扰就成为光纤声传感器应用发展的关键技术之一。

本文提出了一种基于π/2正交相位板的光纤声传感器。长度为1/4拍长的自聚焦光纤可以形成一个在线式的光纤准直器。通过微加工技术在振动膜上制造一个π/2相位台阶。经在线式光纤准直器出射的准直光束的中心与四周边缘部分分别被振动膜和π/2相位台阶的固定部分反射,形成一个微型双波干涉仪。振动膜受到声波作用会发生形变,导致准直光束中心和四周边缘两部分波前相位发生改变。光束波前的调制会使双波干涉的光程差(OPD)发生变化,由此可以通过干涉光强对声波信号进行探测。而振动膜中的固定π/2相位台阶使光纤声传感器的工作点固定在正交工作点上,因此具有很弱的温度交叉干扰。

2 基本原理

2.1 传感器的基本原理

渐变折射率多模光纤(GIF)的折射率分布为 n2(R)=n2(0)[1-2Δ×RD/22],其中Δ为相对折射率差^[11],R为径向距离,D为光纤芯直径,n(0)为光纤中心点折射率。渐变折射率多模光纤的空间周期为 T=πD2Δ。因此,将渐变折射率多模光纤的长度设置为T/4的奇数倍时才可使光束准直。图1为渐变折射率多模光纤准直光束的仿真结果,可知,当自聚焦光纤长度为T/4的奇数倍时,出射光束为准直光束。如果选用阶跃多模光纤,光束在光纤端面出射时有一个发散角,不会形成聚焦作用,因此只能选择渐变折射率多模光纤。

图 1. 渐变折射率多模光纤的光场分布

Fig. 1. Optical field distribution of graded index multi-mode fiber

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光纤声传感器的原理可以用π/2相位台阶引起的波前相位调制来解释,如图2所示。在从渐变折射率多模光纤传播出来之前,导光光束沿着单模光纤(SMF)和渐变折射率多模光纤传输。经自聚焦光纤准直器后,导光光束发生了扩束,同时由于渐变折射率多模光纤的长度为1/4拍长,因此出射光束为平行光束。这时光束的各部分具有相同的波前相位。平行光束经空气间隔后传播到正交相位板上,正交相位板由正交振动膜和四周固定部分组成。平行光束的中心和外围部分分别被振动膜和振动膜周围的边缘部分(固定部分)反射。振动膜和振动膜边缘之间存在一个台阶,这就使得反射光束中间和外围部分的波前相位不相等。最后反射光再次经空气间隔耦合进自聚焦光纤准直器中。由于波前相位不同,反射光束的中心和外围部分形成微型双波干涉仪,发生干涉的两束光分别为反射光的中心和外围部分,振动膜和边缘固定部分之间的高度差会使两束光产生相位差。反射干涉光的光强 IR[12]可以表示为

IR=I12+I22+2I1I2cos2π2nh0+h(r0)λ,(1)

式中:I₁和I₂分别是反射光的中心和外围部分的光强度;h₀是相位台阶的初始高度;r₀是半径;h(r₀)是振动膜位移引起的相位台阶变化量;n是空气间隔折射率,n=1;入射光波长λ=1550 nm 。

图 2. 光纤声传感器原理图

Fig. 2. Principle of fiber acoustic sensor

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由于相位台阶的高度为绝缘衬底硅片(SOI)的氧化埋层厚度(220 nm),因此光纤声传感器正好处于正交工作点(1550 nm/8≈200 nm,与氧化埋层厚度相近)。将台阶的高度200 nm代入(1)式中,可得

IR=I12+I22+2I1I2cos4πh0λ+4πh(r0)λ=I12+I22+2I1I2cos4π×200nm1550nm+4πh(r0)λ≈I12+I22+2I1I2cosπ2+4πh(r0)λ。(2)

因此在没有声信号作用时,传感器是在正交工作点上的。但是在声压作用下,振动膜各个位置的移动并不均匀。因此,为了准确计算干涉输出,均匀圆形振动膜各个位置的位移^[13]可以近似表示为

h(r)=hm(1-r02/a2)2,(3)

式中:h_m是振动膜中心峰值位移幅度;a是振动膜的半径。因此,传感器的干涉输出的变化量可以表示为

IR=2I1I2a∫0acosπ2+4πhm(1-r2/a2)2λdr。(4)

对于一个给定的振动膜半径,I₁和I₂是固定的。因此根据(4)式(a=65 μm,λ=1550 nm)可以计算出不同位移下归一化的干涉输出,结果如图3所示。当振动膜变形位移小于150 nm时,波前调制传感器的响应与位移呈正比,虚线显示了在施加正弦声波的线性区传感器的归一化输出。因此基于π/2正交相位板的低温度干扰光纤声传感器可以通过探测干涉强度进行声波探测。

图 3. 归一化输出的模拟曲线

Fig. 3. Simulation of normalized output

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基于π/2正交相位板的低温度干扰光纤声传感器的一个优点就是低温度交叉干扰。对于传统的基于干涉仪的光纤声传感器,周围温度引入的光程差会使其有较大的工作点变化,从而传感器的灵敏度和稳定度显著降低。根据线性热膨胀原理^[14], ΔL=αΔTL0,其中L0和α分别是初始长度和热膨胀系数,ΔT和ΔL分别是温度变化和长度变化,初始长度越长,干涉腔长受温度影响后越长。大多数传统的基于干涉仪的光纤声传感器由于具有很大的初始光程差(200~1600 μm),传感器响应会受到很高的温度交叉干扰。而所提光纤声传感器中正交π/2相位台阶的高度只有220 nm,发生干涉的两束光具有超小的光程差,由此,其温度干扰也会显著降低。为了进一步解释传感器低温度干扰性,对基于π/2正交相位板的光纤声传感器和传统光纤声传感器光程差随温度的变化进行仿真,如图4所示。当温度为0~100 ℃时,初始光程差为440 nm的双波干涉仪的光程差变化量只有0.02 nm,由于1550 nm波长入射光对应的线性工作区为0~400 nm,这种程度的光程差变化量几乎可以忽略;相反,当温度在同样范围内变化时,传统光纤声传感器的光程差变化量可以达到33 nm(根据文献[ 15],初始光程差为660 μm)。所提光纤声传感器的工作点几乎固定在正交工作点,因此具有较强的抗温度交叉干扰能力。

图 4. 光程差随温度的变化曲线

Fig. 4. OPD change versus temperature

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2.2 传感器的制造方法

制造基于π/2正交相位板的低温度干扰光纤声传感器时,首先需要研制一种在线式自聚焦光纤准直器,用来扩展和准直从光纤出射的光束。在线式自聚焦光纤准直器由一段渐变折射率光纤(康宁InfiniCor 600)和单模光纤组成,其中渐变折射率光纤的纤芯直径为50 μm,且中部纤芯的折射率是渐变分布的。再将单模光纤和一段渐变折射率光纤熔接在一起,如图5(a)所示,然后将渐变折射率光纤固定于电动位移平台(MTI-Z8,Thorlabs)上。在显微镜下,使用光纤切割机(S325A,Fitel)切割渐变折射率光纤至150 μm长,如图5(b)所示。渐变折射率光纤的长度是其拍长(600 μm)的1/4,因此渐变折射率光纤形成了一个在线式光纤准直器,它可对单模光纤出射的光束进行扩束,同时由于其长度为1/4拍长,因此出射光束为平行光束^[11]。

图 5. 在线式光纤准直器工艺图。(a) GIF和SMF的熔接;(b)被切割的GIF

Fig. 5. Process drawing of in-line fiber collimator. (a) Splicing between GIF and SMF; (b) cleaved GIF

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使用尺寸为4 inch(101.6 mm)的SOI晶圆来制作π/2正交相位板。SOI晶圆由器件层、氧化埋层及衬底层构成,其中器件层的厚度为10 μm,氧化埋层的厚度为220 nm,如图6(a)所示。首先对衬底层(厚度为500 μm)进行光刻,形成一个正方形结构(尺寸为1.0 mm×1.0 mm),再对其进行蚀刻,使氧化埋层暴露于外侧,如图6(b)所示。然后使用深层反应离子蚀刻(DRIE)在氧化埋层中蚀刻出一个圆形相位台阶(直径为130 μm),如图6(c)所示。之后,在相位台阶的整个表面镀覆一层金膜(厚度为10 nm),以增加振动膜和振动膜以外部分的反射率,如图6(d)所示。最后,同样使用DRIE对器件层进行蚀刻,对应台阶形成一个振动膜,如图6(e)所示,振动膜的尺寸和相位台阶相同,直径和厚度分别为130 μm和3 μm。图6(f)为相位台阶在扫描电子显微镜(SEM)下的实物图。将正交相位板的中心部分定义为正交振动膜,四周边缘定义为固定部分。

图 6. 所提传感器工艺加工图。(a) SOI晶圆;(b)光刻步骤;(c) DRIE步骤;(d)金膜镀覆步骤;(e)振动膜;(f)相位台阶的SEM图

Fig. 6. Process drawing of proposed sensor. (a) SOI wafer; (b) lithographic step; (c) DRIE step; (d) gold film plating step; (e)diaphragm; (f) SEM image of phase step

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图7(a)为光纤声传感器的结构图。首先将自聚焦光纤准直器插入到一个直径为3 mm的陶瓷芯中,并使用环氧树脂将单模光纤的尾部固定到陶瓷芯;然后将装有自聚焦光纤准直器的陶瓷芯插入到陶瓷分离套筒中(内部直径为3 mm);通过精密位移平台精确调节自聚焦光纤准直器和陶瓷分离套筒顶部的距离,为了实现膜半径和波束半径的最优光场分布,调节二者距离为5 mm;最后将π/2正交相位膜垂直放在陶瓷分离套筒的顶部,使用环氧树脂固定,以对准来自渐变折射率光纤的导光。将陶瓷分离套筒上的裂缝作为通气孔,以平衡陶瓷分离套筒内部和外部环境的气压。图7(b)为传感器的实物照片。光纤声传感器直径为3 mm,长度为17 mm。

图 7. 所提传感器的整体示意图。(a)结构示意图;(b)实物图

Fig. 7. Overall schematic of proposed sensor. (a) Schematic of structure; (b) picture of real product

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3 实验与分析

3.1 实验装置

实验装置如图8所示。一个单频激光器(SFL)发出的激光经光耦合器入射至声传感器中,单频激光器的中心波长为1550 nm,输出功率为10 mW。使用光电探测器(818-IR-L-FC/DB,Newport Corp.)测量光纤声传感器的反射干涉光,其功率是1.47 mW。传感器在声耦合腔(Brüuel&Kjær9699)中进行声波测量,耦合腔中声源可以产生频率为100 Hz~10 kHz的声波。在声耦合腔内同时放置标准参考声级计(Brüuel&Kjær4180),并使用动态信号分析仪同时记录探测到的声波信号。

图 8. 声波测量系统方案

Fig. 8. Schematic of acoustic measurement system

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3.2 光纤声传感器的响应

为了研究光纤声传感器的多个频率响应,实验中分别生成0.1,1,5,10 kHz的正弦声波信号。图9(a)~(d)为传感器的频谱图,插图为频谱对应的时域信号。光纤声传感器的响应频谱主峰值分别出现在99.985 Hz,999.873 Hz,4.99821 kHz,9.99782 kHz。响应值和它们对应的驱动声波频率一致。同时,图9(e)上方实线记录每个频率的响应灵敏度,在频率为0.100~10 kHz内光纤声传感器的响应灵敏度几乎是平坦的。图9(e)下方实线是没有声源时传感器的噪声功率谱密度,其最大噪声值出现在150,172,200,250 Hz。这些噪声值主要归因于光电探测器噪声和电源噪声,随着频率的增加,噪声在下降^[16]。

图 9. 所提传感器频谱。(a) 0.1 kHz;(b) 1 kHz;(c) 5 kHz;(d) 10 kHz;(e)自噪声和灵敏度

Fig. 9. Frequency spectra of proposed sensor. (a) 0.1 kHz; (b) 1 kHz; (c) 5 kHz; (d) 10 kHz; (e) sensitivity and self-noise

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3.3 光纤声传感器的灵敏度和最小可测声压

实验还测试了传感器的声压响应。声源的频率固定为1 kHz。声压在0~3 Pa内改变(使用参考声级计校准),图10(a)展示了声压分别为1,2,3 Pa时的光纤声传感器的输出电压。在频率为1 kHz时,光纤声传感器的输出电压与声压呈线性关系,如图10(b)所示,从图9(e)可知,在频率为0.1~10 kHz内,传感器的灵敏度保持在168 mV·Pa^-1,而声压电容声级计的灵敏度是47 mV·Pa^-1,这表明所提光纤声传感器具有很高的灵敏度。另外,实验应用的声波频率为5 kHz,声压为1 Pa,对于8 Hz的频率分辨率,其基底噪声约为-124 dB,并且经测量信噪比为74.2 dB。因此最小可测声压是68 μPa·Hz^-1/2。由此可见,本文实现了一种高灵敏度的光纤声传感器。

图 10. 不同声压下的输出电压和灵敏度。(a)输出电压;(b)灵敏度

Fig. 10. Output voltages with different acoustic pressures and sensitivity. (a) Output voltages; (b) sensitivity

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3.4 光纤声传感器的温度响应

所提传感器的相位台阶的高度只有220 nm,因此其具有抗温度干扰的优点。实验中将光纤声传感器固定在一个温箱中,温度设定在20~140 ℃,并且实验采用频率为1 kHz、声压为1 Pa的正弦声波信号。在20,70,140 ℃温度下光纤声传感器的时域信号的输出电压分别是0.116,0.114,0.111 V,如图11(a)所示。图11(b)为不同温度下的传感器输出电压,输出电压在不同温度下几乎保持恒定,其标准变化量只有2.4%。因此,所提传感器具有较弱的温度交叉干扰。

图 11. 不同温度下的输出电压。(a)时域信号;(b)温度响应

Fig. 11. Output voltages at different temperatures. (a) Time-domain signals; (b) temperature response

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3.5 光纤声传感器性能分析

表1为不同光纤声传感器的性能,可以看出,所提传感器的灵敏度比具有干涉结构的光纤声传感器高。所提传感器在温度为20~140 ℃内的输出电压信号变化量为2.4%,温度稳定性比其他类型的光纤声传感器好,体现出良好的抗温度干扰能力。

也研究了自聚焦光纤准直器和振动膜之间的距离对传感器响应的影响。使用精密位移平台改变二者距离,使之以0.5 mm的间隔在3~6.5 mm内变化。不同距离下光纤声传感器的时域响应信号如图12(a)所示,不同距离下的光纤声传感器的输出电压如图12(b)所示,传感器输出电压在二者距离为5 mm时达到最大值,并且在3~6.5 mm内标准变化量为3.7%。传感器输出响应随距离变化而变化的原因是在振动膜表面的光束的半径随距离的改变而变化,由此振动膜内部和振动膜外部的反射光的强度也随之变化,因此灵敏度也发生改变。因为同样的原因,传感器的灵敏度也会随振动膜直径变化而变化。根据模式场分布,最优的振动膜半径是光束模场半径的64%^[7]。由于光束强度服从高斯分布^[20], w(z)=w01+zλπw022,光束腰处的波束半径w₀=25 μm,轴向位置z=5 mm,得光纤声传感器的光束直径为203 μm,因此所提传感器的振动膜的直径选为130 μm。此外,振动膜直径变化引起传感器灵敏度变化的另一个原因是振动膜的位移,在相同的声压下,直径越大的振动膜将产生越大的位移。

图 12. 不同距离下的输出电压。(a)时域信号;(b)传感器响应

Fig. 12. Output voltages at different distances. (a) Time-domain signals; (b) sensor response

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传感器中渐变折射率光纤与空气腔的界面会形成反射光(强度为I₃)。根据菲涅耳反射定理,渐变折射率光纤与空气腔的界面的反射率为4%左右。对相位台阶的整个表面镀覆一层金膜(厚度为10 nm)用以增加振动膜和振动膜以外部分的反射率,也就意味着I₁与I₂光的反射率高达80%以上,这样I₃比I₁与I₂小很多。因此I₃与I₁和I₂的干涉对比度非常低。从图10(a)可以看出,声波信号很好地反映出驱动声信号,输出并没有出现任何畸变点,这就证明传感器干涉谱没有出现多波束干涉现象。

在光纤声传感器中,环氧树脂在温度变化时会出现缩涨,这会影响光纤端面与振动膜的距离。但是通过实验可以证明,光纤端面与振动膜的距离在3~6.5 mm内的电压响应标准变化量为3.7%。一般而言,环氧树脂的厚度为250 μm,在温度变化下,如此薄度的环氧树脂对光纤端面与振动膜之间距离的影响也非常小,因此对整个传感器的声波灵敏度响应影响很小。为了进一步减小环氧树脂胶对传感器的影响,在接下来的研究中会选用热膨胀系数更小的胶进行加工封装,进而进一步降低胶对传感器性能的影响。同时,制作过程中将陶瓷芯固定在平台面,使用微型涂胶机进行涂胶,其中陶瓷芯的端面与涂胶机的喷口垂直。在涂胶过程中对平台下面的转台进行转动,使环氧树脂均匀涂敷在陶瓷芯的端面。

综上所述,光纤声传感器的灵敏度与感声振动膜的尺寸、光纤端面与振动膜距离、振动膜的反射率等参数有关。构成干涉的两束光束由振动膜和周围固定平台分别反射形成,因此振动膜内部和振动膜外部的反射光的强度也随振动膜尺寸变化而变化,从而光纤声传感器的灵敏度也发生改变。因此需要优化振动膜的半径,使振动膜的半径是光束模场半径的64%。因为同样的原因,光纤端面与振动膜距离也会影响传感器的灵敏度。光纤端面与振动膜的距离会使光束在振动膜的模场发生变化,因此需要根据振动膜的半径优化光纤端面与振动膜的距离。最后,振动膜的反射率也会影响传感器的灵敏度,所以传感器干涉光束的强度不能太低,因此在相位台阶的整个表面镀覆一层金膜(厚度为10 nm)用以增加振动膜和振动膜以外部分的反射率。

4 结论

提出并验证了一种具有低温度交叉灵敏度的光纤声传感器。通过使用微加工技术在绝缘衬底硅片晶圆上研制出具有π/2相位台阶的振动膜。将这种正交振动膜和自聚焦光纤在线准直器组合在一起,形成一个简单的双波干涉光纤声传感器。实验结果表明,光纤声传感器的频率响应可以覆盖0.1~10 kHz,其声波灵敏度可以达到168 mV·Pa^-1,并且在频率为5 kHz时最小可测声压可以达到68 μPa·Hz^-1/2。更重要的是,由于具有极低高度的相位台阶,所提传感器可以显著减弱温度干扰,在温度为20~140 ℃内,传感器响应的电压标准变化量只有2.4%。所提传感器在远程气体泄漏探测、光声光谱探测、声源定位等领域具有广阔前景。