第五届中国光通信论坛暨光通信论坛 一种新型的高灵敏度耦合渐逝波温度传感器 包华育 王廷云 上海大学上海市特种光纤重点实验室 摘 要在理论分析了熔融拉锥耦合器耦合效应受包层折射率的影响基础之上提出一种新型的高灵敏度耦合渐逝波温度传感器 利用温度改变耦合锥区包层折射率引起渐逝场分布变化导致耦合分光比变化根据这一变化得到温度实地信息对该温度传感器系统在 1 0 5 7 的温度测量效果进行了测试实验结果与理论分析具有较好的一致性 关键词耦合器 折射率 渐逝场 耦合分光比 1 引 言 近年来光纤传感器以其特有的优势越来越得到重视 而对温度测量是其重要的应用之一目前的光纤温度传感器种类很多有布里渊散射温度传感器 1 , 2 , 半导体温度特性非功能光纤温度传感器 3 喇曼光纤温度传感器 4 法布里- 珀罗光纤温度传感器 5 , 6 双折射效应光纤温度传感器 7 及布拉格光纤光栅温度传感器 8 等以往光纤温度传感器或多或少都存在着这样或那样的缺陷比如空间分辨率不高时间分辨率不高信号处理复杂或者测量温度范围不合适等等本文基于耦合渐逝波原理提出了一种用于温度测量的光纤传感器温度改变锥区折射率诱使包层内渐逝场能量变化 9 从而导致耦合器两输出端光功率分布发生变化采集这一变化信号实现对环境温度的测量由于用于温度传感的仅为一个光纤耦合器所以就使得该传感器具有体小质轻的特点从而实现温度场中的点测量由于耦合器中两超级模的干涉效果对锥区包层折射率十分的敏感所以温度变化信号很快就传递到耦合器的能量输出变化上即耦合分光比的变化使该光纤温度传感器具有高的时间分辨率及测量精度由于耦合光纤所处实验环境相同克服了以往 M a c h - Z e h d e r 干涉仪的传感臂与参考臂分离所带来的非测量因素的干扰 在光路部分避免了许多的干扰因素且采用了耦合分光比定义提高了信噪比这些都为后续电路设计的简单化提供了可能本文在理论分析的基础上也进行了实验实验结果验证了该方法的正确性此外通过选用不同的包层涂敷材料还可以实现温度测量曲线的变化和移动而当系统温度响应曲线确定后这种温度传感器就可用于某种特定的温度测量场合 第五届中国光通信论坛暨光通信论坛 2 原理分析 因为该光纤温度传感器是利用两单模光纤熔融拉锥制成的耦合器作为温度传感元件的所以有必要先对耦合器中输出信号和待测参量的联系作些了解对于耦合器的能量分布方程的研究已经较为成熟 1 0 1 1 这里不再赘述单色光从 2 2耦合器的一个输入端输入进入耦合区内时由于两根光纤彼此间距离很小所以使得原始传输光线产生的泄漏模渐逝场在衰减殆尽前进入另一根光纤从而激励出耦合器另一臂的能量传输此即发生了耦合效应用来描述耦合效果强弱的参数被称为耦合系数 ( )KKVu 21032aDa2C=1 其中 ()222kna=()22 1knau=222uV+=2k =nnn121=式中是光波长, n1 是纤芯折射率, n2 是包层折射率, D 是耦合区光纤间距, a 是光纤横向尺寸即光纤直径, u是 H E 1 1 模的横向模式参数, K 0 K 1 是零阶和一阶第二类贝塞尔函数相对折射率V 是归一化频率 由公式1 知耦合器数 C是包层折射率 n2的函数它们在一定的参数设定的情况下变化关系如图 1 所示 图 1 耦合系数 C 与包层折射率 n2关系曲线 第五届中国光通信论坛暨光通信论坛 耦合器锥区某长度 Z 上能量在两臂中的分布情况如下式 ()CZcosPP201=2 ()CZsinPP202=3 由式12 可知波导能量在两根光纤之间周期性的耦合, 彼此交换能量的空间周期就是耦合长度 L c = / 2 C 4 公式3 表明C 值越大耦合周期越短即在相对短的时间内就完成了能量在两纤之间的一次传递这就反映出耦合速度变快产生这种变化的原因是因为包层折射率n2直接决定了渐逝场的能量的大小 9 当 n2接近纤芯的折射率时渐逝场能量将趋于更加明显所以势必改变耦合效应影响能量传递速度 由图 1 可知 在其他参数一定的情况下耦合锥区包层折射率 n2对耦合系数 C 的影响是十分明显的利用这一点我们设计了该温度传感器将耦合器锥区外包层涂敷一层温度敏感性材料这种材料的折射率会随着温度的变化发生一定趋势的改变将制好的耦合其传感器作为温度传感元件放入温度变化场中当温度改变时包层温敏材料内部相应发生物理变化改变其折射率引起了渐逝场能量的变化使得耦合器两输出臂能量发生变化 耦合分光比 C R ( C o u p l e r R a t i o ) 描述能量在耦合器两光纤中的分布情况定义如下 1000)(cos10002211=+=CZCRPPP5 由公式( 1 ) 和( 5 ) 描绘出耦合锥区外包层温度敏感材料折射率 n2与输出耦合分光比信号 C R 的关系如图 2 所示这时公式( 1 ) 中n1为纤芯及包层的等效折射率而 n2为外敷温敏材料的折射率 图 2 描绘了折射率变化与耦合分光比 C R 之间的对应关系随着 n2的增大C R 的幅值增大幅宽变窄变化区域更加剧烈合理的选择参数使得输出耦合分光比 C R随外包层折射率 n2发生动态范围较大的单调变化 图 3 是特定的区间上 C R 随 n2的变化曲线 第五届中国光通信论坛暨光通信论坛 图 2 分光比 C R 与包层折射率 n2关系曲线 图 3 包层折射率 n2发生微小变化时耦合分光比 C R 曲线 3 实验分析 根据理论分析设计实际测量系统其原理简图如图 4 图 4 温度测量系统结构简图 光纤温度传感单元 传感探头 温度场P PP2 光源 信号处理单元 探测器 1 探测器 2 信号输出 相除 第五届中国光通信论坛暨光通信论坛 按图 4 所示的温度测量系统图搭建实验装置选择波长为 1 5 5 0 n m 的单色光输入将温度传感耦合器置于温度变化场中实验前对系统各部分进行校准动态调节温度场温度变化绘制耦合分光比 C R 随温度 T 变化的关系曲线如图 5 所示 51015202530354045505560200250300350400450500550600650the Coupler RatioT(OC)图 5 耦合分光比 C R 随环境温度 T 变化曲线 比较图 3 及图 5 可以看出耦合分光比 C R 随环境温度 T 变化曲线与包层折射率 n2发生微小变化时耦合分光比 C R变化曲线的趋势基本一致证明利用温度改变耦合器锥区包层折射率然后通过折射率对渐逝场的影响改变耦合效应这一设计理念是可行的 4 结 论 本文介绍了一种通过温度间接改变耦合器耦合效应的高灵敏度光纤温度传感器将耦合器锥区外包层涂敷温度敏感材料该材料的折射率会随温度的变化而变化当其发生变化时引发了锥区渐逝场的重新分布导致输出耦合分光比信号发生改变通过这种改变反馈温度变化当采用不同的温敏材料作耦合锥区包层时该温度传感器的测温区间还会发生移动便于应用于不同的测温场合此研究的意义在于外界因素可以通过改变耦合器锥区渐逝场分布来改变光纤中光波的特征参量这里是振幅参量实现传感合一的光纤传感器 致谢 本项目得到上海市重点基础资助项目0 3 J C 1 4 0 3 1 及上海市重点学科建设项目第五届中国光通信论坛暨光通信论坛 T 0 1 0 2 资助并得到国家自然科学基金资助项目6 0 4 7 7 0 3 2 及上海市纳米技术专项资助项目0 3 5 2 n m 0 1 9 的部分支持在此表示衷心感谢 参考文献 1 B e r n i n i R , M i n a r d o A , Z e n i L . A c c u r a c y e n h a n c e m e n t i n B r i l l o u i n d i s t r i b u t e d f i b e r - o p t i c t e m p e r a t u r e s e n s o r s u s i n g s i g n a l p r o c e s s i n g t e c h n i q u e s J . I E E E P h o t o n i c s T e c h n o l o g y , 2 0 0 4 , 1 6 ( 4 ) : 1 1 4 3 1 1 4 5 2 B r o w n K e l l i e , B r o w n A n t h o n y W , C o l p i t t s B r u c e G . C h a r a c t e r i z a t i o n o f o p t i c a l f i b e r s f o r o p t i m i z a t i o n o f a B r i l l o u i n s c a t t e r i n g b a s e d f i b e r o p t i c s e n s o r J . O p t i c a l F i b e r T e c h n o l o g y , 2 0 0 5 , 1 1 ( 2 ) : 1 3 1 - 1 4 5 3 Z H A O Y o n g , R O N G M i n , L I A O Y a n - b i a o . F i b e r - o p t i c t e m p e r a t u r e s e n s o r u s e d f o r o i l w e l l b a s e d o n s e m i c o n d u c t o r o p t i c a l a b s o r p t i o n J . I E E E S e n s o r s J o u r n a l , 2 0 0 3 , 3 ( 4 ) : 4 0 0 4 0 3 4 L i u D , W a n g J , L i u S . T e m p e r a t u r e p e r f o r m a n c e o f R a m a n s c a t t e r i n g i n a d a t a f i b e r a n d i t s a p p l i c a t i o n i n a d i s t r i b u t e d t e m p e r a t u r e f i b e r - o p t i c s e n s o r . T h e I n t e r n a t i o n a l S o c i e t y f o r O p t i c a l E n g i n e e r i n g A . P r o c . S P I E C , 2 0 0 0 , 4 0 8 2 : 1 5 1 - 1 5 6 5 Z H A N G G u i - J u , Y U Q i n g - X u , S O N G S h i - D e . F i b e r o p t i c t e m p e r a t u r e s e n s o r b a s e d o n F - P c a v i t y