王　超， 董新永， 陈德宝， 沈常宇

(中国计量学院 光学与电子科技学院，浙江 杭州 310018)

基于保偏光纤快轴方向纤芯错位熔接的液位传感器研究

王超， 董新永， 陈德宝， 沈常宇

(中国计量学院 光学与电子科技学院，浙江 杭州 310018)

摘要:提出了一种基于保偏光纤(PMF)快轴方向纤芯错位熔接的内嵌式Mach-Zender干涉(MZI)型液位传感器,对PMF的纤芯错位方向和PMF的长度分别进行了研究讨论,干涉光谱的光程差受到浸入液体中的保偏光纤长度与处在空气中的PMF长度两者比例变化的影响。液位实验结果得出：传感器对应的波长漂移和强度衰减灵敏度分别为-495.6 pm/mm，0.22 dB/mm。

关键词：液位； 保偏光纤； 马赫曾德干涉仪

0引言

较之传统的电学类型传感器，光纤液位传感器受益于其抗电磁干扰、易于制作、抗腐蚀及高灵敏度和易于实现遥测遥感等优点，因此,研究光纤液位传感器具有很大的实际意义[1,2]。

本文提出了一种使用保偏光纤(polarization maintaining fiber,PMF)快轴方向纤芯错位熔接方式制作内嵌式马赫曾德干涉仪(Mach-Zehnder interferometer,MZI)全光纤液位传感器的方法。传感器的主体结构由一段25 mm的PMF和两段普通单模光纤(SMF—28)组成，纤芯错位结构使得双光束干涉形成，通过对干涉光谱进行解调得到其对应的波长漂移和强度衰减灵敏度。该方法制作过程相对简单，成本较低，具有很好的研究价值。

1实验部分

内嵌式光纤MZI是在同一根光纤内实现了对传感光路和参考光路的制作，即将光纤纤芯和包层各自当做是参考臂和探测臂，这种干涉结构的制作方法相对简单，并且更大程度地减少了两条光路之间的干扰因素带来的影响。

图1给出了液位实验的原理装置图，实验中采用带宽在1 450～1 650 nm波段的宽带光源，级联一个起偏器和偏振控制器来控制输入光的偏振态，通过调节输入光的偏振状态可以获得最佳的条纹对比度。将上述液位传感结构固定在标有刻度的容器壁上，传感结构的底端与液位平齐并记录下此时的光谱作为参考光谱，最后经过液位信息调制的输出光的信息通过光谱仪(AQ6370,Advantest)进行解调而获得液位变化。传感结构采用长度为25 mm的PMF(熊猫型，双折率系数7.702 4×10-4)与两段单模光纤SMF1，SMF2分别进行沿快轴方向的错位熔接(Fujikura FSM—40S)。纤芯错位偏移量的大小为4.5 μm，PMF和SMF的纤芯及包层直径均为9 μm和125 μm。错位结构熔接制作完成后，采用氢氟酸(4 %)腐蚀的方法对PMF部分进行约2 h的包层腐蚀，使得包层模倏逝波更易接触被测液体。沿着PMF快轴方向的纤芯错位熔接实现了对包层模式的激发[3～5]，腐蚀PMF包层进一步提高了传感器的灵敏度。

图1　液位传感实验装置与错位结构局部放大示意图Fig 1　Diagram of liquid level sensing experimentaldevice and partial enlargement of offset structure

PMF的相互垂直的两个轴拥有不同的折射率调制大小，即快轴和慢轴，光波传播速度较快的轴定义快轴。因此，不同的纤芯错位方向也会影响干涉光谱的变化，由此对三种不同纤芯错位方向进行了实验探究，如图2所示，三种错位方向分别为沿PMF快轴方向、沿PMF慢轴方向及沿PMF快慢轴之间夹角45°方向。本文认为熔接点的错位方向对光从单模光纤进入保偏光纤后在快慢轴之间的分配具有较大影响：当错位对准方向完全沿着PMF的快轴或慢轴方向时，绝大部分的光会沿PMF的快轴或慢轴方向传输；当错位对准方向为45°角方向时，光会在快轴和慢轴两个方向上产生比较接近的分布，而快慢轴方向上光的折射率稍有不同，导致所形成MZI的光程差不一致，降低了其干涉强度(即干涉条纹的对比度)。因此，采取沿PMF快轴方向的纤芯错位方式制作得到了一种光纤MZI干涉仪。此外，不同的纤芯错位偏移量大小也直接影响了干涉条纹的变化。干涉条纹的对比度定义为

(1)

式中Icore和Iclad分别为PMF纤芯模能量和包层模能量，当二者的比例为1∶1时对比度达到其最大值，所以，为了实现光能量在纤芯和包层中的均匀分布，选取纤芯错位偏移量大小为4.5 μm(纤芯直径为9 μm)。

图2　三种不同方向纤芯错位对比示意图Fig 2　Comparison of three different directions of core-offset

干涉光谱会随着纤芯模和包层模之间相位差的大小变化而发生不同，当二者之间的相位差为2m+1时，干涉峰的波长大小为[6]

(2)

式(2)中，当m取值固定时，干涉臂长度发生变化以及纤芯导模和包层模式之间有效折射率差值大小的变化都会引起发生变化，同时，对式(2)进一步变化可以得出自由光谱范围(free spectrum range,FSR)的表达式为

(3)

式(3)表明，当纤芯导模和包层模式之间的折射率差值大小保持固定不变时，自由光谱范围FSR的大小取决于干涉臂长L的大小，当L逐渐增加时，FSR则逐渐降低，两者为反比例关系。实验中，当选择使用的PMF长度较长时，可以有效地增加液位传感器的量程，然而，由于包层中的光能量因散射、吸收等因素而不能在包层中传输很长距离，所以，MF的长度也不宜过长，为了选取合适的长度，也对此进行了实验探究。在纤芯错位偏移量大小固定为4.5 μm前提下，选取了长度为15,25,30,35 mm进行了干涉光谱的对比实验，随着PMF长度的增加，FSR逐渐减小，当PMF长度在25 mm时，干涉峰的对比度达到最大，且其FSR适合对光谱图进行分析。

2实验结果与分析

当宽带光源输出的入射光波经过起偏器和偏振控制器的适当调节后进入左端的单模光纤SMF1到达上述内嵌式PMF干涉仪的分束端面时，由于分束端的单模光纤和PMF之间采用的是纤芯错位熔接的方式，所以,入射光部分被耦合进入PMF的包层中成为高阶包层模式，剩余部分仍然在纤芯内继续沿轴向传输。合束端面的PMF与单模光纤SMF2采用了与分束端面相同的错位结构，包层模在到达合束端错位熔接端面时，又部分被耦合会纤芯当中，包层和纤芯对应的有效折射率存在的大小差异，因而，使得此时包层模和纤芯模之间产生了一个固定相位差，两束光因符合相干条件而在合束端发生干涉，并且由于包层模所处的环境为包层和液体交界面，液体环境通常能造成包层模的有效折射率大小产生改变，即输出光信息中存在了液位变化的因素。下面将在此基础上利用双光束干涉原理对液位测量的具体原理进行详细分析。

当进行液位测量时，传感臂PMF一部分浸入液体内，一部分仍然处在空气当中，包层模有效折射率受到周围液体和空气环境的影响而变化(位于纤芯内传输的导模没有受到周围液体的干扰而保持稳定)，所以，相位差的大小可以表示为[7]

(4)

(5)

这两部分的共同作用下，所得到的波峰表达式可以表示为

(6)

式中第一部分可以理解为空气中纤芯导模和包层模式对干涉的贡献大小;第二部分则可以理解为液体中二者对干涉光谱的贡献大小。L-Lliquid,Liquid分别表示传感臂在空气中的长度和传感臂浸入液体中的长度，随着液位的上升，Lliquid逐渐增大，L-Lliquid随之变小，式(6)中第一部分对干涉的贡献随之变弱而第二部分对干涉的贡献变强，又由于液体有效折射率大于空气有效折射率，从而使得Δneff>Δneff,liquid，所以,随着液位的不断上升，式(6)所表示的波长逐渐减小，即干涉光谱呈现蓝移的现象。

实验中,测量记录了液位大小变化范围0～20 mm的干涉光谱信息，每隔2 mm记录一次光谱信息，最终得到了图3所示的干涉光谱。图中光谱信息变化显示，随着液位的不断上升，干涉光谱出现蓝移的现象，这与上述分析很好地保持一致。因为随着PMF浸入液体当中的比例不断增加，使得式(6)所表示的第二部分在干涉现象当中所占的比例不断增加，使得谐振峰出现蓝移。值得注意的是:除了干涉光谱蓝移之外，干涉光谱同时出现了强度上的变化，这是由于随着PMF浸入液体中的长度不断增加，包层中的倏逝场损耗也不断增加，从而使得包层模的强度出现降低的现象。

图3　液位测量实验的透射光谱图Fig 3　Transmission spectrums of liquid levelmeasurement experiment

图4是干涉光谱波长漂移和强度变化的线性拟合曲线所示。随着液位变化，得到了波长漂移与强度变化的灵敏度分别为-495.6 pm/mm和0.22 dB/mm。该液位传感器所得到的传感灵敏度相比较已报到的光纤液位传感器而言进一步提高，尤其是波长漂移灵敏度更加优势明显。由于包层模在光纤包层的传输过程中会受到包层介质及周围环境介质的逐渐吸收、散射等因素的影响，使得光纤包层中的光能量会逐渐减小甚至消失而不能在包层中传播很长的距离，这也限制了所设计的内嵌式错位熔接保偏光纤液位传感器测量范围的提高，从而使得这类光纤液位传感器应用范围局限在液位变化相对较小的范围使用的时候优势才会更加明显，如若应用在液位变化范围比较大的领域可以采取多个传感臂平行并联的方式来增加传感器的测量范围。

图4　干涉光谱的线性拟合Fig 4　Linear fitting of interference spectrums

实验中，液位测量的过程是在室温环境(25 ℃)中进行的，为了进一步了解所述液位传感器的温度特性，在图5中具体给出了其进行了温度特性分析情况。为了减少液位信息变化带来的影响，温度实验选择在温控箱中进行，每间隔10 ℃记录一次，对干涉光谱在温度变化范围20～100 ℃间进行了测量,并且得到了其温度灵敏度系数为13 pm/℃。

图5　温度特性线性拟合Fig 5　Linear fitting of temperature characteristics

3结论

本文利用沿着PMF纤芯快轴方向错位熔接的方式完成了一种内嵌式MZ干涉式液位传感器的设计及实验分析。通过对纤芯错位方向和PMF长度的实验对比完成了

对液位传感结构的优化设计，确定了最终的纤芯错位方向及偏移量大小分别为快轴方向和4.5 μm，选取的PMF长度大小为25 mm。通过干涉仪分束端的错位结构激发产生的包层模作为探测信号对液位信息的变化进行感知探测，合束端面的纤芯导模和低阶包层模产生双光束干涉。由于PMF处于两种不同折射率环境中，此两种环境中PMF长度所占比例的变化引起干涉光束光程差的改变。最后通过实验数据分析得出：其波长漂移和光强变化对应灵敏度各自为-495.6 pm/mm和0.22 dB/mm，温度灵敏系数约为13 pm/℃，在微液位测量领域有较大研究价值。

参考文献:

[1]Lai C W,Lo Y L,Yur J P.Application of fiber Bragg grating level sensor and Fabry-Pérot pressure sensor to simultaneous measurement of liquid level and specific gravity[J].IEEE Sensors Journal,2012,12(4):827-831.

[2]Kyung R S.Liquid sensors using refractive intensity at the end-face of a glass fiber connected to fiber Bragg grating [J].Sensors and Actuators A:Physical,2010,158:193-197.

[3]Sarfraz K,Stephen W J.Fiber-optic liquid-level sensor using a long-period grating [J].Optics Letters,2001,26(16):1224-1226.

[4]Shen Changyu,Zhong Chuan,Dong Xinyong.Polarization depen-dent curvature sensor based on an in-fiber Mach-Zehnder interferometer with a difference arithmetic demodulation method[J].Optics Express,2012,20(14):15407-15416.

[5]Gu Bobo,Qi Wenliang,Zhou Yanyan.Reflective liquid level sensor based on modes conversion in thin-core fiber incorporating titled fiber Bragg grating[J].Optics Express,2014, 22(10):11834-11839.

[6]Wen Xiaodong,Ning Tigang,Li Chao,et al.Liquid level measurement by applying the Mach-Zehnder interferometer based on up-tapers[J].Applied Optics,2014,53(1):71-75.

[7]Gong Huaping,Song Haifeng,Dong Xinyong.An optical liquid level sensor based on polarization-maintaining fiber modal interferometer[J].Sensors and Actuators A:Physical,2014,205(1):204-207.

[8]Li Lecheng,Li Xia,Xie Zhenhai.All-fiber Mach-Zehnder interferometers for sensing applications[J].Optics Express,2012,20(10):11109-11120.

[9]Zhong Chuan,Shen Changyu,Dong Xinyong.Temperature-insensitive optical fiber two-dimensional micrometric displacement sensor based on an in-line Mach-Zehnder interferometer[J].JOSA B,2012,29(5):1136-1140.

Research on liquid level sensor based on optical core-offset fusion splicing method along fast-axis of PMF

WANG Chao, DONG Xin-yong, CHEN De-bao, SHEN Chang-yu

(College of Optical and Electronic Technology，China Jiliang University，Hangzhou 310018，China)

Abstract:A embedded Mach-Zehnder interference(MZI) type liquid level sensor based on polarization maintaining fiber(PMF) core-offset fusion splicing along fast-axis is proposed,core-offset orientation and length of PMF are researched and discussed respectively,optical path difference of MZI is influenced by length of PMF immerged in liquid and length of PMF in air.Wavelength shifts and intensity attenuation sensitivity are -495.6 pm/mm and 0.22 dB/mm,respectively,corresponding to sensor obtained by liquid level experimental result.

Key words:liquid level; polarization maintaining fiber(PMF); Mach-Zehnder interferometer(MZI)

DOI:10.13873/J.1000—9787(2016)04—0042—03

收稿日期：2015—08—17

中图分类号：TN 252

文献标识码：A

文章编号：1000—9787(2016)04—0042—03

作者简介:

王超(1989-)，男，河北石家庄人，硕士研究生，主要研究方向为光纤传感器。

董新永,通讯作者， E—mail:xydong @cjlu.edu.cn。