周雨萌,赵春柳,时菲菲,李裔,董新永

(中国计量学院光电子技术研究所,杭州310018)

基于单模光纤的双锥级联干涉型角度传感器

周雨萌,赵春柳,时菲菲,李裔,董新永

(中国计量学院光电子技术研究所,杭州310018)

提出了一种结构简单且具有高灵敏度的光纤角度传感器.该传感器传感头由普通单模光纤经过CO2激光器刻写形成两段参数不同的锥形光纤.当信号光通过级联光纤锥区时,第一级锥区激发出的包层模传播一段距离后,在第二级锥区与芯模发生干涉.当角度变化时,两锥之间的距离即光程差将发生改变,同时光纤弯曲时纤芯模与包层模之间的模式耦合情况也发生变化,从而使干涉峰产生移动.实验结果表明,当角度值在0.057 5◦～0.075 0◦的范围内变化时,测量精度可以达到601.8 nm/(◦).

角度传感器;锥形光纤;双锥级联;模式干涉仪;光纤传感器

光纤传感技术的出现为常规物理量的测量提供了一种全新的方法.目前,光纤传感器已经在折射率、温度、应力、位移、曲率等物理量测量中得到了广泛应用[1-5].角度测量在工业中的应用非常广泛.例如,通过测量角度值,可以得知汽车的方向状态并加以控制,以实现自动驾驶;可以通过角度控制机器人机械臂的运动;在航空领域可以检测飞机飞行时的倾角以保证飞行安全[6-7].通常基于光纤结构的角度传感器的灵敏度比较低,结构比较复杂,制作也比较困难.例如一种基于马赫泽德(Mach-Zehnder,M-Z)干涉原理的角度传感器[8],在一段很短的高掺铒的光纤中制作两个锥形区,第一个锥区使部分纤芯模转换成包层模,并在第二个锥区重新与芯模发生耦合,当角度从0◦变化到32◦时,干涉峰的最大位移可以达到40.8 nm.

上述研究采用氢氧焰对掺杂光纤进行加热时,时间长达5 min,其形成锥形结构的过程比较缓慢.本工作提出了一种基于单模光纤的双锥级联干涉型角度传感器,利用CO2激光器在普通单模光纤上按一定间隔连续刻写两个锥形区,采用瞬间高温的方式使单模光纤中产生锥形结构,使其对弯曲等结构的变化更加敏感.当光信号通过第一级锥区时,包层模被激发出来,传播一段距离后在第二级锥区与芯模发生干涉.当角度发生变化时,第一级锥区会发生弯曲,所激发出的包层模发生改变,同时芯模和包层模的有效折射率也会发生改变.另外,角度变化也使锥区的长度即光程差发生改变,最终导致干涉峰发生移动,因此可以根据干涉峰的移动来确定角度的变化情况.实验结果表明,所设计传感器在一定的范围内有良好的线性度,且具有很高的灵敏度,当角度在0.057 5◦～0.075 0◦之间变化时,灵敏度可达601.8 nm/(◦).如果采用分辨率为20 pm的光谱仪,在上述范围内角度的测量精度可以达到3.3×10-5◦.

1 传感原理

1.1 传感器制作

图1为传感器制作原理,其中OSA为光学频谱分析仪(opticalspectrumanalyzer),BBS为宽带光源(broad band source).可见,基于单模光纤的角度传感器包括一段入射光纤、一段级联双锥光纤和一段出射光纤.级联双锥光纤作为传感头,由CO2高频脉冲激光器(CO2-H10, Han’s Laser)在普通单模光纤上刻写而成,CO2激光器的峰值输出功率为10W.单模光纤固定在两个可位移平台上,平台的纵向移动可以改变单模光纤的刻写位置.经过第一次刻写,光纤会发生微小弯曲形变,长度会变长.为使下一次刻写状态更稳定,所以在刻写的同时,在单模光纤的一端悬挂一个20 g的砝码,使光纤始终处于自然拉伸状态.CO2激光器产生的脉冲光照射在单模光纤上时,被刻写区域发生熔融变形,在砝码的拉伸下形成锥形结构.完成第一次刻写后,将光纤向左移动10 mm,用同样的方法刻写第二级锥形结构.在刻写过程中利用光源和光谱仪进行实时在线监控,采用1 540～1 640 nm的宽光谱光源作为信号输入,输出利用分辨率为20 pm的高分辨率光谱分析仪(Yokogawa AQ6370)进行测量.

图1 传感器制作原理Fig.1 Fabrication setupof the proposed structure with two cascaded tapers

当单模光纤完成第一次刻写时,由于只存在一级锥形结构,不能发生干涉,透射光谱约有15 dB的损耗.当第二级锥形结构产生时,输出光谱有明显的干涉现象.通过多次实验表明,当两级锥区的结构大小不同,即右边第二级锥形结构的腰锥直径小于左边第一级时,干涉现象会更加明显.如图2所示,虚线表示只有一级锥形结构时透射光谱相对光源的变化,实线表示间隔为8 mm的双锥级联时透射光谱相对光源的变化,两级腰锥的锥腰直径分别为66.4和94.0µm,锥区长度分别为174和145µm.在光谱分析仪中可以观察到两个明显的干涉主极小,第一主极小和第二主极小的波长分别为1 502和1 553 nm,消光比分别为25和15 dB.

图2 两次刻写透射光谱Fig.2 Transmission spectra of the structureswith one taper and with two cascaded tapers

1.2 实验原理

角度传感器的实验测量装置如图3所示.本实验中,左边的第一级锥形结构固定在左边的固定平台上,而右边的第二级锥区受右边可位移平台的控制.两个位移平台的间距为40 mm.通过横向移动位移平台,可以使角度值发生改变.为精确控制角度变化,右边的位移平台每次横向移动0.1mm.

图3 角度传感器实验装置F ig.3 Testing setupof the proposed angle sensor

从宽带光源发出的信号光沿着单模光纤经过第一个锥区时,会激发出一些有效折射率不同的包层模.由于第二级锥区的锥腰直径小于第一级,这些包层模将在经过第二个锥区时与纤芯模重新耦合,发生模式干涉.当图3中的角度值θ发生变化时,第一级锥区发生弯曲,弯曲的程度会影响激发出的包层模与纤芯模的比例.同时,纤芯模和包层模的等效有效折射率将发生变化.另外,随着角度值的增加,平台的横向移动会对中间的单模光纤产生拉伸,使锥区的长度发生变化,改变了芯模和包层模传播的光程差.

当两模式之间的光程差为半波长的奇数倍时,干涉峰的谐振波长可以表示为

式中,k为整数,L为两锥区的距离,nco和ncl,m分别为芯模和第m阶包层模的有效折射率.实验结果表明,当角度值随着平台的移动发生变化时,L,nco和ncl,m值都发生变化,最终使谐振波长发生改变.

2 实验结果

干涉光谱随角度的变化关系如图4所示.可以看出,当角度增加时,谐振中心波长向长波方向移动.由于角度变化很小,当右边的位移平台每次移动0.1 mm时,角度近似增加0.002 5◦,当位移平台从原点横向移动3.0 mm时,角度值从0◦增加到0.075 0◦,第二谐振谷中心波长则从1 547.889 6 nm增加到1 565.385 4 nm.由于两个谐振光谱由不同的包层模与纤芯模发生干涉,不同的包层模对角度有不同的敏感特性,而形成的第二个谐振谷的包层模对角度更敏感,所以其灵敏度高于第一个谐振谷.这里采用第二个谐振谷进行角度测量.

图4 干涉光谱随角度值的变化Fig.4 Transmission spectra of the proposed sensor at diff erent testing angles

第二谐振谷的中心波长与角度的关系如图5所示.可以看出,中心波长与角度值分段成线性关系,其斜率即为角度传感器的灵敏度.在0◦～0.017 5◦的范围内,传感器灵敏度为28.646 nm/(◦),线性拟合度为0.902 2;在0.017 5◦～0.040 0◦的范围内,其灵敏度为208.21 nm/(◦),线性拟合度为0.992 7;在0.040 0◦～0.057 5◦和0.057 5◦～0.075 0◦的范围内,其灵敏度分别为139.5和601.8 nm/(◦),线性拟合度分别为0.955 8和0.996 2.实验结果表明,所设计传感器具有较高的灵敏度,若采用20 pm精度的光谱分析仪进行测量时,在0.057 5◦～0.075 0◦的范围内,角度分辨率可达3.3×10-5◦.值得注意的是,传感器在不同的角度范围内具有不同的灵敏度,其主要原因可能是由于当角度值在不同范围内变化时,锥形结构所激发出的包层模式不同,导致包层模式总等效折射率不同,最后谐振中心波长在L,nco和ncl,m三者的共同作用下发生移动.

3 结果分析

为了分析光纤中模式的干涉情况,采用快速傅里叶变换(fast Fourier transformation, FFT)对光谱进行频谱变换.如图6所示,当角度在0◦～0.075 0◦范围内变化时,在0～0.15的频率点之间存在1个主极大和7个次极大,每个极大值都由光纤基模与一个或多个包层模干涉而产生.位于0.02频率点的主极大值对应光纤基模与低阶的包层模的干涉谱,余下的次极大值则由光纤基模与其他较高阶的包层模干涉产生.当角度发生变化时,各极大值频率及幅度发生变化,其主要原因是角度变化时,与基模发生干涉的包层模阶数以及比例变化使得干涉谱发生改变.

图5 谐振谷中心波长随角度值的变化Fig.5 Relationships of the interference dipwavelength with the applied angle

图6 干涉光谱FFT频谱图F ig.6 FFT of the interference spectra of the proposed sensor at diff erent applied angle

从图6中还可以看出,当角度值改变时,各次极大与主极大的幅值比例不断变化;同时与纤芯模发生干涉的包层模的各阶次比例发生变化,或者有更高阶的包层模与纤芯模发生干涉,使干涉谱频域的中心频率发生改变.由于干涉是由一个或多个包层模与纤芯模发生干涉,在不同的角度段光纤中激发出新的包层模与纤芯模发生干涉,有的包层模对角度敏感度高,有的敏感度低,总干涉谱的灵敏度是由一个或多个包层模与纤芯模共同作用的结果,最后导致不同的角度段灵敏度不同.

4 结束语

本工作提出了一种基于单模光纤的双锥级联干涉型角度传感器.包层模在第一级锥区被激发出来,沿着单模光纤传播一段距离后在第二级锥区与纤芯模发生干涉.当角度值发生改变时,纤芯模与包层模的光程差发生改变.同时,弯曲的第一级锥区能激发出更多的高阶的包层模,使得发生干涉的纤芯模和包层模的比例与成分发生变化,最终导致了干涉谐振谷发生移动.通过检测干涉谐振谷的移动,可以得到角度值的变化.在一定的角度变化范围内,中心波长与角度值具有良好的线性度.当角度值在0.057 5◦～0.075 0◦范围内变化时,测量精度可以达到601.8 nm/(◦),若采用分辨率为20 pm的光谱分析仪,其角度测量精度可达3.3×10-5◦.另外,所设计角度传感器制作简单,成本低廉,可以广泛应用于工业生产中.

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Ang le sensor with two cascad ing ab rupt-taper based on in terferometer and single mode optical fiber

ZHOU Yumeng,ZHAO Chunliu,SHIFeifei,LIY i,DONG Xinyong
(Institu te of Optoelectronic Technology,China Jiliang University,Hangzhou 310018,China)

This paper proposes a simple-fabricated and high sensitive angle sensor based on singlemode optical fiber.The sensor consists of two cascading abrupt-taperswith different sizes,fabricated with CO2laser.The cladding modes are excited in the fi rst taper and interfered with the core mode in the second taper.W hen an angle applied on the sensor,length between the two tapers changes.At the same time,the fi rst taper is bent, aff ecting the ratios and eff ective indices of the coremode,and the cladding modes excited by the fi rst taper.As a consequence,the interference pattern has a shift.By monitoring the shift,anglemeasurement is achieved.Experimental results show that the sensor has a good linear relation in a certain measurement range.Sensitivity of the anglemeasurement is as high as 601.8 nm/(◦)between 0.057 5◦and 0.075 0◦.

angle sensor;tapered fiber;two cascading abrupt-taper;modal interferometer;fiber sensor

TN 29;TN 25;O 436.1

A

1007-2861(2017)04-0543-06

DO I:10.12066/j.issn.1007-2861.1714

2015-08-19

浙江省自然科学基金资助项目(LY 17F050010)

赵春柳(1973—),女,教授,博士,研究方向为光纤传感技术.E-mail:zhchunliu@hotmail.com