基于寬譜光源的多模光纖溫度傳感器理論分析

基于寬譜光源的多模光纖溫度傳感器理論分析

1測量傳感方案最近，多模光纖傳感器（mmf）再次在光纖傳感器領(lǐng)域引起了關(guān)注。其中包括利用漸變式多模光纖和具有柚子結(jié)構(gòu)的多模光纖測量溫度和應(yīng)變;利用多模光纖和長周期光纖光柵結(jié)合構(gòu)成彎曲傳感器;利用多模光纖和光纖光柵實現(xiàn)溫度應(yīng)變同時測量;以及直接在多模光纖中寫入光纖光柵等新穎的傳感方案一一被提出。而文獻提出的基于階躍式多模光纖的具有波長標(biāo)定功能的溫度傳感器,是利用多模光纖內(nèi)模式相干,在特定波長處形成凹陷,此凹陷就成為溫度標(biāo)定的特征波長,該傳感結(jié)構(gòu)可以用于高溫測量。在文中對于特征波長的確定,主要考慮兩個主要模式之間的干涉而忽略了其他模式的作用,這樣的近似不便于準(zhǔn)確確定特征波長的位置。只有考慮多模干涉效應(yīng),可以較為準(zhǔn)確地確定特征波長,從而才可以對此類傳感器進行優(yōu)化。本文利用多模式干涉分析,對階躍多模光纖溫度傳感器進行了模擬,對具有多個特征波長的溫度傳感器進行了溫度測試。并重點設(shè)計在光源ASE光譜范圍(1525～1565nm)內(nèi)具有一個主要特征波長的溫度傳感器,相應(yīng)地制作了3個長度分別為4.0cm,5.5cm和10.0cm傳感器頭。最后對其溫度響應(yīng)進行了測試。2多模光纖耦合合成系統(tǒng)的相干譜基于階躍多模光纖的溫度傳感器結(jié)構(gòu)如圖1所示,由兩根普通單模光纖和一根長度為L0和多模光纖直接焊接構(gòu)成,并放置于微玻璃管內(nèi),保證多模光纖不被彎曲。傳感系統(tǒng)由寬譜光源ASE和光譜分析儀以及計算機構(gòu)成。光源將光抽運到多模光纖傳感結(jié)構(gòu)中,由于多模光纖內(nèi)模式相干會形成不同光波長的透射能力不同,從而在特定波長處形成凹陷或凸起。凹陷較為容易判斷,因而被用來表征此傳感器,并稱為特征波長。根據(jù)線性偏振近似,光源激勵起引入單模光纖(SMF)內(nèi)的LP01模式傳輸,當(dāng)?shù)竭_多模光纖時,LP01將激勵起多模光纖內(nèi)多個線偏LP0v模式,LP0v模式通過多模光纖再次耦合到引出單模光纖到達光譜分析儀。多個線偏LP0v模式之間將發(fā)生干涉,從而形成特定的相干光譜。不同的溫度或應(yīng)力施加于多模光纖上,將改變相干譜,因此相干譜可以用來感知多模光纖周圍的溫度和應(yīng)變情況。到達光譜分析儀的相干譜s(λ)可以表達為式中N為多模光纖內(nèi)激勵起的模式數(shù)目,s0(λ)為ASE光源的光譜。ηi和ηj分別為多模光纖內(nèi)第i個和第j個模式的耦合效率,它們決定著模式LP0i和LP0j的耦合強度,可以容易利用參考文獻中模式重疊積分得到。經(jīng)過多模光纖,第i個和第j個模式的相位差Δφij可以表達為L0表示多模光纖長度。βi和βj表征模式LP0i和LP0j的傳播常數(shù),根據(jù)文獻有式中um=π(i-1/4)和un=π(j-1/4),a為多模光纖的纖芯半徑,k=2π/λ為波長為λ單色波的波數(shù),而neo則是纖芯的折射率。利用(1)式～(3)式,光通過任何長度的多模光纖,其相干譜可以被模擬。3溫度傳感器實驗3.1模擬結(jié)果和討論隨機截取了長度約為13.1cm長的多模光纖和單模光纖焊接構(gòu)成傳感頭。其透射譜如圖2(a)所示,可以看到相干譜隨著溫度增加發(fā)生了紅移。利用(1)式模擬長度約為13.08cm的多模光纖透射譜,如圖2(b)所示,其三個特征波長的位置和實驗中的接近。但由于光譜分析儀分辨率、未考慮ASE光譜結(jié)構(gòu)以及線偏振模式近似的原因,圖2(b)的光譜結(jié)構(gòu)和圖2(a)的光譜結(jié)構(gòu)有所偏差。13.1cm長多模光纖結(jié)構(gòu)投射譜中的三個特征波長,分別在1536nm,1546nm和1556nm附近。測試了這三個特征波長對溫度的響應(yīng),結(jié)果如圖3所示,分別為13.3pm/℃,12.2pm/℃和14.7pm/℃。而利用(1)式模擬的透射譜將隨溫度升高而紅移,如圖2(b)所示,可以算出溫度響應(yīng)度為13.3pm/℃。模擬所用的多模光纖的參數(shù)示于表1。實驗中得到的不同特征波長的溫度響應(yīng)明顯不同主要是由于ASE光源本身不夠平坦所致。但不同特征波長的溫度響應(yīng)有著較好的重復(fù)性,經(jīng)過標(biāo)定可以用于溫度測量。3.2傳感頭的多模光纖長度盡管帶有多個特征波長的傳感頭可以用來實現(xiàn)溫度傳感,然而多個特征波長不便于復(fù)用,因而設(shè)計在光源光譜范圍內(nèi)只有一個特征波長的傳感頭具有實際意義。通過對不同長度而其他參數(shù)如表1所示的多模光纖投射譜的計算,類似于圖2(b)所示。發(fā)現(xiàn)在1～11cm范圍內(nèi)有多個可以選擇的多模光纖長度來實現(xiàn)在ASE光譜范圍內(nèi)只有一個主特征波長的多模光纖傳感器。根據(jù)掃描計算結(jié)果,制作了多個不同長度的多模光纖傳感頭。其中長度分別為4.0cm,5.5cm和10.0cm三個樣品的透射譜如圖4(a)～圖4(c)所示。通過對比可以發(fā)現(xiàn),多模光纖越長,相應(yīng)的特征波長所在處凹陷越細(xì)銳,這樣越有利于準(zhǔn)確地確定特征波長而實現(xiàn)較為準(zhǔn)確的傳感。但實際中又希望傳感頭越小越便于應(yīng)用。因而選取構(gòu)成傳感頭的多模光纖的長度時要根據(jù)不同的需要而定。測試了三個樣品的溫度特性,結(jié)果分別為14.0pm/℃,13.1pm/℃和13.6pm/℃。其中長度為10.0cm的樣品的結(jié)果在圖4(d)給出。4多模光纖溫度傳感器優(yōu)化設(shè)計利用模式間干涉形成的具有波長標(biāo)定功能的多模光纖傳感器對彎曲和振動交叉敏感,因為彎曲會導(dǎo)致不同模式間耦合以及模式泄露。當(dāng)用作溫度傳感器時要選擇適當(dāng)?shù)姆庋b避免彎曲。同時,如圖4(a)～圖4(c)所示,此類多模光纖結(jié)構(gòu)可以實現(xiàn)帶阻型濾波功能。利用多模干涉模擬計算透射式多模光纖溫度傳感器的透射譜及溫度響應(yīng),制作了一個長度約為13.1cm的帶有三個特征波長的多模光纖傳感頭,測試其溫度響應(yīng),結(jié)果和模擬計算結(jié)果基本吻合。實驗發(fā)現(xiàn)多個特征波長都可以用來標(biāo)定溫度,但不同特征波長的漂移量略有不同,三個特征波長對溫度的響應(yīng)度分別為13.3pm/℃,12.2