袁　愿， 彭安娜， 鄧焯泳， 馮金垣

(華南理工大學(xué) 物理與光電學(xué)院,廣東 廣州 510640)

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光纖溫濕度傳感器功率響應(yīng)與涂覆層厚度關(guān)系

袁愿， 彭安娜， 鄧焯泳， 馮金垣

(華南理工大學(xué) 物理與光電學(xué)院,廣東 廣州 510640)

摘要:采用了一種基于光強(qiáng)度調(diào)制的雙包層單模光纖溫濕度傳感器，對其結(jié)構(gòu)特性和工作機(jī)理進(jìn)行研究；根據(jù)光波導(dǎo)理論推導(dǎo)出了雙包層光纖的模式場分布情況與特征方程；在傳感器的制作過程中，對光纖的腐蝕工藝、溫濕度敏感材料的選擇、涂覆方法等作出實驗分析。實驗研究表明：敏感材料的涂覆厚度對傳感器的光功率輸出響應(yīng)范圍和線性度具有很大的影響，需要控制好涂覆層的厚度，以達(dá)到理想的光強(qiáng)調(diào)制深度和響應(yīng)線性度。

關(guān)鍵詞:雙包層單模光纖傳感器； 溫濕度； 功率響應(yīng)； 涂覆層厚度

0引言

光纖傳感技術(shù)是伴隨著光導(dǎo)纖維和光纖通信技術(shù)的發(fā)展而迅速發(fā)展起來的一種新型傳感技術(shù)[1]。與傳統(tǒng)電子傳感器相比，光纖傳感器擁有耐高溫、耐腐蝕、抗電磁干擾、尺寸小、分布式測量等獨特優(yōu)點。隨著工農(nóng)業(yè)的發(fā)展和科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，對溫濕度光纖傳感器的環(huán)境適應(yīng)性和測量范圍、響應(yīng)速度、測量精度等主要指標(biāo)的要求也越來越高。雖然國外一些發(fā)達(dá)國家已經(jīng)有實用化的光纖溫度傳感系統(tǒng)[2]，但成本很高，技術(shù)還不夠成熟，目前還沒有實用且低成本的、技術(shù)成熟的光纖溫濕度傳感系統(tǒng)。

本文對光強(qiáng)調(diào)制型的雙包層光纖溫濕度傳感器制作工藝進(jìn)行研究，對功率輸出響應(yīng)特性與涂覆層厚度關(guān)系進(jìn)行實驗分析，對制作出高精度的光纖溫濕度傳感器具有重大的意義[3]。

1雙包層光纖傳感器的工作機(jī)理

1.1雙包層光纖傳感器的結(jié)構(gòu)特性

雙包層光纖傳感器的結(jié)構(gòu)如圖1所示。它是將單模階躍光纖中某一段的原包層腐蝕到剩下一定厚度后，再在其外部涂覆上敏感材料，從而在傳感段形成了雙包層結(jié)構(gòu)。其中，纖芯折射率為n1，內(nèi)包層折射率為n2，外包層折射率為n3。腐蝕后的內(nèi)包層是圓柱形的，從光波導(dǎo)理論[4]角度看，傳感段相當(dāng)于一個三層圓均勻光波導(dǎo)。外包層的敏感材料可以是溫敏材料、濕敏材料等。光纖傳感器利用光刻腐蝕和涂覆敏感材料的方法在光纖包層上直接形成的，涂覆段光纖不僅起光通道作用，而且作為敏感元件感知被測物理量(如溫度、濕度等)。

1.2雙包層光纖傳感器的工作機(jī)理分析

光是電磁波，它具有電磁波的通性，因而光波導(dǎo)[2]問題仍然是以麥克斯韋方程作為理論基礎(chǔ)的。對于二層圓均勻光波導(dǎo)的研究，國內(nèi)外的研究都已經(jīng)很多。而對于多層圓均勻光波導(dǎo)的研究，則相對較少，而且研究工作也更加復(fù)雜和困難。

圖1　雙包層光纖傳感器的結(jié)構(gòu)示意圖Fig 1　Structure diagram of double cladding fiber sensor

雙包層光纖傳感段由芯層、內(nèi)包層和外包層組成，其材料折射率徑向分布如圖2所示，可稱為W型光纖，數(shù)學(xué)模型為

(1)

其中，r為徑向矢量的模，a為單模光纖纖芯的半徑，纖芯折射率為n1；b為內(nèi)包層外半徑，內(nèi)包層折射率為n2；外包層是溫敏或濕敏等敏感材料，其折射率為n3。

圖2　雙包層光纖上材料折射率沿徑向的分布Fig 2　Distribution of refractive index of material of double cladding fiber along radial direction

求解雙包層光纖內(nèi)部的模式場分布最后歸結(jié)于求解貝塞爾方程

(2)

其中，m=0,±1,±2,…；方程解在芯層中必須是有限，所以,只能取Jm函數(shù)；在最外層，由于必須保持r→∞時光場應(yīng)該衰減到零的情況，因此,只能取Km函數(shù)。

對于如圖2所示的雙包層光纖(即n1>n3>n2)，當(dāng)n3k0<β

(3)

當(dāng)n2k0<β

(4)

當(dāng)β

(5)

式中Jm和Nm為m階貝塞爾函數(shù)，Im和Km為m階變型貝塞爾函數(shù)，A0,A1,A2和A3為歸一化系數(shù)，并定義了如下模式參量

(6)

(7)

(8)

(9)

定義兩個歸一化頻率為

(10)

(11)

其他分量可根據(jù)模式場縱向分量與橫向分量的關(guān)系式求出，即

(12)

在ε變化很小的情況下，hx，hz，ez在邊界上均是連續(xù)的，所以,原本在邊界上不連續(xù)的ey現(xiàn)在也連續(xù)了。因此，利用邊界場分量在r=a和r=b處連續(xù)的條件就可求出特征方程，要求出A0，A1，A2，A3四個歸一化系數(shù)只需要利用其中兩個分量的連續(xù)條件。

根據(jù)標(biāo)量場分量之間的關(guān)系

(13)

其中，ω 為工作頻率，β為相移常數(shù)(或稱傳播常數(shù))，ε為張量介電常數(shù)，對于弱導(dǎo)光纖，ε變化很小。本研究中的溫濕度傳感段，每層折射率變化不大，可看成是弱導(dǎo)光纖，ε可以看成是常數(shù)。

由此可得出模式場沿光纖所傳輸?shù)目偣β蕿?/p>

(14)

對光功率歸一化，可推出待定系數(shù)A0。其中，Pcore,Pcl1,Pcl2分別為纖芯、內(nèi)包層和外包層的功率分布，且

(15)

(16)

(17)

通過這樣的方法便可求出傳感段各層中的功率分布。

2光纖溫濕傳感器的制作工藝

本研究中所用的光纖是康寧SMF—28裸纖，纖芯直徑為8.3μm，包層直徑為125μm。雙包層單模光纖溫/濕度傳感器的制作工藝過程如下[5～7]：

1)用光纖剝離鉗機(jī)械地剝除原單模光纖一定長度的涂覆層，剝除長度為2cm，把去除部分涂覆層的光纖安裝在塑料板上，用2片膠布固定。

2)把光纖和塑料板一起浸泡在裝有濃度為5 %的HF溶液器皿中浸蝕，用光學(xué)顯微鏡監(jiān)測光纖殘余包層的厚度。

3)光纖包層被浸蝕到剩余想要的厚度后，用純凈水浸泡清洗2h，并烘干。

4)腐蝕后的光纖用膠帶黏貼固定在一個U型基板上，使得傳感段及其兩端5mm長度范圍內(nèi)的光纖是懸空的。

5)用2條附加的光纖分別用膠帶黏貼于傳感段兩側(cè)并盡量靠近，每條附加光纖兩端長度超過腐蝕區(qū)約2cm，用光纖鉗去除其保護(hù)層，安裝使得兩條附加光纖在傳感段兩側(cè)形成準(zhǔn)閉合區(qū)間。圖3是通過顯微鏡目鏡拍攝的閉合區(qū)一端的照片。

6)涂覆敏感材料，利用液體的表面張力，可以將任何水溶膠涂覆在閉合區(qū)間上，從而在傳感段上形成外包層。由于附加纖維直徑小，使得所涂覆的大部分外包層的厚度都很薄，這將使傳感器的響應(yīng)速度很快。

圖3　通過顯微鏡拍攝的腐蝕后的光纖一端的照片F(xiàn)ig 3　Photograph of one end of a etched fiber taken by microscope

本文中選擇瓊脂糖作為濕敏材料，用去離子水作溶劑，配制了濃度為0.37 %的水溶膠。外包層的厚度取決于涂敷材料濃度和涂敷次數(shù)。在完成外包層材料的涂覆后，將器件置于室內(nèi)讓其水分自然揮發(fā)24 h，使其含水量與室內(nèi)空氣濕度達(dá)到平衡。溫度敏感材料涉及到兩種熱敏材料，道康寧公司的OE—4110 (Dow Corning Co.)和由兩種聚合物混合的材料：聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)與聚偏氟乙烯(PVDF)。使用混合材料時，質(zhì)量比是PMMA︰PVDF = 3︰2，溶劑是二甲基甲酰胺(DMF)。在完成外包層材料的涂覆后，讓器件在約80 ℃電子加熱器上放置10 h，使溶劑完全揮發(fā)。

3功率輸出與涂覆層厚度關(guān)系實驗

本實驗在制作濕度傳感器過程中，選用同一條光纖，其選用濃度為0.37 %的瓊脂糖作為涂敷材料。

圖4為分別涂覆2,5,10,20次時的功率輸出響應(yīng)曲線。可以看出:當(dāng)涂覆次數(shù)不同時，傳感器的功率損耗值也不同。另外，功率輸出響應(yīng)曲線的線性也隨涂覆厚度的改變而改變，將圖4中涂覆2次和10次時的功率輸出響應(yīng)進(jìn)行比較，很明顯看出涂覆2次和10次的響應(yīng)曲線在30～100 %RH范圍具有單調(diào)響應(yīng)。

圖4　涂覆不同次數(shù)時濕度傳感器的光功率損耗Fig 4　Optical power loss of humidity sensor with different coating times

圖5為當(dāng)涂覆11次，隨著溫度的不斷增長光功率也相對穩(wěn)定減小，光功率變化范圍約為-13～-3 dB。圖6為當(dāng)涂覆15次時，檢測了2次的結(jié)果，2次結(jié)果相類似，光功率變化范圍約為10～18 dB。可以看到涂覆的厚度不同，溫度傳感器的光功率損耗也不同。

4結(jié)論

本文研究的溫濕度傳感器采用雙包層結(jié)構(gòu)，外包層折射率的改變可以實現(xiàn)光強(qiáng)調(diào)制。在理論分析的基礎(chǔ)上，對傳感器的制作工藝進(jìn)行了研究，包括光纖的腐蝕工藝、溫/濕度敏感材料的選擇、涂覆方法等。在傳感器的制作過程中進(jìn)一步發(fā)現(xiàn)，通過實驗分析發(fā)現(xiàn)敏感材料的涂覆厚度對傳感器的光功率輸出響應(yīng)范圍和線性度都有很大的影響，因此，在制作傳感器時需要控制好涂覆層的厚度，以達(dá)到理想的光強(qiáng)調(diào)制深度和響應(yīng)線性度。

圖5　涂覆11次時溫度傳感器的光功率損耗Fig 5　Optical power loss of temperature sensor with 11 times coating

圖6　涂覆15次時溫度傳感器的光功率損耗Fig 6 Optical power loss of temperature sensor with 15 times coating

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袁愿 (1990- ),女,湖北孝感人，碩士研究生,助教,主要研究方向為光電子與光電技術(shù)。

Relationship between power response and thickness of coating layer of optical fiber temperature/humidity sensor

YUAN Yuan， PENG An-na， DENG Zhuo-yong， FENG Jin-yuan

(School of Physics and Optoelectronics,South China University of Technology,Guangzhou 510640,China)

Abstract:A double cladding single-mode fiber temperature/humidity sensor based on light intensity modulation is adopted and its structure characteristics and working mechanism are studied.According to optical waveguide theory,mode field distribution and characteristic equation of double cladding fiber are deduced.Corrosion technology of optical fiber,choice of temperature/humidity sensitive material and coating methods are experimentally analyzed.It is found that coating thickness of sensitive materials has great influence on range and linearity of light power output response,so it needs to control thickness of coating layer,in order to achieve ideal modulation depth of light intensity and response linearity.

Key words:double cladding single-mode fiber sensor; temperature/humidity; power response; thickness of coating layer

作者簡介:

中圖分類號:TN 253

文獻(xiàn)標(biāo)識碼:A

文章編號:1000—9787(2016)01—0011—03

收稿日期：2015—04—17

DOI:10.13873/J.1000—9787(2016)01—0011—03