基于二模-单模微纳光纤Sagnac环的高灵敏度光纤温度传感器.docx资源-CSDN文库

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提出并研究了一种基于二模-单模光纤复合型微纳光纤 Sagnac 环（TS-MSL）的高灵敏度

光纤温度传感器。TS-MSL 采用两段单模光纤中间熔接一段二模光纤并经熔融拉锥制备而

成，基于聚二甲基硅氧烷（PDMS）材料进行封装。实验结果表明，TS-MSL 的光场干涉

增强效应结合 PDMS 材料的光热敏感特性，有效提升了微纳光纤的温度感知能力，实现了

高灵敏度温度传感。相比于普通单模微纳光纤 Sagnac 环，该光纤传感器的温度灵敏度提

升了 120 倍，高达 8.13 nm/℃。该传感器具有较高的灵敏度，在有毒气体和腐蚀环境等特

殊场合的精确温度监测中有较大的实用价值。

Abstract

We propose and investigate a highly sensitive fiber optic temperature sensor based on a

two-mode-single-mode microfiber Sagnac loop (TS-MSL). The TS-MSL is fabricated by

fused biconical tapering after a section of two-mode optical fiber is spliced between two

sections of single-mode optical fibers, and it is packaged by the polydimethylsiloxane

(PDMS) material. The experimental results reveal that the temperature sensing

performance of the proposed sensor is effectively improved due to the optical field

interference enhancement of TS-MSL as well as the photothermal sensitivity of the

PDMS material. The temperature sensitivity of the proposed fiber sensor is up to 8.13

nm/℃, which is about 120 times higher than that of the ordinary single-mode microfiber

Sagnac loop. With high sensitivity, the proposed temperature sensor is of high practical

significance for accurate temperature monitoring in special occasions such as toxic

gases and corrosive environments.

1　引言

近年来，随着微纳加工工艺的不断发展，微纳光纤器件成为光纤通信和传感领域的研究重

点

［1-4］

。微纳光纤温度传感器以其全光纤、灵敏度高、结构紧凑、抗电磁干扰等优势，成

为高灵敏度温度监测的重要器件，在工业过程控制、光伏器件效率、健康监测、生物分子

活动和化学反应调节等领域具有重要研究意义

［5-7］

。

当前提出的光纤温度传感器主要包括微纳光纤耦合器、法布里-珀罗光学腔和马赫-曾德尔

干涉仪等

［8-10］

。近年来很多研究者设计出新型微纳结构以提高光纤温度传感器的灵敏度。

2017 年，Militky 等

［11］

基于石英单模光纤（SMF）和高双折射光纤级联的游标效应制作出

微纳光纤环形谐振器，其温度灵敏度为-0.3 nm/K。2019 年，Cao 等

［12］

通过在 Sagnac

光纤环形区加入布拉格光纤光栅，制成混合型微纳光纤环形谐振器，将灵敏度提高到

0.033 nm/℃。2019 年，本研究组利用稀土掺杂光纤制备双花生结微纳结构，基于掺铒和

图 1. TS-MSL 超高灵敏度温度传感器结构示意图

Fig. 1. Schematic diagram of TS-MSL ultra-high sensitive temperature sensor structure

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由于芯径不匹配，光由 SMF 进入 TMF 会激发部分高阶模传输。光到达耦合区时，同时激

发奇、偶超模，二者在耦合区中传输并相互干涉，TS-MSL 输出端口的功率

［17］

为

P=Pinsin2(Δφ)P=Pinsin2(Δφ)，（1）

Δφ=2πLΔneffλ=2πL(neveneff−noddeff)λΔφ=2πLΔneffλ=2πL(neffeven-neffodd)λ，（2）

式中：P

为入射光功率；λ 为入射光波长；L 为耦合长度；Δφ 为相位差；Δn

eff

为奇、偶超

模的有效折射率差；neveneffneffeven 和 noddeffneffodd 分别为偶、奇超模的有效折射率。

当 Δφ=（2N-1）π 时，透射光谱处于波谷，此时波长

［18］

为

λN=2L(neveneff−noddeff)2N−1λN=2L(neffeven-neffodd)2N-1，（3）

式中：N 为正整数，n=1,2,3，…。当器件外界的环境温度变化时，其波谷会由于传输模式

的有效折射率和光纤长度的变化而发生偏移，波长偏移量为

ΔλN,T=λN,T+ΔT−λN,T=2(Δneff+ΔnT)(L+ΔL)2N−1−2ΔneffL2N−1ΔλN,T=λN,T+ΔT-

λN,T=2(Δneff+ΔnT)(L+ΔL)2N-1-2ΔneffL2N-1，（4）

式中：Δn

和 ΔL 分别为器件的有效折射率差和光纤长度在 ΔT 温度变化下的改变量，Δn

是由热光系数表示的，ΔL 是由热膨胀系数表示的，二氧化硅材料的热膨胀系数非常小，可

忽略光纤长度的改变量，因此式（4）可写为

ΔλN,T=ΔneffΔTλN,TΔλN,T=ΔneffΔTλN,T。（5）

由式（5）可以看出，波谷的偏移量在同样的温度变化范围内，与奇偶超模的有效折射率

差成正比。接下来对该器件的单模和二模两种情况进行仿真计算。

图 2 所示为采用光束传播算法（BPM）仿真模拟不同微纳光纤 Sagnac 环耦合区两光纤中

功率的传输与转换过程。图 2 中 mode 0、mode 1 分别表示基模与 LP

模，1、2 分别代

表监测的两条路径（两条耦合光纤），色度条代表能量强度的大小。光沿着 Z 轴由下至上

传输。在该仿真中，耦合区直径 d 设置为 5 μm，耦合区长度 L 为 1.5 mm。SMF 的包层直

径为 125 μm，纤芯直径为 8 μm；TMF 的包层直径为 125 μm，纤芯直径为 19 μm。当拉

锥完成后，SMF 和 TMF 的包层直径只有 2.5 μm 左右（纤芯在拉锥的过程中尺寸同比例减

小，可忽略不计），因此在仿真的参数设置中，忽略了 SMF 和 TMF 的纤芯尺寸。拉锥后

TMF 和 SMF 的包层与空气形成新的波导，设置 TS-MSL 周围介质折射率为 1.0，光纤包

层折射率为 1.4468。网格尺寸设为 1 μm，边界条件为理想匹配（PML）。

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