引用本文:

李聪聪,陈娜,陈振宜,等. 基于光纤熔接与抛磨技术的硅锗芯光纤F-P腔温度传感器[J]. 光通信技术,2020,44(1):6-9.

基于光纤熔接与抛磨技术的硅锗芯光纤F-P腔温度传感器

李聪聪,陈 娜*,陈振宜,刘书朋,商娅娜

(上海大学 特种光纤与光接入网重点实验室,上海 200444)

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摘要:光纤法布里-珀罗(F-P)腔传感器作为温度传感器,应用广泛。提高光纤制作材料及成分的光电特性有利于提高温度传感器的灵敏性。基于光纤熔接与抛磨技术制备了一种基于硅锗芯光纤的F-P腔温度传感器,其制备过程为:先用优化的熔接参数将普通单模光纤与硅锗芯光纤熔接,再通过光纤抛光的方式抛磨硅锗芯光纤,其长度可通过观察抛磨过程中反射光谱的自由光谱范围精确控制。实验结果表明:熔接端面光滑平整,其反射光谱的强度比单模光纤平端高7.7 dB;硅锗芯光纤F-P腔传感器具有较高的温度灵敏度,可达116.1 pm/℃。

关键词:硅锗芯光纤;光纤F-P腔传感器;温度灵敏度

中图分类号:TN256 文献标志码:文章编号:1002-5561(2020)01-0006-04

DOI:10.13921/j.cnki.issn1002-5561.2020.01.002

0 引言
       光纤传感器具有传统电子传感器难以比拟的优势,如微米尺寸、高灵敏度和适用于高温高压易腐蚀等极端环境等,被广泛应用于航空航天、医学、生物和化学等领域。光纤法布里-珀罗(F-P)腔传感器是一种常见的光纤传感器,其结构紧凑、体积小,传感距离远,可实现温度、气压、应变、折射率、液位和湿度[1]等多种物理量的传感,一直是光纤传感器研究的热点。
       温度是一种常见的物理量,用于温度传感的光纤传感器种类繁多,如光纤布喇格光栅(FBG)、长周期光纤光栅、马赫-曾德尔干涉仪和光纤F-P干涉仪等。FBG是基于熔融石英材料的光纤传感器,由于石英的热光系数较低,其温度灵敏度为10.3 pm/℃ [2];长周期光纤光栅的温度灵敏度可达100 pm/℃[3],但传感的栅区相对较长,一般有几厘米,不适于微米级别的温度检测;马赫-曾德尔干涉仪可通过熔接特种光纤、芯径不匹配结构和拉锥等多种方式制作[4-6],需通过透射谱来实现物理量的传感,结构相对不够紧凑,不适合狭小区域或远距离传感。基于F-P腔的光纤温度传感器制作方式简单多样,如镀膜、化学腐蚀、多次熔接、拼接特种光纤和激光微加工等[7-11]。
        硅具有优良的光学特性,与光纤传感器结合,可显著提高其温度检测性能。Guigen Liu等人通过紫外胶固化的方式将微米尺寸的柱体纯硅固定在单模光纤一端,构成了基于硅柱的F-P腔温度传感器,灵敏度达84.5 pm/℃[12]。由于其传感头为硅柱而非硅芯光纤,所以不是全光纤式的传感器。张绍林等人通过电弧放电法设计并制作了全光纤式的硅芯光纤F-P腔传感器,其温度灵敏度为82 pm/℃[13]。但直接通过熔接参数优化形成硅芯F-P腔,腔体长度不易控制。
        相对于硅,硅锗合金具有更佳的光电特性,载流子迁移率高,通过组分的调节,能够实现能带和光学性质的连续可调,且热光系数更高。本文基于光纤熔接和抛磨技术,研究制备光纤F-P腔的方式,以此制备腔长可控的硅锗芯光纤F-P腔温度传感器。

5 结束语
       本文基于光纤熔接与抛磨技术制备了一种基于硅锗芯光纤的F-P腔温度传感器。通过实验优化了硅锗芯光纤与单模光纤的熔接参数,熔接端面光滑平整且损耗较低。通过光纤抛磨的方式制备硅锗芯光纤F-P腔传感器,可根据抛磨过程中干涉谱的FSR精确控制其腔体长度。实验结果表明:硅锗芯光纤与单模光纤熔接端面的反射光谱强度比普通单模光纤平端高7.7 dB;硅锗芯光纤F-P腔传感器温度灵敏度较高,升温过程的温度灵敏度为114.1 pm/℃,降温过程温度灵敏度为116.1 pm/℃,且线性度好。