1 引言

光纤传感器因具有耐腐蚀、抗电磁干扰、质量轻、体积小、灵敏度高等优点而被广泛运用到折射率^[1-4]、温度^[5-6]、应变^[7-8]、磁场^[9-10]、曲率^[11]等多种物理量的测量中。利用光纤传感器测量折射率(RI)在化学分析、生物医学、海洋科学等领域有着广泛的应用。

对于光学传感器的性能参数,当前的研究大多只关注某一指标的优化,如传感器的灵敏度、传感信号稳定性、系统温度交叉敏感特性、探测器分辨率等,鲜有以上各因素对传感精度综合影响的分析,这使得各光学传感器在性能方面各有优劣,难以比较。2008年,White等^[12]提出采用探测极限来表征光学传感系统的传感精度。通过综合考虑传感灵敏度、传感信号稳定性、温度交叉敏感特性和探测器分辨率等因素对光学传感系统性能的影响,获得了可被精确测量的最小的传感量变化,并将其定义为传感系统的探测极限。探测极限为系统分辨率和传感灵敏度的比值。传感系统输出信号的信噪比(SNR)和半峰全宽(FWHM)的改善能使传感信号的稳定性更好,从而优化系统的分辨率,获得更低的探测极限。

近几年,激光器内腔传感技术作为一种新型的传感方法被广泛研究。这种方法将传感单元作为调制器件插入激光器谐振腔内,不仅提高了传感系统的灵敏度^[13-14],而且使整个系统的输出信号具备了激光信号高SNR、窄FWHM的特性,从而优化了传感系统的探测极限。

本文报道了一种基于光纤激光器内腔调制的低探测极限折射率传感器。通过软件模拟研究了基于单模-无芯-单模(SNCS)全光纤多模干涉结构的折射率和温度响应特性。在模拟结果的指导下,选择合适长度的无芯光纤制成SNCS光纤结构,并将其作为损耗调制器件插入光纤激光器环形腔中,获得单调的传感特性,折射率传感信号具有高SNR、窄FWHM的特点。光信号经SNCS光纤结构调制多次后,折射率传感灵敏度大幅提高。基于激光器内腔调制的传感系统具有高SNR、窄FWHM和高灵敏度的特性,实现了传感系统低探测极限的折射率测量。实验结果表明,传感系统输出信号的SNR大于49 dB,FWHM小于40 pm,在1.3330~1.3624折射率范围内的灵敏度为0.54 mW/RIU,在10~50 ℃温度范围内的灵敏度为0.037 μW/℃,折射率探测极限可达到7.3×10^-7 RIU。与分立式无源光纤传感系统相比,基于激光器内腔调制的传感系统的折射率探测极限大幅优化。本传感系统具有输出稳定、温度交叉敏感小的特点。

2 全光纤多模干涉结构工作机理及探测极限

2.1 全光纤多模干涉结构的工作机理及传感特性仿真

SNCS光纤结构如图1所示。一段长度为L的无芯光纤(NCF)熔接在两段完全相同的普通单模光纤(SMF)之间,构成单模-无芯-单模的光纤结构。当光从一段SMF入射到NCF中时,由于两者的结构参数不同,NCF中会激发出一系列高阶本征模式。

图 1. SNCS光纤结构示意图

Fig. 1. Schematic of SNCS fiber structure

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在NCF与输出SMF熔接处,NCF中的各阶模式场能量将会再次耦合到输出SMF中。整个结构的传输特性可以表示为^[15]

T(λ)=∑i,j=1Nηi2ηj2×cos[(βi-βj)L],(1)

式中:N为NCF中可以容纳的模式总数;β_n为第n阶模式的纵向传播常数;η_n为第n阶模式的激发系数。η_n可以通过入射场分布与第n阶模式场分布的重叠积分得到^[15],即

ηn=∫0∞E(r,0)Ψn(r)rdr∫0∞ΨnrΨn(r)rdr,(2)

式中:E(r,0)为SMF输入的光场分布;Ψ_n(r)为NCF中激发的第n阶模的模场分布。根据(1)式可以看出,对于某一波长,当NCF中的各阶模式传输到输出SMF处的相位差均为2π的整数倍时,NCF在该位置重现了输入基模场的分布,此时整个SNCS光纤结构的透射损耗最小,对应波长处产生一个透射峰,即自成像峰。

当外界其他条件不变,只改变NCF周围环境的折射率时,会导致NCF中各模式的激发系数η_n和传播常数β_n发生改变,最终导致自成像峰移动。利用这种现象便可对外界折射率进行传感。

根据表1中的光纤参数,本课题组分别模拟了SNCS光纤结构的折射率特性以及其在空气(RI为1)中的温度特性。为使SNCS光纤结构在空气中的自成像峰约为1530 nm左右,NCF的长度取59 mm。

SNCS光纤结构折射率特性的模拟结果如图2(a)所示,可见:随着折射率增加,自成像峰波长

从1544.61 nm红移到1549.42 nm,折射率灵敏度为136.10 nm/RIU。环境温度的改变也会对自成像峰的位置产生影响,其温度交叉敏感特性的模拟结果如图2(b)所示。由图2(b)可见:随着温度升高,自成像峰波长从1533.02 nm红移到1533.54 nm,温度灵敏度为10.57 pm/℃。模拟结果表明,SNCS光纤结构具有温度交叉敏感小的特性。

图 2. SNCS光纤结构传感特性的模拟结果。(a)折射率特性;(b)温度特性

Fig. 2. Simulated sensing characteristic of SNCS fiber structure. (a) Refractive index characteristic; (b) temperature characteristic

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2.2 传感系统探测极限

传感系统的探测极限可定义为系统可被精确测量的最小的传感量变化。对于传感系统来说,探测极限不仅跟传感灵敏度有关,还需要综合考虑传感信号稳定性、温度交叉敏感以及探测器分辨率等因素的影响。传感系统的探测极限D与系统分辨率R、系统折射率灵敏度S的关系为^[12]

D=RS,(3)

式中:系统分辨率R包括整个系统传感信号的稳定性(s_{stab-included})、温度交叉敏感特性(s_{temp-included})、探测器分辨率(s_res-included)。用综合考虑所有误差因素的(4)式计算系统的分辨率:

R=3σ=3σstab-included2+σtemp-included2+σres-included2。(4)

在光纤传感系统中,传感信号SNR和FWHM的优化能减小相对强度噪声,使输出的传感光谱更稳定。传感光谱的波动与信号SNR和FWHM的关系可表示为^[12]

σstab-included≈Δλ4.5·rRSN0.25,(5)

式中:σ_{stab-included}为传感光谱波动的标准差;Δλ为传感信号的FWHM;r_RSN为传感信号的SNR。根据(5)式结合(3)~(4)式可知,传感信号SNR和FWHM的优化能提高传感光谱的稳定性,从而提高系统的分辨率,优化系统的探测极限。

3 基于多模干涉结构的折射率传感系统实验及探测极限分析

分别对基于SNCS光纤结构的分立式无源传感系统和激光器内腔传感系统的探测极限进行分析。

3.1 基于多模干涉结构的分立式无源折射率传感系统

在分立式无源传感系统中,将SNCS光纤结构的一端与宽带光源连接,另一端接入光谱仪(AQ6370,光谱分辨率为0.02 nm)。根据文献[ 18]中室温下氯化钠溶液的质量分数与其折射率的经验公式分别配制了RI分别为1.3349、1.3402、1.3452、1.3499、1.3544、1.3586、1.3626、1.3665、1.3701的9种溶液。保持外界温度不变,分别测量SNCS光纤结构在不同折射率的氯化钠溶液中的透射谱,结果如图3(a)所示,可见:当外界折射率从1.3349增加到1.3701时,自成像峰波长从1546.13 nm红移到1550.44 nm。图3(b)为自成像峰波长与外界折射率的线性拟合结果,灵敏度为125.23 nm/RIU。

由于光纤的热光效应和热膨胀,NCF的折射率、半径和长度均会随温度变化而发生改变,导致自成像峰发生漂移。将SNCS光纤结构置于空气中,随着环境温度从30 ℃上升到80 ℃,其自成像峰波长从1534.67 nm红移到1534.97 nm,如图3(c)所示。图3(d)为自成像峰波长与外界温度的线性拟合结果,温度灵敏度为6.11 pm/℃。由于SNCS光纤结构没有复杂的微结构,温度改变导致结构的相对变化较小,因此该结构的热膨胀效应较小。与传统的光纤拉锥结构^[19]相比,SNCS光纤结构具有折射率传感灵敏度高、温度交叉敏感小的特点。实验中采用商用温度传感器(SBE 39 plus Temperature Recorder,分辨率为0.01 ℃)对系统进行温度补偿,获得温度引起的误差范围约为-0.031~0.031 pm,相应的标准差σ_{stab-included}=0.018 pm。

图 3. SNCS光纤结构传感特性的实验结果。(a)折射率特性;(b)自成像峰波长与外界折射率的关系;(c)温度特性;(d)自成像峰波长与外界温度的关系

Fig. 3. Experimental sensing characteristic of SNCS fiber structure. (a) Refractive index characteristic; (b) the relationship between self-imaging wavelength and external refractive index; (c) temperature characteristic; (d) the relationshipbetween self-imaging wavelength and external temperature

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在系统输出波长稳定性的分析中,本课题组将SNCS光纤结构置于具有稳定折射率的溶液中,控制溶液温度,通过光谱仪监测自成像峰波长的波动。结果表明,自成像峰的波动小于0.1 nm,相应的波动的标准差σ_{stab-included} =0.017 nm。

分立式无源传感系统的探测极限需要综合考虑系统灵敏度、信号波长稳定性、温度交叉敏感特性以及光谱仪的波长分辨率。系统所使用的光谱仪的波长分辨率为20 pm,引起的误差范围为-10~10 pm,相应的标准差(σ_res-included)为5.77 pm。系统温度交叉敏感特性标准差σ_{temp-included} =0.018 pm,输出稳定性标准差σ_{stab-included}=0.017 nm。利用(4)式获得基于SNCS光纤结构的无源传感系统的折射率分辨率为53.86 pm,结合系统的灵敏度(125.23 nm/RIU),通过(3)式可得到系统的折射率探测极限为4.3×10^-4 RIU。

3.2 基于多模干涉结构的激光器内腔折射率传感系统

为获得高灵敏度、高SNR和窄FWHM的传感信号,实现更高的探测极限,将SNCS光纤结构作为损耗调制器件插入光纤激光器环形腔内。环境折射率的改变使SNCS结构光纤的透射谱发生漂移,从而调制光纤激光器腔内的运行损耗。通过测量光纤激光器的输出功率,解调得到环境的折射率信息。整个内腔调制传感系统如图4所示。在光纤激光器环形腔中,3 m长的掺铒光纤(EDF)作为增益介质,980 nm的抽运光源(VLSS-980-M)通过波分复用器(WDM,980 nm/1550 nm)对其进行抽运,抽运功率为200 mW。隔离器用来保证腔内光的单方向运转。耦合器的10%端口输出到光谱仪(AQ6370,光谱分辨率为0.02 nm),90%端口将大部分能量反馈回环形腔中。布拉格光栅(FBG)作为波长选择器件,通过环形器插入环形腔中,系统所使用的FBG波长约为1532 nm。SNCS结构光纤的一端与光纤反射镜相连,形成反射式传感结构。反射式传感结构作为边缘滤波器,通过一个环形器插入环形腔中。该结构的优势在于光信号两次通过SNCS光纤结构进行损耗调制,增强了调制深度,进而提高了折射率传感的灵敏度,实现了系统探测极限的优化。

图 4. 内腔调制折射率传感系统示意图

Fig. 4. Schematic of refractive index sensing system based on intracavity modulation

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为了获得单调的传感特性,本课题组通过模拟预估了SNCS光纤结构透射谱的最大漂移量,最终确定系统中所使用的NCF长度为60 mm。SNCS光纤结构在水中的自成像峰位于1525.13 nm处。将反射式传感结构浸没在不同折射率的氯化钠溶液中,传感结构的折射率响应特性如图5(a)所示,可见:随着环境折射率从1.3330增加到1.3633,反射式传感结构在FBG波长处的插入损耗从-12.92 dB减小到-10.57 dB,整个基于激光器内腔调制的传感系统的输出逐渐增加。光谱随环境折射率的变化如图5(b)所示,可以看出,输出信号的FWHM小于40 pm。图5(c)为传感系统输出信号SNR随折射率的变化关系,可见:输出信号的SNR在折射率为1.3330时最小,且随着折射率的增大而线性增加;系统的SNR大于49 dB。

本课题组通过实验分别研究了基于激光器内腔调制的传感系统的折射率和温度响应特性以及FBG温度对传感系统输出功率的影响,并分析了传感系统的输出稳定性。将反射式传感结构浸没在氯化钠溶液中,用功率计(OMM-6810B,ILX Lightwave,分辨率为1 pW)分别测量不同折射率和不同温度下传感系统的输出功率。获得的内腔调制传感系统的传感响应特性如图6所示。图6(a)为传感系统输出功率随外界折射率的变化,可以看出:随着环境折射率增加,传感系统的输出功率迅速增加,线性拟合可得折射率的灵敏度为0.54 mW/RIU。图6(b)为传感系统输出功率与环境温度的关系,线性拟合可得到温度灵敏度为0.037 μW/℃。结果表明,传感系统的温度交叉敏感小。为了进一步优化系统的探测极限,同样在实验中采用商用温度传感器(SBE 39 plus Temperature Recorder,分辨率为0.01 ℃)对系统进行温度补偿,得到温度引起的误差范围约为±0.185 nW,相应的标准差σ_{temp-included} =106.81 pW。

图 5. (a) FBG的反射谱及反射式传感结构的折射率响应特性;(b)内腔调制传感系统输出的折射率特性;(c)内腔调制传感系统输出信号的SNR与折射率的关系,插图分别是折射率为1.3330和1.3624时传感系统的输出光谱

Fig. 5. (a) Reflective spectrum of FBG and the refractive index response characteristic of the reflective sensing structure; (b) refractive index characteristic of the sensing system based on intracavity modulation; (c) the relationship between refractive index and SNR of the sensing system based on intracavity modulation, and the inserts are theoutput spectra of the sensing system at refractive indices of 1.3330 and 1.3624, respectively

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图 6. 内腔调制传感系统输出功率与外界折射率、温度的关系。(a)折射率线性拟合曲线;(b)温度线性拟合曲线;(c)传感系统输出功率与FBG工作环境温度的关系;(d)传感系统的输出稳定性

Fig. 6. Relationship between output power of the sensing system and the external refractive index or temperature. (a) Linear fitting curve of refractive index; (b) linear fitting curve of temperature; (c) relationship between output power of the sensing system and the working temperature of FBG; (d) output stability of the sensing system

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作为环形激光器的选频器件,FBG也是一个温度敏感元件。FBG工作环境温度的改变会导致其谐振波长的变化,最终引起传感系统输出光功率的变化,因此本课题组通过实验研究了FBG温度对传感系统的影响。将传感探头置于水中(RI为1.3330),温度控制在25 ℃,在传感探头保持恒温的情况下,利用半导体制冷贴片(TEC)改变FBG的温度,通过功率计监测传感系统的输出功率,实验结果如图6(c)所示。实验表明,FBG温度改变引起系统输出光功率的变化率为0.01 μW/℃,达到了与传感探头温度交叉敏感相同的量级。因此,为了减小FBG温度对传感系统测量的影响,在系统中加入TEC对FBG实施温度控制,使FBG的温度稳定在25 ℃左右。

稳定性是传感系统的另一重要指标。将传感探头置于稳定折射率的环境中,温度控制在25 ℃,通过功率计监测传感系统输出功率的波动。实验分别获得了折射率为1.3330、1.3451、1.3565、1.3624时输出功率的变化,监测时长为24 h,结果如图6(d)所示,可见:传感系统输出功率的波动不超过0.14 μW,测量误差小于0.3%,相应的波动的标准差(σ_{stab-included})不超过76.6 pW。这说明该系统表现出了良好的传感稳定性。

激光器内腔传感系统的探测极限需要综合考虑系统灵敏度、输出功率稳定性、温度交叉敏感特性以及功率计的分辨率。系统所使用的功率计的分辨率为1 pW,引起的误差范围为-0.5~0.5 pW,相应的标准差(σ_res-included)为0.2887 pW。系统的温度交叉敏感特性标准差σ_{temp-included} =106.81 pW,输出稳定性标准差σ_{stab-included} =76.6 pW。利用式(4)获得激光器内腔传感系统的折射率分辨率为394.31 pW,结合系统的折射率灵敏度(0.54 mW/RIU),通过(3)式获得传感系统的折射率探测极限为7.3×10^-7 RIU。与无源传感系统相比,激光器内腔调制技术大幅优化了系统的折射率探测极限,实现了折射率的高精度测量。基于内腔调制的传感系统的所有性能参数如表2所示。

4 结论

采用基于激光器内腔调制的传感技术,将SNCS结构光纤作为折射率传感单元插入光纤激光器环形腔内调制谐振腔的运行损耗,获得了高灵敏

度、高SNR和窄FWHM的传感信号,从而实现了低探测极限的折射率测量。传感系统的折射率探测极限可达7.3×10^-7 RIU。传感系统具有输出稳定、温度交叉敏感小的特点,在高精度生物化学传感、海洋环境监测等领域具有一定的应用潜力。