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弱耦合多芯光纤锥形高温传感器
摘要
提出了一种基于弱耦合多芯光纤（MCF）的新型高温传感器，并进行了实验验证。 传感器由夹在两个标准单模光纤（SMF）之间的弱耦合MCF锥形组成。 从理论上和实验上研究了温度传感机理。 为了消除传感器中残余应力的影响并提高传感器的高温可持续性，还研究了所提出的传感器的退火技术。 通过所提出的技术退火的传感器通过实验证明能够测量高达1000℃的温度，灵敏度为36.8pm/℃。
1.导言
在涡轮机、燃烧室、核反应堆和航空航天系统等超高温环境中进行准确可靠的温度测量，对于安全、高效的运行和控制至关重要。光纤传感器具有小型化、轻量化、抗电磁干扰、抗腐蚀、远程检测等优点，适用于此类环境。
多年来，各种基于光纤的传感结构已被广泛研究用于温度传感，其中基于光栅的结构，如光纤布拉格光栅（FBG）[1,2]和长周期光栅（LPG）[3]当放置在高温环境中时，总是遭受光学性能的降低和共振峰的热漂移。为突破高温测量的瓶颈，采用了一些新方法来提高光栅温度传感器的热稳定性。尤其是Canning等人。展示了一种再生的FBG，它可以加热到1295℃[4]和张等人。提出了一种氢负载FBG，其最高擦除温度可以达到1100℃[5]。然而，复杂的制造工艺极大地限制了它们的实际应用。作为替代方案，在常规或特殊光纤中引入干涉仪结构，例如法布里 - 珀罗干涉仪（FPI）[6-8]，马赫 - 曾德尔干涉仪（MZI）[9-12]和光纤迈克尔逊干涉仪（MI）[ 13,14]。与基于光栅的光纤温度传感器相比，光纤干涉传感器具有易于制造和良好的热稳定性的优点。
最近，基于MCF的干涉仪结构引起了广泛的研究关注.MCF是一种新型的微结构光纤，在共同的包层中具有多个单芯，具有许多优点，例如尺寸小，核心分离明确，连接损耗低。使用SMF，使其成为光纤传感领域的一个有吸引力的候选者[15-17]。当MCF的核心间距足够小时，引导核心的渐逝模态场将彼此强耦合。这种MCF被称为强耦合MCF，它们总是作为固有光纤耦合器工作。由于具有出色的高温可持续性和独特的耦合结构，据报道，基于强耦合MCF的多个传感器可用于高温测量。 2012年，提出了一种基于强耦合双芯光纤（TCF）的高温传感器[16]。而该传感器测得的最高温度仅为700℃。随后，2014年报道了一种在两个SMF之间拼接强耦合七芯光纤制作的在线干涉测量仪，其温度测量上限可达1000℃[17]。然而，这些强耦合MCF必须是商业定制的，这极大地增加了传感器的制造成本并且还限制了它们的实际应用。作为一种有前途的替代方案，弱耦合MCF在初步传感实验中表现出不可或缺的应用[18,19]。低损耗电信级MCF已广泛应用于具有优异光学性能的空分复用光通信[20,21]。并且大批量制造的弱耦合MCF可用于降低成本并促进基于MCF的传感的应用。
在本文中，我们利用弱耦合MCF来制造SMF-MCF-SMF（SMS）高温传感器件。 SMS设备在两个标准SMF之间夹着一个短的弱耦合MCF。通过绝热地逐渐减小MCF，核心的渐逝模态场扩展并彼此耦合。可以从所提出的SMS设备的输出端观察由多个核之间的核间耦合引起的周期性耦合谱。通过调整锥形MCF的腰部直径可以控制透射光谱特性，因此，可以灵活地调整所提出的传感器的感测特性。当环境温度改变时，透射光谱将相应地改变。通过检测透射光谱的波长偏移，可以测量环境温度。为了提高传感器的高温可持续性，退火技术是非常必要的，并且已经在我们的工作中进行了研究。实验证明，退火传感器可以精确测量高达1000℃的高温。
2.理论背景
2.1.SMS设备中的耦合机制
所提出的SMS装置的结构示意图如图2.1所示，其通过在两个SMF之间拼接短段MCF来制造。所选择的弱耦合MCF具有七个相同的Ge掺杂核心，被纯二氧化硅包层包围，如图2.2所示。r和是核心半径和相邻核心之间的核心间距，分别为4.2微米和38微米。核心空间定位使得每个核心的磁场彼此相对较好地隔离。每个芯和MCF的包层与标准SMF的一致。由于MCF和标准SMF之间匹配良好的模态场，普通的熔接技术很容易将MCF连接到具有低熔接损耗的SMF。
图2.1 SMS装置结构示意图
图2.2 MCF断面图
当MCF段绝热锥形时，芯半径r和节距尺寸的减小引起相邻光纤芯之间的消逝场重叠。因此，多个核之间的核间耦合发生在MCF中。传统的耦合模理论可用于分析其模式耦合动力学。
假设每个核心仅支持基本模式，并且当输入光被发射到中心核心时，（p = 1，...，7）核心的模式振幅被表示为传播距离z的Ap（z）。（图2.2中的第1个核心），初始模式振幅表示为
（1）
第p个核心在传播距离z处的归一化模式功率可以根据耦合模式方程推导出[22]。
（2）
这里k是相邻核之间的耦合系数。从等式（2）可以看出，模态功率周期性地耦合在中心核心和周围核心之间。每个核的输出模式功率很大程度上取决于耦合系数k，它可以根据耦合模理论得到[23]。
（3）
V，U和W可以定义为
其中Km（x）被修改贝塞尔函数的阶数m（m = 0,1）.和分别是核心和包层的有效折射率（RI）。和分别表示真空中的波长和波数，。表示每个核心的传播常数，没有发生核间耦合。从等式（3）可以清楚地看出，耦合系数k随着核心半径r的减小和相邻核心之间的核心间距的变化而变化。因此，在MCF逐渐变细之后，MCF的模态场特性必须改变。
有限元法可以用Comsol Mutiphysics软件模拟不同锥度腰的MCF的模态场特性。在我们的模拟中，假设每个纤芯的有效RI为1.4681，纤芯和包层之间的RI差为0.0053。 MCF的原始核心间距为38mu;m，核心和包层半径分别为4.2mu;m和62.5mu;m。 MCF模拟参数与用于制造传感器的实际MCF参数一致。 对于上述MCF，当光从MCF的中心核发射时，获得了非锥形MCF和锥形MCF的模态场分布，其具有40mu;m和20mu;m的锥形腰部，如图2.3所示。很明显，随着图2.3中腰部直径的减小，核心模态场耦合得到了增强。
图2.3 模拟场分布
2.2.传输光谱特性
根据方程（3），很明显耦合系数k仍然是工作波长的函数。为了理解耦合系数的波长依赖性，MCF的不同腰半径的耦合系数k随工作波长的变化。根据方程（3）进行数值计算。
使用相同的MCF模拟参数，耦合系数k随工作波长变化的模拟结果如图2.4所示。
图2.4 模拟变化曲线
图2.4清楚地表明，耦合系数k总是随着给定腰部的工作波长的增加而线性增加。波长范围为1450nm至1650nm，即
（4）
这里，M是线性比例因子，并且随着MCF腰部直径的减小趋于增加，如图2.5所示。
图2.5 SMS传输频谱图
由于耦合系数k随工作波长线性变化，根据公式（2），可以从频谱域中的SMS装置的输出端获得如图4所示的周期性传输频谱。
从方程（2）可知，当耦合系数k和传播距离z满足时，透射光谱达到最小值
（5）
在这里，m是一个整体。 从方程（4）和（5）可以得到倾角波长
（6）
此外，自由光谱范围（FSR）可以推导为
（7）
2.3.SMS设备的温度传感特性
从方程（6）和（7）可以清楚地知道，反映SMS装置的传输光谱特性的主要参数和FSR主要通过传播距离z和比例因子M，即耦合系数k来确定。给定的操作波长。因此，使耦合系数k改变的任何环境干扰将导致SMS设备的传输频谱的偏移。
众所周知，折射率通过热光效应取决于温度，芯间耦合也取决于温度。 当环境温度变化时，由于热光效应，MCF芯和包层（和）的有效RI总是会发生变化，即
（8）
（9）
其中是初始温度，是温度的变化，和是热光系数。
对于上述MCF，假设芯和包层折射率具有相同的热光系数[24]。 当操作波长为1550nm并且MCF的腰半径r为20mu;m时，根据等式（3）数值计算耦合系数k随环境温度的变化。仿真结果如图2.6所示，清晰地表明耦合系数k总是随着环境温度的增加而线性减小，即随着环境温度的升高，线性比例因子M总是随着给定波长线性减小。
图2.6 模拟变化曲线
从等式（6）可以看出，在升高的温度下，倾角波长向较长波长移动。 此外，由于热膨胀效应，环境温度的变化也会影响锥形MCF的纤维尺寸（包括纤芯半径r和纤芯与纤芯间距）。相比之下，热膨胀系数仅为，小一个数量级，因此可忽略其对耦合系数k的影响。
结果，耦合系数k将随环境温度的变化而变化，这将使SMS装置的传输频谱发生偏移。通过监测透射光谱的变化，可以测量环境温度。
利用Rsoft光学仿真软件，可以利用光束传播方法模拟不同环境温度下SMS器件的温度传感特性。对于上述MCF，当MCF锥度的腰径为20mu;m，腰围为18mm时，沿着光传播方向的每个芯中的模场功率分布的模拟结果如图2.7所示。在我们的模拟中，工作波长始终为1550nm，环境温度分别为20°,500°和1000°。光能从MCF的中心核心输入。
图2.7 不同温度下模拟功率分布
在图2.7中，左图显示了多个核心之间的模态场功率耦合过程，右图显示了监测的归一化模态场功率变化与中心核心，任何周围核心和光纤包层的传播距离。从这些模拟结果可以清楚地看出，对于相同的MCF锥形结构，中心纤芯的输出功率是不同的。这可以解释为由于热光效应导致的MCF芯和包层的有效RI的变化。磁芯和包层有效RI的变化使耦合系数k发生变化，中心磁芯的归一化模态功率也发生变化。对于相同的工作波长，中心纤芯的输出功率变化意味着中心纤芯的透射光谱已经发生偏移。光束传播方法的仿真结果表明，所提出的SMS装置可以测量环境温度。
3.高温实验和讨论
为了制造SMS传感装置，将短的2cm长的弱耦合7芯MCF（富通集团）夹在SMF的两个部分（Corning，SMF-28e）之间。 通过熔接机（FSU975，Ericsson）将光纤端部在水平和垂直轴上对齐来拼接MCF和SMF。然后MCF在耦合器制造装置上绝热地逐渐变细到所需直径（~20um）（ FSCW-4000），锥形MCF的腰部长度约为18毫米。
为了确保SMS器件在高温下的稳定性，器件的退火过程是必要的。限制所有光纤热稳定性的一个重要原因是在光纤拉制过程中累积的残余应力。残余应力主要来自热应力和机械应力的叠加，这是由纤维芯和包层之间的热膨胀系数和粘弹性的差异引起的。另外，锥形过程结束后熔融锥形区域的温度突然降低可能会使SMS装置中产生更多的应力。通过适当的退火技术，可以有效地释放SMS装置中累积的残余应力，从而使退火装置成为可能并在高温环境下稳定运行。
经过多次退火试验，我们发现退火传感器的热稳定性可以通过采用等温退火方法和控制退火过程中的升温速度和退火时间来大大提高。具体而言，将制作的传感器放入温度范围为0~1400℃的管式炉中，炉温设定为从室温升至1000℃，速率为10℃/min。此外，炉温保持在1000℃。约2小时，在该阶段可以有效地释放纤维中的残余应力。然后将炉子被动冷却，直至达到室温。为了避免降低退火纤维机械强度的空气湿度的影响，炉管在整个退火过程中保持真空状态。制造的SMS器件的原始透射光谱和退火器件的光谱在图3.1中同时示出。
图3.1 在退火之前和之后制造的SMS器件的透射光谱
图3.1表明，在退火过程之后，SMS器件的倾角波长（）和光谱范围（FSR）都发生了明显的变化。 光谱变化的原因可以通过MCF尺寸的变化或MCF芯的有效RI以及MCF中的应力释放的包层引起。
为了证明所制造的传感器的传感特性，建立了如图3.2所示的实验装置。从宽带光源（SLED 1550）发出的光被发射到SMF输入端。在通过传感器传播之后，通过光谱分析仪（OSA，Yokogawa AQ6370B）监测从SMF输出端出射的光。 退火的SMS装置更脆，其机械强度弱于未退火的纤维段。因此，在我们的实验中，将退火的SMS装置放入内径为1mm，长度为120mm的石英管中。石英管的两端用陶瓷粘合剂固定，陶瓷粘合剂的热膨胀系数与光纤相似。
图3.2 实验测量装置示意图
包装的传感器输入管式炉进行温度测量。炉温从室温以100℃的间隔增加到1000℃。记录传感器在不同温度下的光谱响应，如图3.3所示。很明显，随着温度的升高，透射率下降到更长的波长，这与我们的理论分析结果一致。为了在1000℃下监测该传感器的透射光谱2小时，没有观察到光谱变化。结果表明退火传感器可以在1000℃处保持良好的稳定性。
图3.3 传感器在不同温度下的透射光谱
图3.4示出了传感器透射光谱的倾角波长对环境温度的依赖性。如图10所示，在30℃-300℃的温度范围内，温度测量灵敏度为~19.6pm/℃，而在300℃-1000℃的范围内，灵敏度变为~36.8pm/℃。实验结果表明，温度响应在两个温度范围内也具有高灵敏度和良好的线性。特别是，传感器在高温下具有更高的温度灵敏度，这使其特别适合于高温测量。
图3.4 变速器的校准曲线随温度下降
最后，
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资料编号：[1962]
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