基于n型纤芯结构的光纤MZI应变传感器实现-49.88 pm/με高灵敏度与0.676 με/°C低温串扰

《Optics and Lasers in Engineering》：High sensitivity fiber MZI strain sensor with low temperature crosstalk

本文创新性地提出了一种n型纤芯结构的马赫-曾德尔干涉仪（MZI）光纤应变传感器，通过二氧化碳激光刻蚀与热处理工艺制备弯曲纤芯结构。该传感器在应变过程中通过改变传感区长度实现应变增敏（灵敏度达-49.88 pm/με），同时保持较低的温度灵敏度（33.75 pm/°C），最终将温度-应变交叉敏感度显著降低至0.676 με/°C，为高铁轨道、油气管道等领域的精准应变监测提供了新技术方案。

　　

^{传感器结构与传感原理}

本文提出的n型纤芯传感器结构如图1所示。结构左右两端的弯曲点可分别作为传输光的分光点和合光点。当传输光从单模光纤右端输入并到达右弯曲点时，纤芯中的部分光会耦合到包层中传输，从而激发包层模式。当光到达左弯曲点时，包层模会重新耦合回纤芯。由于纤芯模和包层模之间的有效折射率差，两种模式之间会产生相位差并形成干涉光谱。

^{传感器制备}

n型纤芯结构光纤MZI应变传感器的制备流程如图6所示。首先，将一段20厘米长的单模光纤（SMF-28e，康宁）中心处5厘米的涂覆层剥除（图6a）。接着，将剥除涂覆层的单模光纤置于二氧化碳激光器（MC-E-B，GD汉明激光）下。光纤两端固定在夹具上并拉直，通过微位移台将剥除涂覆层的区域移动到激光焦点处，利用激光在光纤包层表面刻蚀出深度为30微米的长槽（图6b）。最后，使用氢氧焰对长槽区域进行局部加热，利用表面张力使纤芯向长槽侧弯曲，形成n型纤芯结构（图6c）。通过控制加热时间和温度，可调节纤芯相对于轴线的偏移距离。

^{应变测试结果}

对前述制备的槽深30微米、纤芯偏移距离分别为14.8微米、20.3微米和25.1微米的传感探头进行了应变实验。在应变测试中，调整应变控制台，设置步长为50 με。使纤芯偏移距离为14.8微米的传感探头所受应变从0 με增加至300 με，应变测试结果如图10(a)所示。干涉谷的波长发生蓝移，应变灵敏度为-18.47 pm/με。当纤芯偏移距离增加至20.3微米时，应变灵敏度提高至-36.22 pm/με（图10b）。当偏移距离进一步增加至25.1微米时，应变灵敏度显著提高至-49.88 pm/με（图10c），表明通过增大纤芯偏移距离可有效提升应变灵敏度。

^讨论

本文设计并制备了一种高灵敏度、低温串扰的光纤干涉应变传感器。其最高应变灵敏度达到-49.88 pm/με，温度灵敏度为33.75 pm/°C，温度-应变交叉敏感度仅为0.676 με/°C。对于本文结构，在应变过程中，随着纤芯偏离轴线距离的减小，传输光分光点和合光点的位置不断靠近，导致传感区长度减小。传感区长度的显著变化对应变灵敏度的贡献大于有效折射率差变化的贡献，从而实现了高应变灵敏度。同时，由于温度灵敏度主要取决于有效折射率差的变化，而传感区长度的变化对温度灵敏度影响很小，因此实现了低温串扰。该方法为在不增加温度敏感性的前提下提高应变灵敏度提供了新思路。