孫明明，王劍鋒，金永興，董新永

中國計(jì)量學(xué)院光學(xué)與電子科技學(xué)院, 浙江 杭州 310018

基于錯(cuò)位和花生形結(jié)構(gòu)的全光纖馬赫-曾德干涉儀的研究

孫明明，王劍鋒，金永興*，董新永

中國計(jì)量學(xué)院光學(xué)與電子科技學(xué)院, 浙江 杭州 310018

研究了一種基于錯(cuò)位和花生形結(jié)構(gòu)的全光纖馬赫-曾德干涉儀，進(jìn)行了液位和曲率的測(cè)量實(shí)驗(yàn)，利用錯(cuò)位結(jié)構(gòu)將纖芯模式激發(fā)到包層，包層模式經(jīng)過花生形結(jié)構(gòu)被耦合到纖芯與原有的纖芯模式發(fā)生干涉。包層模式對(duì)外界物理量如折射率、應(yīng)力的變化敏感，導(dǎo)致透射光譜漂移。波谷波長的漂移量與液位和曲率的變化成線性關(guān)系，利用波谷的漂移實(shí)現(xiàn)液位和曲率的測(cè)量。在液位實(shí)驗(yàn)中，在水位變化范圍為1.00～5.00 cm時(shí)，波谷向短波方向漂移，靈敏度最高為-0.68 nm·cm-1，線性擬合度為0.995 4。在曲率實(shí)驗(yàn)中，曲率的變化范圍為0.3～1.2 m-1時(shí)，波谷向長波方向漂移，靈敏度最高為22.47 nm·m，線性擬合度為0.986 4，表現(xiàn)出較高的靈敏度。錯(cuò)位結(jié)構(gòu)和花生形結(jié)構(gòu)被用于組成馬赫-曾德干涉儀，用普通的光纖熔接機(jī)和普通單模光纖即可熔接，結(jié)構(gòu)和制作方法簡單，靈敏度高，尤其在曲率的測(cè)量中表現(xiàn)出較高的靈敏度。

光纖傳感器； 馬赫-曾德干涉儀； 液位測(cè)量； 曲率測(cè)量

引 言

光纖傳感器相對(duì)于機(jī)械，電子傳感器具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，如抗電磁干擾，耐腐蝕，遠(yuǎn)程高靈敏度和能力傳感，已經(jīng)在很多行業(yè)得到了廣泛的應(yīng)用。典型的光纖傳感器如長周期光柵[1]，布拉格光柵[2]，F(xiàn)-P腔[3]，傾斜光柵[4]，以及光子晶體光纖[5-6]等一些特種已經(jīng)得到了廣泛的應(yīng)用。這些傳感器具有優(yōu)勢(shì)，如響應(yīng)參數(shù)，動(dòng)態(tài)范圍大、靈敏度高，但價(jià)格較高，熔接方法復(fù)雜?；谌饫w結(jié)構(gòu)的馬赫-曾德干涉儀具有簡單的結(jié)構(gòu)和熔接方法，參與干涉的包層模式對(duì)外界物理量的變化敏感，是光纖傳感領(lǐng)域中的一個(gè)重要的方向并取得了許多成果[7-10]。

1 測(cè)量原理

基于錯(cuò)位和花生形結(jié)構(gòu)的全光纖馬赫-曾德干涉儀結(jié)構(gòu)如圖1所示，寬帶光從光源輸出，經(jīng)過錯(cuò)位結(jié)構(gòu)時(shí)，一部分被耦合到包層，形成包層模式，另一部分沿著纖芯繼續(xù)傳播。當(dāng)包層模式經(jīng)過花生形結(jié)構(gòu)時(shí)，由于花生形結(jié)構(gòu)類似兩個(gè)橢球透鏡[8]，一部分包層模式被耦合到纖芯，與纖芯模式發(fā)生干涉。

圖1 基于錯(cuò)位和花生形結(jié)構(gòu)的馬赫-曾德干涉儀的結(jié)構(gòu)圖

透射光譜波谷波長為[10]

(1)

式中，Δneff為纖芯模式和m階包層模式的有效折射率差，L為干涉儀的長度。

錯(cuò)位結(jié)構(gòu)在熔接時(shí)，光纖的X軸纖芯錯(cuò)位，Y軸纖芯對(duì)準(zhǔn)無錯(cuò)位，如圖2(a)所示。模擬的纖芯模式和包層模式的場(chǎng)分布如圖2(b)—(d)所示，X軸錯(cuò)位幅度分別為2, 4和6 μm。在模擬場(chǎng)分布圖中，錯(cuò)位幅度的加大導(dǎo)致包層模式變強(qiáng)的同時(shí)纖芯模式變?nèi)?，二者相等時(shí)，干涉譜的對(duì)比度最大。根據(jù)最終的透射光譜圖，選取適當(dāng)?shù)腻e(cuò)位幅度來改善透射光譜的干涉效果。

圖3(a)和圖3(c)分別表示長度為6.10和2.10 cm的干涉儀在空氣中的透射光譜，前者用于液位實(shí)驗(yàn)，后者用于曲率實(shí)驗(yàn)。為研究參與干涉的包層模式，對(duì)透射光譜做快速傅里葉變換(FFT)，圖3(b) 和圖3(d)分別為圖3(a)和圖3(c)對(duì)應(yīng)的頻譜圖。在頻率大于零的范圍內(nèi)，有一個(gè)明顯的尖峰，這代表某一階包層模式。除了這個(gè)明顯的峰，還有許多微弱的峰，這表明除了某一階主要的包層模式，還有其他的包層模式參與干涉，強(qiáng)度微弱。在花生形結(jié)構(gòu)中參與干涉的包層模式的數(shù)量可近似認(rèn)為只有眾多模式中的某一階。

圖2 纖芯模式和包層模式的模擬場(chǎng)分布

圖3 干涉儀的透射光譜和空間頻譜

2 液位實(shí)驗(yàn)

當(dāng)光纖被周圍液體浸沒時(shí)，包層模式有效折射率增加的同時(shí)纖芯模式的幾乎不變導(dǎo)致Δneff減小。液位實(shí)驗(yàn)裝置如圖4所示，干涉儀的錯(cuò)位結(jié)構(gòu)的一端與寬帶光源相連接，花生形結(jié)構(gòu)的一端與光譜儀相連接，整個(gè)干涉儀被拉直固定在刻度尺上，垂直的放置在裝水的容器中。隨著水位高度的增加，浸沒在水中的干涉儀長度增加，水位的測(cè)量范圍就是干涉儀的長度。透射譜中波谷的波長公式如下[10]

(2)

其中L為干涉儀的長度即錯(cuò)位結(jié)構(gòu)與花生形結(jié)構(gòu)的距離，實(shí)驗(yàn)中L=6.10 cm，Ln為干涉儀浸沒在水中部分相對(duì)于花生形結(jié)構(gòu)的長度。

圖4 液位實(shí)驗(yàn)裝置圖

圖5 波谷的波長的變化量與液位高度的擬合直線

干涉儀在浸沒在水中時(shí)纖芯模式和包層模式的有效折射率差是Δneffn。在空氣中時(shí)為Δneff。在圖3(a)中，波長為1 532.7 nm的波谷A和波長為1 577.8 nm的波谷B被用于水位的測(cè)量。

3 曲率實(shí)驗(yàn)

干涉儀的曲率實(shí)驗(yàn)裝置如圖6所示，錯(cuò)位結(jié)構(gòu)的一端與寬帶光源相連接，花生形結(jié)構(gòu)一端當(dāng)與光譜儀連接。兩個(gè)平臺(tái)，一個(gè)被固定，一個(gè)可移動(dòng)。向前推進(jìn)可移動(dòng)平臺(tái)使干涉儀彎曲。彎曲的半徑與可移動(dòng)平臺(tái)向前推進(jìn)的距離有關(guān)。

圖6 曲率實(shí)驗(yàn)裝置圖

曲率的計(jì)算公式如下[11]

(3)

其中R為光纖彎曲時(shí)對(duì)應(yīng)的半徑，x為可移動(dòng)平臺(tái)相對(duì)于光纖被拉直時(shí)的位置向前移動(dòng)的距離。L1為光纖被拉直時(shí)，兩平臺(tái)之間的距離，L1=21.50 cm，干涉儀的長度L=21.0 mm。當(dāng)光纖被彎曲時(shí)，纖芯和包層會(huì)產(chǎn)生不同的應(yīng)變，導(dǎo)致Δneff發(fā)生變化, 透射光譜波谷的波長為[11]

(4)

圖7 波谷的波長變化量與曲率的擬合直線

根據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)[8]，馬赫-曾德干涉儀對(duì)溫度的靈敏度小于50 pm·℃-1，本文的曲率實(shí)驗(yàn)中，波谷的靈敏度最高為22.47 nm·m，遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于對(duì)溫度的靈敏度，溫度對(duì)曲率測(cè)量的影響微弱。液位實(shí)驗(yàn)中，溫度的影響不能忽略，實(shí)際應(yīng)用中需要溫度補(bǔ)償，消除溫度交叉敏感。

4 結(jié) 論

基于錯(cuò)位和花生形結(jié)構(gòu)的馬赫-曾德干涉儀利用錯(cuò)位將纖芯模式激發(fā)到包層，形成包層模式，通過花生形結(jié)構(gòu)將包層模式耦合到纖芯，發(fā)生干涉。根據(jù)液位和曲率實(shí)驗(yàn)結(jié)果，干涉儀的包層模式對(duì)液位和曲率的變化比較敏感，液位實(shí)驗(yàn)的靈敏度最高為-0.68 nm·cm-1，曲率實(shí)驗(yàn)的靈敏度最高為22.47 nm·m。在曲率的測(cè)量中表現(xiàn)出較高的靈敏度, 高于其他結(jié)構(gòu)的傳感器[12-13]。

[1] Zhang Yebin, Gao Shaorui.IEEE Sensors Journal, 2012, 4(6)：2340.

[2] Guo Tuan, Shang Libin, Liu Fu.Optics Letters, 2013, 38(4): 531.

[3] Tian Ming, Lu Ping, Chen Li.IEEE Photonics Technology Letters, 2013, 25(16): 1609.

[4] Guo Tuan, Liu Fu, Guan Baiou, et al.Optics Express, 2014, 22(6): 7330.

[5] Zu Peng, Chan Chi Chiu, Lew Wen Siang.IEEE Photonics Journal, 2012, 4(2): 491.

[6] LOU Shu-qin，WANG Xin，YIN Guo-lu(婁淑琴，王 鑫，尹國路).Acta Physica Sinica(物理學(xué)報(bào)), 2013, 62(19): 194209.

[7] Li Jieliang, Zhang Weigang, Gao Shecheng.IEEE Photonics Technology Letters, 2013, 25(9): 888.

[8] Wu Di, Zhu Tao, Chiang Kin Seng.Journal of Lightwave Technology, 2012, 30(5): 805.

[9] Shao Min, Qiao Xueguang, Fu Haiwei.IEEE Sensors Journal, 2013, 13(5): 2026.

[10] Li Lecheng, Xia Li, Xie Zhenhai.Optics Express，2012, 20(10): 11109.

[11] Gong Huaping, Yang Xiao, Ni Kai.IEEE Photonics Technology Letters，2014, 26(1): 22.

[12] Ma Lin, Qi Yanhui, Kang Zexin.IEEE Sensors Journal，2014, 14(5): 1514.

[13] Gong Huaping, Song Haifeng, Zhang Sulei.IEEE Sensors Journal，2014, 14(3): 777.

(Received Jul.29, 2014; accepted Nov.12, 2014)

*Corresponding author

All-Fiber Mach-Zehnder Interferometer Based on Lateral-Offset and Peanut Shape Structure

SUN Ming-ming，WANG Jian-feng，JIN Yong-xing*，DONG Xin-yong

College of Optical and Electronic Technology, China Jiliang University, Hangzhou 310018, China

A new in-fiber Mach-Zehnder interferometer (MZI) based on lateral-offset and peanut shape structure is proposed and demonstrated for the measure of curvature and liquid level.The sensor consists of lateral-offset structure and peanut shape structure.A section of single mode fiber (SMF) is spliced between them.A part of core mode in the single mode fiber is excited to cladding modes by lateral-offset.The cladding modes are re-coupled to the core mode by peanut-shape structure and get interference with the core mode.A high-quality interference spectrum with a fringe visibility of about 12 dB is observed.The effective refractive indices of cladding mode would change with the external environment parameters, which further bring about a shift of the interference fringes.The liquid level or curvature can be measured by record the shift of the valley, because the shift of the valley shows a linear dependence with the variation of the liquid level or curvature theoretically.In the water level experiment, the water level changes from 1.00 to 5.00 cm and the wavelength valley shows a red shift.The sensitivity of the MZI with a length of 6.10 cm is -0.68 nm·cm-1.In the curvature experiment, the curvature changes from 0.3 to 1.2 and the wavelength valley shows a blue shift.The sensitivity of the MZI with a length of 2.10 cm is 22.47 nm·m.The lateral-offset structure and peanut shape structure are spliced to fabricate the MZI.The sensitivity of the MZI is high, especially in the curvature measurement, it is higher than that of other fiber curvature sensors.Moreover the MZI presented in this paper has advantages of low cost and easy fabrication, which can be a potential application in the liquid level and curvature measurement.

Optical fiber sensor； Mach-Zehnder interferometer; Liquid level sensor; Curvature sensor

2014-07-29，

2014-11-12

浙江省公益項(xiàng)目(2014C33065), 浙江省安全生產(chǎn)科技計(jì)劃項(xiàng)目(2014A1004), 國家(973)計(jì)劃項(xiàng)目(2010CB327804)資助

孫明明，1989年生, 中國計(jì)量學(xué)院光學(xué)與電子科技學(xué)院碩士研究生 e-mail: dsyang_2008@126.com *通訊聯(lián)系人 e-mail: jinyongxing@cjlu.edu.cn

TP212

A

10.3964/j.issn.1000-0593(2016)05-1560-05