英语原文共 5 页，剩余内容已隐藏，支付完成后下载完整资料
基于级联凹凸锥形光纤马赫-曾德尔干涉仪的折射率传感应用
Shanshan Zhang* , Weigang Zhang, Pengcheng Geng, Shecheng Gao
Key laboratory of Optical Information Science and Technology, Ministry of Education, Institute of Modern Optics, Nankai University, Tianjin 300071, China
摘要
本文报道了一种基于级联凹凸形新型光纤马赫-曾德尔干涉仪，它采用电弧放电和熔接方法制作而成。使用该干涉仪可以获得超过20dB的最大衰减峰值深度的高质量干涉光谱。实验结果表明，当 RI 范围在 1.333-1.3869 时，长为 52mm 的 MZI 的 RI 灵敏度达到-82.8nm/RIU，这比传统基于两个凹锥度的 MZI 高出近 5 倍，比基于两个凸锥的 MZI 高出 12 倍。对于温度交叉灵敏度，可以利用不同衰减波长峰值对应的不同灵敏度同时测量 RI 和温度从而消除其带来的影响。这种成本低且易于制造的 MZI 将在各个传感领域得到应用。
关键词：光纤锥、马赫-曾德尔干涉仪、折射率传感器
1. 引言
由于全光纤马赫-曾德尔(MZ)干涉仪具有不需要耦合器、灵敏度高、适用于遥感和易于制造等优点，它在折射率、温度、应变和气相浓度等各种传感应用中得到了广泛的研究。在 RI 测量方面，已经制造出许多类型的 MZI，例如长周期光纤光栅(LPG)对 [1-4]、双腰缩锥(凹锥)[5,6]单模-多模-单模光纤结构(SMS)[7]等。光栅传感器对宽 RI 范围具有高灵敏度(约 25.9nm/RIU)，但制作这种传感器需要精密且昂贵的相位掩模和严格的光刻工艺。腰缩锥型传感器具有与光栅传感器相当的灵敏度(约 17.1nm/RIU)，但能感测到的 RI 范围非常有限。虽然可以通过减小锥形腰部直径提高灵敏度，但是由于小锥腰的机械强度等级不同，传感器变得非常脆弱。文献[8]中提出了一种更加坚固的基于腰部扩大锥度（凸锥）的 MZI， 但是在这篇文章中，我们对已经测量到的温度灵敏度进行测评将发现其对 RI 有相对较低的灵敏度。飞秒激光器也已用于制造 MZ 器件[9,10]，但它们通常涉及复杂的制造技术和耗时的制造工艺，成本较高。
本文提出一种新型结构 M-Z 干涉仪，它通过简单地将一个由短小的（5-50mm） 中间部分隔开的上下角锥连接起来。在 1.333-1.3869 的 RI 范围内，获得了
-82.8nm/RIU 的高 RI 灵敏度。此外，只引入一个小的腰部直径锥和商业熔接器，致使其结构坚固且制造过程非常简单。
2.制作原理
图 1(a)显示了我们提出的 MZ 干涉仪结构图，该干涉仪由在标准电信单模光纤(SMF-28e，康宁公司)中制造的凹、凸光纤锥构成，改变凹、凸光纤锥的位置， 使其间隔一个距离 L。两个锥形的显微图像分别示于图 1（b）和（c）中，凹锥的直径和长度分别为15mu;m 和400mu;m, 凸锥的直径和长度为168mu;m 和280mu;m。采用电弧法在 SMF 上用 Fujikura FSM-60s 熔接机制造了一个任意尺寸的凹锥。为
了形成凸锥，将预熔接时间设置为 200ms，放电强度固定为“标准”，并且选择 150mu;m 的大“重叠”，使得两根纤维相互接触后被进一步推动。在施加电弧放电后，芯层和包层同时膨胀，形成腰大锥。当光传播到凹锥形时，纤芯基模将会耦合到高阶包层模。同时，一些留在核心中的能量继续向前传播。与此同时， 一些留在纤芯的能量继续向前传播。当凹锥与凸锥在几厘米内分离时，部分包层模耦合回纤芯。由于纤芯基模和高阶包层模之间的相位差，形成了马赫-曾德尔干涉仪。
图 1 (a)基于锥形的 MZI 的原理图 (b)凹锥的显微图像 (c)凸锥的显微图像。
纤芯模与包层模的相位差 L 相同，可以表示为[3]
Phi; = 2pi;∆?????/? （1）
其中Delta;????为纤芯模与包层模有效折射率之差，lambda;为真空输入波长。当相位差满足条件Phi; = (m 1)pi;, m = 0,1,2 hellip; 波长衰减极大值出现在
?? = 2?Delta;?????/(2? 1) （2）
相邻衰减峰之间的间距为
3.实验和讨论
Delta;??
= ??
minus; ?
?minus;1
asymp; ?2
Delta;?????
（3）
为了表征 MZ 干涉仪的响应特性，采用 600 nm-1750 nm 的超连续激光器作为宽带光源（BBS）。最大光强约为-30 dBm。透射光谱由光谱分析仪（OSA）
（AQ6317B，安岛）监测。实验装置示意图如图 2 所示。
图 2 实验装置原理图
图 3 (a) 单个凹锥和单个凸锥的透射光谱
(b) 与反向传播相同的由间隔为11mm 的凹、凸锥构成的 MZI 透射光谱
图 4 MZI 的空间频谱
图 3(a)中的两条曲线分别对应于具有凹锥和凸锥的光纤衰减光谱。由于光源的功率波动，光谱中有很多波纹，但明显不存在干扰且平均损耗在 5.5dB 左右。这意味着单个锥体引起的衰减与波长无关。图 3（b）表示 L=11 mm 的干涉仪透射光谱，能观测到最大衰减峰深度为 23dB 的强干涉光谱。反向传播谱与正向传播谱几乎相同，这意味着干涉仪的透射光谱与方向无关。然而，它的干涉条纹并不均匀，在干涉条纹周期中看起来像有几个频率分量。为了确定图 3(b)中对干涉光谱有贡献的模式的数目和功率分布，使用快速傅立叶变换(FFT)来获得相应的空间频谱，如图 4 所示。显然，包括纤芯基模和四个包层模在内的五个模态构成了干涉图案。理论上，所提出的干涉仪并没有阻止模态耦合到一定阶模态的机制，但我们可以考虑模态耦合容易发生的主导模态。如图所示，功率主要分布在纤芯基模和第二包层模，两种模态之间的干涉起主导作用。其他三种包层模态也参与了干涉，但贡献相对较小。最终的干涉图样是这些干涉对共同作用的结果。
采用 5mm-36mm 范围内不同的分隔长度，分别制作了 4 个干涉仪，分别由与上述 11mm 长的 MZI 锥形相同的腰径和长度的凹锥和凸锥组成。这些 MZI 的干涉光谱如图 5 所示。典型的衰减峰值深度可达 20dB 以上，足以满足大多数传感应用需求。背景损耗约为 10db。相邻干涉条纹之间的光谱间隔与干涉仪的长度成反比，例如干涉长度为 5、13、28、36 mm 的 MZI，在 1500 nm 左右的衰减波长间距分别为 101.7、37.5、18.8、14.6 nm。利用等式（3），我们可以估计出纤芯基模和包层模式之间的平均有效指数差分别是Delta;???? =4.42 x 10minus;3,
4.58 x 10minus;3, 4.26 x 10minus;3 和 4.30 x 10minus;3, 这与 SMF 的芯层和包层之间的 RI 差 5 x 10minus;3非常接近。
图 5 不同干涉长度 (a) 5mm、(b) 13mm、(c) 28mm、(d) 36mm MZI 的衰减谱
对干涉仪长度为 13mm 的 MZI 的折射率传感性能进行评价。本实验选用 11
种不同浓度的甘油溶液(0.0%、6.5%、15.1%、23.3%、31.2%、38.8%、46.2%、53.3%、
60.2%、66.9%和 73.4%)。相应的 RIs（在室温下用阿贝折射计测量）分别为 1.333、
1.3482、1.3584、1.3688、1.3778、1.3869、1.3962、1.4062、1.415、1.4279 和 1.4362。
MZI 传感器固定在光纤支架上，使其保持直的状态，没有额外的应力。在 MZI 的下方放置一个可调台，其表面带有显微镜玻璃片。然后，可调台向上调高到接近光纤，由于液体张力，在 MZI 中加入几滴待测溶液。在记录透射光谱之后，下调工作台以便取下玻璃片。用乙醇和蒸馏水清洗 MZI 和玻璃片，用压缩空气干燥。当光谱恢复到原来的模式，然后应用不同的溶液，并且重复这个过程几次。图 6 为最大衰减波长漂移作为样品 RI 的函数，其中的插图表示不同甘油溶液中 MZI 的透射光
谱。环境折射率的增加导致干涉光谱向短波长方向移动。由于包层模的有效折射率随环境折射率的增加而增加，而纤芯基模的有效折射率变化不大，所以包层模与纤芯基模的有效折射率差也会相应减小。因此，根据等式(2)，最大衰减波长将经历蓝移。通过线性拟合，MZI 对 1.333-1.3869 的 RI 范围的灵敏度为-50.1nm/RIU，是标准基于双凹锥形的 MZI 传感器的 6 倍。在我们提出的结构中，凹锥腰的直径比标准的基于双凹锥形 MIZ 的直径小得多，因此可以激发更高的包层模态参与干涉图案的形成，并且对外部 RI 的变化更敏感。此外，通过线性拟合，折射率在1.3869-1.4362 范围内的灵敏度为-155nm/RIU。
图 6 通过 13 mm 的 MZI 测量的衰减波长随外部 RI 的变化。 插图是 MZI 在不同甘油溶液中的透射光谱。
图 7 衰减波长位移作为外部 RI 的函数由基于凸、凹光纤锥 MZI 传感器（L=52mm） 和基于双凸光纤锥 MZI 传感器组成
我们还测试了干涉仪长度为 52mm 的凹、凸光纤锥形 MZI 传感器(指定为MZI1)与相同干涉仪长度的双凸锥形 MZI 传感器(指定为 MZI2)的 RI 敏感性进行比较。这两种锥形管由一种熔合拼接器制成，其拼接参数与上述相同:锥形管的直径为 168 mm，长度为 280 mm。衰减波长随外部 RI 的变化如图 7 所示。通过线性拟合，MZI2 对 1.333-1.3869 RI 范围内的灵敏度为 6.8 nm/RIU，而通过线性拟合，MZI1 对相同 RI 范围的灵敏度为 82.8 nm/RIU，是 MZI2 的 12 倍左右。通过线性拟合，MZI2 对 1.3869-1.4362 RI 范围内的灵敏度为 49.8 nm/RIU，而 MZI1对相同 RI 范围的灵敏度为 232.8 nm/RIU，是 MZI2 的 5 倍左右。我们将这种较高的 RI 灵敏度归因于我们提出的干涉仪激发了参与干涉图样形成的高阶包层模。
对于折射率传感器来说，温度交叉灵敏度是一个关键问题。因此，必须分析
MZI 对周围温度变化的敏感性。MZI1 被置于由电子电路控制的烘箱中。为了使传感器在加热过程中保持直线，一端固定，另一端受力 12g。我们跟踪了 ?1 和 ?2 处衰减峰波长的变化趋势（如图 8 (a)所示）。图 8 (b)显示了 lambda;1 和 ?2 峰值波长的变化与折射率和温度变化的相关性。与 ?1 相比，?2 峰值波长越长，在环境参数变化量相同的情况下，其位移越大。在 1.333-1.3869 折射率范围内，通过线性拟合， ?1 和 ?2 的 RI 敏感性分别为 64.1 nm/RIU 和 82.8 nm/RIU。在折射率1.3869-1.4362 范围内，通过线性拟合，?1 和 ?2 的 RI 灵敏度分别为 150.1 nm/RIU 和 232.8 nm/RIU。通过线性拟合， ?1 和 ?2 的温度敏感性分别为 0.051 nm/℃和
0.057 nm/℃。不同的干涉衰减峰对折射率和温度有不同的灵敏度，这可能是几种包层模式相互竞争的结果。每个模式的有效索引可能对外部参数更改有不同的
依赖关系。这个特性可以用于同时测量 RI 和温度。假设 ∆?1 和 Delta;?2 分别是 ?1 和
?2 的波长偏移。Delta;T 和 Delta;N 分别是温度和 RI 的变化量，???(? = 1,2) 和 ???(? = 1,2) 分别为两个衰减峰的温度和 RI 灵敏度。我们可以得到一个
字符矩阵 ??,? 来表示 MZI 的感知性能，
[Delta;?1] = ??,? [Delta;?] = [??1 ??1] [Delta;?]
Delta;?2
Delta;?
??2 ??2
Delta;?
图 8 (a)凹、凸锥间隔为 52mm 的 MZI 的透射谱 (b) lambda;1 和 ?2 衰减峰波长的变化与折射率和温度的关系。
在两个衰减峰中我们选择??1 =
剩余内容已隐藏，支付完成后下载完整资料
资料编号：[17848]，资料为PDF文档或Word文档，PDF文档可免费转换为Word
课题毕业论文、外文翻译、任务书、文献综述、开题报告、程序设计、图纸设计等资料可联系客服协助查找。
