CN103345020B - 基于三芯光纤的马赫曾德干涉仪 - Google Patents

Abstract

本发明公开了属于光纤传感、光纤通信技术领域的一种基于三芯光纤的马赫曾德干涉仪。该干涉仪由宽带光源、输入光纤、三芯光纤、输出光纤、光谱分析仪依次连接构成，三芯光纤包括第一纤芯、第二纤芯和第三纤芯，三个纤芯依次等距平行排列，第二纤芯的中部位置用激光器切割出空气层，将光纤熔接处进行清洗，然后用环氧树脂进行封装固化。本发明解决了目前干涉仪存在的温度稳定性差、灵敏度低、对光源相干性要求高等问题。

Description

基于三芯光纤的马赫曾德干涉仪

技术领域

本发明属于光纤传感、光纤通信技术领域，特别涉及一种基于三芯光纤的马赫曾德干涉仪。

背景技术

光纤马赫曾德干涉仪以其插入损耗小，与光纤的兼容性好，具有梳状滤波特性等优点，在光纤传感、光纤通信等领域中具有重要的应用价值。

传统光纤马赫曾德干涉仪由两个光纤耦合器串接而成。光信号经过第一个耦合器分别输入到两个独立光纤干涉臂形成相干光，然后经过第二个耦合器输出形成干涉。当外界环境参数如应变、位移等作用于传感臂时，会导致光谱发生波长漂移，进而通过光谱分析仪实现信号检测。这种传统的光纤马赫曾德干涉仪已有相当多的文献报道，但是存在温度稳定差，体积较大，灵敏度低等问题。

多芯光纤是一种极其重要的无源光器件，它在光纤传感及光纤通信领域发挥了不可替代的作用。由于具有结构紧凑，柔软易于弯曲等优点，多芯光纤获得了广泛的研究。中国专利申请200710072625.9提出一种纤维集成式马赫曾德干涉仪及其制造方法，由于双芯光纤两纤芯中间没有采用消除耦合的设计，光功率在两个纤芯耦合较强,灵敏度较低。中国专利申请200910044806.X提出一种基于同轴光纤的马赫曾德干涉仪，这种干涉仪采用多段同轴光纤和单模光纤交替连接而成，制作复杂，成本较高。中国专利申请201010186908.8提出一种双F-P腔与马赫曾德组合干涉仪，这种干涉仪采用单芯保偏光纤和熔嵌式双芯保偏光纤熔接而成；其中双芯光纤中间为空气孔，在熔嵌式双芯保偏光纤的两个纤芯上分别刻写Bragg光纤光栅对构成双F-P腔。这种干涉仪需要在单模光纤和双芯光纤之间进行熔接拉锥，这会造成两干涉臂的长度不一致，也会造成双芯光纤两纤芯的中心不在一条直线，影响干涉仪的灵敏度；同时拉锥长度越长，光信号的损耗也会越大；又由于双芯之间为空气孔设计，空气孔制作较复杂；在拉锥过程中空气孔中的气压、温度都会发生变化，双芯光纤两纤芯性能也会受到较大影响。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于三芯光纤的马赫曾德干涉仪，该干涉仪由宽带光源、输入光纤、三芯光纤、输出光纤、光谱分析仪依次连接构成；其特征在于：采用改变输入光纤纤芯模数、输出光纤纤芯模数或二者同时改变的方式而改变输入光纤和输出光纤的模数，然后与宽带光源、三芯光纤、光谱分析仪连接构成四种结构的马赫曾德干涉仪；

采用单模输入、输出光纤与三芯光纤构成的马赫曾德干涉仪结构由宽带光源、单模输入光纤1、三芯光纤3、单模输出光纤6和光谱分析仪依次连接构成；所述三芯光纤包括第一纤芯、第二纤芯和第三纤芯，三个纤芯依次等距平行排列，第二纤芯位于第一纤芯和第三纤芯中间；单模输入光纤纤芯和第二纤芯的一端熔接，单模输出光纤纤芯和第二纤芯的另一端熔接；在三个纤芯的中间，第二纤芯的中部位置用激光器切割出空气层，且空气层与第一纤芯和第三纤芯对称；将光纤连接处进行清洗，再用环氧树脂进行封装固化。

所述第一纤芯和第三纤芯相对边沿最近距离为h；空气层的宽度为d，长度为L；且空气层的宽度d大小满足条件9μm＜d＜h，长度L＜三芯光纤的长度。

所述三芯光纤中间采用空气层设计，三芯光纤中间的第二纤芯被切断，光信号经过单模输入光纤进入三芯光纤中间纤芯，光信号经过包层耦合到两个对称的第一纤芯和第三纤芯形成相干光，第一纤芯和第三纤芯三芯为干涉仪的两个干涉臂；同时由于空气层的存在，阻止了光信号在第一纤芯和第三纤芯间的耦合；当光信号传输到空气层的另一端后，第一纤芯和第三纤芯中的光信号分别耦合到中间第二纤芯中形成干涉，并经单模输出光纤输出，使得干涉仪的灵敏度得到了很大的提高。

所述采用多模输入、单模输出的马赫曾德干涉仪结构，在干涉仪结构中，单模输入光纤纤芯采用多模输入光纤纤芯，使单模输入光纤变成多模输入光纤、然后由宽带光源、多模输入光纤、三芯光纤、单模输出光纤和光谱分析仪依次连接构成；其中第一纤芯和第三纤芯相对边沿最近距离为h；空气层的宽度为d，长度为L；且空气层的宽度d大小满足条件9μm＜d＜h，长度L＜三芯光纤的长度。

所述采用单模输入、多模输出的马赫曾德干涉仪结构，在干涉仪结构中，单模输出光纤纤芯采用多模输出光纤纤芯，使单模输出光纤变成多模输出光纤、然后由宽带光源、单模输入光纤、三芯光纤、多模输出光纤和光谱分析仪依次连接构成；其中第一纤芯和第三纤芯相对边沿最近距离为h；空气层的宽度为d，长度为L；且空气层的宽度d大小满足条件9μm＜d＜h，长度L＜三芯光纤的长度。

所述采用多模输入、多模输出的马赫曾德干涉仪结构，在干涉仪结构中，单模输入光纤纤芯采用多模输入光纤纤芯，使单模输入光纤变成多模输入光纤；单模输出光纤纤芯采用多模输出光纤纤芯，使单模输出光纤变成多模输出光纤、然后由宽带光源、多模输入光纤、三芯光纤、多模输出光纤和光谱分析仪依次连接构成；其中第一纤芯和第三纤芯相对边沿最近距离为h；空气层的宽度为d，长度为L；且空气层的宽度d大小满足条件9μm＜d＜h，长度L＜三芯光纤的长度。

本发明的有益效果：相比传统光纤马赫曾德干涉仪，本发明以三芯光纤为基质，具有全光纤结构，体积和重量都大大减小，具有低能源依赖性、高环境耐受性、抗电磁干扰、抗腐蚀等特性。由于两个干涉臂在一根光纤中，消除了温度对干涉仪的影响。依靠中间的空气层阻止了光能量在两纤芯之间的耦合，使得干涉仪的灵敏度得到了很大的提高。例如本系统可以应用桥梁健康监测系统，当有应变信号的干扰时，会导致光谱发生波长漂移，通过光谱分析仪就可以发现波长的变化，进而可以及时采取安全措施。

附图说明

图1采用单模输入、单模输出的马赫曾德干涉仪结构示意图。

图2采用单模输入、单模输出的马赫曾德干涉仪A-A截面图。

图3采用多模输入、单模输出的马赫曾德干涉仪结构示意图。

图4采用单模输入、多模输出的马赫曾德干涉仪结构示意图。

图5采用多模输入、多模输出的马赫曾德干涉仪结构示意图。

具体实施方式

本发明提供一种基于三芯光纤的马赫曾德干涉仪，下面结合附图对本发明作进一步描述。

实施例一

基于三芯光纤的马赫曾德干涉仪，如图1所示为采用单模输入、单模输出的马赫曾德干涉仪结构示意图。图中，干涉仪由宽带光源、单模输入光纤1、三芯光纤3、单模输出光纤6和光谱分析仪依次连接构成。所述三芯光纤3包括第一纤芯31、第二纤芯32和第三纤芯33，三个纤芯依次等距平行排列，第二纤芯32位于第一纤芯31和第三纤芯33中间，单模输入光纤纤芯2和第二纤芯32的一端熔接，单模输出光纤纤芯7和第二纤芯32的另一端熔接；在三个纤芯的中间，第二纤芯32的中部位置用激光器切割出空气层4，且空气层与第一纤芯31和第三纤芯33对称；将光纤连接处进行清洗，再用环氧树脂5进行封装固化。

上述第一纤芯31和第三纤芯33相对边沿最近距离h为70μm，空气层4的长度L为490m，宽度d为60μm(如图2所示)。

采用单模输入、单模输出的马赫曾德干涉仪工作过程：宽带光源输出的光信号经过单模输入光纤2进入三芯光纤3中间的第二纤芯32，光信号经过包层耦合到两个对称的第一纤芯31和第三纤芯33形成相干光，因为第二纤芯32被切断，第一纤芯31和第三纤芯33成为为干涉仪的两个干涉臂；同时由于空气层的存在，阻止了光信号在第一纤芯31和第三纤芯33间的耦合；当光信号传输到空气层4的另一端后，第一纤芯31和第三纤芯33中的光信号分别耦合到中间第二纤芯32中形成干涉光，并经单模输出光纤7输出，进入光谱分析仪，使得干涉仪的灵敏度得到了很大的提高。

本实施例所述的单模输入光纤1和单模输出光纤6的长度都为50m，三芯光纤3的长度为500m；单模输入光纤纤芯2、单模输出光纤纤芯7的纤芯直径都为9μm，第一纤芯31、第二纤芯32和第三纤芯33的纤芯直径都为50μm。

实施例二

图3所示为采用多模输入、单模输出的马赫曾德干涉仪结构示意图。图中，在干涉仪结构中，单模输入光纤纤芯2采用多模输入光纤纤芯，使单模输入光纤1变成多模输入光纤、所述各部件连接关系与实施例一相同。上述第一纤芯31和第三纤芯33相对边沿最近距离h为130μm，空气层4的长度L为49km，宽度d为110μm(如图2所示)将光纤连接处进行清洗，然后用环氧树脂5进行封装固化。

多模输入、单模输出的马赫曾德干涉仪的工作过程与实施例一相同。本实施例所述的多模输入光纤1和单模输出光纤6的长度分别为50m、60m，三芯光纤3的长度为50km；多模输入光纤纤芯2、单模输出光纤纤芯7的纤芯直径分别为50μm、9μm，第一纤芯31、第二纤芯32和第三纤芯33的纤芯直径都为100μm。

实施例三

图4所示为采用单模输入、多模输出的马赫曾德干涉仪结构示意图；图中，在干涉仪结构中，单模输出光纤纤芯7采用多模输出光纤纤芯，使单模输出光纤6变成多模输出光纤、所述各部件连接关系与实施例一相同。上述第一纤芯31和第三纤芯33相对边沿最近距离h为450μm，空气层4的长度L为99km，宽度d为430μm(如图2所示)将光纤连接处进行清洗，然后用环氧树脂5进行封装固化。

单模输入、多模输出的马赫曾德干涉仪的工作过程与实施例一相同。本实施例所述的单模输入光纤1和多模输出光纤6的长度分别为60m、50m，三芯光纤3的长度为100km；单模输入光纤纤芯2、多模输出光纤纤芯7的纤芯直径分别为9μm、62.5μm，第一纤芯31、第二纤芯32和第三纤芯33的纤芯直径都为400μm。

实施例四

图3所示为采用多模输入、多模输出的马赫曾德干涉仪结构示意图；，图中，在干涉仪结构中，单模输入光纤纤芯2采用多模输入光纤纤芯，使单模输入光纤1变成多模输入光纤；单模输出光纤纤芯7采用多模输出光纤纤芯，使单模输出光纤6变成多模输出光纤；三芯光纤3结构不变，所述各部件连接关系与实施例一相同。上述第一纤芯31和第三纤芯33相对边沿最近距离h为450μm，空气层4的长度L为99km，宽度d为430μm(如图2所示)将光纤连接处进行清洗，然后用环氧树脂5进行封装固化。

单模输入、多模输出的马赫曾德干涉仪的工作过程与实施例一相同。本实施例所述的单模输入光纤1和多模输出光纤6的长度分别为60m、50m，三芯光纤3的长度为100km；单模输入光纤纤芯2、多模输出光纤纤芯7的纤芯直径分别为9μm、62.5μm，第一纤芯31、第二纤芯32和第三纤芯33的纤芯直径都为400μm。

实施例五

图5所示为采用多模输入、多模输出的马赫曾德干涉仪结构示意图。图中，在干涉仪结构中，单模输出光纤纤芯7采用多模输出光纤纤芯，使单模输出光纤6变成多模输出光纤、所述各部件连接关系与实施例一相同。上述第一纤芯31和第三纤芯33相对边沿最近距离h为650μm，空气层4的长度L为199km，宽度d为630μm(如图2所示)将光纤连接处进行清洗，然后用环氧树脂5进行封装固化。

多模输入、多模输出的马赫曾德干涉仪的工作过程与实施例一相同。本实施例所述的多模输入光纤1和多模输出光纤6的长度分别为60m、70m，三芯光纤3的长度为200km；多模输入光纤纤芯2、多模输出光纤纤芯7的纤芯直径各为50μm，第一纤芯31、第二纤芯32和第三纤芯33的纤芯直径都为600μm。

上述内容仅是对本发明较佳实施例的详细说明，而本发明的保护范围并不限于上述内容，本领域的技术人员可以根据本方明的思想，对本发明进行各种变形和修饰，这些应属于本发明的保护范围。本发明所使用的器件均为市售器件。

Claims (5)

1.一种基于三芯光纤的马赫曾德干涉仪，该干涉仪由宽带光源、输入光纤(1)、三芯光纤(3)、输出光纤(6)、光谱分析仪依次连接构成；其特征在于：输入光纤(1)、输出光纤(6)均采用单模光纤纤芯，然后与三芯光纤构成单模输入、输出的马赫曾德干涉仪，所述宽带光源、单模输入光纤、三芯光纤、单模输出光纤和光谱分析仪依次连接构成；

所述三芯光纤包括第一纤芯、第二纤芯和第三纤芯，三个纤芯依次等距平行排列，第二纤芯位于第一纤芯和第三纤芯中间；单模输入光纤纤芯和第二纤芯的一端熔接，单模输出光纤纤芯和第二纤芯的另一端熔接；在三个纤芯的中间，第二纤芯的中部位置用激光器切割出空气层，且空气层与第一纤芯和第三纤芯对称；将光纤连接处进行清洗，再用环氧树脂进行封装固化；

所述第一纤芯和第三纤芯相对边沿最近距离为h；空气层的宽度为d，长度为L；且空气层的宽度d大小满足条件9μm＜d＜h，长度L＜三芯光纤的长度。

2.根据权利要求1所述基于三芯光纤的马赫曾德干涉仪，其特征在于，所述在三个纤芯的中间，第二纤芯的中部位置用激光器切割出空气层光信号经过单模输入光纤进入三芯光纤中间纤芯，光信号经过包层耦合到两个对称的第一纤芯和第三纤芯形成相干光，第一纤芯和第三纤芯三芯为干涉仪的两个干涉臂；同时由于空气层的存在，阻止了光信号在第一纤芯和第三纤芯间的耦合；当光信号传输到空气层的另一端后，第一纤芯和第三纤芯中的光信号分别耦合到中间第二纤芯中形成干涉，并经单模输出光纤输出，使得干涉仪的灵敏度得到了很大的提高。

3.根据权利要求1所述基于三芯光纤的马赫曾德干涉仪，其特征在于，输入光纤(1)采用多模光纤纤芯、输出光纤(6)采用单模光纤纤芯，然后与三芯光纤构成多模输入光纤、单模输出光纤的马赫曾德干涉仪，所述宽带光源、多模输入光纤、三芯光纤、单模输出光纤和光谱分析仪依次连接构成；

所述三芯光纤包括第一纤芯、第二纤芯和第三纤芯，三个纤芯依次等距平行排列，第二纤芯位于第一纤芯和第三纤芯中间；多模输入光纤纤芯和第二纤芯的一端熔接，单模输出光纤纤芯和第二纤芯的另一端熔接；在三个纤芯的中间，第二纤芯的中部位置用激光器切割出空气层，且空气层与第一纤芯和第三纤芯对称；将光纤连接处进行清洗，再用环氧树脂进行封装固化；

所述第一纤芯和第三纤芯相对边沿最近距离为h；空气层的宽度为d，长度为L；且空气层的宽度d大小满足条件9μm＜d＜h，长度L＜三芯光纤的长度。

4.根据权利要求1所述基于三芯光纤的马赫曾德干涉仪，其特征在于，

输入光纤(1)采用单模光纤纤芯、输出光纤(6)采用多模光纤纤芯，然后与三芯光纤构成单模输入光纤、多模输出光纤的马赫曾德干涉仪，所述宽带光源、单模输入光纤、三芯光纤、多模输出光纤和光谱分析仪依次连接构成；

所述三芯光纤包括第一纤芯、第二纤芯和第三纤芯，三个纤芯依次等距平行排列，第二纤芯位于第一纤芯和第三纤芯中间；单模输入光纤纤芯和第二纤芯的一端熔接，多模输出光纤纤芯和第二纤芯的另一端熔接；在三个纤芯的中间，第二纤芯的中部位置用激光器切割出空气层，且空气层与第一纤芯和第三纤芯对称；将光纤连接处进行清洗，再用环氧树脂进行封装固化；

所述第一纤芯和第三纤芯相对边沿最近距离为h；空气层的宽度为d，长度为L；且空气层的宽度d大小满足条件9μm＜d＜h，长度L＜三芯光纤的长度。

5.根据权利要求1所述基于三芯光纤的马赫曾德干涉仪，其特征在于，输入光纤(1)采用多模光纤纤芯、输出光纤(6)采用多模光纤纤芯，然后与三芯光纤构成多模输入光纤、多模输出光纤的马赫曾德干涉仪，所述宽带光源、多模输入光纤、三芯光纤、多模输出光纤和光谱分析仪依次连接构成；

所述三芯光纤包括第一纤芯、第二纤芯和第三纤芯，三个纤芯依次等距平行排列，第二纤芯位于第一纤芯和第三纤芯中间；多模输入光纤纤芯和第二纤芯的一端熔接，多模输出光纤纤芯和第二纤芯的另一端熔接；在三个纤芯的中间，第二纤芯的中部位置用激光器切割出空气层，且空气层与第一纤芯和第三纤芯对称；将光纤连接处进行清洗，再用环氧树脂进行封装固化；

所述第一纤芯和第三纤芯相对边沿最近距离为h；空气层的宽度为d，长度为L；且空气层的宽度d大小满足条件9μm＜d＜h，长度L＜三芯光纤的长度。