CN103439765A - 一种全光纤型多径干涉仪 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种光纤通信和光纤传感领域中的全光纤型多径干涉仪，是由第一单模光纤、多模光纤、多芯光纤和第二单模光纤依次串接组成的单根光纤，多芯光纤和第二单模光纤的连接处是经多次放电致折射率均匀分布的坍塌熔接区，多模光纤的纤芯半径大于多芯光纤最外层纤芯与多芯光纤中心的距离；多芯光纤的每个芯的折射率均不一样，芯与包层之间的折射率不一样；是一种高度集成的光学器件，实现在单根光纤内产生的多径干涉，对环境参数改变引起的干涉仪相位变化具有更高的响应度，能有效提高传感的灵敏度；可以根据需要调整不同光纤的长度及熔接、对准参数以得到不同的性能。

Description

一种全光纤型多径干涉仪

技术领域

本发明涉及一种光纤通信和光纤传感领域中的干涉仪，可作为基本的光纤通信器件，用作调制器、滤波器、光开关等，也可用于温度、折射率等的测量。

背景技术

在光纤通信和光纤传感领域中，马赫曾德干涉仪是基本器件，对环境参数，如温度、折射率、压力、应变等具有非常高的灵敏度，是光纤传感系统中常用的器件。传统的马赫曾德干涉仪其干涉谱为近似的正弦或余弦曲线，形式单一。基于具有不同光程差的多路径光波发生干涉这一原理实现的多径干涉仪，具有更丰富的物理现象，但是现有的多径干涉仪都是利用耦合器和光纤这些分离的原件搭建起来的，未见集成的器件，一般的结构都是采用两个3x3的耦合器，端口间连接不同长度或不同种类的光纤来实现，集成度不高。

  与传统的传感器相比，光纤传感器由于具有结构微小、紧凑，易弯曲，电绝缘，抗电磁干扰，耐腐蚀，熔点高等特点，在特殊场合的温度测量方面具有巨大的优势，也可以基于对折射率的传感实现对化工、生物等方面的监测。光纤温度传感器的测量原理有很多种，比如：基于干涉型的传感器、基于光栅型的传感器、基于拉曼或布里渊散射的分布式传感器等，温度灵敏度较低，一般是10um/℃，而其他一些采用特殊材料的光纤或向空心光纤中灌注液体的方案往往工艺复杂，成本高，且不稳定。由于目前分布式光纤传感器的空间分辨率还不高，相对来说更适用于长距离的传感场合，而短距离小范围的温度测量则常采用点阵式或准分布式的传感器。其中光栅型的传感器，由于光栅刻写复杂，对工艺要求很高，价格昂贵，高温时会受破坏性能不稳定，易损毁。折射率传感普遍采用的方案是利用细光纤与其他光纤熔接搭建的模式干涉仪来实现，所用的细光纤包层直径为几微米甚至纳米量级的细光纤，显然这种光纤非常脆弱，这类传感器难以实现实际应用。

高性价比、高灵敏度的光纤传感方案一直是本领域所追求的最佳方案，为了得到更高的响应率，大多采用特殊材料的光纤（如聚合物包层光纤）做传感媒介，或者在空心光纤中灌入特殊液体，这些方案对工艺要求很高，器件稳定性差，而且成本高。

发明内容

鉴于现有技术存在的问题，本发明提出一种全固态光纤型的多径干涉仪，在单根光纤内实现多径干涉，集成度高，结构简单，易于制作，性能稳定。 

本发明采用的技术方案是：本发明所述全光纤型多径干涉仪是由第一单模光纤、多模光纤、多芯光纤和第二单模光纤依次串接组成的单根光纤，多芯光纤和第二单模光纤的连接处是经多次放电致折射率均匀分布的坍塌熔接区，多模光纤的纤芯半径大于多芯光纤最外层纤芯与多芯光纤中心的距离。

所述多芯光纤的每个芯的折射率均不一样，芯与包层之间的折射率不一样，芯与芯的折射率差值是                                                

量级，芯与包层的折射率差值在

量级之间。

进一步地，所述多芯光纤的芯径为8.8um，多芯光纤的芯与芯之间的间隔为37.75um。

 本发明与以往技术相比具有以下有益效果：

     1、本发明是全固态二氧化硅光纤马赫曾德干涉仪，干涉谱呈现出多个周期叠加共存的现象，是一种高度集成的光学器件，对环境参数改变引起的干涉仪相位变化具有更高的响应度，能有效提高传感的灵敏度，作为温度或折射率传感具有更高的灵敏度，插入损耗很小，制作简单，调节灵活，性价比高。

2、本发明采用了多芯光纤，并通过多模光纤激发，由于多芯光纤纤芯和包层的折射率不一样，并且不同纤芯间的折射率也可不一样，包层模和不同的纤芯模在多芯光纤中传输后产生的相位延迟不一样，这些具有不同光程的多路光波会在多芯光纤与单模光纤的连接处发生干涉，由此实现了在单根光纤内产生的多径干涉。

3、本发明所用的光纤是具有标准包层直径的全固态光纤，可以根据需要调整不同光纤的长度及熔接、对准参数以得到不同的性能，物理现象丰富，功能强大。

附图说明

图1是本发明所述一种全光纤型干涉仪结构示意图；

图2是图1中多芯光纤3的横截面放大示意图；

图3是图1的光纤连接放大示意图；  

图4是由图1所述一种全光纤型干涉仪所搭建的温度传感器装置图；

图5是本发明所述一种全光纤型干涉仪的多径干涉谱图；

图中：1.第一单模光纤；2.多模光纤；3.多芯光纤；4.第二单模光纤；5.连接处；6.光源；7.光谱仪或光电探测器。

具体实施方式

本发明的具体结构如图1-3所示，本发明是由第一单模光纤1、多模光纤2、多芯光纤3和第二单模光纤4依次串接组成的单根光纤，是一种在单根光纤内集成的多径干涉仪。利用光纤熔接机，依次将第一单模光纤1、多模光纤2、多芯光纤3和第二单模光纤4连接起来。

多芯光纤3和第二单模光纤4的连接处5是坍塌熔接区，是经多次放电致熔融坍塌结构，这里的坍塌结构是指破坏了阶跃型光纤中纤芯和包层的折射率分布界限分明的结构，使得连接处5这一区域的折射率近视为均匀分布。在多芯光纤3与第二单模光纤4熔接时多次放电，一般放电次数为10~20次，一直到熔接区熔融坍塌为止，破坏这一区域的折射率分布，破坏原本折射率分布界限分明的结构，尽可能地将多芯光纤3中各个芯的能量都耦合到输出的第二单模光纤4中。

多模光纤2的纤芯半径d大于多芯光纤3最外层纤芯与多芯光纤3中心的距离L，即要求d>L为宜，以便于充分激发多芯光纤3中不同纤芯和包层中的模式，实现多径传输。

多芯光纤3可以是三芯、四芯等，图2仅示出了多芯光纤3是中心对称分布的七芯光纤。多芯光纤3的芯径为8.8um，多芯光纤3芯与芯之间的间隔为37.75um。为了产生多径干涉，每个芯的折射率均不一样，芯与芯的折射率差别在

量级；芯与包层之间的折射率也不一样，芯与包层的折射率差值一般在

量级之间。

对于图2中的多芯光纤3是七芯光纤，其外围6个芯的折射率是一样的，它们与中间芯的折射率有差别，用1540nm波长的光测得的差值为5.1×10^-4，而中间芯与包层的差值为5.88×10^-3。存在折射率差，让每一路径中的光具有不同的光程差，才能产生多径干涉。 

本发明中的所有光纤的外径均为125μm的二氧化硅光纤。第一单模光纤1和第二单模光纤4均是标准的SMF-28型单模光纤。

如图4所示，由本发明所述一种全光纤型干涉仪搭建的温度传感器装置，从宽带光源6出来的光经第一单模光纤1耦合到多模光纤2中，在多模光纤2中会引起高阶模的产生，之后能量被耦合到多芯光纤3中不同纤芯和包层中，由于不同纤芯和包层之间都具有不同的折射率，所以经多芯光纤3传输后的各路光信号具有不同的光程，不同路径的光波会在坍塌熔接区连接处5发生干涉，能量重新耦合进第二单模光纤4中，由光谱仪或光电探测器7进行观察、测量。

图5给出了多径干涉谱。温度传感实验：是对传感头施加数值已知的加热或制冷作用，利用光谱仪观察和记录实验数据。折射率传感实验：是将传感头放在折射率已知的熔接中，多次改变溶液的折射率，注意更换溶液的过程中将光纤清洗干净，以免光纤上的附着物影响溶液浓度，用光谱仪或光电探测器7记录下每一次的实验数据，处理实验数据，画出温度-波长（功率）曲线，折射率-波长（功率）曲线，得到传感器的温度、折射率灵敏度。

Claims (4)

1.一种全光纤型多径干涉仪，其特征是：所述全光纤型多径干涉仪是由第一单模光纤（1）、多模光纤（2）、多芯光纤（3）和第二单模光纤（4）依次串接组成的单根光纤，多芯光纤（3）和第二单模光纤（4）的连接处（5）是经多次放电致折射率均匀分布的坍塌熔接区，多模光纤（2）的纤芯半径大于多芯光纤（3）最外层纤芯与多芯光纤（3）中心的距离。

2.根据权利要求1所述一种全光纤型多径干涉仪，其特征是：所述多芯光纤（3）的每个芯的折射率均不一样，芯与包层之间的折射率不一样，芯与芯的折射率差值是                                               

量级，芯与包层的折射率差值在量级之间。

3.根据权利要求2所述一种全光纤型多径干涉仪，其特征是：所述多芯光纤（3）的芯径为8.8um，多芯光纤（3）的芯与芯之间的间隔为37.75um。

4.根据权利要求1所述一种全光纤型多径干涉仪，其特征是：所有光纤均是外径为125μm的二氧化硅光纤。

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