CN109141673A - 一种基于微纳光纤光栅的Sagnac环温度、折射率双参数传感器 - Google Patents

一种基于微纳光纤光栅的Sagnac环温度、折射率双参数传感器 Download PDF

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曹延鹏
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Abstract

一种基于微纳光纤光栅的Sagnac环温度、折射率双参数传感器，包括超连续光源、输入单模光纤、输出单模光纤、2×2光纤耦合器、第一单模光纤干涉臂、第二单模光纤干涉臂、微纳光纤光栅、光谱分析仪。所述的超连续光源通过输入单模光纤与2×2光纤耦合器连接，2×2光纤耦合器的另一端通过输出单模光纤连接到光谱分析仪上，2×2光纤耦合器的两端分别通过第一单模光纤干涉臂、第二单模光纤干涉臂与微纳光纤光栅连接。本发明具有结构简单，成本较低的优点，另外本发明作为全光纤结构，具有对插入损耗低、成本低、高灵敏度等优点。

Description

一种基于微纳光纤光栅的Sagnac环温度、折射率双参数传 感器
技术领域
本发明涉及光纤技术领域，特别是涉及一种利用微纳光纤光栅栅区易发生倏逝场效应的特性和光纤Sagnac环结构特性的温度、折射率双参数传感器。
背景技术
液体的折射率是物质本身最重要的物理参数之一，反映的是液体的本质属性。随着科学技术的发展，折射率的测量正在引起研究人员越来越多的关注。因此，折射率传感器在生物和化学领域有着广阔的应用前景，如在化学领域中的测量溶液浓度、环境检测中的水质测量、生物细胞培养液的实时监测等。
光纤折射率传感器作为一种新型的传感器，具有无可比拟的优越性，非常适合应用于复杂环境，同时能够减弱复杂环境中其它因素对测量的干扰。它具有体积小、质量轻、抗干扰强、灵敏度高、耐腐蚀、响应速度快等优点。然而，温度交叉敏感限制了光纤折射率传感器的应用。温度的交叉敏感指的是外界温度的变化会影响光纤折射率传感器的精度，解决温度交叉敏感的问题，从而实现折射率和温度双参数测量，对于光纤折射率传感器的是非常重要的。
与传统光纤传感器相比，光纤Sagnac环传感器具有制作方便、灵活性好、稳定性好等优点。光纤Sagnac环广泛应用于光纤通信和光纤传感中。伴随着光纤通信和光纤传感技术的蓬勃发展，光纤Sagnac环结构成为光纤通信和光纤传感器件中的重要研究领域。在Sagnac环的同一光路中传输干涉光，它们具有相同的光强，所以传感器更容易制作，更容易发生干涉。在光纤Sagnac环结构中加入光纤光栅产生干涉的原理是：光在经过耦合器后分为2束光，分别沿顺时针和逆时针进入光纤布拉格光栅，并分别反方向反射。在进入耦合器时发射干涉并产生干涉光谱。产生相位差的原因是光纤光栅到耦合器之间的干涉臂的长度不同。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种基于微纳光纤光栅的Sagnac环温度、折射率双参数传感器,其能够实现对周围中环境折射率和温度大小的同时检测。
本发明的目的是这样实现的：
一种基于微纳光纤光栅的Sagnac环温度、折射率双参数传感器，包括超连续光源、输入单模光纤、输出单模光纤、2×2光纤耦合器、第一单模光纤干涉臂、第二单模光纤干涉臂、微纳光纤光栅、光谱分析仪。所述的超连续光源通过输入单模光纤与2×2光纤耦合器连接，2×2光纤耦合器的另一端通过输出单模光纤连接到光谱分析仪上，2×2光纤耦合器的两端分别通过第一单模光纤干涉臂、第二单模光纤干涉臂与微纳光纤光栅连接。
所述的第一单模光纤干涉臂与第二单模光纤干涉臂的长度差为3.3cm；
所述的微纳光纤光栅的栅区长度为4cm；
本发明制作的基于微纳光纤光栅的Sagnac环温度、折射率双参数传感器的工作原理：
本发明制作的基于微纳光纤光栅的Sagnac环温度、折射率双参数传感器的工作原理为：
入射光从超连续光源中输出，进入2×2光纤耦合器，在2×2光纤耦合器中分为2部分分别沿第一单模光纤干涉臂、第二单模光纤干涉臂顺时针和逆时针传播，在进入到微纳光纤光栅后，光会分为3部分，第一部分被微纳光纤光栅反射，这部分的光会沿原路返回到2×2光纤耦合器中，因为第一单模光纤干涉臂、第二单模光纤干涉臂的长度不同，会产生光程差和相位差，在2×2光纤耦合器中发生干涉。第二部分会被微纳光纤光栅透射在微纳光纤光栅的纤芯中传播，第三部分会因为微纳光纤光栅本身的特性，以倏逝波的形式在微纳光纤光栅的包层，也就是外界环境中传播，第二部分和第三部分的光会在微纳光纤光栅的末端发生干涉，干涉的原理为M-Z干涉的原理，并且在2×2光纤耦合器处发生叠加。通过改变折射率或温度时，会改变微纳光纤光栅的包层折射率或纤芯折射率。输出干涉光谱的不同干涉峰会随着折射率和温度的变化而发生漂移和强度大小的改变，通过解调不同干涉峰光谱漂移和强度变化就可以实现温度和折射率的同时测量。
本发明的优点和有益效果：
本发明提供的温度、折射率双参数传感器具有结构简单，成本较低的优点，相比于其它光纤Sagnac环双参数传感器，并没有使用昂贵的保偏光纤和光纤光栅级联的方法，而是只使用一段微纳光纤光栅，简化了结构，节约了成本。另外本发明作为全光纤结构，具有对插入损耗低、成本低、高灵敏度等优点。
附图说明
图1是本发明中基于微纳光纤光栅的Sagnac环温度、折射率双参数传感结构示意图；
图中：1.超连续光源，2.输入单模光纤，3.2×2光纤耦合器，4.第一单模光纤干涉臂，5.第二单模光纤干涉臂，6.微纳光纤光栅，7.输出单模光纤，8.光谱分析仪。
为了更好地说明本发明的目的和优点，下面结合附图和实例对本发明作进一步说明。
具体实施方式
实施例1
如图1所示，本发明提供基于微纳光纤光栅的Sagnac环温度、折射率双参数传感器，包括超连续光源1、输入单模光纤2、输出单模光纤7、2×2光纤耦合器3、第一单模光纤干涉臂4、第二单模光纤干涉臂5、微纳光纤光栅6、光谱分析仪8。所述的超连续光源1通过输入单模光纤2与2×2光纤耦合器3连接，2×2光纤耦合器3的另一端通过输出单模光纤7连接到光谱分析仪8上，2×2光纤耦合器3的两端分别通过第一单模光纤干涉臂4、第二单模光纤干涉臂5与微纳光纤光栅6连接。所述的第一单模光纤干涉臂4与第二单模光纤干涉臂5的长度差为3.3cm，所述的微纳光纤光栅6的栅区长度为4cm。
入射光从超连续光源1中输出，进入2×2光纤耦合器3，在2×2光纤耦合器3中分为2部分分别沿第一单模光纤干涉臂4、第二单模光纤干涉臂5顺时针和逆时针传播，在进入到微纳光纤光栅后，光会分为3部分，第一部分被微纳光纤光栅6反射，这部分的光会沿原路返回到2×2光纤耦合器3中，因为第一单模光纤干涉臂4、第二单模光纤干涉臂5的长度不同，会产生光程差和相位差，在2×2光纤耦合器3中发生干涉。第二部分会被微纳光纤光栅6透射在微纳光纤光栅6的纤芯中传播，第三部分会因为微纳光纤光栅6本身的特性，以倏逝波的形式在微纳光纤光栅6的包层，也就是外界环境中传播，第二部分和第三部分的光会在微纳光纤光栅6的末端发生干涉，干涉的原理为M-Z干涉的原理，并且在2×2光纤耦合器3处发生叠加。通过改变折射率或温度时，会改变微纳光纤光栅6的包层折射率或纤芯折射率。输出干涉光谱的不同干涉峰会随着折射率和温度的变化而发生漂移和强度大小的改变，通过解调不同干涉光谱峰漂移和强度变化就可以实现温度和折射率的同时测量。

Claims (3)

1.一种基于微纳光纤光栅的Sagnac环温度、折射率双参数传感器，其特征在于：该装置包括超连续光源、输入单模光纤、输出单模光纤、2×2光纤耦合器、第一单模光纤干涉臂、第二单模光纤干涉臂、微纳光纤光栅、光谱分析仪，所述的超连续光源通过输入单模光纤与2×2光纤耦合器连接，2×2光纤耦合器的另一端通过输出单模光纤连接到光谱分析仪上，2×2光纤耦合器的两端分别通过第一单模光纤干涉臂、第二单模光纤干涉臂与微纳光纤光栅连接。
2.根据权利要求1所述的温度、折射率双参数传感器，其特征在于：所述的第一单模光纤干涉臂与第二单模光纤干涉臂的长度差为3.3cm。
3.根据权利要求1所述的温度、折射率双参数传感器，其特征在于：所述的微纳光纤光栅的栅区长度为4cm。
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