CN110207736A - 基于非对称微纳光纤耦合器的扭转传感器及制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于非对称微纳光纤耦合器的扭转传感器及制备方法，非对称微纳光纤耦合器包括第一单模光纤臂、第二单模光纤臂、第一少模光纤臂、第二少模光纤臂以及融锥区和耦合区。向第一单模光纤臂施加扭转信号，当输入光源为宽带光源时，对第二单模光纤臂输出端干涉谱采用快速傅里叶变换分析，可获得线性度较好的扭转角度测试性能；当输入光源为窄带光源时，观察少模光纤输出端的LP11模光斑随扭转角度的变化，可以实现扭转角度变化的实时监测。本发明以全光纤的方式实现扭转传感，避免了传统扭转传感器易受电磁干扰、解调方式单一和机械加工要求高等缺点，具有结构紧凑、线性度高、解调方式多样、稳定性高、应用环境丰富等优点。

Description

基于非对称微纳光纤耦合器的扭转传感器及制备方法
技术领域
本发明属于光纤传感技术领域，尤其涉及一种基于非对称微纳光纤耦合器的扭转传感器及制备方法。
背景技术
扭转是结构安全监测中需要考虑的关键参数之一。结构安全监测和形状传感已被广泛研究和应用于包括桥梁、建筑物、隧道、大坝和管道的监测等众多领域，目的是对即将发生的异常情况或早期事故进行预警，以避免人员伤亡，并提供维护和维修建议。
当前应用于扭转测量的传感器主要有三类：机械式、电磁式和光纤式。机械式扭转角度测量主要是基于轴向应变片的传感模式，对机械加工要求高，结构复杂，且成本高。电磁式扭转角度测量主要是基于电磁离合式测功机，测量精度高，但其体积较大，易受电磁干扰，机械加工要求高，成本高，结构复杂，一般只作为标准测量使用。与传统的扭转传感器相比，基于光纤的扭转传感器具有体积小、抗电磁干扰和遥感能力强等独特优势。
基于光纤的扭转传感器主要可分为以下类型：光纤光栅、保偏光纤、光子晶体光纤和定制型的光纤传感器。然而，基于光纤光栅的扭转传感器具有相对较低的扭转灵敏度且造价昂贵。基于光纤光栅和保偏光纤的扭转传感器与萨格纳克(Sagnac)干涉仪相结合，具有更高的扭转灵敏度，但这些传感器需要相对复杂的信号解调系统，这限制了它们的潜在应用。定制的光纤传感器具有成本高、需要复杂和昂贵的制造设备的缺点。因此，研究并实现一种结构简单、制作方便、高灵敏度、损耗低、可重复性高、应用环境丰富的光纤扭转传感器在目前仍然具有较高的研究与应用价值。
发明内容
发明目的：针对以上问题，本发明提出一种基于非对称微纳光纤耦合器的扭转传感器及制备方法。
技术方案：为实现本发明的目的，本发明所采用的技术方案是：一种非对称微纳光纤耦合器，包括第一单模光纤臂、第二单模光纤臂、第一少模光纤臂、第二少模光纤臂；第一单模光纤臂和第一少模光纤臂一端熔融拉锥形成第一融锥区，第二单模光纤臂和第二少模光纤臂一端熔融拉锥形成第二融锥区，第一融锥区和第二融锥区通过耦合区连接。
进一步地，融锥区为锥形结构。
一种非对称微纳光纤耦合器的制备方法，包括步骤：
(1)将剥去涂覆层的洁净单模光纤放置于拉锥机夹具中心处，向两侧预拉伸一定距离；
(2)将预拉好的单模光纤从中心位置移至夹具内侧，再将剥去涂覆层的洁净少模光纤置于夹具外侧，调整两根光纤之间的距离再进行熔融耦合拉锥。
进一步地，利用石英槽及热缩套管对拉锥后的非对称微纳光纤耦合器进行封装。
进一步地，所述步骤2中，熔融耦合拉锥截止条件为，单模光纤中的基模LP01和少模光纤中的高阶模LP11满足相位匹配条件实现模式转换并且干涉谱出现明显包络。
一种基于非对称微纳光纤耦合器的扭转传感器，包括非对称微纳光纤耦合器和扭转装置；所述非对称微纳光纤耦合器包括第一单模光纤臂、第二单模光纤臂、第一少模光纤臂、第二少模光纤臂；第一单模光纤臂和第一少模光纤臂一端熔融拉锥形成第一融锥区，第二单模光纤臂和第二少模光纤臂一端熔融拉锥形成第二融锥区，第一融锥区和第二融锥区通过耦合区连接；所述第一单模光纤臂固定在扭转装置上，扭转装置扭转第一单模光纤臂实现扭转信号的加载。
一种基于非对称微纳光纤耦合器的扭转传感测试装置，包括扭转装置、非对称微纳光纤耦合器、光谱仪、图像传感器；所述非对称微纳光纤耦合器包括第一单模光纤臂、第二单模光纤臂、第一少模光纤臂、第二少模光纤臂；第一单模光纤臂和第一少模光纤臂一端熔融拉锥形成第一融锥区，第二单模光纤臂和第二少模光纤臂一端熔融拉锥形成第二融锥区，第一融锥区和第二融锥区通过耦合区连接；所述第一单模光纤臂固定在扭转装置上，扭转装置对第一单模光纤臂施加扭转；宽带光源与第一单模光纤臂相连，第二单模光纤臂端连接光谱仪，分析单模光纤输出端的干涉谱包络变化；窄带光源与第一单模光纤臂相连，第二少模光纤臂连接图像传感器，检测少模光纤输出端的光斑变化。
进一步地，连接方式均为光纤熔接。
有益效果：本发明基于非对称微纳光纤耦合器的扭转传感器，实现对施加于第一单模光纤上扭转信号的传感，具有多种解调方式，可以通过第二单模光纤臂输出端的干涉谱变化进行FFT分析，也可以通过观察少模光纤输出端光斑的旋转，相比于其他的扭转传感器，具有更灵活的优点。
本发明基于非对称微纳光纤耦合器的扭转传感器，以全光纤的方式实现扭转传感，器件长度在cm级别，具有较好的结构紧凑性；在一段时间和温度变化范围内，传感器测得的谱漂在0.02nm以下，具有较高的稳定性；该扭转传感的灵敏度59.49a.u./(rad/m)-1，线性度达为0.997，具有较高的线性度。
附图说明
图1是非对称微纳光纤耦合器结构示意图；
图2是基于非对称微纳光纤耦合器的扭转传感测试装置图；
图3(a)是扭转传感器实验测试获得0°～360°单模光纤输出端干涉谱随扭转角度的变化；(b)是1560nm波长附近波节点光谱放大图；
图4(a)是扭转传感器实验测试获得的输出干涉谱进行FFT分析的结果；(b)是空间频谱图的局部放大图；
图5是干涉谱模式强度和扭转角度的曲线关系图；
图6是0°到120°光斑形状随扭转角度的变化曲线图；
图7是透射谱稳定性测试结果图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明的技术方案作进一步的说明。
如图1所示，本发明所述的非对称微纳光纤耦合器，包括第一单模光纤臂4-1、第二单模光纤臂4-5、第一少模光纤臂4-7、第二少模光纤臂4-6；第一单模光纤臂4-1和第一少模光纤臂4-7一端熔融拉锥形成第一融锥区4-2，第二单模光纤臂4-5和第二少模光纤臂4-6一端熔融拉锥形成第二融锥区4-4，第一融锥区4-2和第二融锥区4-4通过耦合区4-3连接。融锥区同时含有单模光纤与少模光纤，为锥形结构。融锥区和耦合区构成熔融部分。
本发明所使用的非对称微纳光纤耦合器是将一根预拉后的标准单模光纤(纤芯直径/包层直径＝8/125μm、纤芯折射率/包层折射率＝1.4548/1.4458)和一根少模光纤(纤芯直径/包层直径＝19/125μm、纤芯折射率/包层折射率＝1.453/1.445)熔融拉锥而成，实现少模光纤中高阶模式(LP11)与单模光纤中基模(LP01)的相位匹配和模式转换。
本发明的非对称光纤耦合器的制作是通过拉锥机火焰拉锥完成的，其主要加工步骤为：
S1：将剥去涂覆层的洁净单模光纤放置在拉锥机夹具中心处，点燃氢气，启动运行程序向两侧预拉伸一定距离；
S2：将预拉好的单模光纤从中心位置移至夹具内侧，再将剥去涂覆层的洁净少模光纤置于夹具外侧，调整两根光纤之间的距离再进行熔融耦合拉锥，直到单模光纤中的基模LP01和少模光纤中的高阶模LP11满足相位匹配条件实现模式转换并且干涉谱出现明显包络；
S3：用石英槽以及热缩套管对拉制后的非对称微纳光纤耦合器进行封装处理。
本发明针对现有技术在实现光纤扭转传感存在的灵敏度低、解调方式单一、制作复杂、造价昂贵等缺点，提出了一种基于非对称微纳光纤耦合器的扭转传感器，具有结构紧凑、线性度高、解调方式多样、稳定性高、应用环境丰富等优点，在桥梁、建筑物、隧道、大坝和管道等的结构安全监测中具有潜在的应用价值。
本发明将第一单模光纤臂固定在扭转装置上，获得扭转传感器，通过扭转第一单模光纤臂实现扭转信号的加载。当在第一单模光纤臂上施加扭转时，光纤主轴发生旋转，与传感器主轴方向不一致，使得正交基模对间的功率比发生改变，能量也在LP11模的各简并模内交换。
本发明光纤扭转传感器第二单模臂端的透射谱具有明显的干涉包络，且干涉强度随着耦合长度的增加而增大。通过增大单模光纤和少模光纤耦合区的长度，使奇、偶超模占据主导地位，在第二单模光纤臂处获得高对比度的干涉谱，同时正交基模对之间的干涉使得干涉谱具有明显的包络状分布。由于非对称光纤耦合器是偏振相关的，输入基模的偏振角会影响透射率，如果不发生扭转，单模光纤与耦合器的光轴一致，但有扭转施加在输入端单模光纤上，单模光纤的主轴发生旋转，这将导致两光轴不一致，x偏振与y偏振基模的功率比发生改变，干涉谱和光斑也随扭转角度变化。
如图2所示，本发明的基于非对称微纳光纤耦合器的扭转传感测试装置包括：宽带光源(1)、窄带光源(2)、扭转装置(3)、非对称微纳光纤耦合器(4)、光谱仪(5)、图像传感器(6)。宽带光源与第一单模光纤臂相连，第二单模光纤臂端连接光谱仪；窄带光源与第一单模光纤臂相连，第二少模光纤臂连接图像传感器。连接方式均为光纤熔接。
扭转传感器具有两种解调方法，第一种用法，宽带光源与第一单模光纤臂相连，第二单模光纤臂端连接光谱仪，同时对第二单模光纤臂端的干涉谱包络的变化采用FFT分析。干涉谱FFT解调扭转信号的原理：该光纤扭转传感器透射谱的干涉强度随着耦合长度的增加而增大，并可获得具有明显包络的干涉谱。
第二种用法，所述窄带光源与第一单模光纤臂相连，少模光纤臂端连接图像传感器，观察少模光纤臂端的LP11模光斑随扭转角度的变化，以实现扭转变化的实时监测。光斑旋转解调扭转信号的原理：该光纤扭转传感器单模光纤需要预拉后与少模光纤进行熔融耦合，实现少模光纤中高阶模式(LP11)与单模光纤中基模(LP01)的相位匹配和模式转换，在少模光纤臂获得高阶模式光斑输出。
图3(a)为0°至360°第二单模光纤臂端的干涉谱随扭转角度的变化；(b)为1560nm附近波节点光谱放大图。横坐标为波长，纵坐标为透射光功率。从图中我们可以看出，扭转角度在0°至360°范围内变化时，在光谱包络波节点处发生明显变化。
图4(a)为输出干涉谱的FFT分析结果；图4(b)为空间频率为0.075nm-1的局部放大图。横坐标为空间频率，纵坐标为模式强度。利用FFT分析对包络变化进行解调。由于y偏振基模的耦合系数比x偏振的要大，左边的峰A和右边峰B为别代表x偏振基模与y偏振基模。扭转导致了正交基模对的能量交换，在不同的扭转角下，峰A和峰B呈现不同的高度。
图5为干涉谱模式强度和扭转角度的曲线关系。从图中我们可以得到x偏振基模与y偏振基模的能量变化在0°至360°内符合一定的曲线规律，两者都呈正弦式变化，并且基模对能量变化呈现相反趋势，符合能量在x偏振基模与y偏振基模之间交换的理论。0°至360°内，扭转在240°到290°能达到的最高灵敏度，灵敏度为59.49a.u./(rad/m)-1，线性度达到0.997。
图6为0°到120°光斑的形状随扭转角度变化曲线。由于LP11模具有对称性，是两个等大的半圆，并且中间有轴线，我们能清楚看到，随着能量在正交基模对之间交换，能量也在LP11模的各简并模内交换，光斑的轴线随着扭转角度的变化也发生旋转。我们通过光斑转动实现对扭转的实时观测。
图7为透射谱稳定性测试图。在较长时间范围内，对该传感结构进行稳定性测试，随着时间的推移，光谱波长漂移量在0.02nm以下；透射强度的变化量在0.043dB以下。该结果显示出该传感器结构具有较高的稳定性。

Claims (8)

1.一种非对称微纳光纤耦合器，其特征在于，包括第一单模光纤臂(4-1)、第二单模光纤臂(4-5)、第一少模光纤臂(4-7)、第二少模光纤臂(4-6)；第一单模光纤臂(4-1)和第一少模光纤臂(4-7)一端熔融拉锥形成第一融锥区(4-2)，第二单模光纤臂(4-5)和第二少模光纤臂(4-6)一端熔融拉锥形成第二融锥区(4-4)，第一融锥区(4-2)和第二融锥区(4-4)通过耦合区(4-3)连接。
2.根据权利要求1所述的非对称微纳光纤耦合器，其特征在于，融锥区为锥形结构。
3.一种非对称微纳光纤耦合器的制备方法，其特征在于，包括步骤：
(1)将剥去涂覆层的洁净单模光纤放置于拉锥机夹具中心处，向两侧预拉伸一定距离；
(2)将预拉好的单模光纤从中心位置移至夹具内侧，再将剥去涂覆层的洁净少模光纤置于夹具外侧，调整两根光纤之间的距离再进行熔融耦合拉锥。
4.根据权利要求3所述的非对称微纳光纤耦合器的制备方法，其特征在于，利用石英槽及热缩套管对拉锥后的非对称微纳光纤耦合器进行封装。
5.根据权利要求3所述的非对称微纳光纤耦合器的制备方法，其特征在于，所述步骤2中，熔融耦合拉锥截止条件为，单模光纤中的基模LP01和少模光纤中的高阶模LP11满足相位匹配条件实现模式转换并且干涉谱出现明显包络。
6.一种基于非对称微纳光纤耦合器的扭转传感器，其特征在于，包括非对称微纳光纤耦合器(4)和扭转装置(3)；
所述非对称微纳光纤耦合器包括第一单模光纤臂(4-1)、第二单模光纤臂(4-5)、第一少模光纤臂(4-7)、第二少模光纤臂(4-6)；第一单模光纤臂(4-1)和第一少模光纤臂(4-7)一端熔融拉锥形成第一融锥区(4-2)，第二单模光纤臂(4-5)和第二少模光纤臂(4-6)一端熔融拉锥形成第二融锥区(4-4)，第一融锥区(4-2)和第二融锥区(4-4)通过耦合区(4-3)连接；
所述第一单模光纤臂固定在扭转装置(3)上，扭转装置(3)扭转第一单模光纤臂实现扭转信号的加载。
7.一种基于非对称微纳光纤耦合器的扭转传感测试装置，其特征在于，包括扭转装置(3)、非对称微纳光纤耦合器(4)、光谱仪(5)、图像传感器(6)；
所述非对称微纳光纤耦合器包括第一单模光纤臂(4-1)、第二单模光纤臂(4-5)、第一少模光纤臂(4-7)、第二少模光纤臂(4-6)；第一单模光纤臂(4-1)和第一少模光纤臂(4-7)一端熔融拉锥形成第一融锥区(4-2)，第二单模光纤臂(4-5)和第二少模光纤臂(4-6)一端熔融拉锥形成第二融锥区(4-4)，第一融锥区(4-2)和第二融锥区(4-4)通过耦合区(4-3)连接；
所述第一单模光纤臂固定在扭转装置(3)上，扭转装置(3)对第一单模光纤臂施加扭转；
宽带光源(1)与第一单模光纤臂相连，第二单模光纤臂端连接光谱仪(5)，分析单模光纤输出端的干涉谱包络变化；
窄带光源(2)与第一单模光纤臂相连，第二少模光纤臂连接图像传感器(6)，检测少模光纤输出端的光斑变化。
8.根据权利要求7所述的基于非对称微纳光纤耦合器的扭转传感测试装置，其特征在于，连接方式均为光纤熔接。
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