CN111610166A - 开放式微腔mzi、开放式微腔mzi折射率传感器及测量方法 - Google Patents

开放式微腔mzi、开放式微腔mzi折射率传感器及测量方法 Download PDF

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CN111610166A CN202010590791.3A CN202010590791A CN111610166A CN 111610166 A CN111610166 A CN 111610166A CN 202010590791 A CN202010590791 A CN 202010590791A CN 111610166 A CN111610166 A CN 111610166A
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钮盼盼
刘琨
王双
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Abstract

本发明公开了一种开放式微腔MZI、开放式微腔MZI折射率传感器及测量方法，由泵浦光源(1)、波分复用器(2)、掺铒光纤(3)、第一光隔离器(4)、开放式微腔MZI(5)、光耦合器(6)、第二光隔离器(7)及其所构成的环形谐振腔(9)，以及光谱分析仪(8)组成；将开放式微腔MZI(5)作为谐振波长选择器引入光纤环形谐振腔(9)内，实现环境波长可调谐激光输出，通过测量环形谐振腔(9)输出的谐振激光中心波长解调出微腔内待测介质的折射率。本发明适合特殊狭窄传感区域，微腔结构可以方便地嵌入微流控装置中，实现了较高的折射率灵敏度；制作成本低廉，易于标准化生产，具有潜在的应用价值；大幅提高了折射率测量的探测极限和品质因数。

Description

开放式微腔MZI、开放式微腔MZI折射率传感器及测量方法
技术领域
本发明涉及光纤传感技术领域，特别涉及一种微腔MZI折射率传感器及制备方法。
背景技术
折射率作为物质材料的一项重要属性，其测量被广泛应用于化工、生物、食品等领域，尤其是对液体折射率的高精度测量已经成为传感计量领域的研究热点。近年来，随着光纤传感器及其相关技术高速发展，基于各种光纤微纳结构的光纤折射率传感器被广泛研究并逐步实用化。基于错位熔接技术的光纤马赫-增德尔干涉仪(MZI，Mach-Zehnderinterferometer)由于制备简便并且机械强度高而被广泛用作折射率传感元件。然而，传统的小幅错位光纤MZI依赖较弱的光纤表面倏逝场进行环境折射率传感，测量灵敏度较低。通过增大错位距离使部分光纤纤芯暴露于待测介质中，可构成具有开放式微腔结构的MZI。该类微腔MZI将待测介质直接作为光波导传输一路干涉光，另一路干涉光则通过错位光纤传输，因此具有极高的折射率灵敏度。
当前已报道的微腔MZI折射率传感器大都使用传统的透射光谱测量法进行解调，即通过跟踪透射光谱中的干涉谷中心波长进行折射率测量。虽然微腔MZI具有极高的折射率灵敏度，但其折射率的探测极限受限于干涉谷的带宽。且对于谱型较为平滑的透射光谱，干涉谷的中心波长往往无法准确测量，从而降低了折射率的测量精度，限制了微腔MZI的应用。
光纤有源谐振腔可以提供高信噪比、窄线宽的高质量激光光谱，将其应用于光纤折射率传感可以提高测量分辨率和探测极限，同时补偿器件过大的插入损耗。因此，开发一种开放式微腔MZI折射率传感器是本发明亟待解决的技术问题。
发明内容
本发明的目的是克服现有基于微腔MZI的折射率传感器所存在的不足，提出了一种开放式微腔MZI、开放式微腔MZI折射率传感器及测量方法，将开放式微腔MZI与光纤环形谐振腔结合，实现了折射率传感器及利用该折射率传感器实现的折射率测量方法。
一种开放式微腔MZI折射率传感器，该传感器由通过单模光纤连接的泵浦光源1、波分复用器2、掺铒光纤3、第一光隔离器4、开放式微腔MZI 5、光耦合器6、第二光隔离器7及其所构成的环形谐振腔9，以及光谱分析仪8组成；其中，所述泵浦光源1与所述波分复用器2的第一输入端a连接，所述掺铒光纤3与所述波分复用器2的输出端b连接，所述掺铒光纤3依序连接所述第一光隔离器4、所述开放式微腔MZI 5，防止所述开放式微腔MZI 5的端面反射光对掺铒光纤3的二次吸收；所述开放式微腔MZI 5与所述光耦合器6的输入端d连接，所述光耦合器6的第一输出端e通过所述第二光隔离器7与所述波分复用器2的第二输入端c连接，从而形成闭合环路，所述闭合环路作为环形谐振腔9；所述光耦合器6的第二输出端f连接光谱分析仪8；
所述开放式微腔MZI 5包括单模光纤的第一纤芯21、多模光纤的第一纤芯22、错位单模光纤的包层23、多模光纤的第二纤芯24和单模光纤的第二纤芯25；入射光从单模光纤的第一纤芯21进入多模光纤的第一纤芯22后，在第一错位熔接处25被分为两路，一路进入错位单模光纤的包层23，另一路则进入由待测介质填充的微腔内，两路光在第二错位熔接处27被重新耦合接续进入多模光纤的第二纤芯24、单模光纤的第二纤芯25，并形成干涉。
本发明的利用一种开放式微腔MZI折射率传感器的测量方法，该方法包括以下步骤：
泵浦光源1发出的泵浦光通过波分复用器2进入环形谐振腔9内，被掺铒光纤3吸收产生放大的自发辐射光，经过第一光隔离器4被具有空间滤波特性的开放式微腔MZI 5滤波，通过在环形谐振腔9内的循环增益，最终在增益带宽内形成稳定的激光振荡，一部分振荡激光被光耦合器6耦合出环形谐振腔9并被光谱分析仪8测量；所述开放式微腔MZI 5的结构包括单模光纤的第一纤芯21、多模光纤的第一纤芯22、错位单模光纤的包层23、多模光纤的第二纤芯24和单模光纤的第二纤芯25；入射光从单模光纤的第一纤芯21进入多模光纤的第一纤芯22后，在第一错位熔接处25被分为两路，一路进入错位单模光纤的包层23，另一路则进入由待测介质填充的微腔内，两路光在第二错位熔接处27被重新耦合接续进入多模光纤的第二纤芯24、单模光纤的第二纤芯25，并形成干涉。
直接使用待测介质作为一路干涉光的波导，待测介质的微小折射率变化将引起干涉光谱的漂移，即开放式微腔MZI 5的透射特性将随环境折射率变化而变化；将开放式微腔MZI 5作为谐振波长选择器引入光纤环形谐振腔9内，实现环境折射率依赖的波长可调谐激光输出，通过测量环形谐振腔9输出的谐振激光中心波长解调出微腔内待测介质的折射率。
本发明的一种开放式微腔MZI，该结构包括单模光纤的第一纤芯21、多模光纤的第一纤芯22、错位单模光纤的包层23、多模光纤的第二纤芯24和单模光纤的第二纤芯25；入射光从单模光纤的第一纤芯21进入多模光纤的第一纤芯22后，在第一错位熔接处25被分为两路，一路进入错位单模光纤的包层23，另一路则进入由待测介质填充的微腔内，两路光在第二错位熔接处27被重新耦合接续进入多模光纤的第二纤芯24、单模光纤的第二纤芯25，并形成干涉。
本发明的一种开放式微腔MZI的制备方法，该方法包括以下步骤：
步骤1、将一段单模光纤与一段多模光纤的涂覆层剥除，使用光纤切割刀切除部分尾纤后，使用光纤熔接机将端面平整的单模与多模光纤自动熔接；
步骤2、将熔接完成的单模光纤与多模光纤固定在具有显微功能的光纤切割刀上，并调整切割刀头位置至熔接点处，偏移多模光纤一侧50μm～500μm，切除多余多模光纤，得到具有50μm～500μm多模光纤的单模-多模光纤结构；
步骤3、重复上述步骤1和2，得到两段单模-多模光纤结构；
步骤4、使用光纤熔接机将一段单模-多模光纤结构中的多模光纤端与一段单模光纤进行错位熔接，光纤端面对准后调整光纤熔接机X轴偏移55μm～70μm，设置放电强度为250bit，放电时间为2s，执行熔接程序完成错位熔接；
步骤5、使用具有显微功能的光纤切割刀，将步骤4)中的已完成错位熔接的单模光纤多余部分切除，仅保留300μm～1800μm；
步骤6、将步骤5中的剩余300μm～1800μm单模光纤与步骤3所得单模-多模光纤结构的多模光纤端进行错位熔接，光纤端面对准后调整光纤熔接机X轴偏移-70μm～-55μm，使错位单模光纤两端的单模-多模光纤结构同轴，设置放电强度为250bit，放电时间为2s，执行熔接程序完成错位熔接。至此开放式微腔MZI制作完成；
所述单模的包层直径为125μm，纤芯直径为5μm～10μm，多模光纤的包层直径为125μm，纤芯直径为50μm～125μm。
与现有技术相比，本发明的优点和有益效果如下：
1)作为折射率敏感元件的开放式微腔MZI具有尺寸小巧(微腔长度仅为300μm～1800μm)、可实现单点精确测量的特点，因此微腔结构可以方便地嵌入微流控装置中，适合空间有限的特殊狭窄传感区域；
2)通过使用具有较大芯径的多模光纤，提高了开放式微腔MZI的制备错位容限，同时保持了传感结构的紧凑性和较高的折射率灵敏度；
3)开放式微腔MZI使用单模光纤和多模光纤制作，无需对光纤进行特殊处理(如蚀刻、镀膜等)，灵活性高，成本低廉，易于标准化和批量生产，具有潜在的应用价值；
4)将开放式微腔MZI与光纤环形谐振腔结合，利用环形谐振腔9输出的高信噪比、窄线宽激光传感光谱，大幅提高了折射率测量的探测极限和品质因数。
附图说明
图1是一种开放式微腔MZI折射率传感器的结构示意图；
图2是开放式微腔MZI的结构示意图；
图3是由光谱分析仪实测到的该折射率传感器输出激光光谱图；
图4是输出激光中心波长对不同外界环境折射率的实测结果响应关系图。
附图标记：
1、泵浦光源，2、波分复用器，3、掺铒光纤，4、第一光隔离器，5、开放式微腔MZI，6、光耦合器，7、第二光隔离器，8、光谱分析仪，9、环形谐振腔；
a、波分复用器的第一输入端，b、波分复用器的输出端，c、波分复用器的第二输入端，d、光耦合器的输入端，e、光耦合器的第一输出端，f、光耦合器的第二输入端；
21、单模光纤的第一纤芯，22、多模光纤的第一纤芯，23、错位单模光纤的包层，24、多模光纤的第二纤芯，25、单模光纤的第二纤芯，26、第一错位熔接处，27、第二错位熔接处。
具体实施方式
下面结合具体实施方式对本发明做进一步详细的描述；
如图1所示，本发明提供一种开放式微腔MZI折射率传感器，该传感器为一种光纤传感装置，由泵浦光源1、波分复用器2、掺铒光纤3、第一光隔离器4、开放式微腔MZI 5、光耦合器6、第二光隔离器7以及光谱分析仪8组成、并通过单模光纤形成依序连接，构成环形谐振腔。波分复用器2的三个端口分别为第一输入端a，输出端b和第二输入端c，其中第一输入端a与泵浦光源1连接，输出端b与掺铒光纤3连接；通过第一光隔离器4连接掺铒光纤3与开放式微腔MZI 5，防止开放式微腔MZI 5的端面反射光对掺铒光纤3的二次吸收；光耦合器6的三个端口分别为输入端d，第一输出端e和第二输出端f，输入端d与开放式微腔MZI 5连接，第一输出端e通过第二光隔离器7与波分复用器2的第二输入端c连接构成闭合环路，同时保证光路的单向传输，第二输出端f与光谱分析仪8连接。
所述开放式微腔MZI的制备方法，步骤如下：
步骤1、将一段单模光纤与一段多模光纤的涂覆层剥除，使用光纤切割刀切除部分尾纤后，使用光纤熔接机将端面平整的单模与多模光纤自动熔接；
步骤2、将熔接完成的单模光纤与多模光纤固定在具有显微功能的光纤切割刀上，并调整切割刀头位置至熔接点处，偏移多模光纤一侧50μm～500μm，切除多余多模光纤，得到具有50μm～500μm多模光纤的单模-多模光纤结构；
步骤3、重复上述步骤1和2，得到两段单模-多模光纤结构；
步骤4、使用光纤熔接机将一段单模-多模光纤结构中的多模光纤端与一段单模光纤进行错位熔接，光纤端面对准后调整光纤熔接机X轴偏移55μm～70μm，设置放电强度为250bit，放电时间为2s，执行熔接程序完成错位熔接；
步骤5、使用具有显微功能的光纤切割刀，将步骤4中的已完成错位熔接的单模光纤多余部分切除，仅保留300μm～1800μm；
步骤6、将步骤5中的剩余300μm～1800μm单模光纤与步骤3所得单模-多模光纤结构的多模光纤端进行错位熔接，光纤端面对准后调整光纤熔接机X轴偏移-70μm～-55μm，使错位单模光纤两端的单模-多模光纤结构同轴，设置放电强度为250bit，放电时间为2s，执行熔接程序完成错位熔接。至此开放式微腔MZI制作完成；
所述单模的包层直径为125μm，纤芯直径为5μm～10μm，多模光纤的包层直径为125μm，纤芯直径为50μm～125μm。
本发明的工作过程如下：
由泵浦光源1发出的泵浦光通过波分复用器2进入光纤环形谐振腔9内，被掺铒光纤3吸收产生放大的自发辐射光，经过第一光隔离器4后被具有空间滤波特性的开放式微腔MZI 5滤波，通过在环形谐振腔9内的循环增益，最终在增益带宽内形成稳定的激光振荡，一部分振荡激光被光耦合器6耦合出环形谐振腔9并被光谱分析仪8测量。开放式微腔MZI 5可以被视为典型的双光束干涉模型，如图2所示，是开放式微腔MZI 5的结构示意图。开放式微腔MZI 5的结构包括单模光纤的第一纤芯21、多模光纤的第一纤芯22、错位单模光纤的包层23、多模光纤的第二纤芯24和单模光纤的第二纤芯25；入射光从单模光纤的第一纤芯21进入多模光纤的第一纤芯22后，在第一错位熔接处25被分为两路，一路进入错位单模光纤的包层23，另一路则进入由待测介质填充的微腔内，两路光在第二错位熔接处27被重新耦合接续进入多模光纤的第二纤芯24、单模光纤的第二纤芯25，并形成干涉。由于直接使用待测介质作为一路干涉光的波导，待测介质的微小折射率变化将引起干涉光谱的漂移，即开放式微腔MZI 5的透射特性将随环境折射率变化而变化。将开放式微腔MZI 5作为谐振波长选择器引入环形谐振腔9内，可实现环境折射率依赖的波长可调谐激光输出，通过测量环形谐振腔9输出的谐振激光中心波长解调出微腔内待测介质的折射率。
作为应用实例，将本发明用于氯化钠水溶液的折射率测量。实施例涉及一种液体折射率测量。折射率测量的外界温度保持在26℃，具有不同浓度的氯化钠溶液使用阿贝折射仪标定，其折射率范围为1.33302至1.33402。按照如图1所示的一种开放式微腔MZI折射率传感器搭建光路。使用不同浓度的氯化钠溶液依次填充开放式微腔，并通过光谱分析仪8测量由环形谐振腔9输出的激光光谱。如图3所示，是实测由光谱分析仪8测量到的该折射率传感器输出激光光谱。如图4所示，是实测该折射率传感器输出激光中心波长对外界环境折射率的响应关系。从测量得到的激光传感光谱可以看出，随着外界环境折射率的增加，环形谐振腔9输出的谐振激光中心波长向多波长方向偏移，峰值功率则保持相对稳定，在1.33302至1.33402折射率范围内谐振激光的中心波长与外界环境折射率呈线性关系，折射率灵敏度高达到-2953.444nm/RIU。

Claims (4)

1.一种开放式微腔MZI折射率传感器，其特征在于，该传感器由通过单模光纤连接的泵浦光源(1)、波分复用器(2)、掺铒光纤(3)、第一光隔离器(4)、开放式微腔MZI(5)、光耦合器(6)、第二光隔离器(7)及其所构成的环形谐振腔(9)，以及光谱分析仪(8)组成；其中，所述泵浦光源(1)与所述波分复用器(2)的第一输入端(a)连接，所述掺铒光纤(3)与所述波分复用器(2)的输出端(b)连接，所述掺铒光纤(3)依序连接所述第一光隔离器(4)、所述开放式微腔MZI(5)，防止所述开放式微腔MZI(5)的端面反射光对掺铒光纤(3)的二次吸收；所述开放式微腔MZI(5)与所述光耦合器(6)的输入端(d)连接，所述光耦合器(6)的第一输出端(e)通过所述第二光隔离器(7)与所述波分复用器(2)的第二输入端(c)连接，从而形成闭合环路，所述闭合环路作为环形谐振腔(9)；所述光耦合器(6)的第二输出端(f)连接光谱分析仪(8)；
所述开放式微腔MZI(5)包括单模光纤的第一纤芯(21)、多模光纤的第一纤芯(22)、错位单模光纤的包层(23)、多模光纤的第二纤芯(24)和单模光纤的第二纤芯(25)；入射光从单模光纤的第一纤芯(21)进入多模光纤的第一纤芯(22)后，在第一错位熔接处(25)被分为两路，一路进入错位单模光纤的包层(23)，另一路则进入由待测介质填充的微腔内，两路光在第二错位熔接处(27)被重新耦合接续进入多模光纤的第二纤芯(24)、单模光纤的第二纤芯(25)，并形成干涉。
2.利用如权利要求1所述的一种开放式微腔MZI折射率传感器的测量方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
泵浦光源(1)发出的泵浦光通过波分复用器(2)进入环形谐振腔(9)内，被掺铒光纤(3)吸收产生放大的自发辐射光，经过第一光隔离器(4)被具有空间滤波特性的开放式微腔MZI(5)滤波，通过在环形谐振腔(9)内的循环增益，最终在增益带宽内形成稳定的激光振荡，一部分振荡激光被光耦合器(6)耦合出环形谐振腔(9)并被光谱分析仪(8)测量；所述开放式微腔MZI(5)的结构包括单模光纤的第一纤芯(21)、多模光纤的第一纤芯(22)、错位单模光纤的包层(23)、多模光纤的第二纤芯(24)和单模光纤的第二纤芯(25)；入射光从单模光纤的第一纤芯(21)进入多模光纤的第一纤芯(22)后，在第一错位熔接处(25)被分为两路，一路进入错位单模光纤的包层(23)，另一路则进入由待测介质填充的微腔内，两路光在第二错位熔接处(27)被重新耦合接续进入多模光纤的第二纤芯(24)、单模光纤的第二纤芯(25)，并形成干涉。
直接使用待测介质作为一路干涉光的波导，待测介质的微小折射率变化将引起干涉光谱的漂移，即开放式微腔MZI(5)的透射特性将随环境折射率变化而变化；将开放式微腔MZI(5)作为谐振波长选择器引入光纤环形谐振腔(9)内，实现环境折射率依赖的波长可调谐激光输出，通过测量环形谐振腔(9)输出的谐振激光中心波长解调出微腔内待测介质的折射率。
3.一种开放式微腔MZI，其特征在于，该结构包括单模光纤的第一纤芯(21)、多模光纤的第一纤芯(22)、错位单模光纤的包层(23)、多模光纤的第二纤芯(24)和单模光纤的第二纤芯(25)；入射光从单模光纤的第一纤芯(21)进入多模光纤的第一纤芯(22)后，在第一错位熔接处(25)被分为两路，一路进入错位单模光纤的包层(23)，另一路则进入由待测介质填充的微腔内，两路光在第二错位熔接处(27)被重新耦合接续进入多模光纤的第二纤芯(24)、单模光纤的第二纤芯(25)，并形成干涉。
4.一种开放式微腔MZI的制备方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
步骤1、将一段单模光纤与一段多模光纤的涂覆层剥除，使用光纤切割刀切除部分尾纤后，使用光纤熔接机将端面平整的单模与多模光纤自动熔接；
步骤2、将熔接完成的单模光纤与多模光纤固定在具有显微功能的光纤切割刀上，并调整切割刀头位置至熔接点处，偏移多模光纤一侧50μm～500μm，切除多余多模光纤，得到具有50μm～500μm多模光纤的单模-多模光纤结构；
步骤3、重复上述步骤1和2，得到两段单模-多模光纤结构；
步骤4、使用光纤熔接机将一段单模-多模光纤结构中的多模光纤端与一段单模光纤进行错位熔接，光纤端面对准后调整光纤熔接机X轴偏移55μm～70μm，设置放电强度为250bit，放电时间为2s，执行熔接程序完成错位熔接；
步骤5、使用具有显微功能的光纤切割刀，将步骤4中的已完成错位熔接的单模光纤多余部分切除，仅保留300μm～1800μm；
步骤6、将步骤5中的剩余300μm～1800μm单模光纤与步骤3所得单模-多模光纤结构的多模光纤端进行错位熔接，光纤端面对准后调整光纤熔接机X轴偏移-70μm～-55μm，使错位单模光纤两端的单模-多模光纤结构同轴，设置放电强度为250bit，放电时间为2s，执行熔接程序完成错位熔接。至此开放式微腔MZI制作完成；
所述单模的包层直径为125μm，纤芯直径为5μm～10μm，多模光纤的包层直径为125μm，纤芯直径为50μm～125μm。
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