CN112747778A - 基于热光效应的可调制型马赫曾德干涉仪 - Google Patents
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Abstract
本发明提供的是一种基于热光效应的可调制型马赫曾德干涉仪。光源1作为入射端通过单模光纤2‑1与光纤锥3‑1相连；偏双芯光纤4‑1、4‑2之间焊接一段偏双芯单孔光纤5，偏双芯光纤两端分别与光纤锥3‑1、3‑2连接，以此构成马赫曾德干涉仪；光纤锥3‑2的另一端连接至光谱仪7；偏双芯单孔光纤的空气孔中填充有高热光系数的液体，放置在可控型电热装置6上，可控型电热装置上的电极阵列通过导线8与电源控制端9相连。本发明通过对电热片施加电压引起光纤中与空气孔相近纤芯的有效折射率的变化，从而使两纤芯产生光程差，实现输出光的调制。本发明在光纤传感领域有重要应用。
Description
(一)技术领域
本发明涉及一种基于热光效应的可调制型马赫曾德干涉仪，具体涉及一种基于双芯单孔光纤可调制型干涉仪的制作，属于光纤传感技术领域。
(二)背景技术
近年来，全光纤调制器引起了国内外研究者的广泛关注,其以调谐范围宽、调谐速度快、插入损耗小、结构简单等优点,被应用于传感器等领域。
光调制器是一类重要的器件，在整体光通信系统的发射、传输、接收过程中，光调制器被用于控制光的强度。使用光纤制作成的全光纤调制器普遍具有结构简单、抗电磁干扰能力强、和与光纤通信系统具有良好的匹配性等优点，而通过对光纤结构进行优化设计，可以使全光纤调制器在插入损耗、消光比、光反射损耗等性能参数获得提升。
随着社会的发展，人们对调制精度和灵敏度要求的不断提高，以及设备小型化、集成化的需求增大，相位调制型光纤器件成为人们研究的热点。相位调制型光纤器件利用光的干涉实现信号的调制。目前主要的干涉方式有马赫增德干涉、迈克尔逊干涉、法布里-珀罗干涉和萨格纳克干涉等。例如，专利CN 108717237 A提出了一种基于石墨烯的电光调制器，通过对石墨烯施加电压实现对输出光的调制，但石墨烯成本较高，且需要对光纤外形进行加工，增加制作难度。专利CN 108535892 A提出了通过对光子晶体光纤的空气孔内填充石墨烯来制作调制器，通过对石墨烯通电实现对输出光的调制，但是对光子晶体光纤的空气孔内填充石墨烯操作起来较为复杂，且成功率较低。因此为了克服上述技术上的困难，本发明提出了一种制作工艺简单，调制灵敏性较高的调制型干涉仪。
(三)发明内容
本发明的目的在于提供一种结构简单紧凑，稳定性好，且调制灵活的基于热光效应的可调制型马赫曾德干涉仪。
为达到上述目的，本发明采用的方案是：
制作一种纤维集成马赫曾德干涉仪及一种可控型电热装置。纤维集成马赫曾德干涉仪依次包括单模光纤、光纤锥、双芯光纤、孔内填充高热光系数液体的双芯单孔光纤、双芯光纤、光纤锥、单模光纤，他们共同构成了纤维集成马赫曾德干涉仪，所使用的双芯光纤与双芯带孔光纤具有相同的纤芯距，使沿双芯光纤的两个纤芯传输的光在对芯焊接后可以沿双芯单孔光纤的两个纤芯继续传输。可控型电热装置包括刻蚀成特定形状的基底、电热片阵列、电极阵列、引线、导热硅脂以及封装外壳构成，并且电极通过引线与电源控制端连接。
本发明的工作原理：
当对电热片施加电压时，根据焦耳热的公式
Q＝I2Rt
知，电热片会在电流的作用下产生热量，随着时间的推移，电热片释放的焦耳热逐渐增多，因此会引起电热片温度的变化。由于双芯单孔光纤放置在电热片上，因此随着电热片温度的升高，双芯单孔光纤的局部温度会发生变化，由此引发热光效应。
所谓热光效应，是指光学介质的折射率随着温度的变化而发生变化的物理现象。热光效应是材料本身所具有的一种光学性质，在变化的温度场中，晶体、半导体材料、玻璃以及其它应用在不同的光器件和光学系统中的材料，其折射率会随着温度的变化而发生变化，介质的折射率与光纤中温度分布的关系可近似表示成：
n(T)＝n(T0)+Ct0(T-T0)
其中Ct0是介质的热光系数。
根据马赫曾德干涉原理，输出光
其中，相位
两干涉光路的有效折射率差Δneff＝n1，eff-n2，eff。由上述公式可知，干涉的输出光与两干涉光路的光强和相位有关。在两干涉臂长度和光强的一定的情况下，输出的干涉谱只与相位有关，即与两干涉臂的有效折射率差有关。
该可调制型马赫曾德干涉仪的工作过程为：宽带光信号从单模光纤输入，经光纤锥将光按一定光强比例耦合到双芯光纤的两个纤芯中，此时两个纤芯可以看做干涉仪的两个干涉臂。两纤芯的光传输至第二个光纤锥处进行干涉。由于双芯单孔光纤的孔内填充有高热光系数的液体，所以通过对电热片施加电压进行调控，使光纤轴向上的局部温度发生变化，引起该纤芯的有效折射率发生变化，因此两纤芯具有不同的有效折射率，沿两纤芯传输的光存在光程差，因此在输出端可以观察到调制后的干涉输出谱。
根据上述发明构思和工作原理，本发明采用下述技术方案：
一种基于热光效应的可调制型马赫曾德干涉仪，包括光源、单模光纤、双芯光纤、双芯单孔光纤、光谱分析仪、刻蚀成特定形状的基底、电热片阵列、电极阵列、引线、导热硅脂、封装外壳、导线以及电源控制端。光源作为入射端通过单模光纤与纤维集成马赫曾德干涉仪相连，干涉仪另一端作为出射端通过单模光纤与光谱分析仪相连；双芯单孔光纤放置在可控型电热装置的电热片阵列上，并使用导热硅脂和外壳进行封装，可控型电热装置的电极通过导线与电源控制端相连。纤维集成干涉仪由单模光纤、光纤锥、双芯光纤和孔内填充高热光系数液体的双芯单孔光纤构成。可控型电热装置由基底、电热片阵列、电极阵列及引线、导热硅脂及封装外壳构成。
所述的纤维集成马赫曾德干涉仪通过将单模光纤、双芯光纤、双芯单孔光纤、双芯光纤、单模光纤依次焊接并在单模光纤与双芯光纤的焊点处熔融拉锥制成。在双芯单孔光纤的空气孔内填充高热光系数液体。第一个光纤锥的作用是使沿单模光纤传输的光能够按一定比例耦合到双芯光纤的两个纤芯中，第二个光纤锥的作用是是沿双芯光纤两个纤芯传输的光能耦合进单模光纤中。
所使用的双芯单孔光纤由两个纤芯和一个空气孔组成，两个纤芯的折射率大小和形状可以是相同的也可以是不同的。空气孔靠近其中的一个纤芯，能对该纤芯的有效折射率产生影响而对另一个纤芯没有影响，空气孔可以在该纤芯的任意方向上。为了使孔内液体折射率的变化对纤芯产生有效的影响，空气孔的直径应大于纤芯的直径，且空气孔可以为任意形状。
所使用的双芯光纤与双芯单孔光纤具有相同的纤芯距，即在两种光纤焊接后，沿双芯光纤两个纤芯传输的光能继续沿着双芯单孔光纤的两个纤芯传输。
为避免填充的液体汽化，高热光系数液体在光纤焊接完成后再进行填充，即先将双芯单孔光纤的两端与双芯光纤对芯焊接，然后通过激光器刻蚀或化学腐蚀的方法在双芯单孔光纤空气孔一侧的包层上制作两个与空气孔相连通的微槽，之后通过液体的虹吸现象将液体填充进空气孔中，最后使用紫外胶将两个微槽进行封堵。
所述的可控型电热装置所使用的基底通过在陶瓷、石英等绝缘材质上刻蚀特定形状的凹槽制成，凹槽内可以放置光纤、电热片、电极。
在基底的凹槽内制作的电热片阵列，可以通过直接在凹槽内周期性粘贴材料相同、大小相等的金属片制成，也可以使用镀膜机直接在凹槽内镀上厚度相等的金属膜，然后使用激光器刻蚀成大小相等、间距相同的电热片阵列制成，并且每个电热片对应两个电极，电极由金属制成并延伸出基底，通过金丝焊接技术将电热片与电极连接起来。
使用导线将电极与电源控制端连接，使每个电热片上施加电压的大小都可以被单独控制。
(四)附图说明
图1是基于热光效应的可调制型马赫曾德干涉仪的结构示意图
图2是本发明中纤维集成马赫曾德干涉仪的结构示意图
图3是偏双芯光纤的横截面示意图
图4是偏双芯单孔光纤的横截面示意图
图5是本发明中可控型电热装置的结构示意图
图6是封装示意图
(五)具体实施方式
下面以偏双芯单孔光纤为例，结合附图对本发明的基于热光效应的可调制型马赫曾德干涉仪的具体实施方式加以说明：
图1给出了基于热光效应的可调制型马赫曾德干涉仪结构示意图。包括光源1、单模光纤2、光纤锥3、偏双芯光纤4、偏双芯单孔光纤5、可控型电热装置6、光谱分析仪7、导线8和电源控制端9。光源作为入射端通过单模光纤与纤维集成马赫曾德干涉仪相连，干涉仪另一端作为输出端通过单模光纤与光谱分析仪相连，干涉仪放置在可控型电热装置内。
纤维集成马赫曾德干涉仪的结构示意图如图2所示，由单模光纤2-1、2-2，光纤锥3-1、3-2，偏双芯光纤4-1、4-2和孔内填充高热光系数液体的偏双芯单孔光纤5构成。单模光纤2-1通过光纤锥3-1与偏双芯光纤4-1的一端连接，另一端与偏双芯单孔光纤5连接；偏双芯单孔光纤的另一端与另一段偏双芯光纤4-2相连并通过光纤锥3-2与单模光纤2-2一起构成干涉仪，其中偏双芯光纤的两个纤芯看做干涉仪的两臂。
偏双芯光纤和偏双芯单孔光纤的横截面示意图分别如图3和图4所示，其中偏双芯单孔光纤的两个纤芯与空气孔的中心在一条直线上，两纤芯的直径相同，空气孔5-1的直径远大于纤芯直径且与中间芯5-2距离较近。偏双芯光纤具有与偏双芯带孔光纤相同的纤芯直径和相同的纤芯距。
偏双芯单孔光纤空气孔内液体的填充可以在偏双芯单孔两端均与偏双芯光纤焊接后再进行。焊接完成后，首先通过激光器刻蚀或化学腐蚀的方法在偏双芯单孔光纤空气孔一侧的包层上制作出两个与空气孔相连通的微槽，之后在一侧的微槽上滴上将要填充的液体，利用虹吸现象完成液体的填充，最后，使用紫外胶对两个微槽进行封堵。
光纤锥的制作是通过将单模光纤与偏双芯光纤焊接之后，在焊点处进行熔融拉锥来完成的，在拉锥的过程中，通过光谱仪对拉锥长度进行控制，当在光谱仪上看见明显的干涉谱时停止拉锥。
可控型电热装置的结构示意图如图5所示，由基底6-1，电热片阵列6-2，电极阵列6-3和引线6-4构成。基底通过对石英、陶瓷等绝缘材质刻蚀成特定形状来制作，基底上包含了放置光纤、电热片阵列、电极阵列的凹槽。电热片阵列由金属膜制成，先在制作好的基底上镀上厚度均匀的金属膜，然后通过激光器刻蚀出大小相同、距离相等的电热片阵列。电极阵列由金属片制成，将形状相同的电极粘贴在电极凹槽内，然后通过金丝焊接机将电热片与电极相连接。最后将导热硅脂填充到凹槽内并使用外壳进行封装，如图6所示。
电极阵列的外引脚通过导线与电源控制端相连，并且保证每个电热片上所施加电压的大小可被电源单独控制。
将光源、干涉仪、光谱分析仪、电源控制端依次连接好，此时光源发出的光经光纤锥分成两束，一束沿着偏双芯光纤的中间芯传输，另一束光沿着偏双芯光纤的边芯传输，在另一个光纤锥处进行干涉，干涉光传输至光谱分析仪，由此可以得到输出谱。当通过电源控制端对电热片上施加的电压进行控制时，偏双芯单孔光纤内所填充液体的折射率沿轴向发生变化，使中间芯的有效折射率改变，因此沿两个纤芯传输的光的光程差发生变化，导致干涉谱发生变化。通过对电热片施加电压的大小及通电电热膜个数的调控来实现输出光调制的目的。
Claims (8)
1.一种基于热光效应的可调制型马赫曾德干涉仪。光源作为入射端通过单模光纤与光纤锥相连；双芯光纤之间焊接一段双芯单孔光纤，双芯光纤两端分别与光纤锥连接，以此构成马赫曾德干涉仪，双芯光纤的两个纤芯可以看做干涉仪的两臂；光纤锥的另一端通过单模光纤连接至光谱仪7；双芯单孔光纤的空气孔内填充有高热光系数的液体，并放置在可控型电热装置上，可控型电热器装置由刻蚀成特定形状的基底、电热片阵列、电极阵列、引线、导热硅脂以及封装外壳构成，将电热片阵列及电极阵列放置在基底的凹槽中，并将其固定，使用金丝焊接技术将电极与电热片相连，随后将双芯单孔光纤放置在电热片阵列上，最后使用外壳进行封装；封装后的可控型电热装置上的电极阵列通过导线与电源控制端相连，确保电热片阵列的每个电热片上所施加电压的大小都可以通过电源控制端单独控制。本发明通过对电热片施加电压来释放焦耳热，由此引起光纤轴向上局部温度的变化，由于双芯单孔光纤的空气孔内填充有高热光系数液体，所以温度的变化会导致液体折射率的变化，因此与空气孔相近的纤芯的有效折射率会发生变化，从而使两纤芯产生有效折射率差，光在其中传输会产生光程差，由此导致干涉谱的变化。配合电源控制端，控制沿光纤轴向的温度变化，进而改变传输光程，实现输出光的调制。
2.根据权利要求1所述的基于热光效应的可调制型马赫曾德干涉仪，其特征在于所述的纤维集成干涉仪包括单模光纤，双芯光纤，双芯单孔光纤。所述双芯光纤与双芯单孔光纤具有相同的纤芯距，即在两光纤焊接后，沿双芯光纤两个纤芯传输的光能继续沿双芯单孔光纤的两个纤芯传输。
3.根据权利要求1所述的基于热光效应的可调制型马赫曾德干涉仪，其特征在于双芯单孔光纤空气孔孔内填充的液体须具有热光效应。
4.根据权利要求1所述的基于热光效应的可调制型马赫曾德干涉仪，其特征在于光纤锥通过在单模光纤与双芯光纤的焊点处熔融拉锥制成，使沿单模光纤传输的光可以以一定比例耦合进双芯光纤的两个纤芯中。
5.根据权利要求1所述的基于热光效应的可调制型马赫曾德干涉仪，其特征在于所述的可控型电热装置所使用的基底由石英、陶瓷、聚合物等绝缘耐热材质制成并且刻蚀成特定的形状。
6.根据权利要求1所述的基于热光效应的可调制型马赫曾德干涉仪，其特征在于所述的电热片阵列可以通过在基底的凹槽内周期性粘贴金属片制成，也可以通过直接在凹槽上镀金属膜，然后使用激光器刻蚀成形。
7.根据权利要求1所述的基于热光效应的可调制型马赫曾德干涉仪，其特征在于电热片阵列的每个电热片施加电压的大小都可通过电源控制端单独控制。
8.根据权利要求1所述的基于热光效应的可调制型马赫曾德干涉仪，其特征在于双芯单孔光纤的长度应大于电热膜阵列的长度。
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| CN201911040523.8A Pending CN112747778A (zh) | 2019-10-29 | 2019-10-29 | 基于热光效应的可调制型马赫曾德干涉仪 |
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- 2019-10-29 CN CN201911040523.8A patent/CN112747778A/zh active Pending
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