CN208000107U

CN208000107U - 一种超紧凑全光纤马赫-泽德干涉仪

Info

Publication number: CN208000107U
Application number: CN201820475191.0U
Authority: CN
Inventors: 王婷婷; 王菲; 葛益娴; 沈娟
Original assignee: Nanjing University of Information Science and Technology
Current assignee: Nanjing University of Information Science and Technology
Priority date: 2018-04-04
Filing date: 2018-04-04
Publication date: 2018-10-23
Anticipated expiration: 2028-04-04

Abstract

本实用新型公开了一种超紧凑全光纤马赫‑泽德干涉仪，包括光子晶体光纤、第一单模光纤和第二单模光纤，光子晶体光纤的一端和第一单模光纤熔接，在熔接点处形成封闭的球形空气腔，对球形空气腔拉锥形成封闭在光纤拉锥区中的纺锤型空气腔，光子晶体光纤的另一端与第二单模光纤连接。利用光子晶体光纤和普通单模光纤熔接技术形成封闭空气腔并用光纤拉锥机拉锥形成马赫‑泽德干涉仪。超短的干涉臂长使光传输损耗大大降低，可获得高对比度的干涉信号；大大减小弯曲带来的串扰，提高了系统的稳定性。

Description

一种超紧凑全光纤马赫-泽德干涉仪

技术领域

本实用新型涉及光纤传感领域，特别是一种超紧凑全光纤马赫-泽德干涉仪。

背景技术

传统光纤马赫-泽德干涉仪由于其体积小、质量轻、分辨率和测量精度高、结构紧凑以及可靠性高等特点，在光纤传感中占据着十分重要的地位，并已在折射率、应力、温度等领域得到了应用。传统光纤马赫-泽德干涉仪采用两个3dB 耦合器实现，由两根光纤构成干涉臂，在各种应用中易受外界环境干扰，稳定性及抗干扰能力较差。因此，人们尝试将MZI制作在同一根光纤上制成全光纤马赫-泽德干涉仪，结构紧凑、制作简单、稳定性好，因而得到了研究人员广泛的研究兴趣。

全光纤马赫-泽德干涉仪可在单模光纤（SMF）上引入锥区构成、通过纤芯错位熔接构成、还可利用双芯光纤构成；以上分别在文献《Fiber Mach-Zehnder interferometerbased on concatenated down-and up-tapers for refractive index sensingapplication [J]》（Opt. Commun., 2013, 288:47-51），《Single-mode fiber refractiveindex sensor based on core-offset attenuators》（IEEE PHOTONICS TECHNOLOGYLETTERS, 20(16): 1387-1389,2008），《用于应力传感的双芯光纤马赫-曾德尔干涉仪［Ｊ］》（光电子·激光，2010, 21（10）：1488-1491）中有公开。申请（专利）号201010606119.5“一种光纤马赫-泽德干涉仪的制造方法”中使用光纤熔接机在普通单模光纤上制作两个相隔一定距离的熔融-连接点构成。光子晶体光纤（PCF）由于其新颖的特性也已在光纤马赫-曾德尔干涉仪的制作中得到了广泛的应用。如文献《直接熔融塌陷光子晶体光纤马赫-曾德尔干涉仪的折射率传感特性》（中国激光, 2014, 41(5)：0505008），通过电弧放电使实芯光子晶体光纤空气孔受热塌陷，形成一个锥区制作成光纤马赫-曾德尔干涉型折射率传感器。如文献《Agarose gel filled temperature-insensitive photonic crystal fibershumidity sensor based on the tunable coupling ratio》（Sensors and Actuators B,2014, 195:313-319）中，将琼脂糖胶填充在准直的SMF和PCF之间，PCF 另一端与另一根SMF塌陷熔接，构成全光纤马赫-泽德干涉型湿度传感器。

以上全光纤马赫-泽德干涉仪由于两传输路径的等效折射率接近，需要数厘米的干涉臂，传输损耗较大，且干涉条纹对比度易受环境干扰，限制了测量精度。

发明内容

本实用新型所要解决的技术问题是克服现有技术的不足而提供一种超紧凑全光纤马赫-泽德干涉仪，本实用新型的超短的干涉臂长使光传输损耗大大降低，可获得高对比度的干涉信号；大大减小弯曲带来的串扰，提高了系统的稳定性。

本实用新型为解决上述技术问题采用以下技术方案：

根据本实用新型提出的一种超紧凑全光纤马赫-泽德干涉仪，包括光子晶体光纤、第一单模光纤和第二单模光纤，光子晶体光纤的一端和第一单模光纤熔接，在熔接点处形成封闭的球形空气腔，对球形空气腔拉锥，形成封闭在光纤拉锥区中的纺锤型空气腔，光子晶体光纤的另一端与第二单模光纤连接。

作为本实用新型所述的一种超紧凑全光纤马赫-泽德干涉仪进一步优化方案，所述光子晶体光纤的长度为20mm。

作为本实用新型所述的一种超紧凑全光纤马赫-泽德干涉仪进一步优化方案，光纤拉锥区腰椎直径为40μm。

作为本实用新型所述的一种超紧凑全光纤马赫-泽德干涉仪进一步优化方案，所述光纤拉锥区中的纺锤型空气腔，截面最大直径为13.4μm，长度为80μm。

作为本实用新型所述的一种超紧凑全光纤马赫-泽德干涉仪进一步优化方案，所述光子晶体光纤在熔接点处的完全塌陷区域长度为100μm。

本实用新型采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：

（1）本实用新型利用光子晶体光纤和普通单模光纤熔接技术形成封闭空气腔并用光纤拉锥机拉锥形成马赫-泽德干涉；干涉臂介质为空气（n₀=1）和二氧化硅SiO₂（n_SiO2=1.45），因此干涉臂的长度是相同自由光谱范围（FSR）的一般全光纤马赫-泽德干涉仪的几十分之一，仅数百微米，构成超紧凑马赫-泽德干涉仪；超短的干涉臂长使光传输损耗大大降低，可获得高对比度的干涉信号；大大减小弯曲带来的串扰，提高了系统的稳定性；

（2）本实用新型提出的全光纤马赫-泽德干涉仪具有制作工艺简单、成本低、集成度高、可操作性强等优点，可以广泛应用于传感器和光纤通信等领域。

附图说明

图1是超紧凑全光纤马赫-泽德干涉仪的整体结构及原理示意图。

图2是透射光谱实时监测系统。

图3是超紧凑全光纤马赫-泽德干涉仪的干涉传输谱图。

图4是超紧凑全光纤马赫-泽德干涉仪受不同轴向应变（0-10000με）时的干涉传输谱。

图5是超紧凑全光纤马赫-泽德干涉仪用于应变传感的静态轴向应变响应。

图中的附图标记解释为：1-第一单模光纤，2-光纤拉锥区纺锤型空气腔，3-塌陷区，4-光子晶体光纤，5-第二单模光纤，A-传感分析仪，B-超紧凑全光纤马赫-泽德干涉仪。

具体实施方式

下面结合附图对本实用新型的技术方案做进一步的详细说明：

参见图1，超紧凑全光纤马赫-泽德干涉仪由两根普通通信单模光纤（SMF）和一根实芯光子晶体光纤（PCF）构成。用光纤熔接机手动模式将光子晶体光纤4的一端和第二单模光纤5低损耗熔接，用于传输干涉信号；用光纤熔接机以一定参数将一段光子晶体光纤4的一端和一根第一单模光纤1熔接，由于部分PCF包层空气孔塌陷，熔接点处形成封闭的球形空气腔；用光纤拉锥机拉锥空气腔所在处的光纤，形成封闭在光纤拉锥区中的纺锤型空气腔，构成三明治结构的超紧凑马赫-泽德干涉仪。

制作过程中用监测系统进行实时监测。监测系统的构成如图2所示。光纤传感分析仪A的激光输出端接超紧凑全光纤马赫-泽德干涉仪B中的第一单模光纤1，输出波长1510nm-1590nm的调谐激光，超紧凑全光纤马赫-泽德干涉仪B中的第二单模光纤5连接光纤传感分析仪A的光谱输入端。

本干涉仪的干涉原理是利用两束光分别在空气和二氧化硅中传播产生光程差而发生的马赫-泽德干涉效应：

图1中第一单模光纤1接光纤传感分析仪的光源输出端，当第一单模光纤1纤芯中传输的光到达光纤拉锥区纺锤型空气腔2前端时，纤芯模的一部分光能量被耦合到空气腔周围的二氧化硅包层中，包层模被激发，另一部分则经由内部空气腔传播。两束光通过塌陷区3耦合到光子晶体光纤4的纤芯，发生马赫-泽德干涉。干涉信号最后由第二单模光纤5输出，接到光纤传感分析仪的光谱输入端。

这种超紧凑全光纤马赫-泽德干涉仪的制作方法包括以下步骤：

步骤1，取一根单模光纤跳线，从中间剪开成两根单头单模光纤跳线(pigtail)，去除尾部涂敷层;

步骤2，取一根实心光子晶体光纤，去除涂敷层。

步骤3，用光纤切割刀垂直切割这根单头单模光纤跳线1的尾端和实芯光子晶体光纤的一端，保护好切割端面；

步骤4，用光纤熔接机手动模式将步骤3已切割的两个端面低损耗熔接，单头单模光纤跳线1的另一端接光纤传感分析仪的光谱输入端，用于观察光信号；

步骤5，用光纤切割刀垂直切割第二根单头单模光纤跳线2的尾端和实芯光子晶体光纤的另一端，保护好切割端面；单头单模光纤跳线2的另一端接光纤传感分析仪的光源输出端。

步骤6，用光纤熔接机手动模式将步骤5的两个端面进行熔接，熔接时光子晶体光纤应稍远离电极；熔接点处边缘首先熔接上，而中心由于光子晶体光纤包层空气孔的塌陷排出的空气被捕获形成空气腔，追加放电，直到形成球型空气腔；

步骤7，用光纤拉锥机将球型空气腔部分拉锥，拉锥过程中利用图2所示的监测系统监测实时透射谱，形成封闭在光纤拉锥区中的纺锤型空气腔，构成三明治结构的超紧凑马赫-泽德干涉仪。光纤拉锥区腰椎直径40μm，纺锤型空气腔的长度为80μm，空气腔截面最大直径为13.4μm。

图3是通过上述步骤制作的超紧凑全光纤马赫-泽德干涉仪的透射光谱图。干涉臂的长度是相同自由光谱范围（FSR）的一般在线型马赫-泽德干涉仪的几十分之一。超短的干涉臂长使得光的传输损耗大大降低，可获得高对比度的干涉信号，并大大减小弯曲带来的串扰。

超紧凑全光纤马赫-泽德干涉仪受不同轴向应变时的干涉条纹如图4所示，图5为该干涉仪的静态轴向应变响应。随着轴向应变的增加，波谷的波长向长波长带移动，当应变从0变化到10000με时，波谷的波长偏移10.1nm，所制作干涉仪的轴向应变灵敏度是1.01pm/με。

以上详细描述了本实用新型的优选实施方式，但是，本实用新型并不限于上述实施方式中的具体细节，在本实用新型的技术构思范围内，可以对本实用新型的技术方案进行多种等同变换，这些等同变换均属于本实用新型的保护范围。

Claims

1.一种超紧凑全光纤马赫-泽德干涉仪，其特征在于，包括光子晶体光纤、第一单模光纤和第二单模光纤，光子晶体光纤的一端和第一单模光纤熔接，在熔接点处形成封闭的球形空气腔，对球形空气腔拉锥，形成封闭在光纤拉锥区中的纺锤型空气腔，光子晶体光纤的另一端与第二单模光纤连接。

2.根据权利要求1所述的一种超紧凑全光纤马赫-泽德干涉仪，其特征在于，所述光子晶体光纤的长度为20mm。

3.根据权利要求1所述的一种超紧凑全光纤马赫-泽德干涉仪，其特征在于，光纤拉锥区腰椎直径为40μm。

4.根据权利要求1所述的一种超紧凑全光纤马赫-泽德干涉仪，其特征在于，所述光纤拉锥区中的纺锤型空气腔，截面最大直径为13.4μm，长度为80μm。

5.根据权利要求1所述的一种超紧凑全光纤马赫-泽德干涉仪，其特征在于，所述光子晶体光纤在熔接点处的完全塌陷区域长度为100μm。