孙明明，王剑锋，金永兴，董新永

中国计量学院光学与电子科技学院, 浙江 杭州 310018

基于错位和花生形结构的全光纤马赫-曾德干涉仪的研究

孙明明，王剑锋，金永兴*，董新永

中国计量学院光学与电子科技学院, 浙江 杭州 310018

研究了一种基于错位和花生形结构的全光纤马赫-曾德干涉仪，进行了液位和曲率的测量实验，利用错位结构将纤芯模式激发到包层，包层模式经过花生形结构被耦合到纤芯与原有的纤芯模式发生干涉。包层模式对外界物理量如折射率、应力的变化敏感，导致透射光谱漂移。波谷波长的漂移量与液位和曲率的变化成线性关系，利用波谷的漂移实现液位和曲率的测量。在液位实验中，在水位变化范围为1.00～5.00 cm时，波谷向短波方向漂移，灵敏度最高为-0.68 nm·cm-1，线性拟合度为0.995 4。在曲率实验中，曲率的变化范围为0.3～1.2 m-1时，波谷向长波方向漂移，灵敏度最高为22.47 nm·m，线性拟合度为0.986 4，表现出较高的灵敏度。错位结构和花生形结构被用于组成马赫-曾德干涉仪，用普通的光纤熔接机和普通单模光纤即可熔接，结构和制作方法简单，灵敏度高，尤其在曲率的测量中表现出较高的灵敏度。

光纤传感器； 马赫-曾德干涉仪； 液位测量； 曲率测量

引 言

光纤传感器相对于机械，电子传感器具有独特的优势，如抗电磁干扰，耐腐蚀，远程高灵敏度和能力传感，已经在很多行业得到了广泛的应用。典型的光纤传感器如长周期光栅[1]，布拉格光栅[2]，F-P腔[3]，倾斜光栅[4]，以及光子晶体光纤[5-6]等一些特种已经得到了广泛的应用。这些传感器具有优势，如响应参数，动态范围大、灵敏度高，但价格较高，熔接方法复杂。基于全光纤结构的马赫-曾德干涉仪具有简单的结构和熔接方法，参与干涉的包层模式对外界物理量的变化敏感，是光纤传感领域中的一个重要的方向并取得了许多成果[7-10]。

1 测量原理

基于错位和花生形结构的全光纤马赫-曾德干涉仪结构如图1所示，宽带光从光源输出，经过错位结构时，一部分被耦合到包层，形成包层模式，另一部分沿着纤芯继续传播。当包层模式经过花生形结构时，由于花生形结构类似两个椭球透镜[8]，一部分包层模式被耦合到纤芯，与纤芯模式发生干涉。

图1 基于错位和花生形结构的马赫-曾德干涉仪的结构图

透射光谱波谷波长为[10]

(1)

式中，Δneff为纤芯模式和m阶包层模式的有效折射率差，L为干涉仪的长度。

错位结构在熔接时，光纤的X轴纤芯错位，Y轴纤芯对准无错位，如图2(a)所示。模拟的纤芯模式和包层模式的场分布如图2(b)—(d)所示，X轴错位幅度分别为2, 4和6 μm。在模拟场分布图中，错位幅度的加大导致包层模式变强的同时纤芯模式变弱，二者相等时，干涉谱的对比度最大。根据最终的透射光谱图，选取适当的错位幅度来改善透射光谱的干涉效果。

图3(a)和图3(c)分别表示长度为6.10和2.10 cm的干涉仪在空气中的透射光谱，前者用于液位实验，后者用于曲率实验。为研究参与干涉的包层模式，对透射光谱做快速傅里叶变换(FFT)，图3(b) 和图3(d)分别为图3(a)和图3(c)对应的频谱图。在频率大于零的范围内，有一个明显的尖峰，这代表某一阶包层模式。除了这个明显的峰，还有许多微弱的峰，这表明除了某一阶主要的包层模式，还有其他的包层模式参与干涉，强度微弱。在花生形结构中参与干涉的包层模式的数量可近似认为只有众多模式中的某一阶。

图2 纤芯模式和包层模式的模拟场分布

图3 干涉仪的透射光谱和空间频谱

2 液位实验

当光纤被周围液体浸没时，包层模式有效折射率增加的同时纤芯模式的几乎不变导致Δneff减小。液位实验装置如图4所示，干涉仪的错位结构的一端与宽带光源相连接，花生形结构的一端与光谱仪相连接，整个干涉仪被拉直固定在刻度尺上，垂直的放置在装水的容器中。随着水位高度的增加，浸没在水中的干涉仪长度增加，水位的测量范围就是干涉仪的长度。透射谱中波谷的波长公式如下[10]

(2)

其中L为干涉仪的长度即错位结构与花生形结构的距离，实验中L=6.10 cm，Ln为干涉仪浸没在水中部分相对于花生形结构的长度。

图4 液位实验装置图

图5 波谷的波长的变化量与液位高度的拟合直线

干涉仪在浸没在水中时纤芯模式和包层模式的有效折射率差是Δneffn。在空气中时为Δneff。在图3(a)中，波长为1 532.7 nm的波谷A和波长为1 577.8 nm的波谷B被用于水位的测量。

3 曲率实验

干涉仪的曲率实验装置如图6所示，错位结构的一端与宽带光源相连接，花生形结构一端当与光谱仪连接。两个平台，一个被固定，一个可移动。向前推进可移动平台使干涉仪弯曲。弯曲的半径与可移动平台向前推进的距离有关。

图6 曲率实验装置图

曲率的计算公式如下[11]

(3)

其中R为光纤弯曲时对应的半径，x为可移动平台相对于光纤被拉直时的位置向前移动的距离。L1为光纤被拉直时，两平台之间的距离，L1=21.50 cm，干涉仪的长度L=21.0 mm。当光纤被弯曲时，纤芯和包层会产生不同的应变，导致Δneff发生变化, 透射光谱波谷的波长为[11]

(4)

图7 波谷的波长变化量与曲率的拟合直线

根据相关文献[8]，马赫-曾德干涉仪对温度的灵敏度小于50 pm·℃-1，本文的曲率实验中，波谷的灵敏度最高为22.47 nm·m，远远高于对温度的灵敏度，温度对曲率测量的影响微弱。液位实验中，温度的影响不能忽略，实际应用中需要温度补偿，消除温度交叉敏感。

4 结 论

基于错位和花生形结构的马赫-曾德干涉仪利用错位将纤芯模式激发到包层，形成包层模式，通过花生形结构将包层模式耦合到纤芯，发生干涉。根据液位和曲率实验结果，干涉仪的包层模式对液位和曲率的变化比较敏感，液位实验的灵敏度最高为-0.68 nm·cm-1，曲率实验的灵敏度最高为22.47 nm·m。在曲率的测量中表现出较高的灵敏度, 高于其他结构的传感器[12-13]。

[1] Zhang Yebin, Gao Shaorui.IEEE Sensors Journal, 2012, 4(6)：2340.

[2] Guo Tuan, Shang Libin, Liu Fu.Optics Letters, 2013, 38(4): 531.

[3] Tian Ming, Lu Ping, Chen Li.IEEE Photonics Technology Letters, 2013, 25(16): 1609.

[4] Guo Tuan, Liu Fu, Guan Baiou, et al.Optics Express, 2014, 22(6): 7330.

[5] Zu Peng, Chan Chi Chiu, Lew Wen Siang.IEEE Photonics Journal, 2012, 4(2): 491.

[6] LOU Shu-qin，WANG Xin，YIN Guo-lu(娄淑琴，王 鑫，尹国路).Acta Physica Sinica(物理学报), 2013, 62(19): 194209.

[7] Li Jieliang, Zhang Weigang, Gao Shecheng.IEEE Photonics Technology Letters, 2013, 25(9): 888.

[8] Wu Di, Zhu Tao, Chiang Kin Seng.Journal of Lightwave Technology, 2012, 30(5): 805.

[9] Shao Min, Qiao Xueguang, Fu Haiwei.IEEE Sensors Journal, 2013, 13(5): 2026.

[10] Li Lecheng, Xia Li, Xie Zhenhai.Optics Express，2012, 20(10): 11109.

[11] Gong Huaping, Yang Xiao, Ni Kai.IEEE Photonics Technology Letters，2014, 26(1): 22.

[12] Ma Lin, Qi Yanhui, Kang Zexin.IEEE Sensors Journal，2014, 14(5): 1514.

[13] Gong Huaping, Song Haifeng, Zhang Sulei.IEEE Sensors Journal，2014, 14(3): 777.

(Received Jul.29, 2014; accepted Nov.12, 2014)

*Corresponding author

All-Fiber Mach-Zehnder Interferometer Based on Lateral-Offset and Peanut Shape Structure

SUN Ming-ming，WANG Jian-feng，JIN Yong-xing*，DONG Xin-yong

College of Optical and Electronic Technology, China Jiliang University, Hangzhou 310018, China

A new in-fiber Mach-Zehnder interferometer (MZI) based on lateral-offset and peanut shape structure is proposed and demonstrated for the measure of curvature and liquid level.The sensor consists of lateral-offset structure and peanut shape structure.A section of single mode fiber (SMF) is spliced between them.A part of core mode in the single mode fiber is excited to cladding modes by lateral-offset.The cladding modes are re-coupled to the core mode by peanut-shape structure and get interference with the core mode.A high-quality interference spectrum with a fringe visibility of about 12 dB is observed.The effective refractive indices of cladding mode would change with the external environment parameters, which further bring about a shift of the interference fringes.The liquid level or curvature can be measured by record the shift of the valley, because the shift of the valley shows a linear dependence with the variation of the liquid level or curvature theoretically.In the water level experiment, the water level changes from 1.00 to 5.00 cm and the wavelength valley shows a red shift.The sensitivity of the MZI with a length of 6.10 cm is -0.68 nm·cm-1.In the curvature experiment, the curvature changes from 0.3 to 1.2 and the wavelength valley shows a blue shift.The sensitivity of the MZI with a length of 2.10 cm is 22.47 nm·m.The lateral-offset structure and peanut shape structure are spliced to fabricate the MZI.The sensitivity of the MZI is high, especially in the curvature measurement, it is higher than that of other fiber curvature sensors.Moreover the MZI presented in this paper has advantages of low cost and easy fabrication, which can be a potential application in the liquid level and curvature measurement.

Optical fiber sensor； Mach-Zehnder interferometer; Liquid level sensor; Curvature sensor

2014-07-29，

2014-11-12

浙江省公益项目(2014C33065), 浙江省安全生产科技计划项目(2014A1004), 国家(973)计划项目(2010CB327804)资助

孙明明，1989年生, 中国计量学院光学与电子科技学院硕士研究生 e-mail: dsyang_2008@126.com *通讯联系人 e-mail: jinyongxing@cjlu.edu.cn

TP212

A

10.3964/j.issn.1000-0593(2016)05-1560-05