基于少模光纖的模式干涉型傳感儀

靳云 任大偉 于侃

摘要：光纖傳感器具有靈敏度高、測量范圍大、響應速度快等優點被廣泛應用于建筑、醫藥、國防等領域。少模傳感是利用單根光纖中不同模式干涉來實現，結構更趨簡單穩定。本文綜述了基于少模光纖的模式干涉儀的五種實現方法。

關鍵詞：纖芯失配;錯位熔接;光纖錐;光纖氣泡;光纖光柵

現有的光纖傳感儀主要集中在單模光纖和多模光纖的研究上。[1]少模光纖指的是基模和少數幾個高階模可以同時傳輸的光纖。[2]單模光纖干涉是利用不同光纖內的兩束相干光之間的干涉實現光纖傳感測量，而少模傳感是利用單根少模光纖中傳輸的兩個模式來實現。因此少模干涉摒棄了傳統干涉儀的雙臂結構，結構更為簡單穩定，而且消除了因兩臂受到不等干擾時引起的誤差。[3]

一、全光纖模式干涉儀實現方法

全光纖模式干涉儀是在一根光纖上利用不同模式實現干涉，無需使用耦合器，因此結構更緊湊。全光纖馬赫曾德爾干涉儀依據激發模式的物理結構不同可分為以下幾種類型：

（一）纖芯失配型

基于纖芯失配型是將一段少模光纖兩端熔接單模光纖。單模光纖輸入的光到達第一個熔接點時，由于少模光纖的纖芯芯徑大于單模光纖的芯徑導致模場不匹配，激發出少模光纖中的多個模式，這些模式在第二個熔接點處相遇并產生干涉。通過控制干涉臂少模光纖的長度可以提高并改善模式干涉儀的性能。

（二）錯位熔接型

基于錯位熔接型是將中間段光纖與兩端的光纖纖芯不對準，產生一個極小的偏移量，造成纖芯錯位再熔接。當光傳輸到第一個錯位熔接點處，纖芯基模的部分能量耦合至包層中，在第二個錯位熔接點處，兩部分光相遇產生干涉。纖芯的偏移量一般控制在5μm以內，為了保證質量，需要調整放電時間以及熔接強度。

（三）光纖錐型

基于光纖錐型通常有雙端粗錐和雙端細錐兩種結構，如圖1所示。粗錐與細錐的原理相同。在第一個光纖錐處纖芯基模的一部分能量耦合到包層中，在第二個光纖錐處，兩部分光相遇并產生干涉。兩個光纖錐之間作為干涉臂。目前常用的光纖錐制作方法有熔融拉錐法、化學腐蝕法和研磨法等。

圖1光纖細錐型干涉儀結構

（四）光纖氣泡型

基于光纖氣泡型通常是級聯兩個空氣孔，如圖2所示。在光纖端面上利用飛秒激光器或者化學腐蝕法制作出微米量級的空氣孔，然后再進行熔接，形成空氣腔。在第一個空氣腔處纖芯基模激發出包層模式，在第二個空氣腔處，兩部分光相遇產生干涉。兩個空氣腔之間作為干涉臂。這種方法對激光器性能和微加工技術的要求很高。

圖2光纖氣泡型干涉儀結構

（五）光纖光柵型

基于光纖光柵型通常是級聯兩個長周期光柵。利用CO2激光器在光纖纖芯刻寫周期為幾十至幾百微米的兩個相同的長周期光柵，兩光柵之間作為干涉臂。在第一個長周期光柵處纖芯基模可以激發出包層模式，在第二個長周期光柵處包層模式重新耦合至纖芯基模并產生干涉。

二、結語

目前，光纖傳感器具有靈敏度高、測量范圍大、響應速度快等優點被廣泛應用于建筑、醫藥、國防等領域。少模光纖不僅具有多模光纖低非線性的特點，而且還兼具了單模光纖的低損耗傳輸和低模式色散的特點，逐漸成為新型傳感器的研究熱點。因此，研究基于少模光纖的各種類型模式干涉傳感儀具有重要的研究意義。

參考文獻：

[1]JiangL.，YangJ.，WangS，etal.FiberMach-ZehnderInterferometerBasedonMicrocavitiesforHigh-TemperatureSensingwithHighSensitivity3[J].OpticsLetters，2011，36（19）：3753-3755.

[2]李杰.新型D型少模光纖Bragg光柵的特性及其在折射率測量中的應用[D].廈門：廈門大學，2006.

[3]FukanoH，AigaT，TaueS.High-sensitivityfiber-opticrefractiveindexsensorbasedonmultimodeinterferenceusingsmall-coresingle-modefiberforbiosensing[J].JapaneseJournalofAppliedPhysics，2014，53（4S）：853-871.