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(cè)量范圍大、響應(yīng)速度快等優(yōu)點(diǎn)被廣泛應(yīng)用于建筑、醫(yī)藥、國(guó)防等領(lǐng)域。少模傳感是利用單根光纖中不同模式干涉來(lái)實(shí)現(xiàn)，結(jié)構(gòu)更趨簡(jiǎn)單穩(wěn)定。本文綜述了基于少模光纖的模式干涉儀的五種實(shí)現(xiàn)方法。

關(guān)鍵詞：纖芯失配;錯(cuò)位熔接;光纖錐;光纖氣泡;光纖光柵

現(xiàn)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(shù)幾個(gè)高階?？梢酝瑫r(shí)傳輸?shù)墓饫w。[2]單模光纖干涉是利用不同光纖內(nèi)的兩束相干光之間的干涉實(shí)現(xiàn)光纖傳感測(cè)量，而少模傳感是利用單根少模光纖中傳輸?shù)膬蓚€(gè)模式來(lái)實(shí)現(xiàn)。因此少模干涉摒棄了傳統(tǒng)干涉儀的雙臂結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)更為簡(jiǎn)單穩(wěn)定，而且消除了因兩臂受到不等干擾時(shí)引起的誤差。[3]

一、全光纖模式干涉儀實(shí)現(xiàn)方法

全光纖模式干涉儀是在一根光纖上利用不同模式實(shí)現(xiàn)干涉，無(wú)需使用耦合器，因此結(jié)構(gòu)更緊湊。全光纖馬赫曾德?tīng)柛缮鎯x依據(jù)激發(fā)模式的物理結(jié)構(gòu)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(dá)第一個(gè)熔接點(diǎn)時(shí)，由于少模光纖的纖芯芯徑大于單模光纖的芯徑導(dǎo)致模場(chǎng)不匹配，激發(fā)出少模光纖中的多個(gè)模式，這些模式在第二個(gè)熔接點(diǎn)處相遇并產(chǎn)生干涉。通過(guò)控制干涉臂少模光纖的長(zhǎng)度可以提高并改善模式干涉儀的性能。

（二）錯(cuò)位熔接型

基于錯(cuò)位熔接型是將中間段光纖與兩端的光纖纖芯不對(duì)準(zhǔn)，產(chǎn)生一個(gè)極小的偏移量，造成纖芯錯(cuò)位再熔接。當(dāng)光傳輸?shù)降谝粋€(gè)錯(cuò)位熔接點(diǎn)處，纖芯基模的部分能量耦合至包層中，在第二個(gè)錯(cuò)位熔接點(diǎn)處，兩部分光相遇產(chǎn)生干涉。纖芯的偏移量一般控制在5μm以內(nèi)，為了保證質(zhì)量，需要調(diào)整放電時(shí)間以及熔接強(qiáng)度。

（三）光纖錐型

基于光纖錐型通常有雙端粗錐和雙端細(xì)錐兩種結(jié)構(gòu)，如圖1所示。粗錐與細(xì)錐的原理相同。在第一個(gè)光纖錐處纖芯基模的一部分能量耦合到包層中，在第二個(gè)光纖錐處，兩部分光相遇并產(chǎn)生干涉。兩個(gè)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(xué)腐蝕法和研磨法等。

圖1光纖細(xì)錐型干涉儀結(jié)構(gòu)

（四）光纖氣泡型

基于光纖氣泡型通常是級(jí)聯(lián)兩個(gè)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(xué)腐蝕法制作出微米量級(jí)的空氣孔，然后再進(jìn)行熔接，形成空氣腔。在第一個(gè)空氣腔處纖芯基模激發(fā)出包層模式，在第二個(gè)空氣腔處，兩部分光相遇產(chǎn)生干涉。兩個(gè)空氣腔之間作為干涉臂。這種方法對(duì)激光器性能和微加工技術(shù)的要求很高。

圖2光纖氣泡型干涉儀結(jié)構(gòu)

（五）光纖光柵型

基于光纖光柵型通常是級(jí)聯(lián)兩個(gè)長(zhǎng)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(gè)相同的長(zhǎng)周期光柵，兩光柵之間作為干涉臂。在第一個(gè)長(zhǎng)周期光柵處纖芯基?？梢约ぐl(fā)出包層模式，在第二個(gè)長(zhǎng)周期光柵處包層模式重新耦合至纖芯基模并產(chǎn)生干涉。

二、結(jié)語(yǔ)

目前，光纖傳感器具有靈敏度高、測(cè)量范圍大、響應(yīng)速度快等優(yōu)點(diǎn)被廣泛應(yīng)用于建筑、醫(yī)藥、國(guó)防等領(lǐng)域。少模光纖不僅具有多模光纖低非線性的特點(diǎn)，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(diǎn)，逐漸成為新型傳感器的研究熱點(diǎn)。因此，研究基于少模光纖的各種類型模式干涉?zhèn)鞲袃x具有重要的研究意義。

參考文獻(xiàn)：

[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(cè)量中的應(yīng)用[D].廈門：廈門大學(xué)，2006.

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