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

關(guān)鍵詞：纖芯失配;錯位熔接;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)幾個高階?？梢酝瑫r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現(xiàn)光纖傳感測量，而少模傳感是利用單根少模光纖中傳輸?shù)膬蓚€模式來實現(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)更為簡單穩(wěn)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(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現(xiàn)干涉，無需使用耦合器，因此結(jié)構(gòu)更緊湊。全光纖馬赫曾德爾干涉儀依據(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)第一個熔接點(diǎn)時，由于少模光纖的纖芯芯徑大于單模光纖的芯徑導(dǎo)致模場不匹配，激發(fā)出少模光纖中的多個模式，這些模式在第二個熔接點(diǎn)處相遇并產(chǎn)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(zhǔn)，產(chǎn)生一個極小的偏移量，造成纖芯錯位再熔接。當(dāng)光傳輸?shù)降谝粋€錯位熔接點(diǎn)處，纖芯基模的部分能量耦合至包層中，在第二個錯位熔接點(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(chǎn)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(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聯(lián)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(xué)腐蝕法制作出微米量級的空氣孔，然后再進(jìn)行熔接，形成空氣腔。在第一個空氣腔處纖芯基模激發(fā)出包層模式，在第二個空氣腔處，兩部分光相遇產(chǎn)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(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聯(lián)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?？梢约ぐl(fā)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(chǎn)生干涉。

二、結(jié)語

目前，光纖傳感器具有靈敏度高、測量范圍大、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.