CN206696180U - 一种基于模式激发细芯光纤的高折射率传感器 - Google Patents
一种基于模式激发细芯光纤的高折射率传感器 Download PDFInfo
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Abstract
本实用新型专利提供了一种基于模式激发细芯光纤的高折射率传感器，其特征在于：由单模光纤(1)、细芯光纤(2)、微弧区域(3)组成；单模光纤(1)、细芯光纤(2)、微弧区域(3)相连接构成全光纤的迈克尔逊干涉仪；微弧区域(3)的端面用来激发出更高级次的包层模。在单模光纤纤芯中的传输的基模到达第一个熔接点时分束并激发出一部分细芯光纤的包层模，当纤芯模与包层模在第一个熔接点耦合在一起时，具有一定的相位延迟，从而实现纤芯模与包层模的模式干涉。本实用新型成本低、容易制作，在折射率1.3321RIU(Refractive Index Unit)到1.3823RIU范围内呈现的最高灵敏度为228.85nm/RIU和‑158.75dB/RIU，并且该传感器对温度不敏感，既可以进行波长解调又可以进行强度解调，可以用于实际生活的折射率监测中。
Description
技术领域
本实用新型提供了一种基于模式激发细芯光纤的高折射率传感器，属于光纤传感技术领域。
背景技术
光纤折射率传感器作为光纤传感器的一种已经吸引了广泛的注意，由于它结构微小，灵敏度高，容易制造等优势。近些年来，光纤折射率传感器基于SPR(Surface PlasmonResonance)，包层腐蚀，细锥结构，光纤光栅等已经被提出，在这些不同的结构类型中基于细芯光纤的传感器占了一部分，例如在细芯光纤上刻蚀腐蚀细芯光纤等。尽管这些方法都一定程度的提高了折射率的灵敏度，但是仍然存在一些方面的缺陷。例如基于光纤光栅的结构存在温度交叉灵敏度温度，基于错位的结构柔韧性很差，还有一些需要化学腐蚀的处理过程，都增加了制作过程中的困难。为解决以上问题一类新型的高折射率传感器被提出，这种传感器具有成本低、容易制作、对温度不敏感，既可以进行波长解调又可以进行强度解调等优点。
一种基于模式激发细芯光纤的高折射率传感器可以实现纤芯模与包层模的模式干涉，并且该传感器不存在二级的干涉谱，不需要电脑进行数据的过滤。当使用该传感器对外界环境折射率进行测量时，每当改变外界折射率时都会使干涉条纹发生漂移，反射谱的波长和强度也会相应发生改变，通过对反射谱的波长或强度进行解调，可以实现折射率的测量，外界温度从25℃增加到90℃，反射谱的波长和强度没有明显变化，因此该传感器是温度不敏感的折射率传感器。
实用新型内容
本实用新型的目的在于提供一种基于模式激发细芯光纤的高折射率传感器。该装置能够将待测折射率的变化量转化成反射谱的波长或强度的变化量，具有成本低，容易制作，既可以进行波长解调又可以进行强度解调，且对温度不敏感等特点。
本实用新型通过以下技术实现：
一种基于模式激发细芯光纤的高折射率传感器，由单模光纤(1)、细芯光纤(2)、微弧区域(3)组成；单模光纤(1)、细芯光纤(2)、微弧区域(3)相连接构成全光纤的迈克尔逊干涉仪。
所述的一种基于模式激发细芯光纤的高折射率传感器，其特征在于：单模光纤(1)、细芯光纤(2)均可采用G.652单模光纤，细芯光纤(2)的纤芯和包层直径分别为4.00μm和124.50μm，细芯光纤(2)的长度L约为3.00mm，微弧区域(3)的长度l为45.08μm。
本实用新型的工作原理为：在单模光纤纤芯中的传输的基模到达第一个熔接点时分束并激发出一部分细芯光纤的包层模，微弧的端面激发出更高级次的包层模，当纤芯模与包层模在第一个熔接点耦合在一起时，具有一定的相位延迟，从而实现纤芯模与包层模的模式干涉。该迈克尔逊干涉仪的干涉公式为：
其中E1和E2分别是基模和激发的包层模的大小，Δn＝n1-n2是包层模的纤芯的有效折射率差，l1是L的二倍，λ是工作波长，φ是初始相位。外界环境的折射率的改变影响了包层模式的有效折射率，从而导致相位的改变。
为了研究包层模式的激发过程，制作出端面放电时间不同的迈克尔逊结构。实验结果显示：当端面没有放电是平坦的时候不存在干涉峰。可见微弧的端面可以激发出更高级次的包层模从而实现基模与包层模的干涉。我们认为当端面是平整的时候，包层模式以小角度从光纤端面返回，微弧的端面增加了包层模的反射时的入射角度并且激发出更高级次的包层模式，从而产生附加的相位差。随着放电时间的增加，光纤端面变得越来越圆。当放电时间超过15.000ms时，光纤端面变得很圆，大部分的包层模式将被散射出去不能重新耦合进入纤芯，可以发现干涉光谱将会减小。
本实用新型的有益效果是：该迈克尔逊干涉仪制作是通过将一段细芯光纤与单模光纤相连接，并对细芯光纤的端面进行放电使其端面微弧，微弧的端面可以激发更高级次的包层模，且该传感器成本低、容易制作、对温度不敏感，既可以进行波长解调又可以进行强度解调，因此该结构可以用于实际生活的折射率监测。
附图说明
图1是一种基于细芯光纤端面激发高阶包层模式的迈克尔逊结构示意图
图2是随着外界环境折射率的变化的反射谱实验图
图3是随着外界环境折射率和温度的变化干涉谱的波长的变化实验图
图4是随着外界环境折射率和温度的变化干涉谱的强度的变化实验图
具体实施方式
光纤折射率传感器的实验装置：
一种基于模式激发细芯光纤的高折射率传感器的系统包括一个带宽光源，光纤耦合器和光谱仪。将传感器结构浸没在折射率溶液中，宽带光源的光经过环行器进入传感器结构，传感器结构的反射光经过环行器进入到光谱仪将该传感器完全地浸入到不同折射率值的折射率溶液中，通过光谱仪观察反射谱的变化情况，测量过程中保持外界环境温度为室温不变。
下面结合附图及实施实例对本实用新型作进一步描述：
图1是一种基于细芯光纤端面激发高阶包层模式的迈克尔逊结构，图2显示了随着外界环境折射率的变化反射谱的变化情况。实验结果显示随着外界环境折射率的增加峰1和峰2向长波方向漂移，当2πΔneffl1/λ＝2mπ为整数时，干涉峰出现，当外界折射率增加时，Δneff增加，波长发生漂移。同时实验结果显示随着外界环境折射率的增加反射谱的强度逐渐减小，由于当外界环境折射率增加时，反射能量将会减小，包层模内的部分倏逝波能量将会耦合出去，从而导致干涉谱消光比的减小。
图3显示了随着外界环境折射率和温度的变化干涉谱的波长的变化。当外界折射率从1.3321RIU(Refractive Index Unit)增加到1.3823RIU，传感器折射率灵敏度为228.85nm/RIU。光谱仪的波长分辨率为0.01nm，故相应的最小测量分辨率4.326*10-5RIU。
图4显示了随着外界环境折射率和温度的变化干涉谱的强度的变化。当外界折射率从1.3321RIU增加到1.3823RIU时，该传感器折射率灵敏度为-158.75dB/RIU。光谱仪的强度分辨率为0.01dB，故相应的最小测量分辨率为6.299*10-5RIU。为了了解该传感器对温度的响应情况，将该传感器放在加热板上。图3和图4显示随着外界温度从25℃增加到90℃，反射谱的波长和强度没有明显变化，因此该传感器是温度不敏感的折射率传感器。
Claims (2)
1.一种基于模式激发细芯光纤的高折射率传感器，其特征在于：由单模光纤(1)、细芯光纤(2)、微弧区域(3)组成；细芯光纤(2)的两端分别与单模光纤(1)、微弧区域(3)相连接；单模光纤(1)、细芯光纤(2)、微弧区域(3)相连接构成全光纤的迈克尔逊干涉仪。
2.根据权利要求1所述的一种基于模式激发细芯光纤的高折射率传感器，其特征在于：单模光纤(1)、细芯光纤(2)、微弧区域(3)均可采用G.652单模光纤，细芯光纤(2)的纤芯和包层直径分别为2μm～5μm和120μm～130μm，细芯光纤(2)的长度L为2mm～5mm，微弧区域(3)的长度l为40μm～50μm。
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| CN201621420919.7U CN206696180U (zh) | 2016-12-21 | 2016-12-21 | 一种基于模式激发细芯光纤的高折射率传感器 |
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Publications (1)
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| CN206696180U true CN206696180U (zh) | 2017-12-01 |
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Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN106770042A (zh) * | 2016-12-21 | 2017-05-31 | 中国计量大学 | 一种基于模式激发细芯光纤的高折射率传感器 |
| CN115355830A (zh) * | 2022-10-18 | 2022-11-18 | 南京信息工程大学 | 一种具有弯曲结构的光纤mi传感器、制作的方法及传感系统 |
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2016
- 2016-12-21 CN CN201621420919.7U patent/CN206696180U/zh not_active Expired - Fee Related
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