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基于七芯光纤和光纤球对称结构的全光纤M-Z干涉仪传感器

Hong Li^1*, Huaibao Li¹, Fanyong Meng¹, Xiaoping Lou², LianQing Zhu^1,3*

关键词：全光纤传感器；M-Z干涉仪；光纤球对称结构；七芯光纤；温度；曲率

摘要

本文提出了一种全光纤、紧凑型M-Z干涉测量（MZI）传感器，并通过实验证明。通过拼接7mm长的七芯光纤（SCF）和两个单模光纤（SMF）球来制造具有对称结构的传感器。在实验中使光纤球的模式场接近SCF的六角形分布式的纤芯区域，这有助于获得高的耦合效率。这种MZI可用于温度和曲率的测量。在50-130^oC温度测量范围内，温度的灵敏度为76.38pm /^oC，线性度为0.9855。利用干涉条纹的强度调制，在0.5-1测量范围内的曲率灵敏度19.60 dB/，线性度为0.9911。也就是说，基于MZI的传感器通过不同的解调方法克服了曲率和温度之间的交叉灵敏度问题。此外，所提出的MZI传感器具有结构紧凑（仅约8毫米），制造工艺简单，可靠性高等优点。

1.简介

M-Z干涉仪是用于确定来自同一光源的两束准直光间的相对相移变化的装置，这是由Mach^[1]和Zehnder ^[2]在19世纪提出的。光学M-Z干涉仪广泛适用于各种光学应用，包括光调制、信号处理和物理、化学以及生物传感等方面^[3-8]。

与传统的基于空间光路^[9]或双光纤耦合器级联的MZI^[10]相比，全光纤MZI以其稳定性高、损耗低和多路复用能力强而著称。目前已经提出了各种类型的光纤内MZI构造，包括基于微结构光纤与单模（SM）光纤或多模（MM）光纤焊接，例如光纤维^[11-13]，光纤模场或纤芯错配熔接 ^[14,15]，和光纤内空气腔^[16]，形成一系列MZI结构，如SM-MM-SM、MM-SM-MM、SM-薄芯-SM、SM-锥形-SM-偏置拼接以及其他组合。此外，光子晶体光纤和多芯光纤等特种光纤的分段熔合也已用于传感应用^[17-19]。这些特种光纤由于其特有的性质而表现出良好的性能，包括简单性和对各种外部参数的高灵敏度。对于多芯光纤传感器，可以采用不同的方法来制造曲率和形状传感器。Yuan ^[20]提出了一种锥形方法，将一段双芯光纤夹在SMF中，其中光线在锥形区域中绝热的进行分裂和合并。这种方法需要复杂的锥形制造工艺和特殊的封装技术来保护脆弱的锥形区域。Salceda-Delgado ^[21]提出了一种基于七芯光纤的紧凑型光纤曲率传感器，用于机械变形。他们利用SCF中的光传播保持不同核心之间的能量传递，并允许超模式沿着SCF的长度传播并在传播期间发生干涉。为了获得更高的耦合效率，Wang^[22]和Zhou ^[23]提出了一种MZI传感器，通过拼接一段七芯光纤和两段非常短的多模光纤，用于温度和曲率监测。该结构制造需要匹配熔合多模光纤的长度和数值孔径。

本文中提出了一种基于SCF和两个光纤球对称结构的全光纤MZI传感器。在第2节中，将描述MZI的制作过程和结构特征，并分析其工作原理和进行仿真， 然后在第3节中介绍详细的温度和曲率实验配置以及测量结果，最后在第4节中进行讨论并得出结论。

图1 （a）基于SCF和光纤球的拟定MZI示意图（b）SMF和SCF的横截面图以及1550nm处超模的计算模场分布（c）两个光纤球结构的图像（d）熔接之前和之后的光纤球结构的显微图像

2.传感器制造和工作原理

2.1 传感器结构和制造

本文提出的MZI的示意图如图1（a）所示。我们的传感器结构中的关键元件是由Fiber-core Ltd.提供的具有六边形和中心芯的SM-7C1500（6.1/125）七芯光纤。图1（b）显示了SMF以及SCF的横截面及其在拟定的MZI中的应用。在SCF结构中,六个光纤芯分别位于正六边形的角部，一个位于中心，并且每两个芯之间的距离为35，模场直径约为6 ~1550nm，包层直径（不含聚合物覆盖涂层）为125。每个光纤芯和周围包层（-）之间的最大指数差异约为0.0045。光纤球通过玻璃加工和拼接系统（Fujikura，LZM-100LaserMaster）在球形拼接模式下在SMF的一端进行拼接和制造。 LZM-100使用CO2激光器加热光纤，以确保可重复的性能。

光纤球的作用是将光线耦合到多芯中，并收集来自多芯的光。为了获得分别位于正六角形的六个光纤和中心光纤之间的强干涉，光纤球耦合的光应尽可能通过精确的手动拼接的调整方式覆盖SCF的七个纤芯区域。一些超模在强度上退化，在核心之间具有不同的相位。由于它们的圆对称性，只有两个超模由中心核心处的SMF的基模激发。随着激发的超模沿着SCF段的长度^[23]传播，两个激发的超模之间的干涉导致连续变化的空间图案，并且可以在第二个光纤球处从光纤球耦合回SMF的纤芯中。

2.2 工作原理和模拟

在SCF中，光程差异是由中心纤芯模式，周围纤芯模式和包层模式之间的有效折射率差异所致。通常，由这些模式的组合引起的每个光程差都可以产生或弱或强干涉（取决于所涉及的模式的强度）。这里只考虑由中心核心模式和MCF周围核心模式引起的OPD主导干涉^[24]，所以这个结构仍然可以看作是一个基于MZI的模型^[25]，本文所提出的干涉仪的透射光谱强度可以解释如下：

（1）

其中是中心核心模式强度，是SCF的周围核心模式强度，是核心模式和周围核心模式之间的相位差，可以定义为

（2）

其中是传播光的波长，是中心芯模与周围芯模之间的有效折射率系数（ERI）差，是球形光纤结构之间SCF相互作用长度，即干涉仪臂的长度。如果相位差满足条件，则传输强度在如下波长处达到其谷值：

（3）

干涉仪臂的长度和m阶衰减峰值的ERI将随外部环境参数（例如温度，应变和折射率）而变化，这将进一步导致干涉条纹的偏移。因此，可以通过监测透射光谱来确定测量值。也可以形成等式（3），干涉条纹图案的自由光谱范围（FSR）由光程差确定，其可通过^[26]近似

（4）

图2传播场分布和沿MZI的归一化传播功率，SCF长度为9 mm，波长为1550 nm

（a）没有光纤球 （b）有两个光纤球

表1

MZI传感器的参数

FSR可以确定梳状透射光谱的密度。可以看出，FSR将随干涉仪长度L的增大而减小。使用来自Rsoft软件的光束传播方法（BPM）模拟结构来分析通过MZI区域传播的光。 图2显示了模拟的传播场分布，其输入波长为1550nm，以及沿MZI的归一化传播功率。纤芯和包层的折射率分别为1.4502和1.445。图2（a）显示了SMF-SCF-SMF结构MZI的模拟，图2（b）显示了SMF-ball-SCF-ball-SMF结构MZI。 模拟设置的参数如表1所示。

如图2（a）所示，很明显通过SCF后的光被严格限制在光纤纤芯中，几乎没有光能量损失。当光线通过SMF-SCF-SMF结构的SCF时会产生干涉效应，但不是很明显。在SMF-ball-SCF-ball-SMF结构中，输入光信号被转移到第一个光纤球中，一些光在光纤芯中传播并激发高阶核心模式，然后进入SCF，接着进入第二光纤球进行模式混合，最后进入后端SMF进行光信号检测。 我们可以看到，光纤球后的光场不再局限于光纤芯，而是扩散到包层区域。显然，从图2（b）中可以看出ball-SCF-ball部分的强模式耦合。结果，光纤球提高了光耦合效率，可以更好地加强多芯光纤的干涉效应。

2.3 传感器的光谱

图3测量的MZI透射光谱

（a）不同的MZI

（b）两个纤维球的长度不同

（c）通过FFT对不同MZI结构的透射光谱的空间频率

实际上，我们已经在两段SMF之间以不同的长度拼接SCF以构造SMF-SCF-SMF结构（即没有两个光纤球），然而，干涉仪无法产生响应或不能形成弱响应。 图3显示了不同结构MZI的透射光谱。

如图3（a）所示，No.1蓝线是长度为7mm的SCF和两个光纤球结构的MZI的光谱，No.2红线是仅有7mm长的SCF 没有光纤球结构的MZI的光谱。可以看出，1号MZI干涉条纹的可见度约为20 dB，远高于2号。光纤球结构的耦合效应有助于增强多芯光纤的干涉。图3（b）显示了长度为7mm和9mm SCF的MZI的透射光谱。干涉光的强度表现出作为波长函数的一定周期性，并且还表明传感器的自由光谱范围将随着SCF长度L减小而增加。 理论上的等式 （4）很好地说明了图3（b）中的实验结果。

为了清楚地了解干涉模式的数量和功率分布，从传输频谱（如图3（b）所示，通过快速傅里叶变换（FFT）实现，得到空间频谱，如图3（c）所示。） 可以观察到，在空间频谱中出现一个干扰峰值，其是由主导核心模式与周围核心模式之间的干涉而形成。主导峰（= 7毫米，9毫米）位于频率为0.06312nm^-1处和0.07083nm^-1处。事实上，其他超模也可能被激发，这将导致一些较小的空间频率峰值。

3.实验和讨论

在实验中，为了确保良好的纤芯包层耦合，低强度损耗和尺寸紧凑选择了长度为7 mm的SCF和两个180光纤球结构的MZI传感器。为了研究提出的MZI传感器对温度和曲率的性能，设计了实验设置。使用波长范围为1520nm至1575nm的宽带光源（ASE光源）作为光源。光谱分析仪，最大分辨率为20 pm。

图4.温度测量设置示意图。

图5（a）MZI-1传感器对不同温度的光谱响应（b）作为温度变化函数的波长漂移和倾角强度

3.1 温度响应

制造的MZI干涉传感器连接到传感系统以进行温度测量。传感系统的光路如图4所示，由宽带光源，MZI传感器和光谱分析仪组成。

通过将其置于温度为50℃至130℃的电加热恒温干燥箱（DHG-9503A）中来研究MZI传感器的温度响应。此外，使用差分热电偶（AZ 8746）测量温度，精度为0.1℃。应该注意的是，温度以10℃的步长逐渐升高，然后在每次升温期间保持约15分钟。

随着温度的升高，MZI的干涉条纹向更长的波长移动。从图5（a）可以很容易地发现，浸入波长“红色”从50℃到130℃以6300pm线性移动，即灵敏度为76.38pm /℃。

此外，测量的倾角强度几乎没有变化，如图5（b）所示。下面解释温度引起的倾角波长的“红移”。由于掺锗石英纤芯的热光系数高于由熔融石英组成的包层^[27]，因此有效核心和周围核心模式之间的折射率差异将随着温度的升高而增加。因此，根据等式（3），当环境温度升高时，由于的温度引起，倾角波长向更长波长移动。

3.2曲率响应

为了研究MZI结构对曲率的响应，将MZI固定在V形槽的两个光纤夹持器之间，其中光纤夹持器可以纵向移动，运动精度为0.002mm。图6是曲率实验系统。曲率光纤通常近似为圆弧。传感器曲率由^[28]给出

(5)

其中x是可移动光纤末端的移动距离，= 300mm是两个支架边缘之间的距离，d是SCF中心处的曲率位移。

图6.曲率测量设置的示意图

图7（a）MZI-1传感器对不同曲

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