基于纺锤型空气腔的光纤马赫-曾德尔折射率传感器

设计了一种基于光纤纺锤型空气腔的三明治结构全光纤马赫-曾德尔折射率传感器。纺锤型空气腔是通过普通单模光纤和光子晶体光纤熔接后再拉锥形成的。锥区的纺锤型空气腔和包层分别作为参考臂和传感臂,从而形成马赫-曾德尔干涉。基于FDTD Solutions和COMSOL仿真软件分别对传感器的干涉条纹及锥区电场分布进行了仿真,得到了折射率传感器干涉条纹波谷波长和有效折射率与环境折射率的关系。当环境折射率为1.36~1.37和1.37~1.38时,灵敏度分别为1 377.6和1 436nm/RIU。此传感器具有极短的干涉臂,能够降低损耗,且具有较高的折射率灵敏度。     

基于细芯光纤内嵌马赫曾德尔干涉仪的应变传感器

研究了基于细芯光纤内嵌马赫曾德尔干涉仪的光纤应变传感器,通过将一根细芯光纤熔接在两根单模光纤(SMF)之间,构成了一种光纤内干涉的马赫曾德尔干涉仪。当单模光纤中的光耦合进细芯光纤时,一部分光耦合进细芯光纤纤芯作为芯模传输,另一部分光耦合进细芯光纤包层中激发出包层模沿包层传输,当芯模和包层模再耦合进单模光纤时发生干涉。当应变作用在细芯光纤上时,干涉条纹发生漂移。通过解调干涉条纹对应变的漂移量实现应变测量,在0~2000 με的测量范围下,测得的应变灵敏度为-1.83 pm/με,并且实验结果与理论分析有很好的一致性。该传感器具有体积小、制作简单、灵敏度高等优点。     

布里渊光时域分析仪与马赫-曾德尔干涉仪共同检测传感技术

布里渊分布式光纤传感器适用于测量静态的温度/应力,而马赫-曾德尔干涉仪分布式光纤传感器(DOFS)可测量动态的应变变化。许多应用场合需要静态和动态的传感信息,这是单机理分布式光纤传感器难以达到的。由于布里渊光时域分析仪(BOTDA)和马赫-曾德尔干涉传感器都采用双向环路传感光纤结构,通过共用光源和主要光器件,将布里渊光时域分析仪和马赫-曾德尔干涉传感器相结合。利用布里渊传感测温度,马赫-曾德尔传感器测振动,从而可实现多机理多参量传感。搭建了25 km传感实验系统,对于马赫-曾德尔振动传感,定位精度达到60 m,并可计算振动频率;对于布里渊传感,在没有振动时传感光纤的始端和末端都为2 ℃的测量精度,但在振动时得到始端为3 ℃、末端为4 ℃的测量精度。     

基于游标效应解调的少模光纤应变传感器

提出并制备了一种基于游标效应的高灵敏度光纤马赫-曾德尔应变传感器。该传感器由两个自由光谱范围相近的马赫-曾德尔干涉仪并联构成。其中单个马赫-曾德尔干涉仪是由一段无芯光纤和一段少模光纤拼接在两根单模光纤之间制成的。两个马赫-曾德尔干涉仪的自由光谱范围相近而不相等,并联叠加后产生游标效应,达到增敏的效果。实验结果表明,在0~166.667με的应变范围内,单个干涉仪的应变灵敏度为-1.90 pm/με,两个干涉仪并联叠加谱包络的应变灵敏度为12.06 pm/με。该传感系统采用并联方式实现游标效应,具有制作简单、灵活性高、灵敏度高等优点,可广泛应用于精密测量领域。     

马赫-曾德尔干涉仪的应用研究

主要介绍马赫-曾德尔干涉仪在传感和解调方面的应用及其优势。在传感领域,应变和温度都会引起马赫-曾德尔干涉仪相位的变化,基于此提出一种利用马赫-曾德尔干涉仪和光纤布拉格光栅测量应变和温度的传感系统,并分析系统的工作原理。     

基于环行腔光纤激光器的应力传感器

提出并演示了一种基于大直径光纤锥的马赫曾德尔干涉仪应力传感器。以锥形光纤马赫曾德尔干涉仪作为滤波器,对掺铒光纤的增益谱进行梳状滤波,最终在环行光纤谐振腔中实现激光的产生并输出。所采用的马赫曾德尔干涉仪在作为滤波器件的同时也能够对光纤轴向应力进行传感,最终实现激光器输出波长随应力增加而向短波长方向漂移,实验结果显示其在波长1557 nm附近传感的敏感度达到了3 pm/。基于该锥形光纤的马赫曾德尔干涉仪具有成本低、制作简便和机械强度高的优点,使其更有利于商业化规模制作。     

基于光纤环形激光器的传感技术研究与应用

基于光纤环形激光器的新一代光纤传感系统通过解调激光波长偏移来检测外界参量变化,得利于激光光谱窄线宽及高信噪比的特性,可实现高分辨率、高灵敏度、大动态范围的传感监测。文章介绍了包括基于光纤光栅、迈克尔逊干涉仪、法布里-珀罗腔、萨格奈克环以及马赫-曾德尔干涉仪等多种结构的光纤传感器工作原理,以及进一步构成光纤环形激光传感器的特性和多种应用案例,并对未来该领域的关键技术发展进行了分析。     

基于3×3耦合器的马赫-曾德尔干涉仪的光纤光栅波长解调技术

介绍了一种基于3×3和2×2光纤耦合器构成的非平衡马赫-曾德尔干涉仪的波长解调方案。理论分析和数据对比表明,相对于由两个2×2光纤耦合器构成的马赫-曾德尔干涉仪,本干涉仪具有宽谱的灵敏度、能跟踪波长的变化方向和相位展开的优点。实验方案用于测量固定在悬臂梁上的传感光纤布拉格光栅(FBG)的峰值波长变化,获得了±1 pm的静态波长解调精度,在10 Hz处的动态分辨率为27 n/εHz。相位展开算法使得应变测量范围达到了2014με,对应的相位变化为3.22π。     

基于虚拟游标效应的夹层多模光纤马赫-曾德尔干涉仪高灵敏温度传感器

提出一种基于夹层多模光纤马赫-曾德尔干涉仪（MZI）与虚拟游标效应结合的高灵敏度温度传感器，进行了理论分析和实验验证。该光纤MZI是通过在两段1 mm长的阶跃型多模光纤之间拼接一段20 mm的渐变多模光纤制成，夹层多模光纤MZI作为游标效应的传感干涉仪，利用信号处理对该光纤MZI的干涉光谱进行变频得到参考干涉仪光谱，通过叠加传感干涉仪和参考干涉仪的波形实现虚拟游标光谱。实验结果表明，在40～100℃温度范围内，该传感系统的温度灵敏度为3.884 nm/℃，与单个夹层多模光纤MZI相比，灵敏度提高了37.346倍。与传统的光纤游标传感器相比，所提出的虚拟游标夹层多模光纤温度传感器具有灵敏度极高、尺寸紧凑、制作简单、成本低、结果更可靠等优点。     

强耦合七芯光纤超模式布拉格光栅及其温度和应变响应特性研究

提出并实现了一种用于双参量同时测量的强耦合七芯光纤布拉格光栅(SCF-FBG)。在透射光谱中观察到2个布拉格谐振峰，对应SCF的类HE₁₁和类HE₁₂超模式反向谐振耦合。该传感器由SCF拼接在中心对齐的2个标准单模光纤构成，其透射谱中还包括由超模式间的马赫-曾德尔干涉产生的干涉条纹。分别测量了该器件对温度和应变的响应，结果表明：2个布拉格谐振峰的温度灵敏度分别为9.56 pm/℃和9.55 pm/℃，应变灵敏度分别为0.64 pm/με和0.584 pm/με。其中，干涉谷的温度灵敏度和应变灵敏度分别为11.8 pm/℃和-0.925 pm/με，因此该器件能够同时用于温度和应变的测量。     

Low-coherence interferometric fiber sensor with improved resolution using stepper motor assisted optical ruler

Low-coherence interferometric sensing is typically used to detect phase changes without simultaneous optical ruler calibration in order to by-pass light intensity fluctuations and the periodic nature of the interferometric signal. An interferogram from a two-staged optical low-coherence Mach–Zehnder interferometer is proposed to double the sensitivity improvement for fiber strain sensing. A 1310-nm wavelength distributed feedback laser implemented in an optical ruler achieved 655-nm resolved characterization from its high-coherence interferogram, which could further be enhanced to an average of 18.9 nm using a stepper motor assisted optical ruler. A 2.7-nε high strain resolution was then demonstrated on a 3-m long fiber sensing arm in a Mach–Zehnder interferometer. The relative movement distances between the interferograms were utilized to experimentally show the strain and force sensitivity as 6.8 μm/με and 8.5 μm/mN, respectively.     

基于3dB光纤耦合器构成的Mach-Zehnder光纤干涉仪稳定控制系统

Mach-Zehnder光纤干涉仪（MZI）是一种利用光干涉原理制成的仪器,具有体积小、重量轻、结构紧凑、抗电磁干扰和灵敏度高等优点。但是,Mach-Zehnder光纤干涉仪是一种非平衡并行结构,易受环境等因素影响导致其性能不稳定。因此,高性能测量系统和通信系统对光纤干涉仪的稳定工作提出了严格的要求。提出了一种基于3 dB光纤耦合器构成的Mach-Zehnder干涉仪的稳定控制系统,其目的是通过对探测器的输出信号进行调制,并反馈到光纤干涉仪的一臂上进行偏置控制,从而实现Mach-Zehnder光纤干涉仪的稳定工作。该方法实现简单,克服了现有3 dB光纤耦合器构成的Mach-Zehnder光纤干涉仪不能稳定工作的问题。     

全光纤反射式Mach—Zehnder干涉仪的数值研究

本文首次用干涉法对反射式Mach-Zehnder干涉仪的性能做了较详细的研究。推导出了该干涉仪的能量传输矩阵,分析了两个耦合器的分光比和两臂的臂长差对其输出光谱谱线的影响,对于k=0.5的反射式Mach-Zehnder干涉型滤波器比同臂长差的透射式Mach-Zehnder干涉型滤波器的峰值波长间隔周期小1倍。并讨论了相邻透射峰之间波长差与臂长差的关系。     

Broadband Mach–Zehnder interferometer design using microstructured optical fibers for multi-channel DPSK demodulation

Microstructured optical fibers (MOFs) are typically all silica optical fibers with air holes. Tremendous interest in these fibers has been generated because of potential applications in optical communications, remote sensing, frequency metrology and optical coherence tomography. A feature of MOFs is that waveguide dispersion can be modified significantly by means of geometrical parameters, namely, the positions and sizes of the different holes. We propose here an innovative MOF design whose waveguide dispersion inversely matches the material dispersion of silica to obtain broadband zero group velocity dispersion from 1400 to 1650 nm. One application of this fiber is in the demodulation of differential phase shift keying (DPSK) signals. We propose a novel Mach–Zehnder interferometer design using a small section of zero-dispersion fiber providing a wavelength-independent time delay and address all practical considerations. The constant free spectral range of the interferometer would allow the demodulation of multiple evenly spaced wavelength-multiplexed DPSK-encoded channels in a telecommunication link instead of one demodulator per channel.     

奇偶交错空分滤波器

本文扼要介绍了空分奇偶交错滤波器（Interleaver)的产生背景和基本原理，并着重综述了晶体型、迈克尔逊干涉仪＋G－T干涉仪型（MGTI）和全光纤非平衡Mach-Zehnder(M-Z)干涉仪型interleaver的原理、特点及应用。     

High-Temperature Sensing Using Miniaturized Fiber In-Line Mach–Zehnder Interferometer

A miniaturized single fiber in-line Mach-Zehnder interferometer is proposed for high-temperature sensing. The interferometer has a microcavity in one of its arms, formed by removing part of the fiber core and cladding, while the other arm remains in the fiber core. Because the fiber core exhibits a temperature coefficient of refractive index which is different from that of air, the interferometer is sensitive to temperature variation. The microcavity structured interferometer also has excellent sustainability to high temperatures up to 1100°C . The system is compact, reliable and can detect the temperature at precise location.     

Ultracompact Intrinsic Micro Air-Cavity Fiber Mach–Zehnder Interferometer

A compact intrinsic fiber Mach–Zehnder interferometer (MZI) is proposed and experimentally demonstrated by incorporating a micro air-cavity ablated by femtosecond laser irradiation. A short cavity of length $sim$10 $muhbox{m}$ along the single-mode fiber core provided two optical paths: one propagating through the air and the other guided along the ring-shaped silica cladding. A spectral analysis confirmed MZI in a good agreement with experimental results. Temperature-dependent spectral shifts were measured and analyzed.      

Temperature and refractive index sensing characteristics of an MZI-based multimode fiber–dispersion compensation fiber–multimode fiber structure

We proposed an optical fiber sensor with simple multimode fiber (MMF)–dispersion compensation fiber (DCF)–multimode fiber structure based on Mach–Zehnder Interferometer (MZI) and researched its temperature and refractive index (RI) sensing characteristics. The sensing principle is based on the interference between core and cladding modes of DCF due to the large core diameter mismatch. Spectral analyses demonstrate that the transmission spectrum is mainly formed by the interference between the dominant excited cladding mode and core modes. The experimental results show that the proposed sensor has high temperature sensitivity of 0.118 nm/°C in the range of 20–250 °C and RI sensitivity of 66.32 nm/RIU within the linear sensing range of 1.33–1.39 RIU. Therefore, the characteristics of compact size, low cost, easy fabrication, high sensitivities, and good anti-interference ability make this sensor have extensive application prospects.     

基于微椭球空气腔的光纤压力传感器的设计

设计了一种新型的在线光纤法布里-珀罗(F-P)压力传感器.该传感器的F-P腔为微椭球空气腔,由光纤熔接机以特定的熔接参数熔接单模光纤和实芯光子晶体光纤而成.该传感器基于F-P干涉原理测量压力,全石英结构,制作工艺简单,温度串扰小.分析了封闭的椭球形空气F-P腔中短轴直径(腔长)与长轴半径(敏感膜有效半径)的关系;利用高斯光束传输理论分析了空气F-P腔形状与腔内损耗的关系.分析了SiO2敏感膜受压后中心挠度与膜厚、有效半径的关系.建立了SiO2膜的压力敏感特性模型,在施加均布载荷条件下对模型的挠度形变特性进行了数值解析和有限元仿真.仿真了传感器F-P干涉条纹波谷波长与压力的关系,为设计制作光纤微压传感器提供了理论依据.