一种基于马赫-曾德尔干涉仪的折射率和温度同时测量传感器

设计制作了一种基于马赫-曾德干涉结构的传感器用于折射率和温度的同时测量,传感器的结构为单模-多模-细芯-多模-单模。利用RSoft光学仿真软件的BeamPROP模块对传感结构内部光场进行模拟分析,确定了多模光纤(multi-mode fiber, MMF)及细芯光纤(thin core fiber, TCF)的最优长度,制作了传感结构并搭建实验系统观测其折射率和温度响应情况,结合敏感矩阵,实现了双参量的同时测量。实验结果表明,该传感器在1.333—1.380的折射率范围内灵敏度为-44.944 nm/RIU,在30—65℃的温度范围内灵敏度为0.082 9 nm/℃。本文提出的传感器结构简单、体积小、灵敏度高,可以为折射率和温度双参量传感设计提供参考。     

基于光纤锥和多模渐变光纤的马赫-曾德尔干涉仪的传感特性研究

提出了一种基于光纤锥和纤芯失配光纤结构的马赫-曾德尔干涉(MZI)传感器。在距离单模光纤(SMF)锥25mm处熔接一段长30mm的多模渐变光纤(GI MMF),形成SMF-光纤锥-SMFGI MMF-SMF结构。其中,光纤锥起到增加包层模能量的作用,GI MMF为传感臂。传感器外界环境温度、折射率及应力的改变都会使传感器的纤芯基模和包层模的光程差发生改变,从而引起传感器干涉谱发生变化,通过监测干涉谱的变化可以实现对外界物理量的测量。实验研究结果表明,当环境溶液温度在30~89℃范围内变化时,传感器的温度灵敏度为78.6pm/℃,线性度为0.997;环境溶液折射率在1.333~1.394变化范围内,传感器的折射率灵敏度为81.48dB/RIU,线性度为0.989;轴向应变在0~933.3με变化范围内,传感器的应变灵敏度为0.33×10-2 dB/με,线性度为0.998。本文传感器可以实现多个物理量的同时区分测量。     

基于腐蚀型多模光纤的干涉型传感器实现温度和液位同时测量

提出了一种新颖的基于腐蚀型多模光纤(MMF)级联的干涉型光纤传感器。在芯径为50μm的MMF1左侧熔接一段被腐蚀的芯径为105μm的大芯径MMF2构成传感区域。实验中,MMF2的包层采用HF溶液腐蚀的方法去除。由于纤芯失配,两段MMF内部均产生多种纤芯模式,它们之间相互干涉,随之产生一系列具有不同灵敏特性的干涉峰。利用干涉谱中不同波谷对温度和液位的灵敏度差异,实现对温度和液位的同时测量。测得3个波谷的温度灵敏度分别为0.066nm/℃、0.139nm/℃和0.031nm/℃;通过对水和盐水的液位进行实验对比发现,传感器对盐水的液位灵敏度较高,测得液位灵敏度最高可达-1.251nm/mm。实验表明,本文传感系统成本低、结构简单,可用于温度和液位的同时测量,在石油开采、生物制药等方面具有潜在的应用价值。     

高灵敏度多模干涉-异质无芯光纤折射率传感器

基于多模干涉理论和自映像效应,设计了一种高灵敏度多模干涉-异质无芯(SNS)光纤折射率传感器。利用纤芯失配在包层激发的高阶模与无芯光纤中产生的基模耦合产生多模干涉来实现其对折射率的传感测量。应用波束传播法(BPM)数值模拟了传感器在不同折射率条件下光的透射谱,讨论了无芯光纤的长度及外部环境折射率等参数对传感器性能的影响。通过无芯光纤SNS结构传感器的样品制备,测试了多组不同浓度蔗糖溶液下的透射谱,实验结果与数值模拟结果一致。结果表明:在折射率1.330~1.419范围内,透射谷的波长灵敏度达到189nm/RIU,透射率灵敏度达到-40%/RIU。     

单模-多模-单模光纤结构的温度特性研究

为提高基于单模-多模-单模(SMS)光纤结构 的温度传感器的温度灵敏性和非温度传感器的温度稳定 性提供科学依据,从而增强它们的实用性,研究了热光效应和热膨胀效应引起的SMS光纤结 构的温度特性。 通过分析SMS光纤结构的模式干涉原理和确定SMS光纤结构中受温度影响的参数及其与温度之 间的关系, 建立了分析普通多模光纤构成的SMS光纤结构温度特性的理论模型。进一步利用此模型分析 了不同多模光 纤纤芯直径下,多模光纤包层和纤芯的热光效应,以及多模光纤纤芯直径和长度的热膨胀效 应对SMS光纤 结构温度特性的影响。结果表明,多模光纤包层和纤芯的热光效应是影响SMS光纤结构温度 特性的第一和 第二因素,并且两种效应下的温度灵敏度均随多模光纤纤芯直径的减小而增大,但变化方向 相反;而多模 光纤的热膨胀效应对SMS光纤结构的温度特性影响很小,可以忽略;各热效应同时作用下, 多模光纤纤芯 直径对温度灵敏度基本没有影响,灵敏度约为12.5pm/℃。     

基于多模细锥级联的MZI液体折射率传感器

基于Mach-Zehnder干涉仪原理,结合光纤熔锥技术,设计并制作了一种结构为细锥-多模-细锥的液体折射率传感器。光经第一个多模细锥节点时,将在后面的多模光纤的纤芯和包层中激发出纤芯模和包层模,不同的模式有不同的模式折射率;再经中间多模光纤部分传输时,不同模式光之间将产生光程差;最后在第二个多模细锥节点处耦合而干涉。对该传感器输出干涉光谱中干涉谷波长随外界溶液折射率变化的规律进行了理论分析和实验研究。实验结果表明,溶液折射率变化范围为1.379~1.402时,干涉谱中1 566.68 nm附近的干涉谷波长与溶液折射率有单调递增的变化关系,对应的灵敏度为783 nm/RIU。该传感器制作简单、结构紧凑、成本低、灵敏度高,在生物医学领域有较好的应用前景。     

基于单模-无芯-单模结构的光纤折射率传感器

提出了一种基于光纤单模-无芯-单模结构的光纤 折射率传感器。当外界折射率(SRI,surrounding refractive index)小于无芯光纤(NCF,no-core fiber)折射率,并且二者十分接 近的情况下,NCF 可以看作是具有阶跃折射率分布的弱导多模光纤(MMF),这样便构成了传统的单模-多模- 单模(SMS,single-mode multimode single-mode)光纤结构。利用线偏振模近似的方法理论分析了基于这种光 纤结构的折射 率传感器的模式激发特性以及输出特性,进而进行了相应的数值仿真及实验验证,结果表明 ,数值仿真与实验 结果均与理论分析结果相一致。在1.3～1.4的折射率范围内,实验测得传感器灵敏度达到 205.42nm/RIU。     

基于腐蚀型多模光纤的干涉型传感器实现温度和液位同时测量

提出了一种新颖的基于腐蚀型多模光纤(MMF)级联 的干涉型光纤传感器。在芯径为50μm的MMF1左侧熔接一段被腐蚀的芯径为105μm的大芯径MMF2构成传感区域。 实验中,MMF2的包 层采用HF溶液腐蚀的方法去除。由于纤芯失配,两段MMF内部均产生多种纤 芯模式,它们 之间相互干涉,随之产生一系列具有不同灵敏特性的干涉峰。利用干涉谱中不同波谷对温度 和液位的灵敏 度差异,实现对温度和液位的同时测量。测得3个波谷的温度灵敏度分别为0.066nm/℃、0.139nm/℃和 0.031nm/℃;通过对水和盐水的液位进行实验对比发现,传感器对盐水的液 位灵敏度较高,测得液位灵敏 度最高可达－1.251nm/mm。实验表明,本文传感系统成本低、结构 简单,可用于温度和液位的同时测量,在石油开采、生物制药等方面具有潜在的应用价值。     

基于侧边抛磨多模光纤的高灵敏度折射率传感器

提出一种可于生物传感的侧边抛磨多模光纤(SPMMF)折射率传感器。针对1.300~1.430折射率范围传感特性,研究了纤芯直径50.0、62.5和105.0μm的多模光纤(MMF)侧边抛磨不同深度时SPMMF折射率传感器的光谱特性和光功率传输特性。结果表明,在1.300~1.430折射率范围内,光纤纤芯直径和剩余半径(抛磨面到纤芯中心的距离)越小,传感器灵敏度越高;纤芯直径为50.0μm、剩余半径为0μm时,可以获得最高达42.23dB/RIU的灵敏度,最小分辨率为2.37×10-5RIU;纤芯直径为105.0μm、剩余半径30μm时,SPMMF折射率传感器仍有10-5 RIU量级的分辨率。     

细芯光纤M-Z干涉传感器多参数测量研究

实验制备了基于细芯光纤(TCF)的马赫-曾德尔干 涉仪(MZI)并进行了多参数测量传感研究。 传感器采用两段单模光纤(SMF)进行腰椎放大连接细芯光纤,形成MZI结构。利用TCF与SMF 的纤芯直径不匹配,在第1个接点激发出包层模式,包层模在第2个接点耦合进纤芯与纤芯 模产生 干涉,利用干涉条纹的波长漂移实现对外界环境参量的测量。实验所用的TCF纤芯的掺Ge浓 度较高(约为38mol.%),相对折射率和热光系数较普通SMF大,所以在保证 适当的自由光谱范围(FSR) 的前提下,TCF的长可以减小到2mm,传感头尺寸较小,且传感结构对于温度的变化十分 敏感。 实验结果表明,在30～250℃的温度范围内,其温度灵敏度为70.2pm/℃,并具有较好的线 性响应度。测试了传感器对折射率、应变和弯曲的响应,获得的灵敏度分别为－8. 12nm/RIU、1.8pm/με和2.07nm/m－1。     

多模光纤在超短脉冲激光领域的新应用

多模光纤在孤子效应、时空锁模、高能量光纤激光器、超快光纤激光器、高能量激光传输等多个领域有特殊的研究价值和应用前景,引起了研究人员的高度关注,成为近年来国内外的研究热点。文章总结了国内外多模光纤器件的研究进展,重点分析了基于多模光纤的锁模激光器、新型锁模器件、非线性自净效应的发展现状及存在的问题,并对其未来发展方向进行展望。     

新一代多模光纤

按照以太网协议建设的光纤局域网的传输速率正迅速升级到1Gbit/s和10Gbit/s这时光纤提出了更高的要求。IEEE正在制定10Gbit/s以太网标准,10Gbit/s以太网标准将考虑采用新一代的多模光纤。文章产 叙述新一代多模光纤的发展前景,然后综述了新一代多模光纤概念、测量新一代多模光纤带宽的新方法和制造新一代多模光纤的技术。     

空芯光纤多模干涉型光纤液位传感技术研究

为了测量液位高度变化,采用基于空芯光纤多模干涉效应的方法,研究了在外界介质影响下光源在空芯光纤中多模干涉所产生的干涉谱的变化,进行了基于空芯光纤中多模干涉效应的液位传感实验,研究了该液位传感器的干涉谱与液位变化的关系以及不同折射率液体对测量结果的影响,并分析了实验误差。结果表明,该光纤液位传感器的液位测量范围为0mm~55mm、液体折射率为1.33和1.35时,液位测量灵敏度分别为0.180nm/mm和0.224nm/mm。使用单模-空芯-单模结构的传感器进行液位变化测量是较为精准与可行的。     

采用D形不规则多模光纤产生部分相干激光

研究了一种D形不规则多模光纤,用于产生相干度低的部分相干激光.理论分析了D形不规则多模光纤传导模型,数值模拟仿真了D形不规则多模光纤内光线轨迹和光强度分布.实验结果表明,采用长度500 mm、芯径200 μm的D形光纤作为变换元件可以得到相干度低的部分相干激光,其输出光斑相干度明显低于圆柱形阶跃折射率光纤的输出光斑相干度.     

基于多载波复用多模光纤通信系统的设计与分析

分析了多模光纤高频带通区域的传输特性,提出一种基于多载波复用的多模光纤通信系统.对该系统的传输特性进行了分析和仿真,结果表明:系统所用载波数是影响系统性能的重要因素;选取合适载波数,该系统可将10.2Gb/s的数据传输1km、将2.5Gb/s的数据传输4.2km;增大激光器的发送功率可以显著增加系统的传输距离.     

Influence of bending diameter on output capability of multimode fiber laser

The output capability of large mode area (LMA) multimode fiber laser depends on the fiber bending. To study the relationship, the output capability of multimode fiber laser was measured under various bending diameters, and it was also theoretically calculated. Measured respectively were the beam quality factor M2, by means of knife edge for the different bending diameters of LMA fiber, and the slope efficiency. When the bending diameters 285, 195 and 130 mm were used, zthe corresponding beam quality factors were 2.88, 1.82and 1.67 with the slope efficiency at 39%, 35% and 34%,respectively. In addition, for the LMA multimode fiber used in the experiment, losses of different modes were calculated theoretically under various bending diameters.The experimental results correspond to the calculated results.     

多模光纤布里渊散射效应研究进展

面对人们日益增长的光纤传感需求,多模光纤的容量优势为解决单模光纤的容量壁垒、实现高精度的多参量光纤传感测量提供了新思路。理论分析了多模光纤的模式特性,综述了多模光纤模式耦合及偏振的研究进展,重点介绍了多模光纤中布里渊散射的阈值、增益谱和布里渊频移的国内外发展动态,分析了未来光纤传感的发展方向。     

An optimal open-loop multimode fiber gyroscope for rate-grade performance applications

We report the realization of a new version of a fiber optic gyroscope (FOG), using low-cost multimode fiber components. This is achieved by an optimal choice of the components such as fiber, coupler, light source and photodetector. The aim behind this work is to demonstrate the versatility of the low-cost multimode FOG for rate-grade performance applications. Both analog signal processing and open-loop operation are used in the proposed FOG experiment. The obtained sensitivity is ∼7°/h and the angle random walk is about 0.087°/. The influence of the coupler technology on the performances is investigated.     

光载射频信号在多模塑料光纤中的传输特性研究

实验研究了光载射频信号在多模塑料光纤(POF)中的传输特性,将24GHz的正弦波信号与1.5Gbt/s的数字信号进行混频后再通过光强度调制器产生双边带调制光信号,将双边带调制信号通过多模POF发送至接收机,在接收机转化为24GHz的射频信号。实验结果表明,这种双边带调制的光载波射频信号可以在多模POF中传输50m后而功率代价可以忽略不计。