一种基于多模干涉耦合的开放腔马赫-曾德尔光纤干涉仪的制作方法

本实用新型属于光纤传感技术领域，涉及一种光纤折射率传感装置，尤其涉及一种开放腔马赫-曾德尔光纤干涉仪。

背景技术：

光纤传感器广泛应用于食品、环境监测、医学和生物化学等多个领域，由于体积小、耐腐蚀和抗电磁干扰等优点，干涉型光纤折射率传感器成为研究热点。开放腔马赫-曾德尔干涉仪(MZI)利用传感部分被激发的包层模和开放腔模式之间发生马赫曾德尔干涉的原理，通过监测外界折射率变化所造成的透射谱波谷漂移的情况，实现对外界折射率测量。

段德稳等研究了单模光纤直接偏芯，即将两段通信单模光纤与一段单模光纤直接进行偏芯熔接，通过测量透射谱波谷的波长漂移量确定外界溶液的折射率(“In-fiber Mach-Zehnder interferometer formed by large lateral offset fusion splicing for gases refractive index measurement with high sensitivity”，Sensors and Actuators B：Chemical，160(2011)1198-1202)。由于单模光纤的纤芯直径小，这种偏芯结构的直接耦合方案使得径向偏移距离的偏差允许范围变小。除此之外，单模光纤有限的数值孔径也使得这种结构有较大的传输损耗。Asrul Izam Azmi等提出了一种无芯光纤耦合的开放腔MZI折射率传感器，即将两段无芯光纤和一段无芯光纤进行大偏芯熔接，通过监测此结构的透射谱波谷的波长漂移量实现折射率测量(“Refractive index sensor based on lateral-offset of coreless silica interferometer”，Optics & Laser Technology，99(2018)396-401)。虽然耦合区无芯光纤改善了偏芯距离的偏差允许范围，但依然出现传输损耗大的问题。此外，耦合区的两段无芯光纤也会受到外界折射率的影响，导致传感长度增加。

以上报道的开放腔结构虽然具有较高折射率灵敏度，但直接耦合结构存在传输损耗未改善和偏芯距离的偏差允许范围小等问题，而无芯光纤耦合结构虽然改善了偏芯距离的偏差允许范围，却增加了传感长度，也存在未改善传输损耗的问题。针对上述问题，本实用新型提出了一种新型开放腔MZI结构，使其具有高灵敏度、低传输损耗并改善了偏芯距离的偏差允许范围。

技术实现要素：

本实用新型的目的是通过对传感器结构的优化，有效地解决现有开放腔MZI存在的偏芯距离的偏差允许范围小和传输损耗大等问题。

本实用新型技术方案如下：

本实用新型提供一种基于多模干涉耦合的开放腔马赫-曾德尔光纤干涉仪，由依次熔接而成的输入单模光纤(1)、输入耦合多模光纤(2)、无芯光纤(3)、输出耦合多模光纤(4)和输出单模光纤(5)组成，其中，无芯光纤(3)分别与输入耦合多模光纤(2)和输出耦合多模光纤(4)的轴心相偏离，形成一定深度的凹槽，即为开放腔，输入单模光纤(1)、输入耦合多模光纤(2)、输出耦合多模光纤(4)和输出单模光纤(5)同轴，输入耦合多模光纤(2)和输出耦合多模光纤(4)为阶跃型多模光纤。

所述输入耦合多模光纤(2)的长度满足光到达输入耦合多模光纤(2)与无芯光纤(3)的交界面时，输入耦合多模光纤(2)径向截面光场呈现单一环形。

所述的输出耦合多模光纤(4)的长度满足光到达输出耦合多模光纤(4)与输出单模光纤(5)的交界面时，输出耦合多模光纤(4)径向截面光场能量在轴心处汇聚。

所述的输入单模光纤(1)、输入耦合多模光纤(2)、无芯光纤(3)、输出耦合多模光纤(4)和输出单模光纤(5)的包层直径相同。

所述的无芯光纤(3)与输入耦合多模光纤(2)、输出耦合多模光纤(4)的轴心偏离距离均为输入耦合多模光纤(2)或输出耦合多模光纤(4)的包层半径长度。

本实用新型的技术优点和有益效果如下：

1.本实用新型所提出的传感器结构有效地改善了开放腔MZI制作过程中偏芯距离的偏差允许范围，降低了制作难度。根据多模干涉效应所提出的输入耦合多模光纤和输出耦合多模光纤的耦合方式，提高了耦合有效性，显著减小了传感器的传输损耗。

2.本实用新型提出的传感头制作简单，成本低，有利于实际应用。

附图说明

图1是一种基于多模干涉耦合的开放腔马赫-曾德尔光纤干涉仪的结构示意图。

图2是一种基于多模干涉耦合的开放腔马赫-曾德尔干涉仪的仿真图。

图3是一种基于多模干涉耦合的开放腔马赫-曾德尔干涉仪的测量装置示意图。

图4是一种基于多模干涉耦合的开放腔马赫-曾德尔干涉仪与其它开放腔结构传输损耗的对比图。

图5是实际制作传感器的折射率测量曲线。

图中：1-输入单模光纤、2-输入耦合多模光纤、3-无芯光纤、4-输出耦合多模光纤、5-输出单模光纤、6-宽带光源、7-光谱仪。

具体实施方式

下面结合附图对本实用新型作进一步详细说明。

本实用新型提供一种基于多模干涉耦合的开放腔马赫-曾德尔光纤干涉仪的结构示意图，如图1所示。由依次熔接而成的输入单模光纤(1)、输入耦合多模光纤(2)、无芯光纤(3)、输出耦合多模光纤(4)和输出单模光纤(5)组成，其中，输入耦合多模光纤(2)与输入单模光纤(1)、输出耦合多模光纤(4)与输出单模光纤(5)分别采用包层对齐方式熔接，无芯光纤(3)分别与输入耦合多模光纤(2)和输出耦合多模光纤(4)的轴心相偏离，形成深度为62.5um的凹槽，即为开放腔。传感器样品所采用的输入耦合多模光纤(2)和输出耦合多模光纤(4)为阶跃型多模光纤，直径为105um/125um，无芯光纤(3)的直径为125um。

具体而言，所述的输入耦合多模光纤(2)接收输入单模光纤(1)传输的光后，由于各个被激发的模式具有不同的传输常数，因此在输入耦合多模光纤(2)中会发生多模干涉。输入耦合多模光纤(2)将干涉后的光分束至开放腔和无芯光纤(3)，之所以将偏移距离设定在62.5um，是因为输入耦合多模光纤(2)中的光场能量分别集中在开放腔和无芯光纤(3)区域，减小输入耦合区的传输损耗，同时也提高了透射谱的消光比。

所述的无芯光纤(3)中传输的光和开放腔中传输的光之间形成光程差而产生马赫增德尔干涉，然后干涉后的光耦合至输出耦合多模光纤(4)。

所述的输出耦合多模光纤(4)用于接收和传输干涉后的模式，其多模干涉原理等同输入耦合多模光纤(2)。输出耦合多模光纤(4)将光耦合至输出单模光纤(5)，光场能量集中地分布在输出单模光纤(5)的纤芯处，进一步减小输出耦合区的传输损耗。

一种基于多模干涉耦合的开放腔马赫-曾德尔光纤干涉仪的仿真图，如图2所示。输入耦合多模光纤(2)的长度满足光到达输入耦合多模光纤(2)与无芯光纤(3)的交界面时，输入耦合多模光纤(2)径向截面光场呈现单一环形，偏芯距离可以设定在单一环形的直径范围内，均能出现干涉谱，表明所提出的开放腔马赫-曾德尔干涉仪改善了偏芯距离的偏差允许范围，降低了制作难度。输出耦合多模光纤(4)的长度满足光到达输出耦合多模光纤(4)与输出单模光纤(5)的交界面时，输出耦合多模光纤(4)径向截面光场能量在轴心处汇聚。按照本实用新型的优选实施方式，所述的输入耦合多模光纤(2)和输出耦合多模光纤(4)的优选长度分别为5.5mm、5mm，传感区无芯光纤(3)长度为1mm，相比无芯光纤耦合开放腔结构，传感区长度较小。

所述的基于多模干涉耦合的开放腔马赫-曾德尔光纤干涉仪的制备方法，步骤如下：

用熔接机的自动熔接模式，熔接两个单模光纤-多模光纤结构。其中，输入耦合多模光纤(2)与输入单模光纤(1)、输出耦合多模光纤(4)与输出单模光纤(5)分别进行包层对准方式熔接。输入耦合多模光纤(2)和输出耦合多模光纤(4)分别用自带千分尺的光纤切割刀进行切割，得到的长度分别为5.5mm和5mm。

继续用熔接机的偏芯模式手动地对输入耦合多模光纤(2)和无芯光纤(3)以设定x方向上的偏芯距离62.5um进行偏芯熔接，在y方向对齐近似为一条直线。放电强度和放电时间分别为43bit和700ms。然后用剪刀截断无芯光纤(3)，留出足够的长度进行长度和平整切割，取出输入单模光纤(1)-输入耦合多模光纤(2)-无芯光纤(3)部分的夹具，放入光纤切割刀进行切割，无芯光纤(3)保留长度为1mm。

最后用熔接机手动地对输入单模光纤(1)-输入耦合多模光纤(2)-无芯光纤(3)部分和输出耦合多模光纤(4)-输出单模光纤(5)部分以相反的偏芯方向进行偏芯熔接，熔接模式、偏芯距离、放电参数与之前操作相同，以上操作完成开放腔马赫-曾德尔光纤干涉仪的制作过程。

一种基于多模干涉耦合的开放腔马赫-曾德尔光纤干涉仪的测量装置示意图，如图3所示。宽带光源(6)输出的光经过输入单模光纤(1)后耦合至输入多模光纤(2)，并在输入多模光纤(2)中发生多模干涉后，输入多模光纤(2)将干涉后的光分束至开放腔和无芯光纤(3)，在开放腔和无芯光纤(3)中传输的两束光由于产生光程差而发生马赫-曾德尔干涉，然后耦合至输出多模光纤(4)，光在输出多模光纤(4)中发生多模干涉后，并耦合至输出单模光纤(5)，光谱仪(7)检测输出单模光纤(5)输出的干涉谱，最终实现对外界溶液的折射率测量。

一种基于多模干涉耦合的开放腔马赫-曾德尔光纤干涉仪与其它开放腔结构传输损耗的对比图，如图4所示。所提出的开放腔马赫-曾德尔干涉仪的传输损耗为-11.9dB，与直接耦合开放腔和无芯光纤耦合开放腔结构相比，传输损耗相对较小。因此根据多模干涉效应所提出的输入耦合多模光纤和输出耦合多模光纤的耦合方式，提高了耦合有效性，显著减小了传感器的传输损耗。

实际制作传感器的折射率测量曲线，如图5所示。配制不同折射率的溶液样本，用阿贝仪对不同的溶液样本进行折射率标定，然后相继吸取不同折射率的样本滴在传感器上，观察图4中所选干涉谷的波长漂移。进行三次折射率测量，在每次折射率测量并记录数据后，用蒸馏水清洗传感器并置于空气中直到恢复空气中的原始光谱。在1.333至1.3468折射率范围内，折射率灵敏度为-1364.343nm/RIU，与无芯光纤耦合开放腔结构的灵敏度相比，有所提高。

以上所述仅是本实用新型的优选实施方式，应当指出的是，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本实用新型的保护范围。