基于單模光纖和光子晶體光纖熔接點形成MZI的傳感特性分析

于娜　王清　梁舒

【摘 要】本文研制了一種單模光纖（Single Mode Fiber， SMF）和光子晶體光纖（Photonic Crystal Fiber，PCF）熔接點形成 Mach-Zehnder干涉儀（MZI），它是通過將單模光纖和光子晶體光纖進行偏執(zhí)熔接和塌陷熔接形成的MZI。研究了此類傳感器傳輸光譜隨外界折射率的變化關(guān)系。實驗結(jié)果表明，在 1.5367～1.5783 折射率變化范圍內(nèi)，該傳感器的折射率測量靈敏度可達82.09nm/RIU。

【關(guān)鍵詞】熔接點；單模光纖；光子晶體光纖；MZI；折射率傳感

中圖分類號： TN253 文獻標(biāo)識碼： A 文章編號： 2095-2457（2017）29-0072-002

【Abstract】In this paper， a Mach-Zehnder interferometer （MZI） is fabricated by the fusion point of single mode fiber （SMF） and photonic crystal fiber （PCF）. The single mode fiber and photon Crystal fiber for paranoid welding and collapse welding MZI. The relationship between the transmission spectra of these sensors and the refractive index of the outside is studied. Experimental results show that the refractive index of the sensor can reach 82.09nm / RIU within the range of refractive index of 1.5367～1.5783.

【Key words】Fusion point； Single mode fiber； Photonic crystal fiber； MZI； Refractive index sensing

0 引言

光纖Mach-Zehnder干涉儀（MZI）具有穩(wěn)定性高、靈敏度高、制作方法簡單等優(yōu)點，已在壓力測量[1]、氣體傳感[2]、溫度傳感[3]等諸多領(lǐng)域得到應(yīng)用。目前，國內(nèi)外學(xué)者已制作出多種基于光纖的MZI傳感器，如通過在光纖中引入纖芯錯位構(gòu)成MZI，或利用雙芯結(jié)構(gòu)的光纖構(gòu)成MZI[4]。

光子晶體光纖（PCF）是在二維光子晶體中引入缺陷，從而將光束縛在纖芯中傳輸?shù)囊环N新型光纖。相對于普通光纖，PCF具有較高的非線性系數(shù)，可以支持很大頻率范圍的光的單模傳輸，而且可以改變纖芯面積，進而改變光纖的非線性效應(yīng)。

本文利用了PCF靈活的設(shè)計結(jié)構(gòu)，通過引入纖芯偏執(zhí)和空氣孔塌陷的方法制作成MZI傳感器，并進一步研究了其折射率傳感特性，結(jié)果表明，在 1.5367～1.5783 折射率變化范圍內(nèi)，隨折射率增加傳感器輸出光波中心波長在1575nm處向長波長方向漂移。

1 MZI干涉儀的制作及折射率測量原理

1.1 MZI干涉儀的制作

首先在 PCF 的兩端分別熔接上一段 SMF，其中一端利用熔接機調(diào)節(jié)熔接位置，使得SMF和PCF纖芯產(chǎn)生錯位，另外一端在熔接過程中纖芯不錯位，但加大熔接電流使得PCF包層空氣孔發(fā)生塌陷，從而形成 MZI傳感器。其結(jié)構(gòu)及光路如圖 1 所示，輸出光譜如圖2所示。

1.2 MZI干涉儀折射率測量原理

2 MZI折射率傳感實驗

按比例配制了五組不同折射率的乙醇溶液，標(biāo)定其折射率范圍對應(yīng)為1.5367、1.5449、1.5583、1.5677、1.5783。將MZI分別放置在不同折射率的乙醇溶液中，分析各折射率下的輸出光譜，結(jié)果如圖3所示。

通過數(shù)據(jù)分析表明，隨著溶液折射率的增加，在1575nm處中心波長向長波長方向漂移，實驗結(jié)果與理論分析相符合。

如圖4所示為波長漂移量隨折射率的變化關(guān)系，數(shù)據(jù)表明該MZI折射率傳感特性線性度較好，且測量靈敏度可達82.09nm/RIU。

3 結(jié)論

本文提出并制作了一種基于SMF和PCF熔接點引入偏置區(qū)和塌陷區(qū)形成的MZI傳感器，輸出的光譜由纖芯中的傳輸光和空氣孔中的傳輸光耦合產(chǎn)生。實驗驗證了此類傳感器的折射率傳感特性。實驗結(jié)果表明，隨著環(huán)境折射率的增加，MZI輸出光譜中心波長向長波長方向漂移，折射率測量靈敏度可達82.09nm/RIU。

【參考文獻】

[1]趙威威，余先倫.動態(tài)壓力光子晶體光纖傳感器的研究[J].光通信研究，2009（1）：60-62.

[2]邊靜.光子晶體光纖氣體傳感器[J].物理通報，2017，36（10）：112-113.

[3]伍鐵生，王麗，王哲，等.一種Sagnac干涉儀結(jié)構(gòu)的光子晶體光纖溫度傳感器[J].中國激光，2012，39（11）：212-216.

[4]卞繼城，郎婷婷，俞文杰，等.基于馬赫-曾德爾干涉的溫度和應(yīng)變同時測量的光纖傳感器研究[J].光電子·激光， 2015（11）：2169-2174.endprint