新型全光纖MZI研制和傳感特性研究.pdf

1、光纖傳感器由于具有不易受電磁擾動(dòng)、抗化學(xué)腐蝕、結(jié)構(gòu)輕巧、低損耗、傳輸容量大、測(cè)量對(duì)象廣、與光網(wǎng)絡(luò)易兼容等優(yōu)點(diǎn)而逐漸取代傳統(tǒng)傳感器，被越來(lái)越多地用于各種高新技術(shù)領(lǐng)域。該類傳感器的信號(hào)調(diào)制手段包括強(qiáng)度調(diào)制、相位調(diào)制、偏振調(diào)制、波長(zhǎng)調(diào)制和頻率調(diào)制。近年來(lái)，基于相位調(diào)制的光纖傳感器受因可實(shí)現(xiàn)對(duì)外界參量快速且高靈敏度檢測(cè)、可在大范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)測(cè)量而受到諸多關(guān)注。光纖馬赫-曾德?tīng)柛缮鎯x(MZI)是此類傳感器最重要也是應(yīng)用最廣泛的結(jié)構(gòu)形式之一，它主要

2、是通過(guò)外界參量作用于信號(hào)臂，改變兩路光的相對(duì)相位，再利用相干探測(cè)技術(shù)解調(diào)出外界環(huán)境參量的實(shí)時(shí)變化信息。全光纖MZI由于將信號(hào)臂和參考臂集成在同一根光纖中、制作方式簡(jiǎn)單靈活、低成本、便于安裝，近幾年一直是人們的研究熱點(diǎn)，也逐漸成為集成化、智能化光纖傳感器的典型代表。本文針對(duì)目前全光纖MZI的研究現(xiàn)狀進(jìn)行了總括，從傳感單元結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)角度提出尚存在的一些問(wèn)題并以此為基礎(chǔ)，設(shè)計(jì)制作了兩種不同類型的全光纖MZI，對(duì)其理論模型、實(shí)驗(yàn)制作、光譜特性以及

3、傳感特性進(jìn)行了系統(tǒng)研究，本文主要研究工作及相應(yīng)研究成果有:
　　 1.基于兩個(gè)長(zhǎng)周期光纖光柵(LPFG)構(gòu)成的MZI受相位匹配條件的限制，提出用模式激發(fā)或耦合具有連續(xù)性的過(guò)熔類光纖錐結(jié)構(gòu)代替其中一個(gè)LPFG，構(gòu)成靈巧型纖柵式MZI，并初步建立起相對(duì)應(yīng)的模式干涉理論。研究表明:光纖光柵模式耦合特性、自由光纖區(qū)域和光纖缺陷模式耦合特性不同程度地決定了干涉儀的插入損耗、自由光譜范圍及條紋對(duì)比度。
　　 2.實(shí)驗(yàn)制作基于普通均勻

4、LPFG和傾斜長(zhǎng)周期光纖光柵(TLPFG)的MZI，并對(duì)干涉儀進(jìn)行溫度、折射率和應(yīng)變的傳感實(shí)驗(yàn)。研究表明:此類干涉儀極易實(shí)現(xiàn)且干涉儀不同結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)傳輸譜特性的影響與理論預(yù)測(cè)一致，具有較高的溫度靈敏度(0.07042 nm/℃)和折射率靈敏度（104.09nm/RIU），有望用于大容量、高精度、單/多參量的傳感檢測(cè)。
　　 3.基于光束傳播法(BPM)系統(tǒng)模擬了不同結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)M-Z(Mach-Zehnder)干涉微腔傳輸譜特性的影

5、響。研究表明:微腔深度、長(zhǎng)度、腔壁傾斜度、腔內(nèi)介質(zhì)均會(huì)不同程度地影響干涉譜的插入損耗和條紋對(duì)比度，實(shí)際應(yīng)用中應(yīng)視具體情況選擇合適的微腔參數(shù)。
　　 4.搭建氣體傳感平臺(tái)，初步實(shí)現(xiàn)了光纖M-Z干涉微腔對(duì)不同種類氣體的傳感檢測(cè)，并將光纖微腔刻蝕技術(shù)進(jìn)行了延伸，數(shù)值模擬了微結(jié)構(gòu)光纖側(cè)面非對(duì)稱結(jié)構(gòu)對(duì)傳輸光偏振相關(guān)損耗(PDL)影響。研究表明:M-Z干涉微腔的氣體傳感靈敏度約為3165nm/RIU，與理論預(yù)測(cè)結(jié)果基本一致;微結(jié)構(gòu)光纖側(cè)面非