[实用新型]一种基于多模干涉耦合的开放腔马赫-曾德尔光纤干涉仪

说明书

本实用新型公开了一种基于多模干涉耦合的开放腔马赫‑曾德尔光纤干涉仪，属于光纤传感技术领域。该传感器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，利用多模干涉效应，开放腔马赫‑曾德尔光纤干涉仪传感器引入长度优化的输入耦合多模光纤(2)和输出耦合多模光纤(4)，大幅度减小传感器的传输损耗并改善偏芯距离的偏差允许范围。本实用新型所涉及的光纤传感器具有超高的折射率灵敏度、低传输损耗和简单的制作工艺，具有实际应用前景。

技术领域

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-fiberMach-Zehnder interferometer formed by large lateral offset fusion splicingfor gases refractive index measurement with high sensitivity”，Sensors andActuators 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 basedon lateral-offset of coreless silica interferometer”，Optics & LaserTechnology，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。

实用新型内容

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。