基于电热效应的可调制型纤维集成Mach-Zehnder干涉仪制造技术

本发明专利技术提供的是一种基于电热效应的可调制型纤维集成Mach‑Zehnder干涉仪。包括光源、单模光纤、光纤锥、非对称双芯光纤、电热阵列、电源控制系统和光电检测装置，光源通过第一单模光纤和第一光纤锥与非对称双芯光纤的一端相连，非对称双芯光纤的另一端通过第二光纤锥和第二单模光纤与光电检测装置连接，所述的非对称双芯光纤包括中间芯和边芯，电热阵列位于非对称双芯光纤边芯一侧的包层上，电热阵列与电源控制系统相连接。本发明专利技术结构简单紧凑、系统的稳定性好、制作方便、成本低的、便于操作。本发明专利技术在光纤传感，光信息检测、外界环境监测等方面有较为广阔的应用前景。

Based on the electrothermal effect can be modulated Mach fiber integrated interferometer Zehnder

【技术实现步骤摘要】
基于电热效应的可调制型纤维集成Mach-Zehnder干涉仪
本专利技术涉及的是一种光纤传感器，具体地说是一种可调制型纤维集成Mach-Zehnder干涉仪。
技术介绍
自20世纪70年代起，光纤作为传光介质或传感介质来感知外界信息的光纤传感技术蓬勃发展，光纤传感器作为一种光学传感工具，己经在人们日常生产生活中的许多领域都获得了广泛应用。传感器是指能够感知外部环境信息，并且将其转变为电信号或其他形式的信号进行传输、处理、存储和显示的检测装置，是辅助人类获取所需要的外界信息的一种必不可少的感知工具。传统的电学传感器存在着一些固有的缺陷，如传输损耗大、复用能力差和易受电磁干扰等问题，特别是在一些极端工作环境(如强电磁场、强福射场、高温高压环境等)下的应用受到极大限制。而光纤传感器则不存在这些缺点，因此在近几十年里取得了广泛的关注和极大的发展。基于相位调制的干涉型光纤传感器是一类非常典型并且被广泛采用的光纤传感技术方案。目前已经应用的高性能光纤传感器，如光纤陀螺、光纤水听器和光纤电流互感器等都是典型的干涉型光纤传感器，这些高性能的干涉型光纤传感器的出现促进了光纤传感技术和光纤传感产业的整体进步。相位调制型光纤传感器是将外界环境参量的变化转换成光纤中传输光的相位变化来获得待测物理量的，一般是通过干涉测量的方式来获得待测物理量的，因此也称为干涉型光纤传感器。与其他类型的光纤传感器相比，干涉型光纤传感器最突出的优点是灵敏度高，其敏感部分都是由光纤本身构成，可按照需要设计成各种不同形式，易复用，具有很好的灵活性，具有很高的实用价值。目前主要的相位调制器有压电陶瓷相位调制器和铌酸锂相位调制器。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种结构简单，集成度高，易于实现相位的调制性，制作方便的基于电热效应的可调制型纤维集成Mach-Zehnder干涉仪。本专利技术的目的是这样实现的：包括光源、单模光纤、光纤锥、非对称双芯光纤、电热阵列、电源控制系统和光电检测装置，光源通过第一单模光纤和第一光纤锥与非对称双芯光纤的一端相连，非对称双芯光纤的另一端通过第二光纤锥和第二单模光纤与光电检测装置连接，所述的非对称双芯光纤包括中间芯和边芯，电热阵列位于非对称双芯光纤边芯一侧的包层上，电热阵列与电源控制系统相连接。本专利技术还可以包括：1、电热阵列包括电阻膜和电极，电阻膜镀在边芯一侧的光纤包层上且直接与光纤包层接触，电极沉积在电阻膜上表面两侧且与电阻膜接触，对电阻膜施加电压产生电热效应，电阻膜通电后产生焦耳热引起电阻膜温度升高导致电阻膜与光纤间存在温差，使非对称双芯光纤内两纤芯温度改变，从而导致非对称双芯光纤的折射率发生变化，非对称双芯光纤内两纤芯的折射率变化不同产生光程差，产生相位变化，配合可编程的电压控制加热子阵列，沿光纤轴向使折射率发生变化，改变传输光程差，实现干涉仪相位的调制。2、电阻膜通过掩模法及金属溅射镀膜方法沉积到非对称双芯光纤边芯一侧的包层上并与包层表面完全接触。3、对于直径为125微米的光纤，电阻膜宽度为200微米，电极的尺寸为15微米。4、所述的光纤锥是通过在单模光纤与非对称双芯光纤对芯焊接后在焊点处进行熔融拉锥制作的光纤锥；第一光纤锥把第一单模光纤中的光按照一定的分光比耦合入非对称双芯光纤的中间芯和边芯中，第二光纤锥将中间芯和边芯中传输的光同时耦合入第二单模光纤中。5、通过电源控制系统的可编程控制单元控制电热阵列的通电加热子的数量及施加的电压来实现相位的可调制。本专利技术的一种基于电热效应的可调制型纤维集成Mach-Zehnder干涉仪中，电热阵列包括电阻膜和电极，电阻膜直接与光纤包层接触，电阻膜镀在边芯一侧的光纤包层上，电极沉积在电阻膜上表面两侧，与电阻膜接触。本专利技术通过对电阻膜施加电压来产生电热效应。电阻膜通电后会产生焦耳热，引起电阻膜温度的升高，导致电阻膜与光纤间存在温差，因此会发生导热现象，使光纤内两纤芯温度改变，从而导致光纤的折射率发生变化。由于电阻膜镀在边芯一侧的光纤包层上，所以发生热传导时，边芯跟中间芯的温度变化不同，因此光纤内两纤芯的折射率变化不同，产生光程差，由此产生相位变化。配合可编程的电压控制加热子阵列，沿光纤轴向使折射率发生变化，改变传输光程差，实现干涉仪相位的调制。光纤热光调制器中的电阻膜镀在边芯一侧的包层上，膜厚均匀，电阻膜宽度应小于给定的尺寸，且电阻膜宽度越小，可调制的精度越高(例如，对于直径为125微米的光纤，在具有良好的散热环境下，电阻膜的宽度可选为200微米)。电阻膜材料为金属、金属氧化物、合金及其他具有电阻性质的材料。电阻膜是通过掩模法制备技术及金属溅射镀膜技术沉积到光纤边芯一侧的包层上并与包层表面完全接触。电极均匀沉积在电阻膜上表面两侧，并且每个电极的宽度应小于给定的尺寸(例如，对于直径为125微米的光纤，电阻膜宽度选择为200微米，电极的尺寸可选为15微米)。电热阵列是通过金丝导线与封装外电极连接，封装外电极与电压控制单元相连，并且每个电热单元都可单独通过控制单元控制其施加的电压。所用的光纤为非对称双芯光纤，两芯间距应大于给定的尺寸(例如，对于直径为125微米的非对称双芯光纤，为避免两纤芯的光发生耦合，纤芯间距可选为25微米)。光纤锥是通过在单模光纤与非对称双芯光纤对芯焊接后在焊点处进行熔融拉锥制作的光纤锥；所述光纤锥把单模光纤中的光按照一定的分光比耦合入非对称双芯光纤的中间芯和边芯中，或者是将中间芯和边芯中传输的光同时耦合入单模光纤中。干涉仪的可调制性是通过可编程控制单元控制通电加热子的数量及施加的电压来实现相位的可调制性。干涉仪通过导热硅胶及封装外壳来提供稳定的封装及散热环境。本专利技术利用非对称双芯光纤中纤芯的折射率随温度变化这一特性，通过可控制编程完成光程差的改变，最终实现可调制型纤维集成Mach-Zehnder干涉仪的制作。本专利技术是基于电热效应以及光纤干涉原理，利用非对称双芯光纤中纤芯折射率随温度变化这一特性，通过改变对电热膜施加的电压及通电电热膜的个数来获得相位调制，实现Mach-Zehnder干涉仪的可调制性。下面以使用宽谱光源进行测量为例，具体给出本专利技术的工作原理。当在电阻膜两端施加电压时，电阻膜在电流的作用下会产生焦耳热，由焦耳热的公式Q＝I2Rt知，随着时间的推移，电热膜产生的焦耳热会越积越多，由此会引起电阻膜温度的变化Q＝cmΔT其中c是电阻膜的比热，m是电阻质量，ΔT是温度的变化。升温后的电阻膜与光纤存在温差，因此将会引起导热现象。温度将沿着光纤径向传播，导致边芯和中间芯的温度的改变，最终达到热平衡，通过有限差分法将模型离散化，得到一个个节点，根据能量守恒定律及傅里叶定律可知，对每一个节点有Ei+Eg＝Eo+Es其中，Ei为能量流入项，Eg为能量发生项，是节点内热源在单位时间内所释放出的热；Eo为能量输出项；Es为能量贮存变化项，是单位时间节点内物质内能的增量。运用迭代法可以计算出各个节点温度的数值解，最终可以得到稳态时的温度分布，也可通过仿真软件得到温度分布图像。按照图4建立模型并进行仿真，其中，电阻膜和电极的材料均为金，在一侧的电极5-2-1上施加电压V，另一侧的电极5-2-2接地，达到稳态时的温度分布如图5所示，将得到的数据进行分析处理，可以得到两个纤芯的折本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于电热效应的可调制型纤维集成Mach‑Zehnder干涉仪，包括光源、单模光纤、光纤锥、非对称双芯光纤、电热阵列、电源控制系统和光电检测装置，其特征是：光源通过第一单模光纤和第一光纤锥与非对称双芯光纤的一端相连，非对称双芯光纤的另一端通过第二光纤锥和第二单模光纤与光电检测装置连接，所述的非对称双芯光纤包括中间芯和边芯，电热阵列位于非对称双芯光纤边芯一侧的包层上，电热阵列与电源控制系统相连接。

【技术特征摘要】
1.一种基于电热效应的可调制型纤维集成Mach-Zehnder干涉仪，包括光源、单模光纤、光纤锥、非对称双芯光纤、电热阵列、电源控制系统和光电检测装置，其特征是：光源通过第一单模光纤和第一光纤锥与非对称双芯光纤的一端相连，非对称双芯光纤的另一端通过第二光纤锥和第二单模光纤与光电检测装置连接，所述的非对称双芯光纤包括中间芯和边芯，电热阵列位于非对称双芯光纤边芯一侧的包层上，电热阵列与电源控制系统相连接。2.根据权利要求1所述的基于电热效应的可调制型纤维集成Mach-Zehnder干涉仪，其特征是：电热阵列包括电阻膜和电极，电阻膜镀在边芯一侧的光纤包层上且直接与光纤包层接触，电极沉积在电阻膜上表面两侧且与电阻膜接触，对电阻膜施加电压产生电热效应，电阻膜通电后产生焦耳热引起电阻膜温度升高导致电阻膜与光纤间存在温差，使非对称双芯光纤内两纤芯温度改变，从而导致非对称双芯光纤的折射率发生变化，非对称双芯光纤内两纤芯的折射率变化不同产生光程差，产生相位变化，配合可编程的电压控制加热子阵列，沿光纤轴向使折射率发生变化，改变传输光程差，实现干涉仪相位的调制。3.根据权利要求2所述的基于电热效应的可调制型纤维集成Mach-Ze...

【专利技术属性】
技术研发人员：苑立波，王洪业，
申请(专利权)人：哈尔滨工程大学，
类型：发明
国别省市：黑龙江,23