基于少模光纤的多通道干涉仪制造技术

本发明专利技术提供的是一种基于少模光纤的多通道干涉仪。它由入射光纤、耦合器A、光开关阵列、光子灯笼A、少模光纤、光子灯笼B、耦合器B、出射光纤组成。入射光纤一端与光源相连，另一端与耦合器A连接，耦合器A输出的光传输经光开关阵列后传输至光子灯笼A，光子灯笼激发少模光纤的不同模式，经少模光纤传输至光子灯笼B，光子灯笼B输出的光在耦合器B处发生干涉，最后经出射光纤传输至光谱仪。本发明专利技术可用于少模光纤中任意两个或多个模式的干涉，具有结构紧凑、制备简单、损耗小、灵活度高等特点。可广泛用于光纤传感领域。纤传感领域。纤传感领域。

【技术实现步骤摘要】
基于少模光纤的多通道干涉仪


[0001]本专利技术涉及的是一种基于少模光纤的多通道干涉仪，属于光纤传感


技术介绍

[0002]光纤在光学领域最早用来传光和传像。自上个世纪70年代低损耗光纤生产出来以后，光纤在通信领域得到快速的发展。光在光纤中传输时，光波的特征参量(波长、振幅、相位、偏振态等)受到外界因素(如压力、温度、应变、扭转等)的作用会发生变化，因此，光纤不仅可用来作为传输介质，也可以用作传感元件来实现对各种物理量的探测，这就是光纤传感器的基本原理。
[0003]根据光纤中的光被调制的机理不同，光纤传感器主要分为强度调制型、相位调制型、偏振态调制型和波长调制型光纤传感器。相位调制型传感器中传输光的相位被调制，通过检测光信号的相位变化来实现对待测参量的测量，多数情况下，相位的检测是通过干涉仪实现的。
[0004]与使用分立元件搭建的传统光学干涉仪相比，光纤干涉仪更容易实现准直，且封闭的光路减少了外界干扰，同时通过控制光纤的长度可以提高干涉仪的灵敏度。基于双臂干涉原理的单模光纤干涉仪应用较为广泛，其具有较高的灵敏度，但存在严重的光相位漂移，易受到环境因素的干扰。相比于单模光纤双臂传感器，基于模间干涉的传感器具有结构简单、抗噪声能力强、灵敏度高等独特优势。因此，基于模间干涉的干涉仪近年来得到了广泛的关注。
[0005]在申请号为2017104887380的专利中提出了一种基于模间干涉的应变传感器，其在少模光纤两端各连接一段单模光纤，并在两个熔接处制备粗锥，两个粗锥大小不同。两个大小不同的粗锥起到耦合作用，粗锥之间的少模光纤起到传感臂的作用。光从入射单模光纤进入，通过第一个粗锥结构时,一部分光进入少模光纤的纤芯以基模传输,一部分进入到少模光纤的包层,激发包层中的高阶模式传输；在经过第二个粗锥结构时，少模光纤纤芯中传输的基模和包层中传输的高阶模重新耦合至出射单模光纤的纤芯。由于基模和高阶模的折射率不同,光经过一定长度的少模光纤时会产生相应的光程差,产生干涉,形成马赫
‑
曾德尔干涉仪。但此种方法制成的干涉仪存在激发模式难以控制，各模式功率大小不等、损耗较大等问题。
[0006]为解决上述问题，申请号为2020106893015的专利提出一种花生结构的模间干涉仪。此专利技术中，两熔接点处的结构为花生结构，主要是采用电弧放电熔接的方式，将单模光纤的输出端熔融成椭球形，并与少模光纤的输入端熔融的椭球形相熔接构成花生结构。在第一花生结构中，第一熔接点熔接面积的不同,使得少模光纤中被激发的包层模式的数目不同,通过控制熔接点的熔接面积，能使得熔接过程中分配到所述第一少模光纤中纤芯和包层的光强相对平均；在第二花生结构中使得少模光纤中纤芯和包层中的光耦合到单模光纤的纤芯中发生干涉。此种方法改善了模式间的功率分配，但仍存在激发模式难以控制、损耗较大的问题。
[0007]随着研究的深入，理论和实验均证明，在光纤中传输的模式数越少，其干涉场的形状就越简单，有利于传感器的简易化和实用化。为此，本专利技术提出了一种基于少模光纤的多通道干涉仪，可以实现少模光纤纤芯内任意两个或多个模式的干涉。

技术实现思路

[0008]本专利技术的目的在于提供一种结构简单紧凑、操作容易、灵活度高、低损耗的基于少模光纤的多通道干涉仪。
[0009]本专利技术的目的是这样实现的：
[0010]如图1所示，此干涉仪是由入射光纤1、耦合器A2、光开关阵列3、光子灯笼A4、少模光纤5、光子灯笼B6、耦合器B7、出射光纤8组成；入射光纤1的一端与光源相连，另一端与耦合器A2连接，耦合器A2输出的光经光开关阵列3后传输至光子灯笼A4，光子灯笼A4激发少模光纤的不同模式，后经少模光纤5传输至光子灯笼B6，光子灯笼B6输出的光在耦合器B7处发生干涉，最后经出射光纤传输至光谱仪。
[0011]该干涉仪工作过程大致如下：
[0012]当光源发出的光经入射光纤传输至耦合器A后，入射光按耦合比分配到耦合器A的多路输出端继续传输。光开关阵列可以控制每路光的通断情况。当光传输至光子灯笼后，光子灯笼多路尾纤端每一个尾纤都对应激发少模光纤的一个模式，激发出的模式沿少模光纤继续传输。当传输至光子灯笼B时，由于光路的可逆性，不同的传输模式对应于光子灯笼B多路尾纤端的一个尾纤，因此，各模式通过光子灯笼B以较低的损耗转换成尾纤的基模继续传输。当传输光经过耦合器B时，光子灯笼B多路尾纤可以近乎无损的耦合至耦合器B的单路输出端，由于少模光纤中各模式的有效折射率不同，因此在耦合器B处产生干涉，构成多通道干涉仪。少模光纤中每一个模式都可以看成干涉仪的一个通道，通过控制光开关阵列中个开关的通断情况，控制少模光纤中传输的模式，可以实现少模光纤中任意两个模式或多个模式的干涉。
[0013]在模式干涉型光纤传感器中，最终的透射谱为多个模式干涉叠加的结果，其干涉强度可以表示为：
[0014][0015]上式中，i和j分别代表光纤中传输的第i阶和第j阶模式，I
i
、I
j
、n
i
和n
j
分别表示第i阶模式的光强、第j阶模式的光强、第i阶模式的有效折射率和第j阶模式的有效折射率；L表示第i阶模式和第j阶模式的传输长度，λ为波长。当仅有两个模式发生干涉时，上式可简化为：
[0016][0017]式(2)中I1和I2分别表示两种模式的强度，是两种模式的相位差。从式(1)可解出
[0018][0019]其中，n1和n2分别表示两个模式的有效折射率，Δn
eff
则表示这两个模式的有效折射率差。当时，式(3)可以得到一个极大值的干涉峰，假定这个干涉峰对应的波长
为λ
m
:
[0020][0021]两个极大值干涉峰之间的波长宽度定义为自由光谱范围FSR，则有：
[0022][0023]在传感过程中，外界参量的变化会引起光纤的变化，进而影响光的传输情况，因此，在使用干涉仪进行探测时，就会发现干涉波长和自由光谱范围发生了变化。
[0024]为了便于将干涉仪集成到现有光纤系统中，本专利技术所述的入射光纤和出射光纤均为单模光纤。
[0025]本专利技术所述的耦合器A和耦合器B均为熔融拉锥制成。所采用的光子灯笼为模式选择型光子灯笼，此种光子灯笼的多路尾纤端多数为异质单模光纤，即各尾纤的纤芯、包层不同，因此本专利技术所使用的耦合器A和B的多路端尾纤与光子灯笼A和B的多路端尾纤应相互匹配，即纤芯直径、包层直径相一致，且均为单模光纤。
[0026]在本专利技术中，光开关阵列中光开关数量与光子灯笼A的多路端尾纤数量相同，即与少模光纤可传输的模式数相同。阵列中每一个光开关都可单独控制光子灯笼A一个多路端尾纤的通断，也就是说，少模光纤中每个模式的激发都可以单独被控制。
[0027]为了减小整个干涉仪的损耗，本专利技术所述的光子灯笼A和B的多路端尾纤均为单模光纤，仅支持一种模式传输；单路端尾纤为少模光纤，可支持多种模式；光子灯笼A本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于少模光纤的多通道干涉仪，其特征是：它由入射光纤、耦合器A、光开关阵列、光子灯笼A、少模光纤、光子灯笼B、耦合器B、出射光纤组成；入射光纤的一端与光源相连，另一端与耦合器A连接，耦合器A输出的光传输经光开关阵列后传输至光子灯笼A，光子灯笼激发少模光纤的不同模式，经少模光纤传输至光子灯笼B，光子灯笼B输出的光在耦合器B处发生干涉，后经出射光纤传输至光谱仪。2.根据权利要求1所述的基于少模光纤的多通道干涉仪，其特征是：所述的入射光纤和出射光纤均为单模光纤。3.根据权利要求1所述的基于少模光纤的多通道干涉仪，其特征是：所述的耦合器A和耦合器B均为熔融拉锥制成，耦合器A和B的多路端尾纤与光子灯笼A和B的多路端尾纤相匹配，即纤芯直径、包层直径相一致。4.根据权利要求1所述的...

【专利技术属性】
技术研发人员：苑立波，王洪业，
申请(专利权)人：桂林电子科技大学，
类型：发明
国别省市：