[发明专利]一种基于Mach-Zehnder干涉的光纤传感器及方法

说明书

本发明公开了光纤传感领域的一种基于Mach‑Zehnder干涉的光纤传感器及方法，包括依次连接的输入单模光纤、第一微弯曲锥型光纤、第二微弯曲锥型光纤和输出单模光纤；所述第一微弯曲锥型光纤与第二微弯曲锥型光纤的尖锥部拼接形成S型；光通过所述的输入单模光纤的纤芯传输到所述的第一微弯曲锥型光纤中，光经过第一微弯曲锥型光纤传播至第二微弯曲锥型光纤；以高阶模传播的光第二微弯曲锥型光纤中由包层耦合进入纤芯，与以基模传播的光发生干涉后经过输出单模光纤输出；本发明在光传输过程中会激发出更多的高阶模，提高了高阶模的折射率，有效提高了光纤传感器应变灵敏度和折射率灵敏度，同时光纤传感器制作简单成本较低。

技术领域

本发明属于光纤传感领域，具体涉及一种基于Mach-Zehnder干涉的光纤传感器及方法。

背景技术

光纤传感器具有结构紧凑、抗外界干扰能力强、传感信号灵敏、动态范围大等诸多优点，因此被大量的应用于传感领域，例如温度传感、湿度传感、应变传感、横向压力传感、折射率传感等等。在一系列光纤传感器中，光纤Mach–Zehnder干涉传感器有其独特的优点，例如它可以实现温度非灵敏、应变高灵敏，折射率高灵敏等要求，并且稳定性相对较好。因此光纤Mach–Zehnder干涉仪传感器发展迅速且运用广泛。其中，对应变和溶液折射率的测量是光纤Mach–Zehnder干涉仪传感器重要的应用领域之一。

光纤Mach–Zehnder干涉仪传感机制是基于模间干涉，模间干涉是利用光波导中各个模式在传输过程中发生相互耦合干涉的现象。在光纤Mach–Zehnder干涉仪传感器中，光纤中不同模式的有效折射率不同而产生相位差，从而实现不同模式之间的干涉。当外界环境变化时(如外界折射率、应变)，光纤的有效折射率发生变化使得模式重组，输出的干涉波形随之变化，通过对这些变化进行探测可以测量环境参量的变化，进而实现传感。

目前，对光纤传感结构的制备方法有错位熔接，熔融拉锥和光纤刻蚀等等，现有技术中在光传输过程中激发出的高阶模较少，高阶模的折射率较低，而且制作成本高以及制作程序复杂。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于Mach-Zehnder干涉的光纤传感器及方法，通过错位斜拉锥法制备S型光纤传感器，在光传输过程中会激发出更多的高阶模，同时，提高了高阶模的折射率，因此光纤传感器可以有效提高应变灵敏度和折射率灵敏度。

为达到上述目的，本发明所采用的技术方案是：

本发明第一方面提供了一种基于Mach-Zehnder干涉的光纤传感器，包括依次连接的输入单模光纤、第一微弯曲锥型光纤、第二微弯曲锥型光纤和输出单模光纤；所述第一微弯曲锥型光纤与第二微弯曲锥型光纤的尖锥部拼接形成S型；

光通过所述的输入单模光纤的纤芯传输到所述的第一微弯曲锥型光纤中，光在所述的第一微弯曲锥型光纤中传播分为两部分，一部分光沿第一微弯曲锥型光纤的纤芯以基模传播，另一部分光由第一微弯曲锥型光纤的纤芯耦合进入第一微弯曲锥型光纤的包层激发为高阶模传播；光经过第一微弯曲锥型光纤传播至第二微弯曲锥型光纤；第二微弯曲锥型光纤中以高阶模传播的光由第二微弯曲锥型光纤的包层耦合进入第二微弯曲锥型光纤的纤芯，并与第二微弯曲锥型光纤的纤芯中以基模传播的光干涉形成干涉光，干涉光经过输出单模光纤输出。

优选的，输入单模光纤与第一微弯曲锥型光纤、第二微弯曲锥型光纤和输出单模光纤的弯曲角度为30度至60度。

优选的，输入单模光纤、第一微弯曲锥型光纤、第二微弯曲锥型光纤和输出单模光纤为通信单模光纤或者细径单模光纤或者单模光子晶体光纤。

优选的，所述第一微弯曲锥型光纤的纤芯与第二微弯曲锥型光纤的纤芯错位熔接。

优选的，所述高阶模包括锥区激发的高阶模和错位激发的高阶模。

本发明第二方面提供了一种基于Mach-Zehnder干涉的光纤传感器的制作方法，包括：