双芯光纤马赫-曾德尔干涉仪的温度特性
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双芯光纤 M ZI 型梳状滤波器的 结构与工作原理
图 1( a) 为基于 T CF 的全光纤 MZI 型梳状滤
。
波器的实验结构图。将一段长度为 L 的自制单 模 T CF 熔接 在两根 SMF 之间 , 构成 M ZI; T CF 中的两个芯子组成该 M ZI 的两个干涉臂。该梳 状滤波器集 成在一段光纤上, 结构 紧凑, 体积较 小。采用掺铒光纤放 大器 ( Er doped F iber Am plif iber, EDF A) 的自发 辐射 ( Amplified Spont a neous Em issio n, ASE ) 作为宽带光 源, 并 从一根 SM F 输入, 用光谱分析仪( Opt ical Spectr al Anal ysis, OSA) 监测另一根 SM F 的输出光信号。 实验中所使用的 T CF 的横截面的放大图如 图 1( b) 所示, 两个折射率不同的纤芯对称分布在 光纤中。该 T CF 的外径约为 125 m, T CF 的一 个纤芯掺了铒离子, 另一个纤芯为普通芯子 , 于是 两个纤芯之间存在一定的折射率差。两个纤芯的 直径均约为 4 m , 纤芯距约为 20 m 。当一个宽
收稿日期 : 2010 02 03; 修订日期 : 2010 05 24. 基金项目 : 国家 973 重点基础研究发展规划资助项目 ( N o. 2010CB328206) ; 国家 863 高技术 研究发展 计划资助项 目 ( No . 2008A A 01Z215) ; 国家自然科学基金重点资助项目 ( N o. 60837002)
Abstract: A M ach Zehnder int erf ero meter using a T w in co re Fiber( T CF) w as researched for t em pera t ure sensing and a comb f ilt er based o n t he in f iber Mach Zehnder Int erferom et er ( M ZI) w as fabrica t ed by splicing a sect ion of sing le mode T CF betw een t w o sing le mode f ibers ( SMF s) . T he F ree Spec t ral Rang e( FSR) of the t ransmission spectr um fo r t he device v er sa t he w avelengt h, t he lengt h of T CF and t he ef fective index dif ference bet w een t he t w o cores w er e analyzed and t he t emperat ure charact er ist ic of t he device w as experiment ally t est ed. T he t est ed result s indicat e t hat t he t ransmission spect rum of t he device has a red shift and a quadratic curve w it h t he temperat ure increasing . Under t he same temperature diff erence, t he w aveleng th shif ts ar e dif f erent at dif ferent w avelengt hs and t he w ave l engt h shif t at sho rt w avelengt h is smaller t han that at longer w av elengt h. T he sensit ivit y of the de
第 19 卷
第 1期
光学 精密工程
Optics and P recision Engineering
2011 年 1 月 文章编号 1004 924X( 2011) 01 0001 09
V ol. 19 N o. 1 Jan. 2011
双芯光纤马赫 曾德尔干涉仪的温度特性
范林勇, 江微微, 赵瑞峰, 裴丽, 简水生
Temperature characteristic of in fiber Mach Zehnder interferometer using twin core fiber
F AN Lin y ong , JIANG Wei w ei, ZH AO Rui f eng, PEI Li, JIAN Shui sheng ( K ey L aborator y of A l l Op ti cal N etw or k & A dvanced T el ecommunicati on N etw or k of the Mi ni str y of Educati on , I nsti tute of L ig ht w ave T echnol ogy , Bei j i ng J iaot ong Univ er sity , Beij ing 100044, Chi na)
易受电磁干扰等优点。目前, 光纤温度传感器主 要基于光 纤 布拉 格 光栅 ( F iber Brag g Grat ing, FBG) 、 长 周期 光纤光 栅 ( L ong Period Grat ing, LP G) 和基于 干涉原 理的光纤 系统等 [ 1 6 ] 。由于 FBG 可以应用于分布式传感, 因此得到了特别的 关 注 [ 1 3] 。 然 而 , F BG 的 温 度 灵 敏 度 有 限 ( 约为 0. 01 nm / ) , 并且在其温度传感系统中需 要加入光隔离器来防止后向反射。 L PG 具有较 高的温度灵敏度 ( 约为 0. 1 nm / ) , 而且没有后 向反射。然而, L PG 较大的弯曲敏感限制了系统 的灵活性[ 4] 。另一方面, 光纤光栅在高温下一般 会被擦除 , 因此 , 较难应用于高温传感。虽然目前 已经有了温度高达 1 000 的基于光纤光栅的温 度传感器的报道 , 但是该光纤光栅比较脆弱, 而且 制作过程复杂[ 5] 。另有研究报道已经得到了测量 温度高达 1 600 的基于干涉仪的光纤温度传感 器, 但是这种传感器需要价格昂贵的蓝宝石光纤 和相对复杂的系统
[ 9 10]
、 光纤锥
[ 11]
、
百度文库
或用 激 光 器 在 单 模 光 纤 ( Sing le M ode Fiber, SM F ) 的芯子上制作出的一个微型腔 [ 12] 。参考文 献[ 12] 介绍的传感器的传感温度可达 1 100 。 插入损耗是光纤温度传感器能否实用化的一个重 要参数, 但是 SMF 与 MM F 或 P CF 熔接时存在 较大的熔接损耗 , 导致所制器件的插入损耗较大。
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光学
精密工程
第 19 卷
v ice is dif ferent at dif f er ent w av elengt hs, and it is proport ional to t he t emper at ure at a fix ed w ave l engt h. F urt hermo re, t he inser tion loss o f t he device is decreased eff ect ively by t apering t he splicing regions bet w een SM Fs and T CF. Final ly a device w it h insertio n loss about 7 dB w as im plemented. T his device is relat ively small, sim ple, com pat ible and suitable f or fiber optic t emperat ure sensors. Key words: t emperat ur e sensing ; f iber o pt ic sensing; M ach Zehnder Interf er omet er ( MZ I) ; T w in core F iber( T CF ) ; co mb f ilter 采用在 SMF 上制作出一 个微型腔的方法 , 虽然
( 北京交通大学 光波技术研究所 全光网络与现代通信网教育部重点实验室 , 北京 100044)
摘要 : 对适用于温度传感的双芯光纤马赫 曾 德尔干涉仪进行了研 究 , 并 通过将 一根单 模双芯 光纤熔接 在两根 单模光 纤 之间 , 制得了双芯光纤马赫 曾德尔干涉仪 型梳状 滤波 器。用干 涉原理 分别 分析了 该器 件传 输谱的 自由 空间谱 宽与 波 长、 双芯光纤的长度和两纤芯间的有效折射率 差的关系 , 实验检测了它的温度特性。结果显示 , 随着温度的升 高 , 该器 件 的传输谱发生红移。在相同温差下 , 不同 波长处 的波长漂 移值不 同 , 短 波长处 波长漂 移较 小 , 长波长 处波 长漂移 较大。 在固定波长处 , 该器件的传输谱的波长漂移实 验数据与温度变化具 有较好的二 次曲线关 系。该器件的 温度灵 敏度和 波 长有关 , 不同波长处灵敏度不同 ; 固定波长处 , 灵敏度与 温度成正比。另外 , 通过对单模光纤与双芯光纤熔 接处的拉锥 处 理 , 可以有效降低所制器件的插入损耗。实验制得了插 入损耗约为 7 dB 的梳 状滤波 器 , 其 体积小、 制作 容易、 与光纤 系 统具有良好的匹配性 , 可应用于光纤温度传感 。 关 键 词 : 温度传感 ; 光纤传感 ; 马赫 曾德尔干涉仪 ; 双芯光纤 ; 梳状滤波器 文献标识码 : A doi: 10. 3788/ O PE. 20111901. 0001 中图分类号 : T N253
1
引 言
光纤温度传感器一般具有体积小, 重量轻 , 不
解决了熔接的问题 , 但是光在微型腔中存在较大 的散射损耗, 仍导致所制器件的插入损耗较大( 约 为 15 dB) [ 12] 。 本文通过在两 根单模光纤 ( SM F ) 间熔接一 段单模双芯光纤 ( T w o core Fiber, T CF ) , 实验使 用不同长度的 T CF 制作了多个 M ZI 型梳状滤波 器。分别从理论和实验上分析了该器件的梳状传 输谱中相邻峰值之间波长间隔与波长、 T CF 长度 和两纤芯间有效折射率差的关系, 实验测试分析 了所制器件的温度特性。通过对该器件的 SMF 与 T CF 熔接处的拉锥处理 , 分析比较了所制器件 在拉锥前后的插入损耗。实验证明该器件具有结 构简单, 制作容易 , 性能稳定, 与光纤系统具有良 好的匹配性等特点。
第1期
范林勇, 等 : 双芯光纤马赫 曾德尔干涉仪的温度特性
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等, 即为所用 T CF 的长度 L , 于是式( 2) 可写成: = 2 L n/ 差。 由式 ( 1) 和式( 3) 可知 , 传输谱中的峰值发生 在满足下式的波长处 : m = L n/ 其中 , m 为整数。 当 T CF 的长度和纤芯间的有效折射率差一 定时, 使 m 分别取 m 和 m + 1, 可求得波长 波长
近来, 有 许多内嵌式光纤马 赫 曾德尔干涉 仪 ( M ach Znhnder Int erf eromet er , M ZI) 用 于光 纤温度传感的报导[ 7 12] 。这种类型的光纤温度传 感器主要基于两个或多个传导模式的干涉原理, 在其结构中一般都有起到分束和合束作用的组成 部分。这些分束与合束的组成部分可以是多模光 纤( M ult i Mo de F iber, M MF ) [ 7 8] 、 光子晶体光纤 ( Phot onic Cryst al F iber, PCF )
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双芯光纤 M ZI 型梳状滤波器的 结构与工作原理
图 1( a) 为基于 T CF 的全光纤 MZI 型梳状滤
。
波器的实验结构图。将一段长度为 L 的自制单 模 T CF 熔接 在两根 SMF 之间 , 构成 M ZI; T CF 中的两个芯子组成该 M ZI 的两个干涉臂。该梳 状滤波器集 成在一段光纤上, 结构 紧凑, 体积较 小。采用掺铒光纤放 大器 ( Er doped F iber Am plif iber, EDF A) 的自发 辐射 ( Amplified Spont a neous Em issio n, ASE ) 作为宽带光 源, 并 从一根 SM F 输入, 用光谱分析仪( Opt ical Spectr al Anal ysis, OSA) 监测另一根 SM F 的输出光信号。 实验中所使用的 T CF 的横截面的放大图如 图 1( b) 所示, 两个折射率不同的纤芯对称分布在 光纤中。该 T CF 的外径约为 125 m, T CF 的一 个纤芯掺了铒离子, 另一个纤芯为普通芯子 , 于是 两个纤芯之间存在一定的折射率差。两个纤芯的 直径均约为 4 m , 纤芯距约为 20 m 。当一个宽
收稿日期 : 2010 02 03; 修订日期 : 2010 05 24. 基金项目 : 国家 973 重点基础研究发展规划资助项目 ( N o. 2010CB328206) ; 国家 863 高技术 研究发展 计划资助项 目 ( No . 2008A A 01Z215) ; 国家自然科学基金重点资助项目 ( N o. 60837002)
Abstract: A M ach Zehnder int erf ero meter using a T w in co re Fiber( T CF) w as researched for t em pera t ure sensing and a comb f ilt er based o n t he in f iber Mach Zehnder Int erferom et er ( M ZI) w as fabrica t ed by splicing a sect ion of sing le mode T CF betw een t w o sing le mode f ibers ( SMF s) . T he F ree Spec t ral Rang e( FSR) of the t ransmission spectr um fo r t he device v er sa t he w avelengt h, t he lengt h of T CF and t he ef fective index dif ference bet w een t he t w o cores w er e analyzed and t he t emperat ure charact er ist ic of t he device w as experiment ally t est ed. T he t est ed result s indicat e t hat t he t ransmission spect rum of t he device has a red shift and a quadratic curve w it h t he temperat ure increasing . Under t he same temperature diff erence, t he w aveleng th shif ts ar e dif f erent at dif ferent w avelengt hs and t he w ave l engt h shif t at sho rt w avelengt h is smaller t han that at longer w av elengt h. T he sensit ivit y of the de
第 19 卷
第 1期
光学 精密工程
Optics and P recision Engineering
2011 年 1 月 文章编号 1004 924X( 2011) 01 0001 09
V ol. 19 N o. 1 Jan. 2011
双芯光纤马赫 曾德尔干涉仪的温度特性
范林勇, 江微微, 赵瑞峰, 裴丽, 简水生
Temperature characteristic of in fiber Mach Zehnder interferometer using twin core fiber
F AN Lin y ong , JIANG Wei w ei, ZH AO Rui f eng, PEI Li, JIAN Shui sheng ( K ey L aborator y of A l l Op ti cal N etw or k & A dvanced T el ecommunicati on N etw or k of the Mi ni str y of Educati on , I nsti tute of L ig ht w ave T echnol ogy , Bei j i ng J iaot ong Univ er sity , Beij ing 100044, Chi na)
易受电磁干扰等优点。目前, 光纤温度传感器主 要基于光 纤 布拉 格 光栅 ( F iber Brag g Grat ing, FBG) 、 长 周期 光纤光 栅 ( L ong Period Grat ing, LP G) 和基于 干涉原 理的光纤 系统等 [ 1 6 ] 。由于 FBG 可以应用于分布式传感, 因此得到了特别的 关 注 [ 1 3] 。 然 而 , F BG 的 温 度 灵 敏 度 有 限 ( 约为 0. 01 nm / ) , 并且在其温度传感系统中需 要加入光隔离器来防止后向反射。 L PG 具有较 高的温度灵敏度 ( 约为 0. 1 nm / ) , 而且没有后 向反射。然而, L PG 较大的弯曲敏感限制了系统 的灵活性[ 4] 。另一方面, 光纤光栅在高温下一般 会被擦除 , 因此 , 较难应用于高温传感。虽然目前 已经有了温度高达 1 000 的基于光纤光栅的温 度传感器的报道 , 但是该光纤光栅比较脆弱, 而且 制作过程复杂[ 5] 。另有研究报道已经得到了测量 温度高达 1 600 的基于干涉仪的光纤温度传感 器, 但是这种传感器需要价格昂贵的蓝宝石光纤 和相对复杂的系统
[ 9 10]
、 光纤锥
[ 11]
、
百度文库
或用 激 光 器 在 单 模 光 纤 ( Sing le M ode Fiber, SM F ) 的芯子上制作出的一个微型腔 [ 12] 。参考文 献[ 12] 介绍的传感器的传感温度可达 1 100 。 插入损耗是光纤温度传感器能否实用化的一个重 要参数, 但是 SMF 与 MM F 或 P CF 熔接时存在 较大的熔接损耗 , 导致所制器件的插入损耗较大。
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光学
精密工程
第 19 卷
v ice is dif ferent at dif f er ent w av elengt hs, and it is proport ional to t he t emper at ure at a fix ed w ave l engt h. F urt hermo re, t he inser tion loss o f t he device is decreased eff ect ively by t apering t he splicing regions bet w een SM Fs and T CF. Final ly a device w it h insertio n loss about 7 dB w as im plemented. T his device is relat ively small, sim ple, com pat ible and suitable f or fiber optic t emperat ure sensors. Key words: t emperat ur e sensing ; f iber o pt ic sensing; M ach Zehnder Interf er omet er ( MZ I) ; T w in core F iber( T CF ) ; co mb f ilter 采用在 SMF 上制作出一 个微型腔的方法 , 虽然
( 北京交通大学 光波技术研究所 全光网络与现代通信网教育部重点实验室 , 北京 100044)
摘要 : 对适用于温度传感的双芯光纤马赫 曾 德尔干涉仪进行了研 究 , 并 通过将 一根单 模双芯 光纤熔接 在两根 单模光 纤 之间 , 制得了双芯光纤马赫 曾德尔干涉仪 型梳状 滤波 器。用干 涉原理 分别 分析了 该器 件传 输谱的 自由 空间谱 宽与 波 长、 双芯光纤的长度和两纤芯间的有效折射率 差的关系 , 实验检测了它的温度特性。结果显示 , 随着温度的升 高 , 该器 件 的传输谱发生红移。在相同温差下 , 不同 波长处 的波长漂 移值不 同 , 短 波长处 波长漂 移较 小 , 长波长 处波 长漂移 较大。 在固定波长处 , 该器件的传输谱的波长漂移实 验数据与温度变化具 有较好的二 次曲线关 系。该器件的 温度灵 敏度和 波 长有关 , 不同波长处灵敏度不同 ; 固定波长处 , 灵敏度与 温度成正比。另外 , 通过对单模光纤与双芯光纤熔 接处的拉锥 处 理 , 可以有效降低所制器件的插入损耗。实验制得了插 入损耗约为 7 dB 的梳 状滤波 器 , 其 体积小、 制作 容易、 与光纤 系 统具有良好的匹配性 , 可应用于光纤温度传感 。 关 键 词 : 温度传感 ; 光纤传感 ; 马赫 曾德尔干涉仪 ; 双芯光纤 ; 梳状滤波器 文献标识码 : A doi: 10. 3788/ O PE. 20111901. 0001 中图分类号 : T N253
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引 言
光纤温度传感器一般具有体积小, 重量轻 , 不
解决了熔接的问题 , 但是光在微型腔中存在较大 的散射损耗, 仍导致所制器件的插入损耗较大( 约 为 15 dB) [ 12] 。 本文通过在两 根单模光纤 ( SM F ) 间熔接一 段单模双芯光纤 ( T w o core Fiber, T CF ) , 实验使 用不同长度的 T CF 制作了多个 M ZI 型梳状滤波 器。分别从理论和实验上分析了该器件的梳状传 输谱中相邻峰值之间波长间隔与波长、 T CF 长度 和两纤芯间有效折射率差的关系, 实验测试分析 了所制器件的温度特性。通过对该器件的 SMF 与 T CF 熔接处的拉锥处理 , 分析比较了所制器件 在拉锥前后的插入损耗。实验证明该器件具有结 构简单, 制作容易 , 性能稳定, 与光纤系统具有良 好的匹配性等特点。
第1期
范林勇, 等 : 双芯光纤马赫 曾德尔干涉仪的温度特性
3
等, 即为所用 T CF 的长度 L , 于是式( 2) 可写成: = 2 L n/ 差。 由式 ( 1) 和式( 3) 可知 , 传输谱中的峰值发生 在满足下式的波长处 : m = L n/ 其中 , m 为整数。 当 T CF 的长度和纤芯间的有效折射率差一 定时, 使 m 分别取 m 和 m + 1, 可求得波长 波长
近来, 有 许多内嵌式光纤马 赫 曾德尔干涉 仪 ( M ach Znhnder Int erf eromet er , M ZI) 用 于光 纤温度传感的报导[ 7 12] 。这种类型的光纤温度传 感器主要基于两个或多个传导模式的干涉原理, 在其结构中一般都有起到分束和合束作用的组成 部分。这些分束与合束的组成部分可以是多模光 纤( M ult i Mo de F iber, M MF ) [ 7 8] 、 光子晶体光纤 ( Phot onic Cryst al F iber, PCF )