光纤传感测量中耦合系统的设计

76J o u r n a l o fM e a s u r e m e n t S c i e n c e a n d I n s t r u m e n t a t i o n V o l.10N o.1,M a r.2019

D e s i g no f c o u p l i n g s y s t e mi n f i b e r o p t i c s e n s i n g m e a s u r e m e n t

Y A N G R u i-f e n g1,2,G A IT i n g1,2,G U OC h e n-x i a1,2,HU C h e n-h a o1,2,L A N G G u o-w e i1,2

(1.S c h o o l o f I n s t r u m e n t a n dE l e c t r o n i c s,N o r t hU n i v e r s i t y o f C h i n a,T a i y u a n030051,C h i n a;

2.A u t o m a t i cT e s tE q u i p m e n t a n dS y s t e m E n g i n e e r i n g R e s e a r c hC e n t e r o f S h a n x iP r o v i n c e,T a i y u a n030051,C h i n a)

A b s t r a c t:A c c o r d i n g t o t h e p r i n c i p l e o f c h o o s i n g t h e l i g h t s o u r c e i n t h e f i b e r o p t i c s e n s i n g m e a s u r e m e n t,s e m i c o n d u c t o r l a s e r i s u s e da s t h e l i g h t s o u r c eo f f i b e ro p t i cs e n s o ra n ds i n g l e-m o d e f i b e r i su s e da s t h e t a i l f i b e ro f l i g h t s o u r c e.

B a s e do no p t i c a l d e s i g n s o f t w a r eZ e m a x s p u r en o n-s e q u e n t i a l c o m p o n e n t s,ac o u p l i n g s y s t e mo f s e m i c o n d u c t o r l a s e ra n ds i n g l e-m o d e f i b e r i s d e s i g n e d.B y a n a l y z i n g t h e b e a mc h a r a c t e r i s t i c s o f t h e s e m i c o n d u c t o r l a s e r a n d t h e c o u p l e dm o d e t h e o r y o f s e m i c o n d u c t o r l a s e r a n ds i n g l e-m o d e f i b e r,t h e c o m b i n e d l e n s c o n s i s t s o f a b a l l l e n s a n d a c o l l i m a t i n g l e n s f o r t h e p u r p o s e o f i m p r o v i n g t h e c o u p l i n g e f f i c i e n c y a n da d j u s t i n g t o l e r a n c e.T h e s i m u l a t i o n r e s u l t s s h o wt h a t t h e c o u p l i n g e f f i c i e n c y c a nr e a c ha b o u t78%b y u s i n g o n e m i l l i o n r a y t r a c e s o n n o n-s e q u e n t i a l c o m p o n e n t s,w h i l e t h e e x p e r i m e n t a l t e s t r e s u l t i s69.11%,a c c o r d i n g l y,t h e r e a s o n s f o r t h e d i f f e r e n c eb e t w e e n t h e e x p e r i m e n t a n d t h e s i m u l a t i o n r e s u l t s a r e a n a l y z e d.

K e y w o r d s:s e m i c o n d u c t o r l a s e r;f i b e r c o u p l e;Z e m a x;c o u p l i n g e f f i c i e n c y

C L Dn u m b e r:T N248.4

D o c u m e n t c o d e:A

A r t i c l e I D:1674-8042(2019)01-0076-05d o i:10.3969/j.i s s n.1674-8042.2019.01.011

0I n t r o d u c t i o n

T h e l i g h t s o u r c e i s a n i m p o r t a n t p a r t o f f i b e r o p t i c s e n s i n g m e a s u r e m e n t s y s t e m.T oa g r e a t e x t e n t,i t s t y p e a n d p e r f o r m a n c e d e t e r m i n e t h e m e a s u r i n g a c c u r a c y o f a s e n s o r s y s t e m.T h e p r i m a r y p r i n c i p l e o f s e l e c t i n g a l i g h t s o u r c e f o r a r e f l e c t i v e i n t e n s i t y m o d u l a t i o n f i b e ro p t i c s e n s o r(R I M-F O S)i s t h a t t h e o u t p u t p o w e r s h o u l db e s t a b l e.I n a d d i t i o n,t h e l i g h t s o u r c e s h o u l d b e e a s i l y c o u p l e d w i t h f i b e r[1].

C o n s i d e r i n g t h e s t r u c t u r e o f t h e R I M-F O S, s e m i c o n d u c t o r l a s e ru s u a l l y i su s e da s l i g h ts o u r c e. T o o b t a i nab e t t e rl a t e r a lr e s o l u t i o n,w e g e n e r a l l y s e l e c ts i n g l e-m o d ef i b e ra st a i lf i b e r.B u tt h ec o r e d i a m e t e r o f s i n g l e-m o d e f i b e r i ss m a l l,t h e r e f o r e t h e c o u p l i n g b e t w e e nl a s e ra n df i b e r p l a y sak e y r o l e i n f i b e r o p t i c s e n s i n g m e a s u r e m e n t s y s t e m.

A t p r e s e n t,s e m i c o n d u c t o r l a s e r a n d f i b e r c o u p l i n g t e c h n o l o g y h a sb e e n d e v e l o p e dt oac e r t a i n m a t u r e s t a g e[2-4].E s p e c i a l l y,i n t h e c o u p l i n g o f s e m i c o n d u c t o rl a s e r w i t h m u l t i-m o d e o p t i c f i b e r, m a n y e f f e c t i v em e t h o d sw i t hh i g hc o u p l i n g e f f i c i e n c y h a v eb e e n p r o p o s e d,s u c h a st h ec o u p l i n g s y s t e m d e s i g n e d b y S h i,e ta l.b a s e d o n Z e m a x,w h o s e e f f i c i e n c y i s a b o u t68%[5];a s e m i c o n d u c t o rl a s e r w i t ht r e n c h s t r u c t u r e p r o p o s e d b y C u i,e ta l.t o s t a b i l i z e t h e c o u p l i n g e f f i c i e n c y a n d r a i s e i t t o

97.7%[6].B u tt h ec o r ed i a m e t e ro fas i n g l e-m o d e

f i b e r i sa p p r o x i m a t e l y e q u a l t ot h ed i m e n s i o no f t h e a c t i v e l a y e r l i

g

h t e m

i t t i n g e n d o f s e m i c o n d u c t o r l a s e r,w i t h m i c r o m e t e rs c a l e.T h e r e f o r e,d i f f e r e n t f r o mt h em u l t i-m o d e f i b e r c o u p l i n g s y s t e m,t h e l a s e r l i g h t-e m i t t i n g f a c e t c a n n o t b e a p p r o x i m a t e d a s a p o i n t s o u r c e[7].T h e m a

j o rf a c t o r sa f f e c t i n g t h ec o u p l i n g e f f i c i e n c y b e t w e e n s e m i c o n d u c t o rl a s e ra n d s i n g l e-m o d e f i b e r i n c l u d em o d e f i e l dm i s m a t c hb e t w e e n l a s e r a n df i b e r,n o n-c i r c u l a rs y m m e t r y o fo u t p u tb e a m, m i s m a t c ho fm o d e-f i e l d-h a l f-w i d t h,F r e s n e l r e f l e c t i o n o ns u r f a c ea n da b e r r a t i o no f t h ec o u p l i n g l e n s[8].A v a r i e t y o fe f f i c i e n tc o u p l i n g m e t h o d sh i t h e r t o h a v e b e e n p r o p o s e d,w h i c hc a nb es u m m e du p i n t ot w o t y p e s:a c o u p l i n g s y s t e mc o m p o s e do f d i s c r e t em i c r o o p t i c a l e l e m e n t so r m i c r o-l e n s e so nt h ef i b e r se n d f a c e[9-11].T h eu l t i m a t ea i m o ft h e s e m e t h o d si st o c o u p l et h e e l l i p t i c a l m o d e f i e l d o fl a s e ri n t o t h e c i r c u l a rm o d ef i e l do fs i n g l e-m o d ef i b e ra s m u c ha s p o s s i b l e.A m o n g t h e s em e t h o d s,t h eb a l l l e n s i s t h e s i m p l e s t t ob ee a s i l y m a n u f a c t u r e db e c a u s ei t so w n

R e c e i v e dd a t e:2018-09-12

F o u n d a t i o n i t e m s:Y o u t h S c i e n c e a n dT e c h n o l o g y R e s e a r c hF o u n d a t i o n o f S h a n x i P r o v i n c e(N o.2015021104);P r o g r a m s f o r S c i e n c e a n dT e c h n o l o g y

D e v e l o p m e n t o f S h a n x i P r o v i n c e(N o.201703D121028-2)

C o r r e s p o n d i n g a u t h o r:Y A N G R u i-f e n g(y a n g r u i f e n g@n u c.e d u.c n)