一种基于高双折射微纳光纤的Sagnac双参量光纤传感器

摘要

本发明公开了一种基于高双折射微纳光纤的Sagnac双参量光纤传感器，包括宽带光源和内置高双折射微纳光纤的Saganc传感单元；所述Saganc传感单元输入端接收宽带光源，输出光谱干涉信号，由于Sagnac传感单元内光束存在的模式干涉和Sagnac干涉分别对折射率、温度具有不同的灵敏度，因此，对输出光谱的干涉信号进行波长解调，可实现对折射率、温度双参量的传感。本发明提供的光纤传感器不仅具有全光纤、结构紧凑、低成本、制作简单、低损耗等特点，而且实现了折射率和温度双参量的传感。

说明书

技术领域

本发明属于光纤传感器领域，更具体地，涉及一种基于高双折射微纳光纤的Sagnac双参量光纤传感器。

背景技术

光纤传感器以光波为载体、以光纤为媒介实现被测信号的传输与感知，与传统的传感器相比，光纤传感器表现出抗电磁干扰、重量轻、灵敏度高、结构简单等优点；随着化学、生物、医学等应用领域需求的增加，研究者们开始致力于多参量光纤传感技术研究，其中实现温度、折射率双参量传感需要解决二者交叉敏感问题也已经得到广泛的关注。

当前用于温度、折射率双参量测量的光纤传感器通常将布拉格光纤光栅、长周期光纤光栅等结构级联至另一种传感器制成，对光纤光栅刻写技术要求相对较高，温度灵敏度也相对较低，并且这类光纤传感器，光入射端与出射端大都位于异侧，不利于二者集成，不太适于狭缝、远距离等情况下的传感；现有级联模式干涉仪与Sagnac干涉仪的折射率、温度双参量传感器，可以实现光入射与出射位于同侧，但传感单元由两部分组成，结构不紧凑。

因此，研究一种成本低、制作简单、灵敏度高、结构紧凑、可重复性高、应用环境丰富的折射率、温度双参量传感器在目前仍然具有较高的研究与应用价值。

发明内容

针对现有技术的缺陷，本发明的目的在于提供一种基于高双折射微纳光纤的Sagnac双参量光纤传感器，旨在解决现有双参量测量传感器存在的温度灵敏度低、结构不紧凑导致集成度较低的问题。

为实现上述目的，本发明提供了一种基于高双折射微纳光纤的Sagnac双参量光纤传感器，包括宽带光源和内置高双折射微纳光纤的Saganc传感单元；

所述Saganc传感单元的输入端与宽带光源光纤熔接相连，输出端与光谱分析仪熔接相连；

所述Saganc传感单元用于接收宽带光源，并将其分为传输方向相反的两路光束，激发并筛选光传输模式，进而两路光束产生模式干涉和Sagnac干涉，通过波长解调实现对外界环境折射率、温度变化的检测；

所述宽带光源用于为Saganc传感单元提供光源；

所述Saganc传感单元包括3dB耦合器和高双折射微纳光纤；

所述高双折射微纳光纤通过光纤熔接的方式接入耦合器第二侧的第一端口和第二端口之间，在3dB耦合器21的第二侧形成闭合的Sagnac环；

所述3dB耦合器的两侧均设置有两个端口，在3dB耦合器第一侧的第一端口设置有光路入射端P1用于接收宽带光源；在3dB耦合器第一侧的第二端口设置有光路出射端P2用于输出干涉光谱；在3dB耦合器第二侧的第一端口设置有P3端，传输从3dB耦合器得到的第一光束，第一光束沿Sagnac环顺时针传输至P4端；在3dB耦合器第二侧的第二端口设置有P4端，传输从3dB耦合器得到的第二光束，第二光束沿Sagnac环逆时针传输至P3端，最终两光束在3dB耦合器处相汇，从出射端P2端输出；

所述高双折射微纳光纤由高双折射保偏光纤熔融拉锥制成，导致光纤锥形渐变区的直径相对腰区直径较大，呈腰区直径约为2.5μm的锥形结构，可激发不同光模式并进行筛选；同时所述高双折射微纳光纤包括硅基材料区域和应力区，内部具有非圆对称折射率分布特性，且双折射参数B大于常规单模光纤的双折射参数10^-6～10^-5，作为产生Sagnac的必要条件，可实现对温度的传感监测；

所述3dB耦合器用于接收宽带光源和分光耦合，实现Sagnac干涉；

所述高双折射微纳光纤利用非绝热锥形渐变区激发沿Sagnac环顺时针和逆时针传输的两束光产生多个具有不同有效折射率的光模式，并随着双折射微纳光纤沿腰部方向直径的变小，越来越多高阶光模式被截止，最终只有HE₁₁模、TE₀₁模与TM₀₁模穿过均匀腰区；

输出的光模式TE₀₁模与TM₀₁模之间可形成具有折射率敏感、温度不敏感特性的模式干涉谱；

TE₀₁模和TM₀₁模的归一化输出光强度T可以表示为：

其中是TE₀₁和TM₀₁之间的相位差，λ为波长，ΔL＝l(n₁-n₂)是TE₀₁和TM₀₁之间的光程差，由两者的有效折射率n₁和n₂及保偏光纤锥腰部的长度l决定；两模式有效折射率差n₁-n₂与外界环境折射率变化密切相关，因此该模式干涉对外界环境折射率变化敏感。

所述沿Sagnac环传输的第一光束和第二光束经过高双折射微纳光纤后产生相位差在3dB耦合器处相遇并发生具有高温度灵敏度的Sagnac干涉，Sagnac干涉谱可表示为：

其中B表示高双折射微纳光纤的双折射，L和λ分别为高双折射微纳光纤的长度及操作波长。高双折射微纳光纤的双折射B对外界温度变化敏感，用于温度传感时，Sagnac干涉dip波长随温度变化的波长漂移量可表示为其中T为温度。

通过本发明所构思的以上技术方案，与现有技术相比，能够取得以下有益效果：

(1)本发明利用高双折射保偏光纤熔融拉锥制备高双折射微纳光纤，具有体积小、损耗低、高折射率灵敏度的优点，奠定了对折射率和温度的双参数测量的基础。

(2)本发明的Sagnac传感单元环内结构简单，仅由一段高双折射微纳光纤两端熔接标准单模光纤构成，无需多结构级联，并所有的器件均采用全光纤耦合方式，结构紧凑稳定、抗干扰能力较强，在环境监测、生化传感和电网维护等方面具有较高的应用价值。

(3)本发明提供的高双折射微纳光纤通过光纤熔接的方式置入耦合器D2侧的两个端口，形成具有高温度灵敏度的Sagnac干涉，制作简单、成本低和重复性高。

附图说明

图1是本发明Sagnac双参量光纤传感器的组成结构示意图；

图2是本发明内置高双折射微纳光纤的Saganc传感单元结构示意图；

图3是本发明中高双折射微纳光纤的截面示意图；

图4是本发明中高双折射微纳光纤的主视图；

图5是本发明Sagnac干涉和模式干涉与温度的关系图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

本发明示了一种基于高双折射微纳光纤的Sagnac双参量光纤传感器，如图1所示，包括宽带光源1和内置高双折射微纳光纤的Saganc传感单元2；

所述Saganc传感单元2的输入端连接宽带光源1，输出端连接光谱仪3；所述宽带光源1、Saganc传感单元2和光谱仪3均通过光纤熔接的方式相互连接；

所述Saganc传感单元2用于接收宽带光源，并将其分为传输方向相反的两路光束，激发并筛选光传输模式，进而得到两路光束产生的模式干涉和Sagnac干涉，通过波长解调实现对外界环境折射率、温度变化的检测；

所述宽带光源1用于为Saganc传感单元2提供光源；

如图2所示，所述Saganc传感单元2包括一个3dB耦合器21和一段高双折射微纳光纤22；

所述高双折射微纳光纤22通过光纤熔接的方式接入耦合器21的第二侧的第一端口和第二端口之间，在耦合器21的第二侧形成闭合的Sagnac环23；

所述3dB耦合器21的两侧均设置有两个端口，在3dB耦合器21的第一侧的第一端口设置有光束入射端P1用于接收宽带光源1；在3dB耦合器21第一侧的第二端口设置有光束出射端P2输出干涉光谱；在3dB耦合器21的第二侧的第一端口设置有P3端，传输从3dB耦合器21得到的第一光束，第一光束沿Sagnac环23顺时针传输至P4端；在3dB耦合器21的第二侧的第二端口设置有P4端，传输从3dB耦合器21得到的第二光束，第二光束沿Sagnac环23逆时针传输至P3端，最终两光束在3dB耦合器21处相汇，从出射端P2端输出。

如图3所示，所述高双折射微纳光纤22由高双折射保偏光纤熔融拉锥制成，如图4所示，导致光纤两端锥形渐变区的直径相对光纤腰部位置的直径较大，呈锥形结构，纤芯直径由于拉锥变得很小，故在图3中只描述了应力区而无纤芯，且包层直径的数量级为微米或纳米，小于普通光纤的直径250μm，可激发不同光模式并进行筛选；同时所述高双折射微纳光纤包括硅基材料区域和应力区，内部具有非圆对称折射率分布特性，且双折射参数B大于常规单模光纤的双折射参数10^-6～10^-5，作为产生Sagnac干涉的必要条件，可实现对温度的传感监测；

所述3dB耦合器21用于接收宽带光源和分光耦合，实现Sagnac干涉；

所述高双折射微纳光纤22的锥形渐变区和空气构成折射率差较大的多模波导结构用于将沿Sagnac环23顺时针和逆时针传输的两束光激发多个具有不同有效折射率的光模式，随着锥形高双折射微纳光纤22腰区直径的变小，越来越多高阶模式被截止，最终只有HE₁₁模、TE₀₁模与TM₀₁模穿过均匀腰区；

输出的光模式TE₀₁模与TM₀₁模之间同时存在模式干涉和Sagnac干涉，利用两种干涉分别对折射率、温度具有不同灵敏度的特性，光谱仪可以通过波长同时解调折射率、温度参量；

所述TE₀₁模与TM₀₁模之间进行模式干涉后，归一化输出光强度T可以表示为：

其中是TE₀₁和TM₀₁之间的相位差，λ为波长，ΔL＝l(n₁-n₂)是TE₀₁和TM₀₁之间的光程差，由两者的有效折射率n₁和n₂及保偏光纤锥腰部的长度l决定；两模式有效折射率差n₁-n₂与外界环境折射率变化密切相关，因此该模式干涉对外界环境折射率变化敏感；

所述沿Sagnac环传输的第一光束和第二光束经过高双折射微纳光纤22后产生相位差在3dB耦合器21处相遇并发生具有高温度灵敏度的Sagnac干涉，Sagnac干涉谱可表示为：

其中B表示高双折射微纳光纤22的双折射，L和λ分别为高双折射微纳光纤22的长度及操作波长。高双折射微纳光纤22的双折射B对外界温度变化敏感，用于温度传感时，Sagnac干涉dip波长随温度变化的波长漂移量可表示为其中T为温度。

图5为Sagnac双参量光纤传感器测试获得的光谱随温度升高，Sagnac干涉波长发生漂移、模式干涉包络不变的实验结果图，其中横坐标为波长，纵坐标为透射光功率，从图4可以看出，在Sagnac干涉的基础上叠加了高双折射微纳光纤内的模式干涉包络，模式干涉形成的包络随着温度的增加并未发生漂移，说明模式干涉对温度具有不敏感特性，从理论上分析可知模式干涉具有折射率敏感特性。但是随着温度的增加，Sagnac干涉的光谱发生蓝移，且具有温度灵敏度为-1.58nm/℃，对温度具有敏感特性。综上所述，两种干涉对折射率、温度的敏感度不同，因此，可以根据敏感矩阵及两种干涉中波长的漂移解调折射率和温度参量。

一方面，本发明利用高双折射保偏光纤熔融拉锥制备高双折射微纳光纤22，具有体积小、损耗低、高折射率灵敏度的优点，奠定了对折射率和温度的双参数测量的基础；同时高双折射微纳光纤通过光纤熔接的方式置入3dB耦合器21的第二侧两端口之间形成具有高温度灵敏度的Sagnac干涉，制作简单、成本低、重复性高；另一方面，Sagnac传感单元环内结构简单，仅由一段高双折射微纳光纤两端熔接标准单模光纤构成，无需多结构级联，并所有的器件均采用全光纤耦合方式，结构紧凑稳定、抗电磁干扰能力较强，在环境监测、电网维护、生化传感等方面都具有较高的应用价值。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。