一种基于光纤多模干涉的全光纤高精度传感器及其应用

摘要

本发明公开了一种基于光纤多模干涉的全光纤高精度传感器及应用，全光纤高精度传感器由第一单模光纤、多模光纤、无芯光纤、第二单模光纤四部分构成，所述第一单模光纤、多模光纤、无芯光纤、第二单模光纤顺序组合熔接；所述第一单模光纤与第二单模光纤规格相同；所述单模光纤芯层直径小于所述多模光纤的芯层直径；所述的第一单模光纤和第二单模光纤分别作为光源的入射端和透射端，多模光纤作为模式耦合器，提高无芯光纤中高阶模式的激发效率，无芯光纤为测量区。本发明的优点是设计了一种低成本、高精度、体积小且结构紧凑的全光纤传感器。使用一段多模光纤作为模式耦合器的，进一步优化了该发明的测量精度。

说明书

技术领域

本发明涉及医疗卫生、生物传感、环境监测等光纤传感领域，具体涉及一种基于光纤多模干涉(MMI)原理的全光纤高精度传感器及其应用。 

背景技术

全光纤传感器是光纤传感技术工程化研究的一个重要的领域。其相较于传统传感器具有高安全性、抗电磁干扰、耐腐蚀、结构简单、体积小、灵敏度高等固有优势。同时这种基于全光纤结构的传感器由不同种类的光纤熔接而成，相较于现行得到广泛应用的光纤布拉格光栅(FBG)、长周期光纤光栅(LPG)等具有成本低、制作工艺简单、灵敏度高等特点。近些年来，随着光纤传感技术的发展，以及国内外对全光纤结构传感器研究的深入，基于这种原理的光纤传感器将在医疗卫生、生物传感、环境监测等领域逐步得到生产和应用。 

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种基于光纤多模干涉的全光纤高精度传感器，克服传统传感器的不足，以及光纤布拉格光栅(FBG)和长周期光栅(LPG)成本高、制作工艺复杂等缺陷。 

为解决上述技术问题，本发明提供了一种基于光纤多模干涉的全光纤高精度传感器。由第一单模光纤、多模光纤、无芯光纤、第二单模光纤四部分构成，所述第一单模光纤、多模光纤、无芯光纤、第二单模光纤顺序组合熔接；所述第一单模光纤与第二单模光纤规格相同；所述单模光纤芯层直径小于所述多模光纤的芯层直径；所述的第一单模光纤和第二单模光纤分别作为光源的入射端和透射端，多模光纤作为模式耦合器，提高无芯光纤中高阶模 式的激发效率，无芯光纤为测量区。 

优选的，所述各光纤具有相同的包层直径。所述多模光纤的长度取20-150cm。所述无芯光纤的长度为n*(1.45～1.47)cm，其中n为[1～10]的整数。 

更优的，所述无芯光纤的长度为4*(1.45～1.47)cm。所述各光纤的熔接选择自动熔接模式。 

本发明还提出了一种基于光纤多模干涉的全光纤高精度传感器作为全光纤液位计的应用。 

本发明的优点是设计了一种低成本、高精度、体积小且结构紧凑的全光纤传感器。使用一段多模光纤作为模式耦合器的，进一步优化了该发明的测量精度。 

附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本发明的技术方案作进一步具体说明。 

图1为本发明的全光纤传感器结构示意图。 

其中，1—第一单模光纤，2—多模光纤，3—无芯光纤，4—第二单模光纤；图中白色部分为光纤的包层，灰色部分为光纤的芯层。 

具体实施方式

如图1所示，本发明的全光纤传感器按照第一单模光纤、多模光纤、无芯光纤、第二单模光纤的顺序组合熔接。所述第一单模光纤与第二单模光纤规格相同，为普通单模光纤；所述多模光纤为普通多模光纤。单模光纤芯层直径小于多模光纤的芯层直径；无芯光纤无芯层结构；所述光纤具有相同的包层直径，熔接时选择自动熔接模式即可。多模光纤的长度取20-150cm。无芯光纤的长度为n*(1.45—1.47)cm，其中n为[1—10]的整数。 无芯光纤的长度为4*(1.45～1.47)cm最优。 

选择宽谱光源(C+L波段)作为入射光源。当光从左端第一单模光纤进入到多模光纤中时，由于两种光纤芯层直径的不同产生模场失配效应，使得第一单模光纤中的基模在多模光纤中激发出高阶模式；多模光纤长度足够长，传输模场达到稳定后，在多模光纤和无芯光纤熔接处再次出现模场失配，无芯光纤中高阶模式再次得到激发，两次模式的激发大大提高了能量从基模向高阶模式的耦合效率。在无芯光纤和第二单模光纤的熔接处，无芯光纤中部分高阶模式将重新耦合到第二单模光纤的芯层中，并发生多模干涉；这是由于不同阶数高阶模式具有不同的纵向传输常数，存在着光程差而引起的。 

下面以全光纤液位计为例进行进一步说明。进行液位测量时，外界液体或空气充当其包层，进而改变无芯光纤中不同模式的有效折射率。当外界液位发生变化时，测量区，即无芯光纤部分各高阶模平均有效折射率发生变化，且不同阶数模式有效折射率变化不相同，也就使得模式之间有效折射率差发生变化，引起光程差的改变，进而使得干涉谱发生漂移。 

全光纤液位计的解析方法是利用光纤的多模干涉原理来实现对无芯光纤外界液位高度的测量。上述结构传感机理由以下公式给出。 

$T=10\lg \left\{{\left|\underset{m=1}{\overset{N}{\Sigma }}{}_m{}^2\exp \left(j_{m}L\right)\right|}^2\right\}---\left(1\right)$

其中，L是液位测量区无芯光纤的长度，m为无芯光纤中LP_0m模式的激发系数，m为无芯光纤中LP_0m模式的纵向传输常数，m为模式阶数的标号。 

$m=\frac{{\int }_0^{\infty }E{(r,0)}_m\left(r\right)\mathrm{rdr}}{{\int }_0^{\infty }{}_m\left(r\right)_m\left(r\right)\mathrm{rdr}}---\left(2\right)$

其中，E(r，0)为输入到无芯光纤中的光场，m(r)为m阶LP_0m模式的场分布。在上述提到的结构中，采用一段较长的多模光纤作为模式耦合器，经过两次高阶模式的激发，m得到提高，让单模光纤中的基模能量更多地耦合到无芯光 纤的高阶LP_0m模式中，从而使得发生在无芯光纤和单模光纤熔接处的光纤多模干涉加强。 

$m=k_0{n}_{\mathrm{eff}}^{\left(m\right)}---\left(3\right)$

其中，k₀为真空中的波数，为m阶LP_0m模式的有效折射率。有效折射率的改变将影响上述结构的透射谱。需要指出的是，上述结构测液位利用的就是有效折射率随液位的变化。当液位测量区，即无芯光纤浸入液体中时，浸没在液体中的部分对应模式的有效折射率将发生改变，即不同于置于空气中部分的有效折射率；随着测量区浸没长度的变化，反应为透射谱波长的漂移，从而进行液位的测量。 

值得说明的是，外界液体折射率、温度、轴向应力的变化也会改变其有效折射率，因此,本发明亦可用于液体折射率、温度以及应力的测量。对折射率、温度的测量亦基于各高阶模有效折射率差值变化所引起的光程差的变化。轴向应力的测量则是由于应力产生的形变使得干涉谱发生漂移，也可理解为相应有效折射率差值的变化。因此，本发明在医疗卫生、生物传感、环境监测等传感领域有着极大的应用价值。 

最后所应说明的是，以上具体实施方式仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。