為實(shí)現(xiàn)海水中溫度和鹽度（溫/鹽度）同時(shí)測(cè)量,設(shè)計(jì)了一種環(huán)形腔微光纖Mach-Zehnder干涉儀（MZI）。首先,計(jì)算了MZI在不同溫/鹽度下的輸出光譜,光譜中同時(shí)存在諧振峰和干涉峰,分別由環(huán)形腔諧振和MZ干涉引起,由于諧振峰和干涉峰對(duì)溫/鹽度變化的響應(yīng)不同,因而可將其運(yùn)用于海水的溫/鹽度同時(shí)測(cè)量;其次,為了提升MZI的測(cè)量靈敏度,計(jì)算了靈敏度與其結(jié)構(gòu)參數(shù)的關(guān)系。結(jié)果表明,諧振峰的溫/鹽度靈敏度只與制成環(huán)形腔的微光纖直徑有關(guān),而干涉峰靈敏度同時(shí)與MZI兩個(gè)微光纖臂的直徑和長(zhǎng)度相關(guān),當(dāng)制成環(huán)形腔的微光纖臂是MZI兩臂中直徑較小且長(zhǎng)度較大的一臂時(shí),能得到較高的測(cè)量靈敏度。經(jīng)過優(yōu)化后,干涉峰的溫/鹽度靈敏度比傳統(tǒng)的光纖光柵分別提升了75倍和約3 650倍。本文設(shè)計(jì)的MZI具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、靈敏度高的優(yōu)點(diǎn),可為研制新型的海洋微光纖傳感器提供參考。 

【文章來源】：光電子·激光. 2016,27(03)北大核心CSCD

【文章頁數(shù)】：6 頁

【部分圖文】：

圖１環(huán)形腔微光纖ＭＺＩ示意圖Ｆｉｇ．１Ｓｃｈｅｍａｔｉｃｄｉａｇｒａｍｏｆｋｎｏｔｒｅｓｏｎａｔｏｒ－ｃｏｕｐｌｅｄｍｉｃｒｏｆｉｂｅｒＭＺＩ

１的耦合系數(shù)ｋ為０．０１，耦合器３的耦合系數(shù)ｋ１為０．９７，耦合器２的兩束輸入光全部耦合至一個(gè)輸出端，α＝１，δ＝ｉ，光的損耗由波導(dǎo)損耗、吸收損耗和彎曲損耗組成，探測(cè)光波長(zhǎng)在１５５０ｎｍ附近。３．１輸出光譜對(duì)溫／鹽度變化的響應(yīng)選取該結(jié)構(gòu)中，微光纖的直徑ｄ１、ｄ２分別為２．５和３．５μｍ，臂長(zhǎng)Ｌ１＝５５００μｍ、Ｌ２＝５０００μｍ，光纖環(huán)的直徑為８００μｍ。該結(jié)構(gòu)在不同的溫度和鹽度下的輸出光譜如圖２所示，光譜中同時(shí)存在ＭＺＩ產(chǎn)生的的干涉峰和環(huán)形腔產(chǎn)生的諧振峰。當(dāng)溫度或鹽度變化時(shí)，這兩個(gè)峰的位置發(fā)生移動(dòng)，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)海水溫／鹽度的同時(shí)測(cè)量。圖２不同溫度和鹽度下的輸出光譜Ｆｉｇ．２Ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎｓｐｅｃｔｒａａｔｄｉｆｆｅｒｅｎｔｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｓａｎｄｓａｌｉｎｉｔｉｅｓ從圖２可以看到，ＭＺ干涉形成了整個(gè)光譜的大包絡(luò)，干涉峰的自由光譜范圍（ＦＳＲ）較大，半波寬度大；而微環(huán)形腔諧振使得光譜中出現(xiàn)一系列向下的尖銳諧振峰，諧振峰的ＦＳＲ較小，半波寬度小，因而很容易區(qū)分。３．２結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)靈敏度的影響為了使該結(jié)構(gòu)在測(cè)量海水溫／鹽度時(shí)獲得最高的靈敏度，需要優(yōu)化結(jié)構(gòu)參數(shù)。根據(jù)式（９）－（１２），溫／鹽度靈敏度與微光纖的直徑ｄ１、ｄ２和光纖臂的長(zhǎng)度Ｌ１、Ｌ２有關(guān)。３．２．１結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)諧振峰靈敏度的影響諧振峰的溫／鹽度靈敏度ＳＳｐ、ＳＴｐ僅由光纖直徑ｄ１決定，因而首先確定最佳的光纖直徑ｄ１。ＳＳｐ、ＳＴｐ與光纖直徑ｄ１

振峰的ＦＳＲ較小，半波寬度小，因而很容易區(qū)分。３．２結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)靈敏度的影響為了使該結(jié)構(gòu)在測(cè)量海水溫／鹽度時(shí)獲得最高的靈敏度，需要優(yōu)化結(jié)構(gòu)參數(shù)。根據(jù)式（９）－（１２），溫／鹽度靈敏度與微光纖的直徑ｄ１、ｄ２和光纖臂的長(zhǎng)度Ｌ１、Ｌ２有關(guān)。３．２．１結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)諧振峰靈敏度的影響諧振峰的溫／鹽度靈敏度ＳＳｐ、ＳＴｐ僅由光纖直徑ｄ１決定，因而首先確定最佳的光纖直徑ｄ１。ＳＳｐ、ＳＴｐ與光纖直徑ｄ１的關(guān)系如圖３所示。ＳＳｐ隨ｄ１的增大而減校ＳＳｐ的取值為正，表明隨著鹽度增大，諧振峰總是向長(zhǎng)波長(zhǎng)方向移動(dòng)，這是因?yàn)辂}度的增大導(dǎo)致了光纖有效折射率ｎ１的增大。與鹽度不同，ＳＴｐ的取值經(jīng)過零點(diǎn)且不總為正值，其隨ｄ１的增大先減小后增大。當(dāng)ｄ１＜１．２７μｍ時(shí)，諧振峰隨著溫度的增大向短波長(zhǎng)方向移動(dòng)；當(dāng)ｄ１＞１．２７μｍ時(shí)，諧振峰隨著溫度的增大向長(zhǎng)波長(zhǎng)方向移動(dòng)，其原因是溫度增大將對(duì)不同ｄ１的光纖有效折射率ｎ１產(chǎn)生不同的影響，當(dāng)ｄ１＜１．２７μｍ時(shí)，ｎ１減��；當(dāng)ｄ１＞１．２７μｍ時(shí)，ｎ１增大。ｄ１�。埃郸蹋頃r(shí)，能同時(shí)獲得較高的溫度靈敏度（－１４．３１ｐｍ／℃）和鹽度靈敏度（２０７．５５ｐｍ／‰）；當(dāng)ｄ１＜０．５μｍ時(shí)，靈敏度基本不變。因此，０．５μｍ是較為理想的直徑參數(shù)（在下面的計(jì)算中，ｄ１取值均為０．５μｍ）。圖３諧振峰溫／鹽度靈敏度與光纖直徑ｄ１的關(guān)系Ｆｉｇ．３Ｒｅｌａｔｉｏｎｓｈｉｐｂｅ

【參考文獻(xiàn)】：
期刊論文
[1]A temperature sensor based on switchable dual- wavelength fiber Bragg grating laser with a semiconductor saturable absorber mirror[J]. 黎琦,黃凱強(qiáng),陳海燕.  Optoelectronics Letters. 2015(06)



本文編號(hào)：3587031