基于全光纤马赫-曾德尔干涉仪的微位移传感研究

研究了一种基于全光纤马赫-曾德尔(Mach-Zehnder)干涉仪的高灵敏度微位移传感器,将干涉仪的一个臂固定在微动平台上,在消除环境干扰的情况下,通过对干涉仪臂的拉伸,从光谱仪观察干涉谱线中某一特定波长的移动与拉伸长度成正比,从而实现了一种位相调制型微位移传感器。当位移变化0.0020mm时,波长移动了0.61nm,调谐速率为305nm/mm,线性拟合度为0.9994。

超紧凑全光纤马赫-曾德尔干涉仪及其应变特性研究

设计了一种由封闭在光纤内的纺锤型空气腔和其周围的SiO2构成的三明治结构全光纤马赫-曾德尔干涉仪,并将其用于应变传感。纺锤型空气腔利用光子晶体光纤和普通单模光纤熔接后再拉锥形成。由于干涉仪的两个干涉臂介质为空气和SiO2,因此超短的干涉臂长使光传输损耗大大降低,构成了超紧凑马赫-曾德尔干涉仪。该干涉仪用于应变传感可大大减小弯曲带来的串扰,提高系统的稳定性。建立了超紧凑马赫-曾德尔干涉仪模型,基于FDTD算法对干涉仪输出的干涉条纹以及各部分的电场分布进行了仿真,得到了应变传感器干涉条纹波谷波长与应变的关系,为设计制作超紧凑全光纤马赫-曾德尔应变传感器提供了理论依据。

用全光纤马赫-曾德尔干涉仪测量光敏光纤的光致双折射

提出了一种用全光纤马赫-曾德尔干涉仪测量光敏光纤的光致双折射率的新方法,所得的归一化双折射率可达10-5.

基于马赫-曾德尔干涉仪的全光纤梳状滤波器的研究

交叉复用Interleaver技术已成为解决网络扩容的有效办法。而全光纤型的梳状滤波器由于其优异的特性使其成为交叉复用技术的首选。本文对于几种基于全光纤马赫-曾德尔干涉仪制成的梳状滤波器介绍了他们的数学模型以及对他们的输出光谱等特性进行了仿真和比较,说明了其应用前景及其优异的特性。

同时测量温度和应变的全单模光纤马赫-曾德尔干涉仪

为了实现低成本的温度和应变同时测量,利用光纤熔接机的熔融放电原理制备了基于全单模光纤(SMF)的花生和J型结构级联的马赫-曾德尔干涉仪(CPJS-MZI)。首先利用光纤熔接机的球形程序将两段单模光纤的端面熔成球形,再将小球熔接到一起形成花生型结构;然后在距离花生结构15mm处,将两根单模光纤端面错位一定距离,对其进行熔接形成J型结构;最后对所制备的器件进行温度和应变传感性能的测试。实验发现,CPJS-MZI单个干涉峰强度和波长对应的温度灵敏度分别为-0.012 5dB/℃和52.9pm/℃,应变灵敏度分别为0.015 2dB/με和-11.44pm/με。结果表明,基于SMF的CPJS-MZI可利用单峰实现温度和应变的同时测量,且具有尺寸小、制备容易、成本低等优点,在同时测量温度和应变传感领域具有潜在应用价值。

基于光纤粗锥型马赫-曾德尔干涉仪的高灵敏度温度传感器的研制

光纤传感是现代光纤技术的重要应用之一。制作了一种基于两个单模光纤粗锥串接的全光纤型马赫-曾德尔高温高灵敏温度传感器。纤芯中传输的光通过第一个光纤锥耦合，一部分进入纤芯传输，另一部分进入包层形成包层模，纤芯模和包层模具有不同的有效折射率，经过干涉臂的传输产生了光程差。纤芯和包层传输的光再经过第二个光纤锥耦合，形成干涉进入输出光纤传输。对不同长度的传感器进行实验研究，得出传感臂长度与干涉周期之间的关系。研究了传感器温度响应特性，给出了温度响应灵敏度。实验结果表明，在30～400℃温度范围内，长度为35 mm的传感器可以得到较高的温度响应灵敏度，其响应灵敏度为0．115 nm·℃^-1。利用傅里叶变换对传感器透射谱进行了分析，可以确定在长度为35 mm的传感器中仅有基模LP01和高阶模LP08两种模式，透射谱就是由这两种模式干涉形成的。该传感器体积小、精度高、抗电磁干扰，具有易于制作、对比度大、质轻、灵敏度高、耐高温等优点。可用于高温气体温度测量及油气井测井等领域的高灵敏度温度传感测量。

基于全光纤马赫—曾德尔干涉仪的电流传感研究

本文研究了一种基于全光纤马赫—曾德尔干涉仪的高灵敏度电流传感器 ,干涉仪的一个臂在细金属套管中穿过 ,对细金属管通以直流电 ,利用电流的热效应对干涉仪的两臂长差进行调谐 ,从而实现了一种相位调制型电流传感器 .实验中在消除环境干扰的情况下 ,采用波长定标法 ,当直流电流在 0～ 1 .8A范围内变化时 ,干涉谱线中的某一特定波长的移动与电功率成正比 ,线性拟合度为 0 .9987,波长最大移动了 32 nm,调谐速率为 1 9.4 7nm/W.

双芯光纤马赫-曾德尔干涉仪的温度特性

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。

马赫-曾德尔干涉集成化的全光纤磁场与温度传感器

为了简化光纤磁场与温度传感器的结构并提高传感器灵敏度,设计并制作了马赫-曾德尔干涉集成化的全光纤磁场与温度传感器。将单根光纤的马赫-曾德尔模间干涉结构和双臂马赫-曾德尔干涉结构结合:将总长度为1.2m的单模光纤部分制备成长度为2.7cm、锥腰直径为30.1μm的锥形微纳光纤,并得到了拉锥时间与锥腰直径的关系。将锥形微纳光纤放置尼龙槽内并包覆磁凝胶构成传感头,实现模间干涉的马赫-曾德尔磁场传感器;将磁场传感器通过两耦合比为50%∶50%的耦合器并联带有可调谐光衰减器的单模光纤形成马赫-曾德尔干涉的温度传感器。从理论上分析了光谱漂移对磁场和温度传感的特性关系,实验测得室温下磁场强度在25~50mT时,磁场传感的灵敏度为0.301 14nm/mT;在磁场强度为0,温度由25℃升高到30℃时,温度传感的灵敏度为0.518 86nm/℃。该传感器可广泛应用于电力系统放电检测、材料加工、安全监控等领域。

基于光纤布喇格光栅和马赫-曾德尔干涉仪的新型ROADM

讨论了单极的基于光纤布喇格光栅的马赫-曾德尔干涉仪(MZ-FBG)的串联OADM,并且在单极的MZ-FBG基础上加入光开关和合波器进行改进,设计了一种新型的并联ROADM。这种结构的ROADM避免了串联OADM缺乏可控机制和保护功能的缺点,具有很大的可扩展性。为验证该结构的优越性,设计并分析了4级并联的ROADM,实验结果表明,该ROADM在直通状态、下载状态和上载状态下的平均插入损耗均小于3dB,信号间的隔离度大于20dB。最后讨论了影响该结构的ROADM性能的主要因素。

基于光纤马赫-曾德尔干涉仪光纤水听器的实验研究

本文对基于马赫-曾德尔干涉技术的光纤水听器系统进行了实验研究.根据光外差检测原理,利用自制的全光纤马赫-曾德尔干涉仪系统,对鱼群活动引起的扰动信号进行了测量和分析.得到在一定条件下,随着鱼群活动区域面积的增加或温度的降低,探测灵敏度呈线性减小,最小分辨能力下降的结论.实验结果表明:随着活动区域直径的降低,系统灵敏度分别为1.606 6、2.349 9和2.412 5μW/条,最小分辨力分别为14、10和8条;随着活动区域温度的降低,系统灵敏度分别为1.339 1、1.022 7和0.432 1μW/条,最小分辨力分别为4、6和18条,测量结果与分析得到的结论一致.

基于量子增强型光纤马赫-曾德尔干涉仪的低频信号测量

利用低频光通信波段真空压缩态光场可实现基于光纤的量子精密测量.本文利用简并光学参量振荡器实验制备出1550 nm低频真空压缩态光场.在分析频段10—500 kHz范围内压缩态光场的压缩度均达3 dB.用实验制备的1550 nm真空压缩态光场填补光纤马赫-曾德尔干涉仪的真空通道,实现了量子增强型光纤马赫-曾德尔干涉仪,完成了突破标准量子极限的相位调制频率为500 kHz的低频信号测量.与光纤马赫-曾德尔干涉仪相比,测量信噪比提高了2 dB.

基于光纤马赫-曾德尔干涉仪的强度测量研究

根据光外差检测原理,分析得到干涉测量适用于信号光强小于参考光强的探测,直接测量适用于信号光强大于参考光强的探测的结论。利用自制的全光纤马赫-曾德尔干涉仪系统,对位移信号进行了测量。实验结果表明:当位移信号较小时,干涉测量的灵敏度分别为62.068μW/mm和9.90mV/mm,而非干涉测量的灵敏度分别为4.30μW/mm和0.35mV/mm;当位移信号较大时,干涉测量的灵敏度分别为2.643mV/mm和0.055mV/mm,非干涉测量的灵敏度分别为12.326mV/mm和4.194mV/mm,测量结果与分析得到的结论一致。对于光纤干涉仪强度调制检测的应用具有参考价值。

基于开腔式马赫-曾德尔光纤干涉仪的高灵敏溶液浓度传感器

溶液浓度是表征溶液特性的关键参数之一,当监测和控制溶液浓度特性时,需要实时分析监测某些溶液的浓度。光纤传感器由于具有灵敏度高、结构小巧紧凑、响应速度快、抗电磁干扰及远距离实时检测等优点,广泛用于各种物理、化学以及生物测量传感。为了实现高灵敏的溶液浓度测量,通过大错位熔接技术将三段单模光纤制备成开腔式马赫-曾德尔(Mach-Zehndel,M-Z)光纤干涉仪,通过监测干涉条纹某一损耗峰的波长漂移,实现了溶液溶度高灵敏度的检测。实验结果表明,该开腔式光纤干涉型溶液浓度传感器结构小巧、可重复性高、灵敏度高,灵敏度为-25.27 nm/%。

基于马赫-曾德尔干涉仪的光纤扭转传感器

提出一种基于马赫-曾德尔干涉仪的扭转传感器,通过实验进行了验证。干涉仪采用无芯光纤-七芯光纤-无芯光纤的结构,当七芯光纤发生扭转时,中心纤芯和外部纤芯的相位差发生变化,使得其透射光谱随之改变。实验结果表明,随着七芯光纤扭转角度的增加,输出光谱的下陷峰向短波长方向偏移,其传感敏感度为0.33nm/(°),角度最小测量精度为0.15°。所提光纤传感器具有成本低、构造简单、制作简便的优点,可以应用于涉及扭转、旋转等的角度测量领域。

基于偏芯光纤马赫-曾德尔干涉仪的电流传感器设计

该文开展了基于偏芯光纤马赫-曾德尔干涉仪和磁致伸缩介质Galfenol构建的光学电流传感系统的实验研究,为“传感器原理”课程中电流传感理论教学环节做实验示范。利用透射光谱中波谷处的光波长解调待测电流信号,相应的电流灵敏度为66.8 nm/A。该传感器提供了一种电流信号测量的替代方法,在电力和电子电路相关行业中具有一定的应用价值。教学实践结果表明:通过引入电流传感系统的实验教学,可激发学生学习兴趣,加深学生对传感系统相关理论知识及实际应用价值的理解,提高学生分析与解决实际问题的能力,取得了良好的教学效果。

非对称马赫-曾德尔干涉仪型不等带宽光学梳状滤波器

为提高光交错复用器系统带宽的有效利用率,满足系统中不同传输速率对带宽的要求,针对信道间隔为50 GHz的输入信号提出了新的非对称MZI型不等带宽光学梳状滤波器,研究了该系统的输出谱和制作方法。基于光纤传输理论分析了设计构成,给出了输出谱表达式及设计中所需要的实验参量。当滤波器的两对光纤干涉臂长度差相等,各耦合器的耦合系数选取适当时,该器件实现了奇偶信道上不等带宽输出,可分别用于10 Gb/s和40 Gb/s传输,信道间隔为0.8 nm,信道隔离度>25 dB;分析还发现该器件对3个耦合器的耦合参数不敏感。实验表明:该器件不仅能实现不等带宽输出功能,在实际制作过程中还由于器件对耦合器的耦合参数要求不是十分严格而降低了器件实际制作难度,因此具有实用价值。

全光纤马赫-曾德干涉型高精度油罐液位传感器

提出一种用于油罐液位测量的高精度全光纤马赫-曾德干涉型液位传感器及其频谱解调法。基于全反射原理,传感器透射谱条纹对比度随传感光纤周围油液位升高明显下降,油液位变化45 mm,干涉条纹对比度最大变化约8 dB。通过快速傅立叶变换分析滤除零频分量的透射谱发现,特定频率分量随液位升高线性下降。实验结果表明,传感光纤90 mm时,灵敏度311 mm-1,分辨率3μm。该油液液位传感器温度串扰小,在25°C到95℃范围内,被测液位误差小于0.14%。

双马赫-曾德尔型干涉仪定位技术研究

在干涉型分布式光学振动传感系统中,双马赫-曾德尔技术具有较高的定位精度和较低的成本,更受关注。现搭建了双马赫-曾德尔分布式光纤传感系统,并对其进行了定位实验,阐述了检测系统的组成和原理。对基于互相关算法的定位性能进行研究,测试了其单点定位和多点定位功能,指出其定位局限性。另外重点分析了影响该系统定位稳定性的因素,提出一种数据处理算法,以提高其定位稳定性。实验结果表明,经过该算法数据处理之后,系统定位稳定性和可靠性得到极大提高。

基于全光纤M-Z干涉仪的单通道光开关研究

为了实现高性能的光开关器件,提出了在马赫-曾德尔干涉仪的一端连上光纤布喇格光栅构成单通道光开关器件的方法,并针对该器件进行了理论模拟研究和实验验证,得出了该器件在波长1550nm处的光开关输出谱。结果表明,该器件具有结构简单、易于实现和性能良好等优点。