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/%。

基于多模干涉与马赫-曾德尔干涉效应的光纤振动传感器研究

提出了一种结合多模干涉效应的新型马赫-曾德尔干涉仪(MZI)结构,并将其用于振动检测研究。与基于两个3 dB单模光纤耦合器(OC)级联而成的传统MZI不同的是,文章采用多模OC与单模OC共同构成MZI。利用芯径为105μm的阶跃折射率分布多模光纤与芯径为62.5μm的渐变折射率分布多模光纤分别采用熔融拉锥法制作了分光比为1∶1的3 dB多模OC,并将其分别与3 dB单模OC构建了MZI,同时为了对比,也利用两个单模OC构建了MZI。分别对采用不同类型OC构建的MZI中的一个干涉臂施加振动干扰,并使用示波器进行数据采集和分析。结果表明,基于芯径为105μm的阶跃折射率分布多模耦合器构建的MZI具有最大的可检测振动频率范围,为1~20 kHz,同时在振动频率偏差和振动频率鉴别能力上也表现最优。

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3×3耦合器的双马赫-曾德尔干涉仪数字化相位解调

由于马赫-曾德尔(Mach-Zehnder)光纤干涉传感系统的定位精度在实际应用中受到初始相位偏移的影响,本文针对系统的光路结构,提出了一种基于3×3耦合器的被动数字化解调方法。利用3×3耦合器的2路输出信号构成椭圆曲线,在约束条件下对信号系数进行最小二乘拟合,然后采用微分交叉相乘法解调出相位信号。与传统的解调方法相比,提出的方法降低了对耦合器高对称性的要求,不需限制其它参数;约束条件下椭圆拟合的鲁棒性好,尤其是对于椭圆度较差的数据点具有很强的适应能力,适用于微弱振动信号的解调。仿真结果和现场实验数据证明该方法切实有效,运算量小,利用现场数据解调出的相位信号相关性达到0.992 0;互相关计算显示其在总长43km的管道上的定位误差为81.2m,有效提高了系统性能。

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。

基于全光纤马赫-曾德尔干涉仪的电压传感研究

利用压电陶瓷 ( PZT)的电致伸缩效应 ,我们报道了一种全光纤马赫 -曾德尔干涉仪 ( MZI)电压传感器 ,对直流电压传感特性进行了实验研究 .采用波长定标法 ,在消除环境干扰的情况下 ,当直流电压在 -58～ 58V范围内变化时 ,波长改变了 3 .86nm,调谐灵敏度为 0 .0 3 3 nm/ V,线性拟合度为 0 .

基于马赫-曾德尔干涉仪的全光逻辑异或门理论研究

基于半导体光放大器(SOA)和线性光放大器(LOA)构成的马赫曾德尔干涉仪(MZI),从速率方程出发,模拟了LOA的泵浦放大和增益箝制特性,建立了SOA MZI和LOA MZI结构全光异或门数值模型,通过控制探测光功率和偏置电流,实现了两路40Gbit/s信号的异或运算。并通过求解速率方程,对异或运算的结果进行了分析和比较;从器件结构上对2种异或门运算结果的差异给出了解释。结果表明:SOA和LOA中载流子恢复时间限制了信号处理速度;合理控制偏置电流和探测光功率可以提高信号处理能力;LOA具有增益箝制作用,对输入信号的扰动具有不敏感性;与SOA MZI异或门相比,LOA MZI异或门输出信号的消光比较高,功率较低;对于输出脉冲波形而言,LOA MZI异或门性能优于SOA MZI异或门。

采用马赫-曾德尔干涉法测量单晶硅在线应力损伤

开展了毫秒脉冲激光辐照单晶硅的实验研究,基于马赫-曾德尔干涉技术测量了毫秒脉冲激光与单晶硅相互作用过程中的在线应力损伤。用COMSOL Multiphysics有限元仿真软件建立了毫秒脉冲激光辐照单晶硅的数值仿真模型。从理论和实验两方面探讨了毫秒脉冲激光与单晶硅作用时,相同脉宽不同能量密度下应力场随时间的演变规律。进一步研究了干涉条纹的处理方法,基于传统x轴投影法提出了用45°投影法来计算材料各方向上的应变,并对两种处理方法得到的实验结果进行了对比。结果显示:与仿真结果相比,x轴投影法实验结果的误差为9.5%~29.3%,而45°投影法实验结果的误差为0.1%~22.6%,表明用马赫-曾德尔干涉法测量激光辐照单晶硅产生的在线应力损伤时,采用45°投影法计算材料各方向上的应变结果更为准确。该实验和计算方法为单晶硅在线应力损伤的研究提供了理论和实验上的指导。

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。

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。

一种基于半导体光放大器马赫-曾德尔干涉仪的新型全光信头和净荷分离方案(英文)

提出一种新型的光分组信头净荷分离方案.利用一个非对称半导体光放大器马赫-曾德尔干涉仪提取出信头脉冲,然后再利用对称的SOA-MZIs构建异或门,完成信头脉冲和光分组脉冲在差分调制下的逻辑运算,提取出净荷脉冲.在50Gb/s速率下,数值仿真表明提取出的信头和净荷信号的开关比均超过16dB.此外通过更改参数设置.该方案还可以应用到不同速率,不同信头长度的信头净荷分离中.

一种双微环辅助马赫-曾德尔干涉仪滤波器

为改善普通马赫-曾德尔干涉仪(MZI)滤波器的输出性能,采用将双微环谐振器与马赫-曾德尔干涉仪相结合,设计出一种新的滤波器结构。采用信号流程图理论分析得出该结构的传递函数,并对输出端口的透射谱进行数值模拟分析。仿真结果表明,与普通马赫-曾德尔干涉仪滤波器相比,当选择合适的耦合系数,双微环谐振器辅助马赫-曾德尔干涉仪滤波器的透射谱顶部平坦,形状类似于方形,自由光谱范围达到了19nm,锐度因子为1.16,消光比为54dB,品质因子为94.5,滤波性能得到较大改善。详细研究了耦合系数和微环半径对滤波器输出性能的影响。

耦合环形腔马赫-曾德尔干涉仪瞬态响应及应用

对耦合环形腔马赫-曾德尔干涉仪光脉冲瞬态响应进行了理论和数值研究.利用光束追迹法推导了脉冲传输的解析关系,并数值模拟了传输光场随时间的演化.输出脉冲形状可通过控制损耗进行调解,响应速度为皮秒量级.由于马赫-曾德尔干涉仪两输出端口的互补性,在输出端可同时实现光脉冲微分和积分操作.利用损耗控制机制,可实现单通道脉冲微分和积分操作转换.引入增益补偿损耗,可实现脉冲压缩及产生可调单一触发光脉冲.

孔型硅光子晶体中折叠式马赫-曾德尔干涉仪(英文)

设计了基于孔型硅光子晶体的折叠式马赫-曾德尔干涉仪.它由一个光反射器和几个光分束器构成.在干涉仪中,窄光束依赖自准直效应进行传输.利用时域有限差分法研究了折叠式马赫-曾德尔干涉仪的特性.结果表明,在0.255～0.270c/a的归一化频率范围内,干涉仪的两个透射谱均为正弦形且强度互补,透射谱的透射峰间距随着干涉仪两臂的光程差的增大而减小.该折叠式干涉仪结构紧凑,尺寸比非折叠式光子晶体马赫-曾德尔干涉仪要小许多,有望作为信道解复用器应用于光子芯片中.

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。

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。

基于马赫-曾德尔干涉仪的单相关峰联合变换相关技术

针对经典联合变换相关器互相关峰能量分散以及输入图像大小和相对位置受到限制的缺陷,提出了基于马赫-曾德尔干涉仪的单相关峰联合变换相关技术。目标图像和参考图像通过马赫-曾德尔干涉仪的两臂无相对位移输入,实现了互相关峰重叠位于探测器中心,缓解了输入图像的大小和相对位置与变换透镜孔径和探测器接收面积之间的矛盾;采用功率谱相减技术,消除了零级自相关峰对互相关峰的影响,增强了衍射效率。理论分析和实验结果表明,该方法不仅能获得高强度的单相关峰,使抗噪声能力是CJTC的6倍,从而大大增强了识别能力,而且充分利用了输入面空间带宽和探测器的效率,降低了系统成本,特别适合于弱信号噪声环境和大尺寸图像的识别。

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。

马赫-曾德尔干涉仪的应用研究

主要介绍马赫-曾德尔干涉仪在传感和解调方面的应用及其优势。在传感领域,应变和温度都会引起马赫-曾德尔干涉仪相位的变化,基于此提出一种利用马赫-曾德尔干涉仪和光纤布拉格光栅测量应变和温度的传感系统,并分析系统的工作原理。