基于马赫曾德尔干涉原理的优化双锥结构应变温度同步传感
发布时间：2022-01-26 23:05
设计了一种基于光纤马赫曾德尔干涉仪的优化双凹锥结构。该结构通过单模光纤和保偏光纤之间使用不充分的电弧放电熔接制作而成,可以实现应变和温度的同步测量.凹锥中部的球形纤芯可以进一步地调控包层和纤芯中的光能量分布,经优化几何参数后的结构可以获得16 dB的干涉条纹消光比,大于相同参数下的双凹锥结构。传感实验表明所提出的结构在0～244.35με和25～50℃的范围内分别具有±1.616με和±0.79°C的高分辨率。由于交叉敏感导致两个参数的测量误差均小于1×10-3%.这种结构为同时测量应变和温度提供了一种有效的方法,可应用于精密仪器测量中.
【文章来源】：光子学报. 2020,49(08)北大核心EICSCD
【文章页数】：10 页
【部分图文】：
DOT结构制作过程示意图
PMF的截面图如图2(a）所示，纤芯、包层、应力区直径分别表示为R1、R2、R3.DOT结构如图2(b）所示，由两段导入/导出SMF和一段PMF组成.当光传播到一级凹锥区域时，部分光能量泄漏到包层区域并激发出多种包层模式，并同时沿PMF的x、y两正交方向传输.凹锥中部的球状纤芯区域在原凹锥分光比的基础上进一步实现纤芯能量Icore和包层能量Icladding的分配，入射光沿着PMF以能量包的形式从前面的光纤模式随机传播到后面的光纤模式，且在传输过程中偏振模式保持恒定.当入射光传输到第二个凹锥区域时，大多数包层模式功率将重新耦合到纤芯中，从而导致不同光纤模式之间的耦合.该MZI结构中两个凹锥区域分别充当光纤分束器、合束器的作用.一个典型的双模MZI结构，根据相位匹配条件Δφ=(2N+1)π发生干涉，且N为整数.则干涉谷的特征波长可以表示为式中，ncoeff和ncleff分别表示纤芯和包层模式的有效折射率，λ为入射光的波长，L为PMF的长度.
根据图2(a）所示的PMF的截面结构建立仿真模型，其中R1=125μm,R2=7μm,R3=30μm.利用有限元方法模拟了光纤结构中的模式场分布情况.不同偏振方向的包层模式对应的传播常数基本一致，因此可以近似简并为同一个包层模式.如图3(a）所示为不同锥区直径与光纤模式传播常数的关系，可以看出当光纤直径从125μm减小到30μm时，由于破坏了几何形状导致PMF中存在的应力被释放，对应纤芯模的传播常数逐渐减小.纤芯模式和各阶包层模式之间的传播常数差逐渐减小，导致纤芯模式与不同包层模式发生不同程度的耦合.由于纤芯模式LP01与包层模式LP11之间的传播常数差很小，耦合区域内该两种模式之间的平均传播常数差，所以主要发生LP01和LP11模式间的干涉，其他模式仅对光谱起到轻微调制作用.在保证实验参数一致的情况下分别制作L=1～5 cm的DOT干涉结构，对应的透射光谱如图3(b）所示.由图3可知，在同一波段范围内的干涉谷数目与干涉长度呈正相关，且自由光谱范围（Free Spectral Range,FSR）逐渐减小.其中对于L=5 cm的结构，由于FSR的理论值和实验值之差为0.046 25 nm，因此我们选择干涉长度为5 cm的结构进行后续实验研究.图3 基于DOT结构的模式干涉分析
本文编号：3611286
【文章来源】：光子学报. 2020,49(08)北大核心EICSCD
【文章页数】：10 页
【部分图文】：
DOT结构制作过程示意图
PMF的截面图如图2(a）所示，纤芯、包层、应力区直径分别表示为R1、R2、R3.DOT结构如图2(b）所示，由两段导入/导出SMF和一段PMF组成.当光传播到一级凹锥区域时，部分光能量泄漏到包层区域并激发出多种包层模式，并同时沿PMF的x、y两正交方向传输.凹锥中部的球状纤芯区域在原凹锥分光比的基础上进一步实现纤芯能量Icore和包层能量Icladding的分配，入射光沿着PMF以能量包的形式从前面的光纤模式随机传播到后面的光纤模式，且在传输过程中偏振模式保持恒定.当入射光传输到第二个凹锥区域时，大多数包层模式功率将重新耦合到纤芯中，从而导致不同光纤模式之间的耦合.该MZI结构中两个凹锥区域分别充当光纤分束器、合束器的作用.一个典型的双模MZI结构，根据相位匹配条件Δφ=(2N+1)π发生干涉，且N为整数.则干涉谷的特征波长可以表示为式中，ncoeff和ncleff分别表示纤芯和包层模式的有效折射率，λ为入射光的波长，L为PMF的长度.
根据图2(a）所示的PMF的截面结构建立仿真模型，其中R1=125μm,R2=7μm,R3=30μm.利用有限元方法模拟了光纤结构中的模式场分布情况.不同偏振方向的包层模式对应的传播常数基本一致，因此可以近似简并为同一个包层模式.如图3(a）所示为不同锥区直径与光纤模式传播常数的关系，可以看出当光纤直径从125μm减小到30μm时，由于破坏了几何形状导致PMF中存在的应力被释放，对应纤芯模的传播常数逐渐减小.纤芯模式和各阶包层模式之间的传播常数差逐渐减小，导致纤芯模式与不同包层模式发生不同程度的耦合.由于纤芯模式LP01与包层模式LP11之间的传播常数差很小，耦合区域内该两种模式之间的平均传播常数差，所以主要发生LP01和LP11模式间的干涉，其他模式仅对光谱起到轻微调制作用.在保证实验参数一致的情况下分别制作L=1～5 cm的DOT干涉结构，对应的透射光谱如图3(b）所示.由图3可知，在同一波段范围内的干涉谷数目与干涉长度呈正相关，且自由光谱范围（Free Spectral Range,FSR）逐渐减小.其中对于L=5 cm的结构，由于FSR的理论值和实验值之差为0.046 25 nm，因此我们选择干涉长度为5 cm的结构进行后续实验研究.图3 基于DOT结构的模式干涉分析
本文编号：3611286
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