环形腔微光纤MZI的海水温/盐度同时测量的设计与模拟
发布时间：2022-01-13 19:42
为实现海水中温度和盐度（温/盐度）同时测量,设计了一种环形腔微光纤Mach-Zehnder干涉仪（MZI）。首先,计算了MZI在不同温/盐度下的输出光谱,光谱中同时存在谐振峰和干涉峰,分别由环形腔谐振和MZ干涉引起,由于谐振峰和干涉峰对温/盐度变化的响应不同,因而可将其运用于海水的温/盐度同时测量;其次,为了提升MZI的测量灵敏度,计算了灵敏度与其结构参数的关系。结果表明,谐振峰的温/盐度灵敏度只与制成环形腔的微光纤直径有关,而干涉峰灵敏度同时与MZI两个微光纤臂的直径和长度相关,当制成环形腔的微光纤臂是MZI两臂中直径较小且长度较大的一臂时,能得到较高的测量灵敏度。经过优化后,干涉峰的温/盐度灵敏度比传统的光纤光栅分别提升了75倍和约3 650倍。本文设计的MZI具有结构简单、灵敏度高的优点,可为研制新型的海洋微光纤传感器提供参考。
【文章来源】：光电子·激光. 2016,27(03)北大核心CSCD
【文章页数】：6 页
【部分图文】：
图１环形腔微光纤ＭＺＩ示意图Ｆｉｇ．１Ｓｃｈｅｍａｔｉｃｄｉａｇｒａｍｏｆｋｎｏｔｒｅｓｏｎａｔｏｒ－ｃｏｕｐｌｅｄｍｉｃｒｏｆｉｂｅｒＭＺＩ
１的耦合系数ｋ为０．０１，耦合器３的耦合系数ｋ１为０．９７，耦合器２的两束输入光全部耦合至一个输出端，α＝１，δ＝ｉ，光的损耗由波导损耗、吸收损耗和弯曲损耗组成，探测光波长在１５５０ｎｍ附近。３．１输出光谱对温／盐度变化的响应选取该结构中，微光纤的直径ｄ１、ｄ２分别为２．５和３．５μｍ，臂长Ｌ１＝５５００μｍ、Ｌ２＝５０００μｍ，光纤环的直径为８００μｍ。该结构在不同的温度和盐度下的输出光谱如图２所示，光谱中同时存在ＭＺＩ产生的的干涉峰和环形腔产生的谐振峰。当温度或盐度变化时，这两个峰的位置发生移动，可以实现对海水温／盐度的同时测量。图２不同温度和盐度下的输出光谱Ｆｉｇ．２Ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎｓｐｅｃｔｒａａｔｄｉｆｆｅｒｅｎｔｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｓａｎｄｓａｌｉｎｉｔｉｅｓ从图２可以看到，ＭＺ干涉形成了整个光谱的大包络，干涉峰的自由光谱范围（ＦＳＲ）较大，半波宽度大；而微环形腔谐振使得光谱中出现一系列向下的尖锐谐振峰，谐振峰的ＦＳＲ较小，半波宽度小，因而很容易区分。３．２结构参数对灵敏度的影响为了使该结构在测量海水温／盐度时获得最高的灵敏度，需要优化结构参数。根据式（９）－（１２），温／盐度灵敏度与微光纤的直径ｄ１、ｄ２和光纤臂的长度Ｌ１、Ｌ２有关。３．２．１结构参数对谐振峰灵敏度的影响谐振峰的温／盐度灵敏度ＳＳｐ、ＳＴｐ仅由光纤直径ｄ１决定，因而首先确定最佳的光纤直径ｄ１。ＳＳｐ、ＳＴｐ与光纤直径ｄ１
振峰的ＦＳＲ较小，半波宽度小，因而很容易区分。３．２结构参数对灵敏度的影响为了使该结构在测量海水温／盐度时获得最高的灵敏度，需要优化结构参数。根据式（９）－（１２），温／盐度灵敏度与微光纤的直径ｄ１、ｄ２和光纤臂的长度Ｌ１、Ｌ２有关。３．２．１结构参数对谐振峰灵敏度的影响谐振峰的温／盐度灵敏度ＳＳｐ、ＳＴｐ仅由光纤直径ｄ１决定，因而首先确定最佳的光纤直径ｄ１。ＳＳｐ、ＳＴｐ与光纤直径ｄ１的关系如图３所示。ＳＳｐ随ｄ１的增大而减校ＳＳｐ的取值为正，表明随着盐度增大，谐振峰总是向长波长方向移动，这是因为盐度的增大导致了光纤有效折射率ｎ１的增大。与盐度不同，ＳＴｐ的取值经过零点且不总为正值，其随ｄ１的增大先减小后增大。当ｄ１＜１．２７μｍ时，谐振峰随着温度的增大向短波长方向移动；当ｄ１＞１．２７μｍ时，谐振峰随着温度的增大向长波长方向移动，其原因是温度增大将对不同ｄ１的光纤有效折射率ｎ１产生不同的影响，当ｄ１＜１．２７μｍ时，ｎ１减小；当ｄ１＞１．２７μｍ时，ｎ１增大。ｄ１取０．５μｍ时，能同时获得较高的温度灵敏度（－１４．３１ｐｍ／℃）和盐度灵敏度（２０７．５５ｐｍ／‰）；当ｄ１＜０．５μｍ时，灵敏度基本不变。因此，０．５μｍ是较为理想的直径参数（在下面的计算中，ｄ１取值均为０．５μｍ）。图３谐振峰温／盐度灵敏度与光纤直径ｄ１的关系Ｆｉｇ．３Ｒｅｌａｔｉｏｎｓｈｉｐｂｅ
【参考文献】：
期刊论文
[1]A temperature sensor based on switchable dual- wavelength fiber Bragg grating laser with a semiconductor saturable absorber mirror[J]. 黎琦,黄凯强,陈海燕. Optoelectronics Letters. 2015(06)
本文编号：3587031
【文章来源】：光电子·激光. 2016,27(03)北大核心CSCD
【文章页数】：6 页
【部分图文】：
图１环形腔微光纤ＭＺＩ示意图Ｆｉｇ．１Ｓｃｈｅｍａｔｉｃｄｉａｇｒａｍｏｆｋｎｏｔｒｅｓｏｎａｔｏｒ－ｃｏｕｐｌｅｄｍｉｃｒｏｆｉｂｅｒＭＺＩ
１的耦合系数ｋ为０．０１，耦合器３的耦合系数ｋ１为０．９７，耦合器２的两束输入光全部耦合至一个输出端，α＝１，δ＝ｉ，光的损耗由波导损耗、吸收损耗和弯曲损耗组成，探测光波长在１５５０ｎｍ附近。３．１输出光谱对温／盐度变化的响应选取该结构中，微光纤的直径ｄ１、ｄ２分别为２．５和３．５μｍ，臂长Ｌ１＝５５００μｍ、Ｌ２＝５０００μｍ，光纤环的直径为８００μｍ。该结构在不同的温度和盐度下的输出光谱如图２所示，光谱中同时存在ＭＺＩ产生的的干涉峰和环形腔产生的谐振峰。当温度或盐度变化时，这两个峰的位置发生移动，可以实现对海水温／盐度的同时测量。图２不同温度和盐度下的输出光谱Ｆｉｇ．２Ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎｓｐｅｃｔｒａａｔｄｉｆｆｅｒｅｎｔｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｓａｎｄｓａｌｉｎｉｔｉｅｓ从图２可以看到，ＭＺ干涉形成了整个光谱的大包络，干涉峰的自由光谱范围（ＦＳＲ）较大，半波宽度大；而微环形腔谐振使得光谱中出现一系列向下的尖锐谐振峰，谐振峰的ＦＳＲ较小，半波宽度小，因而很容易区分。３．２结构参数对灵敏度的影响为了使该结构在测量海水温／盐度时获得最高的灵敏度，需要优化结构参数。根据式（９）－（１２），温／盐度灵敏度与微光纤的直径ｄ１、ｄ２和光纤臂的长度Ｌ１、Ｌ２有关。３．２．１结构参数对谐振峰灵敏度的影响谐振峰的温／盐度灵敏度ＳＳｐ、ＳＴｐ仅由光纤直径ｄ１决定，因而首先确定最佳的光纤直径ｄ１。ＳＳｐ、ＳＴｐ与光纤直径ｄ１
振峰的ＦＳＲ较小，半波宽度小，因而很容易区分。３．２结构参数对灵敏度的影响为了使该结构在测量海水温／盐度时获得最高的灵敏度，需要优化结构参数。根据式（９）－（１２），温／盐度灵敏度与微光纤的直径ｄ１、ｄ２和光纤臂的长度Ｌ１、Ｌ２有关。３．２．１结构参数对谐振峰灵敏度的影响谐振峰的温／盐度灵敏度ＳＳｐ、ＳＴｐ仅由光纤直径ｄ１决定，因而首先确定最佳的光纤直径ｄ１。ＳＳｐ、ＳＴｐ与光纤直径ｄ１的关系如图３所示。ＳＳｐ随ｄ１的增大而减校ＳＳｐ的取值为正，表明随着盐度增大，谐振峰总是向长波长方向移动，这是因为盐度的增大导致了光纤有效折射率ｎ１的增大。与盐度不同，ＳＴｐ的取值经过零点且不总为正值，其随ｄ１的增大先减小后增大。当ｄ１＜１．２７μｍ时，谐振峰随着温度的增大向短波长方向移动；当ｄ１＞１．２７μｍ时，谐振峰随着温度的增大向长波长方向移动，其原因是温度增大将对不同ｄ１的光纤有效折射率ｎ１产生不同的影响，当ｄ１＜１．２７μｍ时，ｎ１减小；当ｄ１＞１．２７μｍ时，ｎ１增大。ｄ１取０．５μｍ时，能同时获得较高的温度灵敏度（－１４．３１ｐｍ／℃）和盐度灵敏度（２０７．５５ｐｍ／‰）；当ｄ１＜０．５μｍ时，灵敏度基本不变。因此，０．５μｍ是较为理想的直径参数（在下面的计算中，ｄ１取值均为０．５μｍ）。图３谐振峰温／盐度灵敏度与光纤直径ｄ１的关系Ｆｉｇ．３Ｒｅｌａｔｉｏｎｓｈｉｐｂｅ
【参考文献】：
期刊论文
[1]A temperature sensor based on switchable dual- wavelength fiber Bragg grating laser with a semiconductor saturable absorber mirror[J]. 黎琦,黄凯强,陈海燕. Optoelectronics Letters. 2015(06)
本文编号：3587031
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