CN102096151B - 一种光纤马赫-泽德干涉仪的制造方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种光纤马赫-泽德干涉仪的制造方法，属于光纤传感器制造领域。具体为使用光纤熔接机在普通单模光纤上制作两个相隔一定距离的熔融-连接点，其相隔距离为5mm至60mm；在纤芯中传输的光经过第一个熔融-连接点时部分进入到光纤包层中；然后通过第二个熔融-连接点时，包层中的光再耦合回到光纤纤芯中；由于包层与纤芯中的折射率差，使得两束光形成一定的相位差，从而发生干涉。在本方法制作的干涉仪用作传感器时，外界环境如折射率、温度等的改变，将导致干涉条件的改变，从而引起干涉峰波长的偏移。通过检测干涉波长的偏移，便可以实现对外界环境如折射率、温度等改变的测量。

Description

一种光纤马赫-泽德干涉仪的制造方法
技术领域
本发明涉及一种光纤马赫-泽德(Mach-Zehnder)干涉仪的制造方法，属于光纤传感器制造领域。
背景技术
近年来，光纤技术的广泛应用为光学器件集成化与微型化发展提供了新思路。其中，光纤Mach-Zehnder(MZ)干涉仪是一种具有重要研究和应用价值的光学器件，具有体积小、质量轻、结构紧凑、可靠性高等优点，在光纤传感和光纤通信等领域具有广泛应用。
传统的光纤MZ干涉仪是采用两个3dB耦合器实现，第一个耦合器将光分成等强度的两束，然后通过改变调制臂的光程使得两束光在经过第二个耦合器时发生干涉。这种结构采用两根光纤分别做调制臂，容易受到环境变化的交叉影响，不利于信号解调，给实际应用带来不便，并且不利于集成。为了克服这种缺陷，可以将MZ干涉仪制作在同一根光纤上，如采用双长周期光纤光栅、光纤锥、光纤纤芯不匹配、光纤内嵌槽或孔、激光微形变等。以双长周期光纤光栅这种结构为例，在同一根光纤上制作MZ干涉仪的主要原理是，第一个长周期光纤光栅将光纤纤芯里的光部分耦合到包层里面，经过一定的长度的包层传播，然后经过第二个长周期光纤光栅耦合回到纤芯中，由于包层和纤芯的折射率差，导致两束光产生相位差，从而可以发生干涉。
以上几种方法有着各自的缺陷，如长周期光纤光栅的制作成本高、两个光栅很难完全匹配，光纤锥结构易碎、机械强度差，光纤纤芯不匹配的方式操作困难，在光纤内嵌槽或孔需要昂贵的飞秒激光加工设备等。专利US 2010/0265514A1公开了一种利用光子晶体光纤制作MZ干涉仪的方法，通过光子晶体光纤微孔道的碎裂来实现纤芯与包层模式的转换，但该方法采用的光子晶体光纤价格比较昂贵，成本高，不利于大规模应用。
发明内容
本发明为克服以上光纤马赫-泽德(Mach-Zehnder)干涉仪制作方法的不足，公开一种基于普通单模光纤的马赫-泽德(Mach-Zehnder)干涉仪的制造方法。
本发明方法是通过以下技术方案来实现：使用光纤熔接机在普通单模光纤上制作两个相隔一定距离的熔融-连接点，其相隔距离为5mm至60mm，优选值为30mm至40mm；两个熔融-连接点将纤芯中传输的光激发到包层中，然后再耦合回到纤芯，使之形成干涉谱。
其具体实现步骤如下：
步骤1，取一根单模光纤，去除中间部分的涂覆层，所去除的涂覆层长度大于两个熔融-连接点间距离。
步骤2，用光纤切割刀在光纤去除涂覆层的部分垂直切割，形成两个端面。
步骤3，将步骤2切割出的两个端面置入光纤熔接机中，在手动模式下将两端面保持一定的距离；该距离满足一次放电后两端面前端不会接触和融合。然后进行一次放电。
步骤4，将步骤3一次放电后的两个端面相接触，使光纤熔接机再次放电，使两端面熔合在一起形成第一个熔融-连接点。
步骤5，在去除涂覆层的光纤上、距离步骤4形成的第一个熔融-连接点5mm至60mm处，按照步骤2至步骤4所述的方法制作出第二个熔融-连接点。两个熔融-连接点之间的距离即为干涉仪的长度。
本发明方法制作的Mach-Zehnder干涉仪的工作原理为：由于熔融-连接处光纤纤芯与包层发生改变，使得在纤芯中传输的光经过第一个熔融-连接点时部分进入到光纤包层中；然后通过第二个熔融-连接点时，包层中的光再耦合回到光纤纤芯中；由于包层与纤芯中的折射率差，使得两束光形成一定的相位差，从而发生干涉。在本Mach-Zehnder干涉仪用作传感器时，外界环境如折射率、温度等的改变，将导致干涉条件的改变，从而引起干涉峰波长的偏移。通过检测干涉波长的偏移，便可以实现对外界环境如折射率、温度等改变的测量。
有益效果
本发明方法具有制作工艺简单、成本低、集成度高、可操作性强等优点，可以广泛应用于传感器和光纤通信等领域。
附图说明
图1为本发明的光纤马赫-泽德干涉仪制作方法的流程图；
图2为具体实施例1的光纤马赫-泽德干涉仪整体结构及原理示意图；
图3为具体实施例1中制作的椭球形光纤端面示意图；
图4为具体实施例1的干涉传输谱图；
图5为具体实施例2中MZ干涉仪用作折射率传感器时的测试响应图；
图6为具体实施例3中MZ干涉仪用作温度传感器时的测试响应图。
标号说明：
1-光纤包层，2-光纤纤芯，3-第二个熔融-连接点，4-纤芯中耦合出的光，5-第一个熔融-连接点，6-传输入纤芯中的光，7-一次放电后形成的椭球形光纤端面。
具体实施方式
为了更好地说明本发明的目的和优点，下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。
本发明的光纤马赫-泽德干涉仪制作方法如图1所示，包括去除光纤涂覆层、垂直切割成两个端面、一次放电使两端面变成椭球形、形成第一个熔融-连接点和形成第二个熔融-连接点等步骤。
实施例1
取一根单模光纤，去除中间的部分的涂覆层，所去除的长度为50mm，在去除涂覆层的部分、距离其左端7mm处将光纤采用切割刀垂直切开；然后经过一次放电，光纤端面变成椭球形7，如图3所示；再将两者接触，二次放电，使两椭球形端面熔合在一起，形成第一个熔融-连接点5；在与第一个熔融-连接点5距离36mm处，重复上述过程，制作第二个熔融-连接点3。这样，两个熔融-连接点及其中间的36mm光纤便组成了Mach-Zehnder干涉仪，如图2所示。
当传输入纤芯中的光6经过第一个熔融-连接点5时，便有部分光4耦合进入到光纤包层1中，在光纤包层1中传播36mm后经过第二个熔融-连接点3耦合回到光纤纤芯2中，由于光纤包层1与光纤纤芯2中的折射率差，使得两束光形成一定的相位差，从而可以发生干涉。通过可调谐激光器与光强探测器组成的检测***，便可以检测到干涉仪的干涉谱。图4是干涉仪长度为36mm时，通过检测***测试到的干涉谱。从图中可以看出，干涉条纹清晰，损耗峰可达25dB，可以应用在光纤传感器和光纤通信领域。
实施例2
将实施例1中制作的Mach-Zehnder干涉仪应用于检测外界环境折射率的变化，其原理是外界环境折射率的变化会引起光纤包层1有效折射率的变化，而光纤纤芯2的有效折射率不会发生改变，这将引起干涉条件的改变，从而引起干涉峰波长的偏移。通过检测干涉波长的偏移，便可以实现折射率变化的测量。测试中选择十种折射率溶液，折射率分别为1.333、1.3366、1.34、1.3435、1.347、1.3505、1.3541、1.3576、1.3612、1.3648。测试过程中，将干涉仪固定在支撑架上以保证伸直，每一中溶液测试完成后清洗干净并吹干，这样尽可能的减小弯曲和残余溶液带来的对测试结果的影响。我们记录了最大损耗峰波长在1487nm处随外界环境折射率的变化。
图5显示了Mach-Zehnder干涉仪随外界环境折射率的变化，其灵敏度是-24.05nm/RIU。在这个折射率范围内(1.333-1.3648)，这个灵敏度与文献中报道的双光栅、锥形结构的Mach-Zehnder干涉仪灵敏度相当，但是本方法比双光栅制作要简单很多，又比锥形结构具有更高的可靠性与机械强度。
实施例3
将实施例1中制作的Mach-Zehnder干涉仪应用于检测外界环境温度的变化，其原理是当外界环境温度改变时，由于光纤纤芯2和包层1的热光系数不同，由温度引起的纤芯2和包层1的改变不同，这将导致原来的干涉条件发生变化，从而引起干涉峰波长的偏移。通过检测干涉波长的偏移，便可以实现外界环境温度变化的测量。我们记录了最大损耗峰波长在1487nm处随外界环境温度的变化。图6显示了在30-350℃之间，Mach-Zehnder干涉仪随外界环境温度的变化，其灵敏度是79pm/℃。
以上所述的具体描述，对发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例，用于解释本发明，并不用于限定本发明的保护范围。本领域技术人员还可在本发明精神内做其他变化。但是，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种光纤马赫-泽德干涉仪的制造方法，其特征在于：具体实现步骤如下：
步骤1，取一根单模光纤，去除中间部分的涂覆层，所去除的涂覆层长度大于两个熔融-连接点间距离；
步骤2，用光纤切割刀在光纤去除涂覆层的部分垂直切割，形成两个端面；
步骤3，将步骤2切割出的两个端面置入光纤熔接机中将两端面保持一定的距离，进行一次放电；经过一次放电，光纤端面变为椭球形，该步骤中两端面保持的所述距离满足一次放电后两端面前端不会接触和融合；
步骤4，将步骤3一次放电后的两个端面相接触，使光纤熔接机再次放电，使两端面熔合在一起形成第一个熔融-连接点；
步骤5，在去除涂覆层的光纤上、距离步骤4形成的第一个熔融-连接点5mm至60mm处，按照步骤2至步骤4所述的方法制作出第二个熔融-连接点；两个熔融-连接点之间的距离即为干涉仪的长度。
2.根据权利要求1所述的一种光纤马赫-泽德干涉仪的制造方法，其特征在于：两个熔融-连接点的相隔距离为5mm至60mm。
3.根据权利要求1所述的一种光纤马赫-泽德干涉仪的制造方法，其特征在于：两个熔融-连接点的相隔距离为30mm至40mm。
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