基于多模干涉与马赫-曾德尔...涉效应的光纤振动传感器研究_田野.pdf

收稿日期:2 0 2 2-1 1-0 5.*通信作者:赵 敏E-m a i l:z h a o.m i n t s i n g h u a.o r g.c n光电器件D O I:1 0.1 6 8 1 8/j.i s s n 1 0 0 1-5 8 6 8.2 0 2 2 1 1 0 5 0 4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田 野1,赵 敏2*,张 东1,任国志1,王晓航2,刘 哲2(1.国家管网集团西部管道有限责任公司,乌鲁木齐8 3 0 0 0 0;2.北京声创新技术发展有限责任公司,北京1 0 0 0 8 5)摘 要:提出了一种结合多模干涉效应的新型马赫-曾德尔干涉仪(MZ I)结构,并将其用于振动检测研究。与基于两个3d B单模光纤耦合器(O C)级联而成的传统MZ I不同的是,文章采用多模O C与单模O C共同构成MZ I。利用芯径为1 0 5m的阶跃折射率分布多模光纤与芯径为6 2.5m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11的3d B多模O C,并将其分别与3d B单模O C构建了MZ I,同时为了对比,也利用两个单模O C构建了MZ I。分别对采用不同类型O C构建的MZ I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1 0 5m的阶跃折射率分布多模耦合器构建的MZ I具有最大的可检测振动频率范围,为12 0k H z,同时在振动频率偏差和振动频率鉴别能力上也表现最优。关键词:振动检测;马赫-曾德尔干涉仪;多模干涉;多模光纤;光纤耦合器中图分类号:O 3 2 9 文章编号:1 0 0 1-5 8 6 8(2 0 2 3)0 1-0 0 5 3-0 5R e s e a r c ho nF i b e rO p t i cV i b r a t i o nS e n s o rB a s e do nM u l t i-m o d e I n t e r f e r e n c ea n dM a c h-Z e h n d e r I n t e r f e r e n c eT I ANY e1,Z HAO M i n2,Z HANGD o n g1,R E NG u o z h i1,WANGX i a o h a n g2,L I UZ h e2(1.W e s tP i p e l i n eC o m p a n yo fP i p e C h i n a,W u l u m u q i 8 3 0 0 0 0,C H N;2.B e i j i n gS h e n gC h u a n gN e wT e c h n o l o g yD e v e l o p m e n tC o.L t d.,B e i j i n g1 0 0 0 8 5,C H N)A b s t r a c t:A n o v e lM a c h-Z e h n d e ri n t e r f e r o m e t e r(MZ I)s t r u c t u r ec o m b i n e d w i t h m u l t i-m o d e i n t e r f e r e n c ei sp r o p o s e da n da p p l i e dt ov i b r a t i o nd e t e c t i o n.D i f f e r e n tf r o mt h et r a d i t i o n a lMZ Iw h i c hw a sb a s e do n t h e c a s c a d eo f t w o3-d Bs i n g l e-m o d eo p t i c a l c o u p l e r(O C),t h eMZ Iw a sc o m p o s e do fm u l t i-m o d eO Ca n ds i n g l e-m o d eO C.A3d Bm u l t i m o d eO Cw i t ht h ec o u p l i n gr a t i oo f 11w a s f a b r i c a t e du s i n gt h es t e pi n d e xm u l t i m o d ef i b e rw i t hac o r ed i a m e t e ro f1 0 5ma n dt h eg r a d e d i n d e xm u l t i m o d e f i b e rw i t hac o r ed i a m e t e ro f 6 2.5m,a n dt h eMZ Iw a sc o n s t r u c t e dw i t ht h em u l t i m o d eO Ca n da n o t h e r3d Bs i n g l e-m o d eO Cr e s p e c t i v e l y.F o rc o m p a r i s o n,t w os i n g l e-m o d eO C sw e r ea l s ou s e dt oc o n s t r u c tt h eMZ I.V i b r a t i o nw a sa p p l i e dt oa ni n t e r f e r e n c ea r mo f t h eMZ I sc o n s t r u c t e dw i t hd i f f e r e n t t y p e so fO C s,a n dd a t aa c q u i s i t i o na n da n a l y s i sw e r ec a r r i e do u tb ya no s c i l l o s c o p e.T h er e s u l t ss h o wt h a tt h eMZ Ib a s e do nas t e pi n d e xm u l t i m o d ec o u p l e rw i t ha c o r ed i a m e t e r o f 1 0 5mh a s t h e l a r g e s t d e t e c t a b l ev i b r a t i o n f r e q u e n c y r a n g eo f 12 0k H z,a n dh a st h eb e s tp e r f o r m a n c ei nv i b r a t i o nf r e q u e n c yd e v i a t i o na n dv i b r a t i o nf r e q u e n c yd i s c r i m i n a t i o na b i l i t y.K e yw o r d s:v i b r a t i o nd e t e c t i o n;M a c h-Z e h n d e ri n t e r f e r o m e t e r;m u l t i m o d ei n t e r f e r e n c e;m u l t i m o d e f i b e r;f i b e rc o u p l e r35 半导体光电2 0 2 3年2月第4 4卷第1期田 野 等: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 0 引言振动测量作为安全检测的重要手段,在轨道交通、大型基础设施1及工程建设2等日常安全评估领域中具有重要应用。随着振动检测应用的日益广泛,检测环境越发复杂,这对振动传感器提出了越来越高的要求。光纤振动传感器3具有耐腐蚀性、灵敏度高、动态范围广、不受电磁干扰、可远程操作等优点,成为近年来安全技术领域的研究热点。光纤振动传感器主要采用光强、相位、偏振、频率和波长等作为被调制光波参数。其中光强度调制型振动传感器的原理简单、成本低廉、体积小,但其精度低、稳定性差;基于F B G的光纤振动传感器通常通过波长调制实现振动检测4-5,需借助外部机械增敏装置6,将振动转化为光栅波长变化,导致传感器的体积增大,并且波长检测也比较复杂。相比之下,相位调制型光纤振动传感器通过光纤结构的设计,将振动引起光纤内光波相位的变化,其灵敏度很高,但是由于目前各类光电探测器都不能直接感知光波强度,通常利用干涉技术将相位变化转化为强度变 化 再 进 行 检 测。基 于 马 赫-曾 德 尔 干 涉 仪(MZ I)和迈克尔逊干涉仪的光纤振动传感器,同时存在参考臂和探测臂,可以进行大范围的振动检测7-8或局部检测;基于法布里珀罗腔的光纤振动传感器9-1 0,采用一根光纤进行光传输,结构紧凑,不需参考臂,不存在参考臂受干扰带来误差问题,但仅适用于小范围局部检测。萨格纳克干涉仪也可以用于振动检测1 1,文献1 2 报道了一种基于探针型的萨格纳克干涉型光纤振动传感器,实现了对8.11 1.3k H z频率范围内的振动信号的测量。近年来,基于单模-多模-单模光纤结构的光学传感器因其成本低、易于制造等优势而引起了广泛关注1 3-1 4。这种 结构也 可 以 用 于 振 动 检 测。Wu等1 5设计了一款基于弯曲单模-多模-单模(S M S)结构的振动传感器,通过振动改变S M S结构的弯曲半径,实现了透射功率在1H z 1 2k H z频率范围内随振动的改变。本文通过改进传统MZ I的结构,将多模干涉与MZ I相结合,提出了基于多模光纤耦合器(O p t i c a lC o u p l e r,O C)和单模光纤耦合器制作的新型MZ I振动传感器结构。对不同类型多模光纤O C制作的MZ I的振动检测效果进行了对比研究,分别从振动检测频率范围、振动频率检测准确度,以及振动频率鉴别能力三个方面进行了对比。实验结果表明,采用芯径为1 0 5m的阶跃折射率分布多模光纤制成O C构建的MZ I,获得的频率检测范围最大,可检测2 0k H z以内的振动,同时在频率检测准确度以及频率鉴别能力方面也优于传统的MZ I结构。1 传感器原理本文提出的振动传感器结构是通过级联两个3d B光纤O C形成MZ I结构来实现的,如图1所示,其 中 第 一 个3d B耦 合 器O C 1由 单 模 光 纤(S MF-2 8 e,C o r n i n g)通过熔融拉锥技术制作而成,因此其尾纤也是单模光纤,第二个耦合器O C 2是采用多模光纤制作而成,因此其尾纤是多模光纤。为了研究不同多模光纤对振动检测效果的影响,采用不同类型的多模光纤进行了耦合器的制作。在实验中控制两干涉臂长尽量相等。制作的三个MZ I所用耦合器的光纤类型如表1所示。从表1中可以看出,三个MZ I都是以单模光纤3d B耦合器作为输入端,经过3d B耦合器的11的分光后,如果第二个O C是由多模光纤制成,如MZ I 1和MZ I 2的情况,则光进入多模光纤后会激发起多个高阶模式,这些高阶模式经过一段多模光纤的传输后,会在第二个耦合器中进行干涉耦合,因此该结构将多模干涉与MZ I干涉原理结合在一起,使其对光纤所经历的振动干扰更加敏感,从而可获得优于传统MZ I干涉的振动传感效果。图1 结合多模干涉的新型M Z I振动传感器结构(标红部分为多模光纤)表1 制作MZ I的光纤类型编号制作O C 1的光纤类型制作O C 2的光纤类型M Z I-1单模光纤包层直径为1 2 5m,芯径为1 0 5m的阶跃折射率分布多模光纤M Z I-2单模光纤包层直径为1 2 5m,芯径为6 2.5m的渐变折射率分布多模光纤M Z I-3单模光纤单模光纤2 实验与讨论2.1 实验系统振动检测实验系统的结构如图2所示,包含一45S EM I C O N D U C T O RO P T O E L E C T R O N I C S V o l.4 4N o.1F e b.2