基于少模光纤的模式干涉型传感仪

靳云 任大伟 于侃

摘要：光纖传感器具有灵敏度高、测量范围大、响应速度快等优点被广泛应用于建筑、医药、国防等领域。少模传感是利用单根光纤中不同模式干涉来实现，结构更趋简单稳定。本文综述了基于少模光纤的模式干涉仪的五种实现方法。

关键词：纤芯失配;错位熔接;光纤锥;光纤气泡;光纤光栅

现有的光纤传感仪主要集中在单模光纤和多模光纤的研究上。[1]少模光纤指的是基模和少数几个高阶模可以同时传输的光纤。[2]单模光纤干涉是利用不同光纤内的两束相干光之间的干涉实现光纤传感测量，而少模传感是利用单根少模光纤中传输的两个模式来实现。因此少模干涉摒弃了传统干涉仪的双臂结构，结构更为简单稳定，而且消除了因两臂受到不等干扰时引起的误差。[3]

一、全光纤模式干涉仪实现方法

全光纤模式干涉仪是在一根光纤上利用不同模式实现干涉，无需使用耦合器，因此结构更紧凑。全光纤马赫曾德尔干涉仪依据激发模式的物理结构不同可分为以下几种类型：

（一）纤芯失配型

基于纤芯失配型是将一段少模光纤两端熔接单模光纤。单模光纤输入的光到达第一个熔接点时，由于少模光纤的纤芯芯径大于单模光纤的芯径导致模场不匹配，激发出少模光纤中的多个模式，这些模式在第二个熔接点处相遇并产生干涉。通过控制干涉臂少模光纤的长度可以提高并改善模式干涉仪的性能。

（二）错位熔接型

基于错位熔接型是将中间段光纤与两端的光纤纤芯不对准，产生一个极小的偏移量，造成纤芯错位再熔接。当光传输到第一个错位熔接点处，纤芯基模的部分能量耦合至包层中，在第二个错位熔接点处，两部分光相遇产生干涉。纤芯的偏移量一般控制在5μm以内，为了保证质量，需要调整放电时间以及熔接强度。

（三）光纤锥型

基于光纤锥型通常有双端粗锥和双端细锥两种结构，如图1所示。粗锥与细锥的原理相同。在第一个光纤锥处纤芯基模的一部分能量耦合到包层中，在第二个光纤锥处，两部分光相遇并产生干涉。两个光纤锥之间作为干涉臂。目前常用的光纤锥制作方法有熔融拉锥法、化学腐蚀法和研磨法等。

图1光纤细锥型干涉仪结构

（四）光纤气泡型

基于光纤气泡型通常是级联两个空气孔，如图2所示。在光纤端面上利用飞秒激光器或者化学腐蚀法制作出微米量级的空气孔，然后再进行熔接，形成空气腔。在第一个空气腔处纤芯基模激发出包层模式，在第二个空气腔处，两部分光相遇产生干涉。两个空气腔之间作为干涉臂。这种方法对激光器性能和微加工技术的要求很高。

图2光纤气泡型干涉仪结构

（五）光纤光栅型

基于光纤光栅型通常是级联两个长周期光栅。利用CO2激光器在光纤纤芯刻写周期为几十至几百微米的两个相同的长周期光栅，两光栅之间作为干涉臂。在第一个长周期光栅处纤芯基模可以激发出包层模式，在第二个长周期光栅处包层模式重新耦合至纤芯基模并产生干涉。

二、结语

目前，光纤传感器具有灵敏度高、测量范围大、响应速度快等优点被广泛应用于建筑、医药、国防等领域。少模光纤不仅具有多模光纤低非线性的特点，而且还兼具了单模光纤的低损耗传输和低模式色散的特点，逐渐成为新型传感器的研究热点。因此，研究基于少模光纤的各种类型模式干涉传感仪具有重要的研究意义。

参考文献：

[1]JiangL.，YangJ.，WangS，etal.FiberMach-ZehnderInterferometerBasedonMicrocavitiesforHigh-TemperatureSensingwithHighSensitivity3[J].OpticsLetters，2011，36（19）：3753-3755.

[2]李杰.新型D型少模光纤Bragg光栅的特性及其在折射率测量中的应用[D].厦门：厦门大学，2006.

[3]FukanoH，AigaT，TaueS.High-sensitivityfiber-opticrefractiveindexsensorbasedonmultimodeinterferenceusingsmall-coresingle-modefiberforbiosensing[J].JapaneseJournalofAppliedPhysics，2014，53（4S）：853-871.