基于单模光纤和光子晶体光纤熔接点形成MZI的传感特性分析

于娜　王清　梁舒

【摘 要】本文研制了一种单模光纤（Single Mode Fiber， SMF）和光子晶体光纤（Photonic Crystal Fiber，PCF）熔接点形成 Mach-Zehnder干涉仪（MZI），它是通过将单模光纤和光子晶体光纤进行偏执熔接和塌陷熔接形成的MZI。研究了此类传感器传输光谱随外界折射率的变化关系。实验结果表明，在 1.5367～1.5783 折射率变化范围内，该传感器的折射率测量灵敏度可达82.09nm/RIU。

【关键词】熔接点；单模光纤；光子晶体光纤；MZI；折射率传感

中图分类号： TN253 文献标识码： A 文章编号： 2095-2457（2017）29-0072-002

【Abstract】In this paper， a Mach-Zehnder interferometer （MZI） is fabricated by the fusion point of single mode fiber （SMF） and photonic crystal fiber （PCF）. The single mode fiber and photon Crystal fiber for paranoid welding and collapse welding MZI. The relationship between the transmission spectra of these sensors and the refractive index of the outside is studied. Experimental results show that the refractive index of the sensor can reach 82.09nm / RIU within the range of refractive index of 1.5367～1.5783.

【Key words】Fusion point； Single mode fiber； Photonic crystal fiber； MZI； Refractive index sensing

0 引言

光纤Mach-Zehnder干涉仪（MZI）具有稳定性高、灵敏度高、制作方法简单等优点，已在压力测量[1]、气体传感[2]、温度传感[3]等诸多领域得到应用。目前，国内外学者已制作出多种基于光纤的MZI传感器，如通过在光纤中引入纤芯错位构成MZI，或利用双芯结构的光纤构成MZI[4]。

光子晶体光纤（PCF）是在二维光子晶体中引入缺陷，从而将光束缚在纖芯中传输的一种新型光纤。相对于普通光纤，PCF具有较高的非线性系数，可以支持很大频率范围的光的单模传输，而且可以改变纤芯面积，进而改变光纤的非线性效应。

本文利用了PCF灵活的设计结构，通过引入纤芯偏执和空气孔塌陷的方法制作成MZI传感器，并进一步研究了其折射率传感特性，结果表明，在 1.5367～1.5783 折射率变化范围内，随折射率增加传感器输出光波中心波长在1575nm处向长波长方向漂移。

1 MZI干涉仪的制作及折射率测量原理

1.1 MZI干涉仪的制作

首先在 PCF 的两端分别熔接上一段 SMF，其中一端利用熔接机调节熔接位置，使得SMF和PCF纤芯产生错位，另外一端在熔接过程中纤芯不错位，但加大熔接电流使得PCF包层空气孔发生塌陷，从而形成 MZI传感器。其结构及光路如图 1 所示，输出光谱如图2所示。

1.2 MZI干涉仪折射率测量原理

2 MZI折射率传感实验

按比例配制了五组不同折射率的乙醇溶液，标定其折射率范围对应为1.5367、1.5449、1.5583、1.5677、1.5783。将MZI分别放置在不同折射率的乙醇溶液中，分析各折射率下的输出光谱，结果如图3所示。

通过数据分析表明，随着溶液折射率的增加，在1575nm处中心波长向长波长方向漂移，实验结果与理论分析相符合。

如图4所示为波长漂移量随折射率的变化关系，数据表明该MZI折射率传感特性线性度较好，且测量灵敏度可达82.09nm/RIU。

3 结论

本文提出并制作了一种基于SMF和PCF熔接点引入偏置区和塌陷区形成的MZI传感器，输出的光谱由纤芯中的传输光和空气孔中的传输光耦合产生。实验验证了此类传感器的折射率传感特性。实验结果表明，随着环境折射率的增加，MZI输出光谱中心波长向长波长方向漂移，折射率测量灵敏度可达82.09nm/RIU。

【参考文献】

[1]赵威威，余先伦.动态压力光子晶体光纤传感器的研究[J].光通信研究，2009（1）：60-62.

[2]边静.光子晶体光纤气体传感器[J].物理通报，2017，36（10）：112-113.

[3]伍铁生，王丽，王哲，等.一种Sagnac干涉仪结构的光子晶体光纤温度传感器[J].中国激光，2012，39（11）：212-216.

[4]卞继城，郎婷婷，俞文杰，等.基于马赫-曾德尔干涉的温度和应变同时测量的光纤传感器研究[J].光电子·激光， 2015（11）：2169-2174.endprint