专利名称：双F-P腔与Mach-Zehnder组合干涉仪的制作方法
技术领域：
本发明涉及的是一种组合式光纤干涉仪，属于光纤技术领域。
背景技术：
光纤Mach-Zehnder干涉仪在光纤通信、光纤传感等领域具有非常广泛的应用。普通的光纤Mach-Zehnder干涉仪是利用一个3dB光纤耦合器将半导体激光器发出光分成强 度相等的两束，分别进入到两个独立的光纤干涉臂中传输，光在两臂传输一段距离后，再经 过另一个3dB耦合器进行干涉，干涉光信号通过光电转换探测器后被转换成电信号并被放 大，从而实现干涉光信号的探测，如专利(CN 1251906A)。由于光纤两个反射臂中的光传导 特性可以受到温度、压力等外在条件的影响，所以，光纤Mach-Zehnder干涉仪可以实现光 纤应变、温度等物理量的测量。该干涉仪是利用两个相互独立的光传输通道，用于实现光程 调谐与匹配。由于它不存在共光路结构，极易受到环境因素(诸如温度和振动)的影响，导 致两光路的光程产生不一致的变化，使传感器信号的解调产生影响，降低了干涉仪的信号 解调灵敏度，使测量的精度下降。即Mach-Zehnder干涉仪的测量灵敏度不够。在所有干涉仪中，F-P干涉仪由于经由多次反射反复叠加后可以形成精细度 很高的反射谱或透射谱，因此能够获得相当高的探测灵敏度。对于光纤F-P干涉仪(US 5682237)，它是在光纤内制造出两个反射端面，从而形成一个微腔。当相干光束沿光纤入 射到此微腔时，光在微腔的两端面反射后沿原路返回、并相遇而产生干涉。当外界参量以 一定方式作用于此微腔，使其相位差发生变化，导致其干涉输出反射光强也发生相应变化， 进而实现传感测量。由于腔内的介质是光纤本身，因此损耗�。怀た梢宰龅暮艽螅蛹� 厘米到几米，在光纤中，也可以通过在纤芯中同时写入两个反射谱相同的光纤光栅，从而 构成光纤F-P干涉仪。国内饶云江等人曾提出过多种结构光纤F-P干涉仪及其制作方法 (CN101055196, CN101034007)。上述两种干涉仪通常集成度不够高，王廷云等(中国专利CN 101464539A)提出一 种基于同轴光纤的Mach-Zehnder干涉仪，干涉仪由单模输入光纤、同轴光纤、单模光纤、同 轴光纤和单模输出光纤依次连接而构成，在单根光纤中实现Mach-Zehnder干涉仪；苑立波 等(中国专利CN 101105555A)也提出了一种单根光纤Mach-Zehnder干涉仪，利用双芯光 纤来实现，上述干涉仪集成度大大提高，但测量灵敏度没有得到改善，偏振态的随机变化导 致干涉信号的不稳定问题也没有解决。
发明内容
本发明的目的在于提供一种能够进一步提高干涉仪的灵敏度，同时解决干涉仪的 稳定性问题的双F-P腔与Mach-Zehnder组合干涉仪。本发明的目的是这样实现的由两个光纤F-P干涉仪和光纤Mach-Zehnder干涉仪组合而成；所述的 Mach-Zehnder干涉仪由单芯保偏光纤和熔嵌式双芯保偏光纤的两端分别进行熔接耦合而构成；所述的两个光纤F-P干涉仪是在熔嵌式双芯保偏光纤的两个纤芯上分别刻写双 Bragg光纤光栅对构成的双F-P腔；每个F-P腔分别嵌于Mach-Zehnder干涉仪的两臂。
本发明还可以包括1、所述的熔嵌式双芯保偏光纤是具有光敏性的中心为空气孔，两个纤芯对称的部 分悬挂于空气孔中、部分嵌入包层中的双芯光纤，两个纤芯呈椭圆形，两个纤芯具有相同的 偏振主轴方向。2、两个光纤F-P干涉仪是由四个具有相同反射中心波长的两组Bragg光纤光栅对 构成。3、同一 F-P腔中的光纤光栅对的光纤光栅的反射率相同，不同的F-P腔中的光纤 光栅对的光纤光栅的反射率不相同。4、所述的光纤光栅的反射率在-99%之间。5、所述的Mach-Zehnder干涉仪由单芯保偏光纤和熔嵌式双芯保偏光纤的两端分 别进行熔接耦合而构成，是指单芯保偏光纤的尾端和熔嵌式双芯保偏光纤一端利用保偏光 纤熔接机直接对接熔合完成耦合，或是对熔接后的光纤利用拉锥机在两光纤焊点处进行加 热拉锥，在焊点处形成准锥形结构来实现1X2分束，而熔嵌式双芯保偏光纤另一端与单芯 保偏光纤形成准锥形结构来实现2X 1合波器的功能。6、所述的熔嵌式双芯保偏光纤纤芯可以进行铒掺杂，实现信号的加强与放大。图2给出了本发明的干涉仪的基本结构，由两个光纤F-P干涉仪9、10和一个光 纤Mach-Zehnder干涉仪组合而成。所述的Mach-Zehnder干涉仪由单芯保偏光纤5和双芯 保偏光纤6的两端分别进行熔接耦合而构成；所述的两个光纤F-P干涉仪9、10是由熔嵌 式双芯保偏光纤6上刻写双Bragg光纤光栅对11、12和13、14构成的双F-P腔，分别嵌于 Mach-Zehnder干涉仪的两臂，光纤F-P干涉仪9、10可以具有不同的腔长，也可以处于光纤 轴向不同的位置。本发明的干涉仪工作原理为光源4发出的光进入单芯保偏光纤5后， 经过单芯光纤5和双芯光纤6熔合后形成的准锥形结构6实现传输光的分束功能，一臂光 经过光纤光栅对11和12构成的F-P腔9，另一臂光经过与光纤光栅对11、12特性相同的 光纤光栅对13和14构成的F-P腔10，即两束干涉光分别经过Mach-Zehnder干涉仪两臂， 再次经过双芯光纤6和单芯光纤5熔合的锥形区8，在锥形区实现干涉，干涉光经由检测器 15接收。可以通过调节两个F-P腔腔长改变Mach-Zehnder干涉仪两臂的相位差。为了干 涉信号对比度更大，干涉仪两臂的分光比要尽量一致，光栅对的反射率也应一致。该结构可 以进行透射式测量，也可以进行反射式测量。在采用反射式测量时，等效于双F-P干涉仪和 Michelson干涉仪的组合式干涉仪。为了进一步提高干涉仪的灵敏度，同时解决干涉仪的稳定性问题，本发明结合集 成式光纤Mach-Zehnder干涉仪的结构，提出在Mach-Zehnder干涉仪两个干涉臂分别构造 F-P腔，在同一根保偏光纤中形成了双F-P干涉仪和Mach-Zehnder干涉仪的组合式干涉仪。本发明的优势在于1.与传统的集成式Mach-Zehnder干涉仪相比，因组合了 F-P 腔结构，其测量灵敏度可以得到提高；2.利用保偏光纤构成干涉仪，可以解决传统干涉仪 因偏振态随机变化引起的稳定性问题；3. Mach-Zehnder干涉仪两臂处于同一根光纤中，提 高了干涉仪的温度稳定性。本发明具有制造工艺简单、单根光纤集成、灵敏度高、保偏特性好、温度稳定性高等优点。
图1为本发明基于熔嵌芯式双芯保偏光纤截面图；图2为本发明等臂双F-P腔和Mach-Zehnder干涉仪构成的组合式干涉仪；图3为本发明处于光纤轴向不同位置处的等臂双F-P腔组合式干涉仪。图4为本发明不等臂双F-P腔和Mach-Zehnder干涉仪构成的组合式干涉仪。
具体实施例方式下面结合附图举例对本发明做更详细地描述图1为本发明熔嵌芯式双芯保偏光纤截面图；两个纤芯1具有相同的偏振主轴方向，光纤中心为空气孔3，两个纤芯1对称的嵌在包层2内壁，每个纤芯1部分在包层中部分 裸露在空气孔3中。图2为本发明的实施例1的结构示意图，光源4发出的光输入到单芯光纤5中，利 用单芯光纤5和熔嵌芯式双芯保偏光纤6熔合后形成的准锥形结构7实现传输光的分束功 能，一臂光经过光纤光栅对11和12构成的F-P腔9，另一臂光经过与光纤光栅对11、12特 性相同的光纤光栅对13和14构成的F-P腔10，两束干涉光分别经过Mach-Zehnder干涉仪 两臂后，经过熔嵌芯式双芯保偏光纤6和单芯光纤5熔合后形成的锥形区8，再次实现干涉， 两次干涉后的光经由检测器15接收。其中光纤熔合后需要经过清洗，然后用环氧树脂进行 封装固化。上述结构中两个F-P腔9、10具有相同的腔长，即等臂双F-P腔和Mach-Zehnder 干涉仪构成的组合式干涉仪。该实施例中的光纤光栅可以利用相位掩模法进行写入，光栅 11、13—次性同时写入，而光栅12、14也可以同时写入。图3为本发明的实施例2的结构示意图，在本实施例中，组合干涉仪的结构与实施 例1相同，只是两个F-P腔处于双芯光纤轴向不同位置处，光纤光栅11-14是分别逐个写入 的。图4为本发明的实施例3的结构示意图，在本实施例中，组合干涉仪的结构与实施 例1相同，只是两个F-P腔9、10具有不同的腔长。即光纤光栅11和13同时写入，而光纤 光栅12和14是逐一写入的。有上述实施例可以看出本发明双F-P腔和Mach-Zehnder干涉仪的组合式干涉仪， 它具有集成度高、保偏特性好、温度稳定性高等优点。可用于应变、弯曲及生化传感。
权利要求
一种双F-P腔与Mach-Zehnder组合干涉仪，由两个光纤F-P干涉仪和光纤Mach-Zehnder干涉仪组合而成；其特征是所述的Mach-Zehnder干涉仪由单芯保偏光纤和熔嵌式双芯保偏光纤的两端分别进行熔接耦合而构成；所述的两个光纤F-P干涉仪是在熔嵌式双芯保偏光纤的两个纤芯上分别刻写双Bragg光纤光栅对构成的双F-P腔；每个F-P腔分别嵌于Mach-Zehnder干涉仪的两臂。
2.根据权利要求1所述的双F-P腔与Mach-Zehnder组合干涉仪，其特征是所述的熔 嵌式双芯保偏光纤是具有光敏性的中心为空气孔，两个纤芯对称的部分悬挂于空气孔中、 部分嵌入包层中的双芯光纤，两个纤芯呈椭圆形，两个纤芯具有相同的偏振主轴方向。
3.根据权利要求2所述的双F-P腔与Mach-Zehnder组合干涉仪，其特征是两个光纤 F-P干涉仪是由四个具有相同反射中心波长的两组Bragg光纤光栅对构成。
4.根据权利要求3所述的双F-P腔与Mach-Zehnder组合干涉仪，其特征是同一F-P 腔中的光纤光栅对的光纤光栅的反射率相同，不同的F-P腔中的光纤光栅对的光纤光栅的 反射率不相同。
5.根据权利要求4所述的双F-P腔与Mach-Zehnder组合干涉仪，其特征是所述的光 纤光栅的反射率在-99%之间。
6.根据权利要求5所述的双F-P腔与Mach-Zehnder组合干涉仪，其特征是所述的 Mach-Zehnder干涉仪由单芯保偏光纤和熔嵌式双芯保偏光纤的两端分别进行熔接耦合而 构成，是指单芯保偏光纤的尾端和熔嵌式双芯保偏光纤一端利用保偏光纤熔接机直接对接 熔合完成耦合，或是对熔接后的光纤利用拉锥机在两光纤焊点处进行加热拉锥，在焊点处 形成准锥形结构来实现1X2分束，而熔嵌式双芯保偏光纤另一端与单芯保偏光纤形成准 锥形结构来实现2X 1合波器的功能。
7.根据权利要求6所述的双F-P腔与Mach-Zehnder组合干涉仪，其特征是所述的熔 嵌式双芯保偏光纤纤芯进行铒掺杂。
全文摘要
本发明提供的是一种双F-P腔与Mach-Zehnder组合干涉仪。由两个光纤F-P干涉仪和光纤Mach-Zehnder干涉仪组合而成；Mach-Zehnder干涉仪由单芯保偏光纤和熔嵌式双芯保偏光纤的两端分别进行熔接耦合而构成；两个光纤F-P干涉仪是在熔嵌式双芯保偏光纤的两个纤芯上分别刻写双Bragg光纤光栅对构成的双F-P腔；每个F-P腔分别嵌于Mach-Zehnder干涉仪的两臂。本发明的优势在于与传统的集成式Mach-Zehnder干涉仪相比，其测量灵敏度得到提高；利用保偏光纤构成干涉仪，解决了传统干涉仪因偏振态随机变化引起的稳定性问题Mach-Zehnder干涉仪两臂处于同一根光纤中，提高了干涉仪的温度稳定性。
文档编号G01B9/02GK101846492SQ201010186908
公开日2010年9月29日 申请日期2010年5月31日 优先权日2010年5月31日
发明者关春颖, 杨军, 苑立波 申请人:哈尔滨工程大学
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