中国地质大学(武汉)机械与电子信息学院, 湖北 武汉 430074
设计了工作在近红外波段的硅基马赫-曾德尔干涉仪(MZI)折射率传感器。理论和仿真模拟分析表明,通过改变MZI的结构参数可以对输出干涉谱的色散转折特性进行调控,经过优化后色散转折点(DTP)所对应的波长可以调至近红外波段(1550 nm),通过改变MZI周围的环境折射率(SRI)可以使折射率灵敏度达到37500 nm/RIU。由于DTP两侧的干涉条纹对外界折射率响应有相反的特性,将干涉波谷的相对漂移量作为检测对象,能够将灵敏度提高2倍,即75000 nm/RIU。不同于常规基于光栅和波导耦合构架的DTP传感器,所设计的DTP结构中两个干涉模式互不相关且均可独立调控,并可根据需要灵活调控色散转折波长。
集成光学 传感器 波导耦合 近红外 马赫-曾德干涉仪 色散转折点 环境折射率
1 山东大学 信息科学与工程学院，山东 青岛 266237
2 山东省激光技术与应用重点实验室，山东 青岛 266237
3 山东大学 激光与红外系统集成技术教育部重点实验室，山东 青岛 266237
双马赫-曾德(M-Z)干涉仪系统因其光路简单、灵敏度高、频率响应宽等独特优势受到了广泛的关注及应用，但由于其非常容易受到外界环境噪声的影响，直接采取互相关计算方法获取扰动信号位置会导致较大的测量误差。本文提出了一种基于希尔伯特-黄变换(HHT)的数据信号处理方案用于实现高精度的分布式光纤振动定位检测。通过对接收到的两路光信号进行经验模态分解得到本征模函数，并对所有本征模函数进行希尔伯特变换叠加得到希尔伯特谱，从而可以清晰直观地提取到由振动信号引起的高相似度光信号信息，再通过互相关计算由振动信号引起的时间延迟，从而准确计算振动位置信息。相比于传统的直接互相关计算方法，本方法可以有效识别及提取双M-Z干涉仪系统中振动信号引起的特征信息，从而可以有效降低外界环境噪声对系统的影响，减小定位误差。本文对所提出的方法进行了相关理论分析，并搭建了双M-Z干涉仪系统进行相关实验验证。实验结果表明，与传统直接互相关方法相比，本方法可以有效减少互相关数据的计算量，同时该方法可以有效提高振动位置的定位精度，在2 km的传感光纤长度、10 MHz采样率下，定位精度可达10 m。本文提出的基于双马赫-曾德干涉仪系统的分布式光纤传感技术具有较高的实际应用价值。
光纤传感 希尔伯特-黄变换 双马赫-曾德干涉仪 定位方法 端点检测 optical fiber sensing Hilbert-Huang transform dual Mach-Zehnder interferometer positioning method endpoint detection
南昌航空大学无损检测教育部重点实验室, 江西 南昌330063
对基于微锥的侧抛光纤马赫-曾德尔干涉仪(MZI)结构进行了理论和实验研究。与传统没有经过侧边抛磨的光纤MZI相比,可以看出控制光纤侧抛深度可以有效地提高MZI结构的折射率传感性能。研究结果表明:侧抛深度达41.7 μm时,折射率在1.34附近的传感灵敏度达-117.145 nm/RIU。利用侧抛光纤MZI结构结合亲水性材料氧化石墨烯(GO),通过将其沉积在侧抛光纤MZI表面,实现了对温度和湿度双参量的同时测量。温度和相对湿度(RH)的传感灵敏度分别达131.77 pm/℃和-76.1 pm/%RH。所提侧抛光纤MZI传感器结构具有灵敏度高、低成本和制备简单等优点,在生物化学传感领域具有广泛的应用前景。
光纤光学 马赫-曾德干涉仪 侧边抛磨 氧化石墨烯 温湿度传感
中国计量大学 光学与电子科技学院，杭州 310018
为了探究同结构级联传感器的级联级数对传感器灵敏度的影响，对基于同结构二级与三级级联的马赫曾德光纤传感器进行了研究.实验中，分别采用放电熔接法制作了基于腰椎放大结构的和错位结构的二级级联和三级级联的M-Z光纤传感器.并对二级级联结构和三级级联结构的应变传感特性进行了研究.实验结果表明，双腰椎放大的M-Z光纤传感器的应变灵敏度为-0.76 pm/με，三腰椎放大的M-Z光纤传感器的应变灵敏度为-0.75 pm/με，应变灵敏度变化为0.01 pm/με；双错位结构的M-Z光纤传感器的应变灵敏度为-0.73 pm/με，三错位结构的M-Z光纤传感器的应变灵敏度为-0.77 pm/με，应变灵敏度变化为0.04 pm/με，因此，与二级级联结构相比，三级级联结构在灵敏度上并未有明显的提升.该研究表明多级级联的M-Z传感器并不能提高灵敏度.
马赫-曾德干涉仪 腰椎放大 错位结构 级联结构 应变传感 Mach-Zehnder interferometer Waist-enlarged structure Misaligned structure Cascaded structure Strain sensor 光子学报
2020, 49(10): 1006002
吉林大学 电子科学与工程学院 集成光电子学国家重点实验室, 长春 130012
随着新型微加工工艺的发展，传统的锥型光纤发展派生出数千种不同的微结构光纤.其中，S型光纤锥由于其体积小、质量轻、抗电磁干扰以及可以直接嵌入结构化系统的灵活性得到了迅猛地发展.随着对S型光纤锥研究的深入，基于S锥的各种结构和功能的光纤传感器不断地被提出，用于测量温度、应变、折射率、湿度和磁场等，不仅丰富了光纤传感器的种类，更加深了人们对传感机理的认识.本文全面回顾了S型光纤锥的研究进展，包括传感原理、制备方法、各种传感结构组合以及传感应用等，并对其发展进行了展望.
光纤 光纤传感 微结构光纤 马赫-曾德干涉仪 S型光纤锥 Optical ber Optical fiber sensing Micro-structured optical fiber Mach-Zehnder interference S fiber taper 光子学报
2019, 48(11): 1148009
昆明理工大学 信息工程与自动化学院 自动化系, 昆明650500
利用集成光学技术设计并研制了一种时域测量电力系统中工频强电场的传感器, 体积为80 mm×18 mm×7.5 mm.采用调谐光源波长的方法补偿环境变化带来的工作点漂移, 形成π/2的静态工作点, 从而使传感器稳定地工作在线性区.理论分析了一种带有电极对的集成电光工频电场传感器.根据国标GB/T127201991建立了工频电场测试系统, 对传感器的时域动态范围进行了测试.结果表明：传感器时域可测电场范围为0.35~125 kV/m, 线性相关系数为0.997, 线性动态范围达51 dB, 适合用于工频强电场测量.
集成光学 电场测量 非对称马赫曾德干涉仪 屏蔽电极 工作点 光波导传感器 时域分析 Integrated optics Electric field Asymmetric MachZehnder interferometer Shield electrode Operating point Optical waveguide sensor Time domain analysis
1 北京信息科技大学 先进光电子器件与系统创新引智基地, 北京 100192
2 北京信息科技大学 光纤传感与系统北京实验室, 北京 100016
为了在测量NaCl溶液浓度的同时实现对温度的监测, 提出了一种基于马赫-曾德干涉仪(Mach-Zehnder Interferometer, MZI)级联法布里-珀罗干涉仪(Fabry-Perot Interferometer, FPI)的干涉型传感器。在单模光纤上通过熔融放电制作出一对腰锥直径155 ?滋m、间隔1.5 cm的MZI, 其对比度为10 dB、周期29.85 nm; 在MZI尾纤的一端与光子晶体光纤(Photonic Crystal Fiber, PCF)相对熔接并在距熔接点176 ?滋m处将PCF切平, 形成对比度为8 dB、周期为5.71 nm的FPI。实验选取1 535~1 555 nm波段MZI和FPI的干涉波谷特征波长, 在0~150 ℃的温度和0%~24%的NaCl溶液浓度变化范围内测得MZI的温度和折射率灵敏度分别为50 pm/℃和9.97 nm/RIU, 线性度均大于0.97; 而FPI的波谷特征波长对折射率不敏感, 温度灵敏度约为8.3 pm/℃, 线性度为0.98。最后, 通过构建温度-浓度函数关系矩阵得出了对温度和NaCl溶液浓度的灵敏度矩阵。该干涉型传感器对温度和NaCl溶液浓度表现出良好的灵敏度和线性度, 可实现上述双参数的同时测量。
光纤干涉型传感器 马赫-曾德干涉仪 法布里-珀罗干涉仪 温度-NaCl溶液浓度 光子晶体光纤 optical fiber interferometric sensor Mach-Zehnder interferometer Fabry-Perot interferometer temperature-NaCl solution concentration photonic crystal fiber 红外与激光工程
2019, 48(7): 0717004
理论分析了利用马赫-曾德干涉仪及平衡零拍探测技术测量相干介质色散特性的方法, 实验测量了三能级铯原子分别在电磁诱导透明和电磁诱导吸收两种截然相反的相干效应下的色散特性.研究表明: 在原子频率共振中心, 对于透明介质, 由于吸收减弱效应, 信号光能穿出介质, 保证了有效色散信息, 即正常色散特性能被测量到; 相反地, 对于吸收介质, 由于强吸收效应, 只有在低粒子数密度条件下, 即保证有信号光没有被完全吸收而穿出介质, 才能测量到介质的反常色散特性; 当提高铯泡温度时, 介质对信号光吸收增强以至完全吸收,并且吸收频谱宽度变宽, 导致色散信息不能被有效测量到.
电磁诱导透明 电磁诱导吸收 马赫-曾德干涉仪 相移 反常色散 Electromagnetically induced transparency Electromagnetically induced absorption Mach-Zehnder interferometer Phase shift Anomalous dispersion
1 中国科学院上海技术物理研究所, 上海 200083
2 中国科学院空间主动光电技术重点实验室, 上海 200083
3 中国科学院大学, 北京 100049
4 脉冲功率激光技术国家重点实验室, 安徽 合肥 230037
傅里叶变换光谱仪现已广泛应用于红外光谱学领域，它也是较为适合对大气温度、湿度、风场以及大气成分进行天基垂直探测的一种遥感仪器。提出了一种基于马赫-曾德干涉仪的傅里叶变换光谱仪。马赫-曾德干涉仪的一组反射镜作匀速直线运动，线性改变两个光学臂之间的光程差，然后平衡探测器对两路干涉信号进行差分检测。通过对光程差线性变化的电信号进行傅里叶变换，可以获得输入光的光谱分布曲线。与迈克尔逊干涉仪相比，马赫-曾德干涉仪在同样光通量输入条件下得到的干涉信号更强，且由非相干强度带来的噪声更小。该结果对于卫星遥感来说十分有利。
傅里叶变换光谱仪 马赫-曾德干涉仪 平衡探测器 信噪比 Fourier transform spectrometer Mach-Zehnder interferometer balanced photoreceiver signal-to-noise ratio
西安石油大学 理学院 光电油气测井与检测教育部重点实验室, 西安 710065
利用光纤火焰熔融拉锥法, 制作了一种高灵敏微光纤氨气(NH3)传感器.该传感器将一段长度为10 mm的保偏光纤接入普通单模光纤中, 通过光纤火焰熔融拉锥机将保偏光纤熔融拉伸至直径为8.33 μm制作而成.该结构基于马赫-曾德干涉仪的原理, 利用保偏光纤纤芯模与包层模相互作用实现模间干涉.外界环境中NH3浓度变化时, 细锥区倏逝场发生变化, 通过检测透射谱中波长的漂移, 实现传感器对环境中NH3浓度的测量.实验结果表明, 当NH3 浓度由8 ppm~56 ppm变化时, 透射谱向长波方向移动约5 nm, 且NH3浓度与波长漂移成二次拟合.在NH3浓度为32 ppm~56 ppm变化时, 可将NH3浓度与波长漂移近似看成线性关系, 此时传感器的灵敏度为176.08 pm/ppm.该传感器具有体积小, 制作简单, 灵敏度高等优点, 可用于不同领域的NH3传感测量.
微型光纤 马赫曾德干涉仪 氨气传感器 熔融拉锥 倏逝场 Microfiber Mach - Zehnder interferometer Ammonia sensor Fused taper Evanescent field
