摘 要

光纤光学日新月异，已愈发趋于成熟，光纤传感作为其中的一个重要的组成部分，是目前重点的科学研究领域。光纤传感器相比较于常规的传感器具有更加灵敏、更精细，抗干扰性更强等优点。M-Z干涉仪（马赫-曾德干涉仪）是最常用的光纤传感器之一。

本文是基于热扩芯的光纤来制作马赫-曾德干涉仪。烧制一段长度的普通单模光纤，使其扩芯，切开后配合一段长度的光敏光纤，利用熔接机拼合成一个马赫-曾德干涉仪，再针对温度和应力这两个物理量进行测量。

热扩芯光纤比传统的单芯单模光纤具有很多特殊优势，由于结构比较特殊，集成度更高，插入的损耗更小，耦合容差高，用来制成传感器件有着突出的优势。而马赫-曾德干涉仪目前已应用广泛，发展较为成熟。通过三维精密实验平台研究应力特性以及使用温控箱研究其温度特性，记录下一系列不同参数的数据进行比对，得出结论。

关键词：热扩芯光纤；马赫-曾德干涉仪；光纤传感；温度和应力

Abstract

Fiber optics is altering from day to day，and it has become more and more mature. As an important component of fiber optical, fiber optical sensing is the key field of scientific research. Compared with conventional sensors, optical fiber sensors are more sensitive, more precise and more anti-interference. The M-Z interferometer (Mach-Zehnder interferometer) is one of the most commonly used optical fiber sensors.

In this paper, a Mach-Zehnder interferometer based on a fiber with thermal expansion is fabricated. Fire a single-mode fiber length to expand core, cooperate with a length of photosensitive fiber after cutting, and compose a Mach-Zehnder interferometer by using welding machine. And then for the temperature and stress these two physical measurements.

Thermally expanded core fiber has more special advantages than the traditional single core single mode fiber, because of its peculiar structure, a higher degree of integration, the insertion loss is smaller, high coupling tolerance, used to make sensors has a prominent advantage. And Mach-Zehnder interferometer has been widely used and developed very well. Use three-dimensional precision experimental platform to study the stress characteristics and use temperature control box to study its temperature characteristics, then record a series of different parameters of the data for comparison, and draw conclusions.

Key Words：Thermally expanded core fiber；Mach-Zehnder interferometer；Optical fiber sensing；temperature and stress

目 录

第1章 绪论1

1.1 概述1

1.1.1 研究背景1

1.1.2 目的和意义1

1.2 国内外研究现状2

1.2.1 热扩芯光纤的研究现状2

1.2.2 M-Z干涉仪的研究现状3

1.3 研究课题主要内容3

1.4 预期目标4

第2章 热扩芯光纤的理论分析及制备5

2.1 光纤中的传输5

2.1.1 普通单模光纤中的传输模式5

2.1.2普通单模光纤和光敏光纤特性6

2.2 光纤的热扩芯原理6

2.2.1 光纤的热扩芯原理分析6

2.2.2 光纤的热扩芯过程分析6

2.3 热扩芯光纤的制作7

2.3.1 热扩芯光纤的制作8

2.3.2 热扩芯光纤结果的分析10

2.4 本章小节16

第3章 基于热扩芯光纤的M-Z干涉仪的制作17

3.1 M-Z干涉仪原理17

3.2 M-Z干涉仪制作过程17

3.3 M-Z干涉仪的制作结果19

3.4 本章小节21

第4章 基于热扩芯光纤的集成干涉仪传感特性研究22

4.1 温度传感特性研究22

4.2 应力传感特性研究23

第5章 结论25

参考文献26

致谢28

1. 绪论
   1. 概述

1.1.1 研究背景

光纤传感技术是光纤光学中的重要部分。20世纪70年代，人们意识到光纤携带信息的特点可以和待测物理量结合起来，而低损耗光纤的出现为光纤传感器的发展提供了有力支持，使光纤传感技术得到迅猛发展和广泛的应用^[1，2]。

光纤传感的传感机理大致为：将待测信号利用调制器调制在载波信号上，经过传输之后被探测器接收信号，之后再由解调器解调出所需要测量的信息^[3]。传感器作为一种探测元器件而存在，探测周边环境的物理量，其重要性就好比触角之于昆虫。从光纤在传感器中的功能角度看，光纤传感器可分为两种：一种是功能型，另一种是非功能型（传输型）。功能型光纤传感器是利用光纤本身的传感特性来制作传感器，这里的光纤既担任传输光信号的作用，同时又作为传感元件。这类光纤对于外界因素的变化有一定的敏感功能，会影响被测信号的传输结果，从而起到了测量的作用。而传输型的光纤传感器又称非功能型光纤传感器，这类光纤仅作为传输光信号来使用，需要和其他可以感测外界物理量变化的敏感元器件组合使用才能构成一个完整的传感器，其光纤本身并不能作为传感单元^[4]。在各种光纤传感器中，功能型传感器因其结构简单、可靠性高、抗电磁干扰、可长距离分布式传感等诸多优点得到世界各国研究者的广泛关注。其中基于纤芯模-包层模干涉的单光纤集成干涉仪是一个重要的研究热点。

• • 1. 目的和意义

在如今这个信息高度发达的科技时代里，光纤通信和光纤传感技术得到空前的发展。光纤传感技术用光纤作为传输的媒介，通过加载在其中的传输光信息来感应和测量外界环境信息的变化，光纤传感器件可以直接用来测量应力、温度、折射率等物理量。目前，已有大批的科研工作者把目光聚焦在热扩芯光纤的应用领域，例如将热扩芯光纤用在制作传感器等方面。和传统的单芯单模光纤相比，热扩芯光纤有着特殊的结构，它集成度较高，插入的损耗小，耦合容差高。既可用来传输光信号，又可以用来制作新型的光纤器件，由此可见基于热扩芯光纤的研究具有非凡的意义^[5]。

本课题拟设计一种新型的基于热扩芯光纤的集成干涉仪，并且对这种干涉仪进行理论分析；搭建一套制作基于热扩芯的集成式光纤干涉仪的实验系统，采用对光纤进行局部高温加热的方法制作了集成式光纤干涉仪；并且对干涉仪的应力传感和温度传感等特性进行实验研究。本文中的传感器结构整体较为简单，成本较低，对于一定的物理量有着灵敏的感应。另外又对于某些物理量不敏感，可以规避一些环境中存在的影响，可以稳定的使用。这样的特性对于光纤传感的应用有着深刻的意义。

• 1. 国内外研究现状
     1. 热扩芯光纤的研究现状

热扩芯光纤作为一种新型的光纤加工技术，由于其芯径较普通光纤来得大却没有改变其单模特征等一些优势^[6]，最近几年在光无源器件的研发和光纤传感器上得到了长足的发展。最早的关于热扩芯光纤的报道是20世纪八十年代提出的，是美国学者在利用熔融拉锥来制作耦合器的过程当中发现如果掺杂物质的浓度变化也必然会引起光信号折射率的变化，继而又发现了芯层中的折射率也会随之减小，而包层则是折射率增加，光纤的纤芯直径会发生变化。同一时间，日本学者在经过大量的实验研究之后，提出了用微型加热器来制备热扩芯光纤，这种方法是把光纤固定在加热器的中央，使用丙烷和氧气为燃料，再把固定好的光纤左右来回移动，从而进行模场直径不一样的热扩芯光纤，这个方法也被日本的多个大公司采用^[7-9]。