[發明專利]開放式微腔MZI、開放式微腔MZI折射率傳感器及測量方法

在審

• 申請號: 202010590791.3
• 申請日: 2020-06-24
• 公開（公告）號: CN111610166A
• 公開（公告）日: 2020-09-01
• 發明（設計）人: 江俊峰;劉鐵根;鈕盼盼;劉琨;王雙;馬喆;張永寧;王通
• 申請（專利權）人: 天津大學
• 主分類號: G01N21/45
• 分類號: G01N21/45
• 代理公司: 天津市北洋有限責任專利代理事務所 12201
• 代理人: 李素蘭

本發明公開了一種開放式微腔MZI、開放式微腔MZI折射率傳感器及測量方法，由泵浦光源(1)、波分復用器(2)、摻鉺光纖(3)、第一光隔離器(4)、開放式微腔MZI(5)、光耦合器(6)、第二光隔離器(7)及其所構成的環形諧振腔(9)，以及光譜分析儀(8)組成；將開放式微腔MZI(5)作為諧振波長選擇器引入光纖環形諧振腔(9)內，實現環境波長可調諧激光輸出，通過測量環形諧振腔(9)輸出的諧振激光中心波長解調出微腔內待測介質的折射率。本發明適合特殊狹窄傳感區域，微腔結構可以方便地嵌入微流控裝置中，實現了較高的折射率靈敏度；制作成本低廉，易于標準化生產，具有潛在的應用價值；大幅提高了折射率測量的探測極限和品質因數。

技術領域

本發明涉及光纖傳感技術領域，特別涉及一種微腔MZI折射率傳感器及制備方法。

背景技術

折射率作為物質材料的一項重要屬性，其測量被廣泛應用于化工、生物、食品等領域，尤其是對液體折射率的高精度測量已經成為傳感計量領域的研究熱點。近年來，隨著光纖傳感器及其相關技術高速發展，基于各種光纖微納結構的光纖折射率傳感器被廣泛研究并逐步實用化。基于錯位熔接技術的光纖馬赫-增德爾干涉儀(MZI，Mach-Zehnderinterferometer)由于制備簡便并且機械強度高而被廣泛用作折射率傳感元件。然而，傳統的小幅錯位光纖MZI依賴較弱的光纖表面倏逝場進行環境折射率傳感，測量靈敏度較低。通過增大錯位距離使部分光纖纖芯暴露于待測介質中，可構成具有開放式微腔結構的MZI。該類微腔MZI將待測介質直接作為光波導傳輸一路干涉光，另一路干涉光則通過錯位光纖傳輸，因此具有極高的折射率靈敏度。

當前已報道的微腔MZI折射率傳感器大都使用傳統的透射光譜測量法進行解調，即通過跟蹤透射光譜中的干涉谷中心波長進行折射率測量。雖然微腔MZI具有極高的折射率靈敏度，但其折射率的探測極限受限于干涉谷的帶寬。且對于譜型較為平滑的透射光譜，干涉谷的中心波長往往無法準確測量，從而降低了折射率的測量精度，限制了微腔MZI的應用。

光纖有源諧振腔可以提供高信噪比、窄線寬的高質量激光光譜，將其應用于光纖折射率傳感可以提高測量分辨率和探測極限，同時補償器件過大的插入損耗。因此，開發一種開放式微腔MZI折射率傳感器是本發明亟待解決的技術問題。

發明內容

本發明的目的是克服現有基于微腔MZI的折射率傳感器所存在的不足，提出了一種開放式微腔MZI、開放式微腔MZI折射率傳感器及測量方法，將開放式微腔MZI與光纖環形諧振腔結合，實現了折射率傳感器及利用該折射率傳感器實現的折射率測量方法。

一種開放式微腔MZI折射率傳感器，該傳感器由通過單模光纖連接的泵浦光源1、波分復用器2、摻鉺光纖3、第一光隔離器4、開放式微腔MZI 5、光耦合器6、第二光隔離器7及其所構成的環形諧振腔9，以及光譜分析儀8組成；其中，所述泵浦光源1與所述波分復用器2的第一輸入端a連接，所述摻鉺光纖3與所述波分復用器2的輸出端b連接，所述摻鉺光纖3依序連接所述第一光隔離器4、所述開放式微腔MZI 5，防止所述開放式微腔MZI 5的端面反射光對摻鉺光纖3的二次吸收；所述開放式微腔MZI 5與所述光耦合器6的輸入端d連接，所述光耦合器6的第一輸出端e通過所述第二光隔離器7與所述波分復用器2的第二輸入端c連接，從而形成閉合環路，所述閉合環路作為環形諧振腔9；所述光耦合器6的第二輸出端f連接光譜分析儀8；

所述開放式微腔MZI 5包括單模光纖的第一纖芯21、多模光纖的第一纖芯22、錯位單模光纖的包層23、多模光纖的第二纖芯24和單模光纖的第二纖芯25；入射光從單模光纖的第一纖芯21進入多模光纖的第一纖芯22后，在第一錯位熔接處25被分為兩路，一路進入錯位單模光纖的包層23，另一路則進入由待測介質填充的微腔內，兩路光在第二錯位熔接處27被重新耦合接續進入多模光纖的第二纖芯24、單模光纖的第二纖芯25，并形成干涉。

本發明的利用一種開放式微腔MZI折射率傳感器的測量方法，該方法包括以下步驟：