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结构调制型马赫-曾德光纤传感器的制备及扭转特性研究

摘要

本文基于光纤结构调制方面的研究，提出了一种基于干涉臂调制的马赫-曾德光纤

结构。此结构分两步制备而成：首先使用商用焊接机对异类光纤进行熔接，从而得到光

纤马赫-曾德干涉仪(Mach-ZehnderInterferometer,MZI)，然后使用高频CO激光器对MZI

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的干涉臂蚀刻，在干涉臂上引入对称的抛光平面。该方法破坏了MZI干涉臂的圆对称

性，增强其对于扭转的敏感性，并且，当光纤结构的等效直径变小时，对于扭转的敏感

性进一步增强。基于这种调制MZI的干涉臂从而增强结构扭转灵敏度的方法，本文中制

备了两种高灵敏度的光纤扭转传感器。其一是基于干涉臂上对称抛光(Symmetrically

polished,SP)的单模-多模-单模光纤结构(SMS)的高灵敏度扭转传感器(SP-SMS)，其二是

基于干涉臂上对称抛光的多模-单模-多模(MSM)光纤结构、同时测量温度及扭转的高灵

敏度扭转传感器(SP-MSM)，并对他们的传感和光谱特性进行了仿真和实验研究。

首先是SP-SMS的扭转特性研究，SP-SMS是在SMS结构的多模光纤上引入对称的

抛光平面制备而成的，多模光纤上的抛光深度和抛光长度均对结构的扭转灵敏度产生影

响。实验中采用了控制变量法，得到了最佳的抛光深度和长度。由于光纤芯径的差异且

干涉臂的圆对称性被打破，多模光纤中的高阶模式被激发，增强了SP-SMS的扭转敏感

性。实验表明，在-10.217rad/m到10.217rad/m的扭转测量范围内，干涉臂上抛光深度

为25µm的SP-SMS的扭转灵敏度最高可达1.032nm/(rad/m)。

基于在干涉臂上引入对称抛光结构可以增强MZI扭转敏感性的理论，本文中制备

了SP-MSM传感器，是在MSM结构的单模光纤上引入对称的抛光平面制备而成的。由

于MSM结构的干涉条纹更加均匀和密集，选择SP-MSM透射光谱中的两个近1550nm

的干涉峰进行解调，实现了同时测量扭转和温度。此外，构成干涉臂的光纤换为单模光

纤，对于抛光参数进行适当的调整。实验结果表明，SP-MSM的干涉峰A/干涉峰B扭

转灵敏度为0.277nm/(rad/m)和0.273nm/(rad/m)，干涉峰A/干涉峰B的温度灵敏度为

71.09pm/℃和51.45pm/℃。通过求解矩阵方程，便可以对于温度和扭转进行同时测量。

在MZI的干涉臂上引入对称抛光平面的方法，简单而有效地提高了结构的扭转灵

敏度，所制备而成的传感器体积小、结构简单、灵敏度高、重复性好，在光纤扭转传感

器制造方面有着很好的发展前景。

关键词：马赫-曾德光纤结构；干涉臂蚀刻；增强扭转灵敏性；光纤扭转传感器

哈尔滨工程大学硕士学位论文

ABSTRACT

Basedontheresearchoffiberstructuremodulation,aMach-Zehnderfiberstructurebased

oninterferencearmmodulationisproposedinthisarticle.Thestructureispreparedintwosteps:

firstly,afiberfusionsplicerisusedtosplicedifferentopticalfiberstoobtainaMach-Zehnder

Interferometer(MZI).ThenahighfrequencyCOlaserisusedtoetchtheinterferencearmof

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theMZIandintroduceasymmetricalpolishingplaneintotheint