1109020225 周传兴
传感器结构原理
图1-1 基于细芯光纤的全光纤M-Z干涉仪结构示意图
光在SSMF内传播时只存在基模一个模式，光的能量基本被约束在芯层内。由于光纤的芯层直径是决定光传输模式状态的一个重要参数，不同芯径的光纤对光的约束能力不同，因此当光传播到SSMF和TCF交界面的时候，光传输的截止条件发生改变，一部分光被激发为高阶模式的光，和芯层模式光一起，在TCF内传播。到达另一个SSMF和TCF交界面的时候，一部分被激发光重新耦合回芯层，并与芯层的基模光发生干涉，由于不同模式光的有效折射率不同，因此干涉的两束光具有不同的光程差，因此干涉强度随着波长有强弱变化的关系。通过探测干涉条纹某个干涉峰的波长信息，就能找到其变化与环境参量变化之间的关系。奇数阶模式既存在芯层的分量又存在包层的分量。在SSMF中，能量几乎都集中在包层内，而在TCF中，包层的分量被压缩到很小的程度，能量几乎都集中到芯层。这决定了在第二段SSMF芯层内发生干涉时，高阶模分量的能量被大大提升，发生干涉的两束光的能量差被拉近，因此，得到的干涉条纹将有比较好的对比度，很可能得到很深的干涉极小点。TCF中高阶模式这种能量分布情况，会减少基模和高阶模式的有效射射率差，因此得到干涉条纹的自由光谱范围就会比较大，因此得到清晰，单一的干涉图样，能够作为一种简单的带阻滤波器。另外，在该传感器的应用中，也会有较大的工作范围。
在图1-1所示的第二段SSMF处获得的干涉条纹，其干涉峰的位置可以由式1-1得出：
（1-1）
式中，是光纤芯层的有效折射率，和光的波长有关；是第j阶包层模式的有效折射率，它不仅和入射光波长有关，而且其受到外界折射率影响；L是插入的TCF的长度；
干涉峰的中心波长。式子表示了当芯层光和包层光传播了距离L以后，引入的光程差为干涉峰中心波长一半的奇数倍。
对式1-1做微分计算，就可以得到中心波长对于外界环境折射率和温度变化的响应：
式中，是光纤芯层的有效折射率；是包层模式的有效折射率；为芯
层和包层的有效折射率的差。
我们用松香把光纤封装在带细槽的铝制模块内，如上囤所示．这种结构既能起到保护作用，又能灌入溶液，或者是浸入不同折射率的溶液中，以方便折射宰传感实验的进行。蔗糖溶液的浓度和折射率成线性关系。因此，我们根据蔗糖溶液浓度和折射率的转换关系(如表1-1所示)，配制了12份样本溶液，用于传感器折射率响应的测试。
表1-1 蔗糖溶液旅度及折射率换算表
结语
这种干涉仪通过不同芯径光纤的交界面实现高阶模式的激发，然后再用同样的结构使具有不同相位的模式之间发生干涉。其干涉条纹具有相当高的对比度，体现了很大的作为高性能带通滤波器应用的潜力。同时，参与干涉的高阶模式光的有效折射率受到外界介质折射率的影响，因此这种结构也有作为高灵敏度折射率传感器应用的潜力。
