长盈通推出应用于马赫-泽德温度传感器中的流体通道型双芯光纤
发布时间：2021-08-20 10:44:31 热度：1290
8/20/2021，长盈通光电开发出三种结构、含有一个流体通道的特种双芯光纤（Dual-Core Fiber，DCF），并且应用于马赫-泽德温度传感器中。
三种不同结构的含有一个流体通道的特种双芯光纤横截面图，其典型特征是其中一芯嵌入或紧靠流体通道，作为信号测量臂，另一芯则远离流体通道，作为信号参考臂。
在该特种双芯光纤的流体通道中注入一定长度的甘油或硅油溶液（类似温度计的气封），同单模光纤（Single-Mode Fiber，SMF）及多模光纤（Multi-Mode Fiber，MMF）进行级联，构成马赫-泽德温度传感器的基本传感单元。
马赫-泽德温度传感器的基本传感单元结构
温度变化会影响流体通道中甘油或硅油溶液的折射率，进而改变嵌入或紧靠流体通道纤芯中传输光模式的有效折射率，而对另一根作为信号参考臂的纤芯无影响。通过监测这两根纤芯的相干光谱变化，可知道外界环境温度的变化情况。
通过实验和数值仿真对传感器性能进行了验证。当在流体通道中注入不同长度的甘油或硅油溶液时，两根纤芯的相位差会随溶液距离进行累积，最终获得的干涉光谱也会有区别。通过解调干涉光谱的相位差，可以获得谱线漂移同温度变化之间的关系。
选择不同结构的特种双芯光纤，填充不同长度的甘油或硅油溶液，可获得不同精度和温度量程的传感器。一般来说，在25~45℃的温度范围内，其温度的谱线漂移灵敏度在~3nm℃，最大可达~6nm℃。
采用第一种双芯光纤结构时，(a)注入15cm甘油溶液时，25至29°C范围内测量到的传感器光谱变化；(b)25至40°C范围内，不同温度时光谱变化的实验和模拟结果对比。
采用第二种双芯光纤结构时，(a)注入13cm硅油溶液时，25至27°C范围内测量到的传感器光谱变化；(b)25至44°C范围内，不同温度时光谱变化的实验和模拟结果对比
该种利用特种双芯光纤的温度传感器具有良好的鲁棒性和稳定性，在高精度温度监测中具有广阔的应用前景。
参考：
[1] H Qiu, C Zhao, X Hu, H Chen, Q Yu, Z Lian, H Qu, “Glycerol–Water Solution-Assisted Mach–Zehnder Temperature Sensor in Specialty Fiber with Two Cores and One Channel”, Photonics 8 (4), 103, 2021.
[2] C Zhao, H Qiu, H Chen, X Hu, Q Yu, Z Lian, J Li, H Qu, “In-fiber Mach-Zehnder temperature sensor using silicone-oil-filled dual core fiber”, Sensors and Actuators A: Physical 323, 112644, 2021.
[3] H Chen, X Hu, X Chen, Q Yu, Z Lian, H Wang, H Qu, “In-line interferometric temperature sensor based on dual-core fiber”, IEEE Sensors Journal, 2021。
三种不同结构的含有一个流体通道的特种双芯光纤横截面图，其典型特征是其中一芯嵌入或紧靠流体通道，作为信号测量臂，另一芯则远离流体通道，作为信号参考臂。
在该特种双芯光纤的流体通道中注入一定长度的甘油或硅油溶液（类似温度计的气封），同单模光纤（Single-Mode Fiber，SMF）及多模光纤（Multi-Mode Fiber，MMF）进行级联，构成马赫-泽德温度传感器的基本传感单元。
马赫-泽德温度传感器的基本传感单元结构
温度变化会影响流体通道中甘油或硅油溶液的折射率，进而改变嵌入或紧靠流体通道纤芯中传输光模式的有效折射率，而对另一根作为信号参考臂的纤芯无影响。通过监测这两根纤芯的相干光谱变化，可知道外界环境温度的变化情况。
通过实验和数值仿真对传感器性能进行了验证。当在流体通道中注入不同长度的甘油或硅油溶液时，两根纤芯的相位差会随溶液距离进行累积，最终获得的干涉光谱也会有区别。通过解调干涉光谱的相位差，可以获得谱线漂移同温度变化之间的关系。
选择不同结构的特种双芯光纤，填充不同长度的甘油或硅油溶液，可获得不同精度和温度量程的传感器。一般来说，在25~45℃的温度范围内，其温度的谱线漂移灵敏度在~3nm℃，最大可达~6nm℃。
采用第一种双芯光纤结构时，(a)注入15cm甘油溶液时，25至29°C范围内测量到的传感器光谱变化；(b)25至40°C范围内，不同温度时光谱变化的实验和模拟结果对比。
采用第二种双芯光纤结构时，(a)注入13cm硅油溶液时，25至27°C范围内测量到的传感器光谱变化；(b)25至44°C范围内，不同温度时光谱变化的实验和模拟结果对比
该种利用特种双芯光纤的温度传感器具有良好的鲁棒性和稳定性，在高精度温度监测中具有广阔的应用前景。
参考：
[1] H Qiu, C Zhao, X Hu, H Chen, Q Yu, Z Lian, H Qu, “Glycerol–Water Solution-Assisted Mach–Zehnder Temperature Sensor in Specialty Fiber with Two Cores and One Channel”, Photonics 8 (4), 103, 2021.
[2] C Zhao, H Qiu, H Chen, X Hu, Q Yu, Z Lian, J Li, H Qu, “In-fiber Mach-Zehnder temperature sensor using silicone-oil-filled dual core fiber”, Sensors and Actuators A: Physical 323, 112644, 2021.
[3] H Chen, X Hu, X Chen, Q Yu, Z Lian, H Wang, H Qu, “In-line interferometric temperature sensor based on dual-core fiber”, IEEE Sensors Journal, 2021。
