摘要
在各种光学传感器中，基于模间干涉原理的传感器由于性能优良、集成度高和可拓展性强等特点成为研究中一大热门方向。本文主要对基于马赫-曾德(Mach-Zehnder，M-Z)原理的模间干涉传感器进行实验与分析，分别利用光纤结构变形和增强芯径失配这两种方式来实现模式干涉。具体实现方式为:(1)微弯的纤芯在光纤中能够起到分束和耦合的作用，当纤芯微弯时纤芯中的一部分光会耦合到包层中，又在下一个微弯处耦合回纤芯，通过这种方法能够在光纤结构中引入模间干涉。(2)由于模场失配效应，多种不同芯径的光纤熔接后会在拼接处激发出高阶模式，最终与纤芯基模产生模间干涉。以上两种干涉结构对外部环境变化更为敏感，能够大幅提升光纤弯曲传感器的灵敏度。 本文提出了一种单模-变形多模-单模(single-mode-deformed multimode-single-mode,SDMS)结构，这种结构由变形多模夹在两段单模光纤中组成。SDMS利用多模纤芯微弯对光传输形式的影响将马赫-曾德干涉(Mach-Zehnder Interferometer,MZI)引入到结构中，MZI又与多模光纤中固有的多模干涉(Multimode Interference，MMI)相互叠加形成了复合的模间干涉。实验结果表明，不对称的结构以及复合的模间干涉提高了结构的弯曲灵敏度，两个峰的最高弯曲灵敏度为-23.2 nm/m-1和-11.64 nm/m-1，是普通SMS的10倍。结构的温度灵敏度为-51.2 pm/℃和-19.7pm/℃，通过矩阵解调可以实现温度和曲率的双参数同时测量。此外，本文还提出了一种以无芯光纤(No-Core Fiber,NCF)为主体的级联单模-多模-无芯-多模-单模(SMF-MMF-NCF-MMF-SMF，SMNMS)结构，此结构是利用高精密光纤切割熔接系统将不同芯径的光纤拼接制备而成。结构由于多次的芯径失配导致光在不同芯径光纤衔接处出现多次发散，从而过滤了弱包层模保留了高阶模式，使得纤芯模与高阶包层模发生干涉。实验结果表明，高阶包层模参与干涉使传感结构具有较高的弯曲灵敏度，三个干涉峰的最高弯曲灵敏度分别达到-114.74 nm/m-1,-91.08nm/m-1和-61.10nm/m-1。此外结构的温度灵敏度较低，分别为12pm/℃、16pm/℃和 16 pm/℃。 通过在光纤中构造复合的模间干涉以及高阶模参与的模间干涉，使得光纤受到弯曲作用时内部的干涉情况会受到更大影响，从而有效地提升弯曲传感灵敏度。此外，所制备的传感器由于模式具有灵活性所以可探究性很强，有很大的应用潜力。
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