Научно-технический
«ОПТИЧЕСКИЙ ЖУРНАЛ»
издается с 1931 года
 
   
Русский вариант сайта Английский вариант сайта
   
       
   
       
Статьи последнего выпуска

Электронные версии
выпусков начиная с 2008


Алфавитный указатель
2000-2010 гг


444
Архив оглавлений
выпусков 2002-2007 гг


Реквизиты и адреса

Вниманию авторов и рецензентов!
- Порядок публикации
- Порядок рецензирования статей
- Типовой договор
- Правила оформления
- Получение авторского вознаграждения
- Редакционная этика


Контакты

Подписка

Карта сайта




Журнал с 01.12.2015 допущен ВАК для публикации основных результатов диссертаций как издание, входящее в международные реферативные базы систем цитирования (Web Science, Scopus) (см. Vak.ed.gov.ru Перечень журналов МБД 16.03.2018г)

УВАЖАЕМЫЕ ПОДПИСЧИКИ НАШЕГО ЖУРНАЛА!
По техническим причинам «Оптический журнал» не попал в каталог агентства «Роспечать» на II полугодие 2018 г., что делает невозможной подписку на него на почте. Предлагаем оформить подписку на II полугодие 2018 в редакции журнала удобным Вам способом. Стоимость подписки на полугодие сохраняется (6600 руб.).
На первое полугодие 2019 и далее подписка будет проводится в ранее существовавшем порядке через "Роспечать", "УралПресс" и другие агенства печати.

Связаться с нами можно по т. (812) 315-05-48, Е-mail: beditor@soi.spb.ru

Аннотации (04.2018) : HIGH-SENSITIVITY FIBER TEMPERATURE AND REFRACTIVE INDEX SENSING WITH NONADIABATIC FIBER TAPER

HIGH-SENSITIVITY FIBER TEMPERATURE AND REFRACTIVE INDEX SENSING WITH NONADIABATIC FIBER TAPER

© 2018    Yihui Hu, Chao Jiang, Ming Zhou, Jibing Liu*

College of Physics and Electronic Science and Hubei Key Laboratory of Pollutant Analysis and Reuse Technology, Hubei Normal University, Huangshi 435002, China

* E-mail: liujb@hbnu.edu.cn

Submitted 21.08.2017

In the paper, simultaneous measurement temperature and external refractive index is achieved in the present scheme, this scheme is based on Mach–Zehnder interferometer using a nonadiabatic single mode fiber taper without an air cavity. This scheme is quite simple and the smallest diameter of the tapered fiber is about 83.1 micrometers and the length of tapered fiber is about 1 centimeter. The transmission spectrum of the nonadiabatic tapered fiber exhibits a number of resonance wavelength dips which corresponds to different orders of cladding modes. The interferometer can be used for simultaneous refractive index (RI) and temperature sensing by monitoring the variation of selected two wavelength dips. The sensitivity achieved are –44.69 nm/RIU and 0.0386 nm/C, and –72.21 nm/RIU and 0.0321 nm/C for refractive index (RI) and temperature, respectively. The proposed tapered single mode optical fiber interferometer would find potential applications in multiple-parameter sensing owing to its high sensitivity, compactness, ease of fabrication, and low cost.

Keywords: optical fiber, Mach–Zehnder interferometer, temperature, refractive index.

OCIS codes: 060.2370, 060.2430, 060.4005

 

 

Высокочувствительный датчик изменений температуры и показателя преломления на основе оптического волокна с неадиабатическим утоньшением

© 2018    Yihui Hu, Chao Jiang, Ming Zhou, Jibing Liu*

Рассмотрена возможность одновременного измерения температуры и показателя преломления внешней среды посредством предложенного волоконного интерферометра Маха–Цендера на основе одномодового волокна с неадиабатическим утоньшением. Схема отличается простотой, при минимальном диаметре суженной части волокна около 83,1 мкм и её длине около 1 см. В спектре пропускания неадиабатически суженного волокна присутствует несколько провалов на резонансных частотах, соответствующих различным модам распространения в оболочке волокна. Интерферометр может быть использован для одновременного определения изменений показателя преломления и температуры путём отслеживания изменений параметров формы для двух из указанных провалов. Достигнуты значения чувствительности к изменению показателя преломления /n, равные –44,69 нм и –72,21 нм, а к изменению температуры/T, равные 0,0386 нм/C и 0,0321 нм/C, для первого и второго провалов, соответственно. Предложенный интерферометр с неадиабатическим утоньшением одномодового волокна, благодаря своей высокой чувствительности, компактности, легкости изготовления и низкой стоимости, может найти широкое применение как многопараметрический датчик.

Ключевые слова: оптическое волокно, интерферометр Маха–Цендера, температура, показатель преломления.

 

References

1.         Mizaikoff B. Peer reviewed: Mid-IR fiber-optic sensors // Anal. Chem. 2003. V. 75. № 11. P. 258–267.

2.         Ikeda T., Popescu G., Dasari R.R., Feld M.S. Hilbert phase microscopy for investigating fast dynamics in transparent systems // Opt. Lett. 2005. V. 30. № 10. P. 1165–1167.

3.         Udd E. An overview of fiber optic sensors // Rev. Sci. Instrum. 1995. V. 66. № 8. P. 4015–4030.

4.        Sharma A.K., Jha R., Gupta B.D. Fiber-optic sensors based on surface plasmon resonance: a comprehensive review // Sensors Journal. IEEE. 2007. V. 7. № 8. P. 1118–1129.

5.         Kanso M., Cuenot S., Louarn G. Sensitivity of optical fiber sensor based on surface plasmon resonance: modeling and experiments // Plasmonics. 2008. V. 3. № 2, 3. P. 49–57.

6.        Mishra S.K., Kumari D., Gupta B.D. Surface plasmon resonance based fiber optic ammonia gas sensor using ITO and polyaniline // Sensor Actuat. B-chem. 2012. V. 171. P. 976–983.

7.         Grattan K.T.V., Sun T. Fiber optic sensor technology: an overview // Sensor Actuat. A-phys. 2000. V. 82. № 1. P. 40–61.

8.        Lu P., Men L., Sooley K. Tapered fiber Mach–Zehnder interferometer for simultaneous measurement of refractive index and temperature // Appl. Phys. Lett. 2009. V. 94. № 13. P. 131110.

9.        Li L., Xia L., Xie Z. All-fiber Mach–Zehnder interferometers for sensing applications // Opt. Express. 2012. V. 20. № 10. P. 11109–11120.

10.       Jiang L., Yang J., Wang S. Fiber Mach–Zehnder interferometer based on microcavities for high-temperature sensing with high sensitivity // Opt. Lett. 2011. V. 36. № 19. P. 3753–3755.

11.       Yang R., Yu Y.S., Xue Y. Single S-tapered fiber Mach–Zehnder interferometers // Opt. Lett. 2011. V. 36. № 23. P. 4482–4484.

12.       Wang Y., Li Y., Liao C. High-temperature sensing using miniaturized fiber in-line Mach–Zehnder interferometer // Ieee. Photonic. Technol. L. 2010. V. 22. № 1. P. 39–41.

13.       Hu D.J.J., Lim J.L., Jiang M. Long period grating cascaded to photonic crystal fiber modal interferometer for simultaneous measurement of temperature and refractive index // Opt. Lett. 2012. V. 37. № 12. P. 2283–2285.

14.       Yang J., Jiang L., Wang S. High sensitivity of taper-based Mach–Zehnder interferometer embedded in a thinned optical fiber for refractive index sensing // Appl. Optics. 2011. V. 50. № 28. P. 5503–5507.

15.       Li B., Jiang L., Wang S. Ultra-abrupt tapered fiber Mach–Zehnder interferometer sensors // Sensors. 2011. V. 11. № 6. P. 5729–5739.

16.       Kersey A.D. Optical fiber sensors for permanent downwell monitoring applications in the oil and gas industry // Ieice. T. Electron. 2000. V. 83. № 3. P. 400–404.

17.       Hu T.Y., Wang Y., Liao C.R., Wang D.N. Miniaturized fiber in-line Mach–Zehnder interferometer based on inner air cavity for high-temperature sensing // Opt. Lett. 2012. V. 37. № 24. P. 5082–5084.

18.       Favero F.C., Araujo L., Bouwmans G., Finazzi V., Villatoro J., Pruneri V. Spheroidal Fabry–Perot microcavities in optical fibers for high-sensitivity sensing // Opt. Express. 2012. V. 20. № 7. P. 7112–7118.

19.       Duan D.W., Rao Y., Hou Y.S., Zhu T. Microbubble based fiber-optic Fabry–Perot interferometer formed by fusion splicing single-mode fibers for strain measurement // Appl. Optics. 2012. V. 51. № 8. P. 1033–1036.

20.      Zhang X.Y., Yu Y.S., Zhu C.C., Chen C., Wang Y.P., Li Z.Y., Wang Q., Wang D.N. Miniature end-capped fiber sensor for refractive index and temperature measurement// Ieee. Photonic. Technol. L. 2014. V. 26. № 1. P. 7–10.

21.       Liao C., Liu S., Xu L., Wang C., Wang Y.P., Li Z.Y., Wang Q., Wang D.N. Sub-micron silica diaphragm-based fiber-tip Fabry–Perot interferometer for pressure measurement // Opt. Lett. 2014. V. 39. № 10. P. 2827–2830.

22.      Kersey A.D., Davis M.A., Patrick H.J., LeBlanc M., Koo K.P., Askins C.G., Putram M.A., Friebele E.J. Fiber grating sensors // J. Lightwave. Technol. 1997. V. 15. № 8. P. 1442–1463.

23.      Maaskant R., Alavie T., Measures R.M., Todros G., Rizkalla S.H. Thakurata A.G. Fiber-optic Bragg grating sensors for bridge monitoring // Cement Concrete. Comp. 1997. V. 19. № 1. P. 21–33.

24.      Hill K.O., Meltz G. Fiber Bragg grating technology fundamentals and overview // J. Lightwave. Technol. 1997. V. 15. № 8. P. 1263–1276.

25.      James S.W., Tatam R.P. Optical fibre long-period grating sensors: characteristics and application // Meas. Sci. Technol. 2003. V. 14. № 5. P. R49.

26.      Gong H., Chan C.C., Zhang Y.F., Wong W.C., Dong X. Miniature refractometer based on modal interference in a hollow-core photonic crystal fiber with collapsed splicing // J. Biomed. Opt. 2011. V. 16. № 1. P. 017004.

27.       Gong H., Yang X., Ni K., Zhao C.L., Dong X. An optical fiber curvature sensor based on two peanut-shape structures modal interferometer// Ieee. Photonic. Technol. L. 2014. V. 26. № 1. P. 22–24.

28.      Gong H., Song H., Li X., Wang J., Dong X. An optical fiber curvature sensor based on photonic crystal fiber modal interferometer // Sensor Actuat. A-phys. 2013. V. 195. P. 139–141.

29.      Zhang L., Wang D., Liu J., Chen H. Simultaneous refractive index and temperature sensing with precise sensing location // Ieee. Photonic. Technol. L. 2016. V. 28. № 8. P. 891–894.

30.      Liu J., Wang D., Zhang L. Slightly tapered optical fiber with dual inner air-cavities for simultaneous refractive index and temperature measurement // J. Lightwave. Technol. 2016. V. 34. № 21. P. 4872–4876.

31.       Chen H.F., Wang D.N., Hong W. Slightly tapered optical fiber with inner air-cavity as a miniature and versatile sensing device // J. Lightwave. Technol. 2015. V. 33. № 1. P. 62–68.

32.      Chen J., Zhou J., Jia Z. High-sensitivity displacement sensor based on a bent fiber Mach–Zehnder interferometer // Ieee. Photonic. Technol. L. 2013. V. 25. № 23. P. 2354–2357.

33.      Yin G., Lou S., Zou H. Refractive index sensor with asymmetrical fiber Mach–Zehnder interferometer based on concatenating single-mode abrupt taper and core-offset section // Opt. Laser Technol. 2013. V. 45. P. 294–300.

34.      Xu L., Li Y., Li B. Nonadiabatic fiber taper-based Mach–Zehnder interferometer for refractive index sensing // Appl. Phys. Lett. 2012. V. 101. № 15. P. 153510.

35.      Yu H., Xiong L., Chen Z. Ultracompact and high sensitive refractive index sensor based on Mach–Zehnder interferometer // Opt. Laser. Eng. 2014. V. 56. P. 50–53.

36.      Lu P., Harris J., Xu Y. Simultaneous refractive index and temperature measurements using a tapered bend-resistant fiber interferometer // Opt. Lett. 2012. V. 37. № 22. P. 4567–4569.

37.       Zhou J., Liao C., Wang Y. Simultaneous measurement of strain and temperature by employing fiber Mach–Zehnder interferometer // Opt. Express. 2014. V. 22. № 2. P. 1680–1686.

38.      Yang R., Yu Y.S., Chen C. S-tapered fiber sensors for highly sensitive measurement of refractive index and axial strain // J. Lightwave. Technol. 2012. V. 30. № 19. P. 3126–3132.

39.      Wang Y.P., Rao Y.J. A novel long period fiber grating sensor measuring curvature and determining bend-direction simultaneously // Sensors Journal, IEEE. 2005. V. 5. № 5. P. 839–843.

40.      Yao Q., Meng H., Wang W. Simultaneous measurement of refractive index and temperature based on a core-offset Mach–Zehnder interferometer combined with a fiber Bragg grating // Sensor Actuat. A-phys. 2014. V. 209. P. 73–77.

41.       Luo H., Sun Q., Xu Z. Simultaneous measurement of refractive index and temperature using multimode microfiber-based dual Mach–Zehnder interferometer // Opt. Lett. 2014. V. 39. № 13. P. 4049–4052.

42.      Tian Z., Yam S.S.H., Barnes J., Bock W., Creig P., Fraser J.M., Loock H.P., Oleschuk R.D. Refractive index sensing with Mach–Zehnder interferometer based on concatenating two single-mode fiber tapers// Ieee. Photonic. Technol. L. 2008. V. 20. № 8. P. 626–628.

43.      Monzón-Hernández D., Minkovich V.P., Villatoro J., Kreuzer M.P., Badenes G. Photonic crystal fiber microtaper supporting two selective higher-order modes with high sensitivity to gas molecules // Appl. Phys. Lett. 2008. V. 93. № 8. P. 081106.

44.      Corres J.M., Arregui F.J., Matias I.R. Design of humidity sensors based on tapered optical fibers // J. Lightwave. Technol. 2006. V. 24. № 11. P. 4329–4336.

45.      Li E. Sensitivity-enhanced fiber-optic strain sensor based on interference of higher order modes in circular fibers // Ieee. Photonic. Technol. L. 2007. V. 19. № 16. P. 1266–1268.

Полный текст