DOI: 10.17586/1023-5086-2018-85-04-53-59

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

Hu Yihui, Jiang Chao, Zhou Ming, Liu Jibing

Полный текст на elibrary.ru

Публикация в Journal of Optical Technology

Ссылка для цитирования:

Yihui Hu, Chao Jiang, Ming Zhou, Jibing Liu High-sensitivity fiber temperature and refractive index sensing with nonadiabatic fiber taper (Высокочувствительный датчик изменений температуры и показателя преломления на основе оптического волокна с неадиабатическим утоньшением) [на англ. яз.] // Оптический журнал. 2018. Т. 85. № 4. С. 53–59. http://doi.org/10.17586/1023-5086-2018-85-04-53-59

Yihui Hu, Chao Jiang, Ming Zhou, Jibing Liu High-sensitivity fiber temperature and refractive index sensing with nonadiabatic fiber taper (Высокочувствительный датчик изменений температуры и показателя преломления на основе оптического волокна с неадиабатическим утоньшением) [in English] // Opticheskii Zhurnal. 2018. V. 85. № 4. P. 53–59. http://doi.org/10.17586/1023-5086-2018-85-04-53-59

Ссылка на англоязычную версию:

Yihui Hu, Chao Jiang, Ming Zhou, and Jibing Liu, "High-sensitivity fiber temperature and refractive index sensing with nonadiabatic fiber taper," Journal of Optical Technology. 85(4), 233-237 (2018). https://doi.org/10.1364/JOT.85.000233

Аннотация:

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 Δλ/Δn, равные –44,69 нм и –72,21 нм, а к изменению температуры Δλ/ΔT, 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

Благодарность:

Работа выполнена при частичной поддержке Программы научных и технологических исследований департамента образования провинции Хубэй (D20152501), Программы поддержки выдающихся инженеров-разработчиков Хубэйского педагогического университета (T201502), Хубэйской программы преддипломной подготовки в рамках обучающих программ по изобретениям и предпринимательству (201610513029). J. Liu выражает благодарность Dr. Y. Wang, H. Gong, H. Liu, F. Yang, C. Wang и K. Ni за содержательные предложения и помощь.

Коды OCIS: 060.2370, 060.2430, 060.4005

Список источников:

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 hollowcore 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 microfiberbased 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.