1.本发明涉及微波光子学领域、传感领域，具体涉及基于光纤大偏置熔接和微波光子技术的液体折射率传感器。
背景技术：2.电学传感器由纯电学器件构成，其结构相对复杂、灵敏度较低、分辨率较差、成本较高，而光纤传感器由于其简单性、易于多路复用和可重构性等优异特性，在广泛的应用中不断得到研究。光纤传感器主要包括光纤干涉仪传感器和光纤相位调制传感器。基于光纤干涉仪的传感器的主要原理是外部因素的变化导致干涉仪的光路差的变化，从而改变光谱干涉图案的自由频谱范围。因此，可以通过监测光谱干涉图案的自由频谱范围来测量温度、应变和液体折射率等参数的变化，在光域中实现传感参量的测量。随着微波光子技术的发展，基于微波光子技术的传感系统引起了广泛的关注。与其他传感系统相比，它具有许多优点，比如成本低、灵敏度高、稳定性强和易于实现。
技术实现要素：3.本发明目的是解决现有电学液体折射率传感器灵敏度低、容易受到电学器件电子瓶颈限制的问题，提供一种基于光纤大偏置熔接和微波光子技术的液体折射率传感器。利用光纤大偏置熔接技术，将光路分成两路，一路在光纤中传输，一路在待测液体中传输，结合微波光子技术，可以更好的感受到待测液体折射率的变化，使得光谱干涉图案的自由频谱范围发生明显改变，进而影响到微波滤波响应的通带中心频率变化，实现液体折射率的传感与解调，提升了传感结构的解调速度，避免了电学器件的电子瓶颈问题，提升了传感测量的灵敏度和分辨率，降低了传感器件的生产成本和制作难度，优化了器件使用的灵活度，具有集成化的发展潜力。
4.本发明的技术方案：
5.基于光纤大偏置熔接和微波光子技术的液体折射率传感器，其结构框图如图1所示，包括宽带光源(1)、隔离器(2)、由光纤大偏置熔接制成的全光纤马赫曾德尔传感头(3)、调制器(4)、色散介质光纤(5)和光电探测器(6)；其中宽带光源(1)与隔离器(2)的光输入端相连，隔离器(2)的光输出端口与全光纤马赫曾德尔传感头(3)的输入端口相连，全光纤马赫曾德尔传感头(3)的输出端口与调制器(4)的光输入端口(41)相连，调制器(4)的光输出端口(42)连接色散介质光纤(5)的输入端，调制器(4)的另一个端口(43)为外加射频信号接入端口，色散介质光纤(5)的输出端与光电探测器(6)的光输入端口相连，光电探测器(6)的输出端口为射频信号的输出端口，并与外部检测设备相连接。
6.所述的液体折射率传感器，使用微波光子滤波技术，通过对滤波响应的监测实现传感与解调。
7.所述隔离器(2)为光源保护装置，让光实现单向传输，防止反向光损坏光源。
8.由光纤大偏置熔接制成的全光纤马赫曾德尔传感头(3)完全放置在待测液体中，
使传感头与待测液体充分接触。全光纤马赫曾德尔传感头(3)由三段光纤构成，其中第二段光纤为使用大偏置熔接的方式制成的偏熔光纤；光路在第一段光纤和偏熔光纤的交界面分成两路，一路通过偏熔光纤传输，一路在待测液体中传输，并在偏熔光纤和第三段光纤的交界面耦合成一路。
9.所述的第一段和第三段光纤可以是无芯光纤，也可以是多模光纤，起到模式耦合的作用；第二段偏熔光纤可以是由无芯光纤、单模光纤或多模光纤使用大偏置熔接方式制成；其偏置熔接距离为所述光纤半径的四分之三到四分之五之间，其目的是实现两路光的光功率均衡，提高透射光谱的对比度。
10.调制器(4)为射频信号与光信号的转换装置，可以是电光强度调制器，也可以是电光相位调制器，或者是其他将射频信号调制到光信号的装置。
11.色散介质光纤(5)可以是单模光纤，也可以是色散补偿光纤，其长度可以根据实际需要进行选择。
12.液体折射率传感器的探测信号是由光电探测器(6)的射频信号输出端口输出的。色散介质光纤末端接入光电探测器(6)中，具有不同光程差的光信号在光电探测器(6)中拍频，将光信号转换成射频信号。
13.所述的偏熔光纤根据微波光子滤波技术，利用由光纤大偏置熔接制成的马赫曾德尔结构切割宽带光源形成单通带的微波滤波响应，通带中心频率由偏熔光纤长度、色散介质光纤长度和待测液体折射率与偏熔光纤有效折射率之差决定。在偏熔光纤长度、色散介质光纤长度和偏熔光纤有效折射率固定的情况下，中心频率与待测液体折射率呈现线性关系。通过测量中心频率可以实现待测液体折射率的传感与解调。
14.根据中心频率与待测液体折射率呈现的线性关系，在待测液体折射率范围固定时，缩短色散介质光纤的长度，能够改变线性关系的斜率，实现对灵敏度的优化。
15.本发明工作原理如下：
16.宽带光源(1)生成中心波长为λ0的光载波信号，经过隔离器(2)后与由光纤大偏置熔接制成的全光纤马赫曾德尔传感头(3)的输入端口相连，由光纤大偏置熔接制成的全光纤马赫曾德尔传感头(3)将宽带光源光谱切割，得到一个受到偏熔光纤长度和待测液体折射率与偏熔光纤有效折射率之差共同影响的梳状透射光谱。传感头(3)的输出端口与调制器(4)的光输入端口41相连，调制器(4)的端口43为射频信号接入端口，调制器(4)的光输出端口42连接色散介质光纤(5)的输入端，色散介质光纤(5)的输出端与光电探测器(6)的光输入端口连接，光电探测器(6)的输出端口为射频信号的输出端口。
17.梳状透射光谱t的表达式为：其中，v表示马赫曾德尔传感头结构的对比度，λ表示入射光的波长，nf和n
l
分别表示偏熔光纤有效折射率和待测液体折射率，l0表示偏熔光纤长度。
18.滤波响应的通带中心频率ω0可以表示为：其中，c表示光在真空中传播的速度，β和l分别表示色散介质光纤的二阶色散系数和长度。
19.通过中心频率的表达式可以得到微波滤波响应的中心频率在偏熔光纤长度、色散介质光纤长度、偏熔光纤有效折射率固定的情况下，中心频率与待测液体折射率呈线性关
系，实现待测液体折射率的传感与解调。在待测液体折射率范围一定时，缩短色散介质光纤的长度，能够改变线性关系的斜率，实现对灵敏度的优化。
20.本发明的优点和有益效果：
21.本发明提供的基于光纤大偏置熔接和微波光子技术的液体折射率传感器，将体积小、抗电磁干扰能力强的光纤传感器与微波光子技术相结合，大大提升了传感结构的解调速度；使用微波光子技术有效的避免了电学器件的电子瓶颈问题；使用大偏置熔接的方式相较于直接熔接显著地提升了传感测量的灵敏度和分辨率；显著地降低了传感器件的生产成本和制作难度，优化了器件使用的灵活度。
附图说明
22.图1是本发明所述的基于光纤大偏置熔接和微波光子技术的液体折射率传感器的结构示意图；
23.图2是由光纤大偏置熔接制成的全光纤马赫曾德尔传感头的结构示意图；
24.图3是本发明具体实施方式中所述光纤自聚焦效应仿真效果图；
25.图4是本发明具体实施方式中所述全光纤马赫曾德尔传感头不同偏熔光纤长度的透射光谱仿真图；
26.图5是本发明具体实施方式中所述全光纤马赫曾德尔传感头不同偏熔距离的透射光谱仿真图；
27.图6是本发明具体实施方式中温度恒定在30℃条件下液体折射率变化范围为1.3330到1.3415时微波滤波响应曲线图；
28.图7是本发明具体实施方式中温度恒定在30℃条件下液体折射率与通带中心频率的关系曲线图；
29.图中标号：1宽带光源，2隔离器，3由光纤大偏置熔接制成的全光纤马赫曾德尔传感头，4调制器，41光输入端口，42光输出端口，43射频信号接入端口，5色散介质光纤，6光电探测器。
具体实施方式
30.为使本发明解决的技术问题、采用的技术方案和达到的技术效果更加清楚，下面结合附图对本发明的具体实施方式进行详细说明。
31.本发明设计了基于光纤大偏置熔接和微波光子技术的液体折射率传感器，其结构如图1所示。包括宽带光源(1)、隔离器(2)、由光纤大偏置熔接制成的全光纤马赫曾德尔传感头(3)、调制器(4)、色散介质光纤(5)、光电探测器(6)；其中宽带光源(1)与隔离器(2)的光输入端相连，隔离器(2)的光输出端口与由光纤大偏置熔接制成的全光纤马赫曾德尔传感头(3)的输入端口相连，由光纤大偏置熔接制成的全光纤马赫曾德尔传感头(3)的输出端口与调制器(4)的光输入端口41相连，调制器(4)的光输出端口42连接色散介质光纤(5)的输入端，调制器(4)的另一个端口43为射频信号接入端口，色散介质光纤(5)的输出端与光电探测器(6)的光输入端口连接，光电探测器(6)的输出端口为射频信号的输出端口。
32.作为一种优选的实施方式，本实施例中的宽带光源(1)采用fls-2300base宽带光源。
33.作为一种优选的实施方式，本实施例中的由光纤大偏置熔接制成的全光纤马赫曾德尔传感头(3)，如图2所示，由三段无芯光纤构成，其中第二段无芯光纤(b)采用偏置熔接的方式与前后两段无芯光纤(a、c)熔接，偏熔距离为d，偏熔光纤长度为l0。
34.作为一种优选的实施方式，本实施例中的第一段无芯光纤(a)和第三段无芯光纤(c)的长度设定为相同长度。图3是所述规格的无芯光纤自聚焦效应仿真效果图，为降低损耗，第一段无芯光纤(a)和第三段无芯光纤(c)的长度设定为自聚焦效应距离的一半，即7mm。
35.作为一种优选的实施方式，本实例中第二段无芯光纤(b)的长度为3mm，偏熔距离d为47μm。不同长度的透射光谱仿真图如图4所示，随着偏熔无芯光纤(b)的长度增加，透射光谱的自由频谱范围变小，消光比变小。不同偏熔距离的透射光谱仿真图如图5所示，在47～78μm之间透射光谱呈现余弦型。
36.作为一种优选的实施方式，本实施例的调制器(4)采用马赫-曾德尔强度调制器。
37.作为一种优选的实施方式，本实施例的色散介质光纤(5)采用25km的标准单模光纤。
38.图6是本发明具体实施方式中温度恒定在30℃条件下液体折射率变化范围为1.3330到1.3415时微波滤波响应。随着折射率的升高，通带的中心频率向较低的频率移动。图7是本发明具体实施方式中温度恒定在30℃条件下液体折射率与通带中心频率的关系曲线图。由于实验条件的限制，本发明具体实施过程中，存在较大误差，但仍然可以从图中看出通带中心频率与液体折射率呈现线性关系，实现折射率的传感与解调。在折射率范围一定时，缩短单模光纤的长度，能够改变线性关系的斜率，实现对灵敏度的优化。
技术特征：1.基于光纤大偏置熔接和微波光子技术的液体折射率传感器，其特征在于包括宽带光源(1)、隔离器(2)、由光纤大偏置熔接制成的全光纤马赫曾德尔传感头(3)、调制器(4)、色散介质光纤(5)、光电探测器(6)；其中宽带光源(1)与隔离器(2)的光输入端口相连，隔离器(2)的光输出端口与全光纤马赫曾德尔传感头(3)的输入端相连，全光纤马赫曾德尔传感头(3)的输出端与调制器(4)的光输入端口(41)相连，调制器(4)的光输出端口(42)连接色散介质光纤(5)的输入端，调制器(4)的另一个端口(43)为外加射频信号接入端口，色散介质光纤(5)的输出端与光电探测器(6)的光输入端口相连，光电探测器(6)的输出端口为射频信号的输出端口并与外部检测设备相连接。2.根据权利要求1所述的基于光纤大偏置熔接和微波光子技术的液体折射率传感器，其特征在于结合光纤大偏置熔接技术和微波光子滤波技术，通过对滤波响应的监测实现传感与解调。3.根据权利要求1所述的基于光纤大偏置熔接和微波光子技术的液体折射率传感器，其特征在所述的全光纤马赫曾德尔传感头完全放置在待测液体中，使传感头与待测液体充分接触。4.根据权利要求1所述基于光纤大偏置熔接和微波光子技术的液体折射率传感器，其特征在于所述的全光纤马赫曾德尔传感头(3)由三段光纤构成，其中第二段光纤为使用大偏置熔接方式制成的偏熔光纤；光路在第一段光纤和偏熔光纤的交界面分成两路，一路通过偏熔光纤传输，一路在待测液体中传输，并在偏熔光纤和第三段光纤的交界面耦合成一路。5.根据权利要求4所述基于光纤大偏置熔接和微波光子技术的液体折射率传感器，其特征在于所述的第一段和第三段光纤为无芯光纤，或多模光纤，起到模式耦合的作用；第二段偏熔光纤，由无芯光纤、单模光纤或多模光纤使用大偏置熔接方式制成。6.根据权利要求4或5所述基于光纤大偏置熔接和微波光子技术的液体折射率传感器，其特征在于所述的偏熔光纤的偏置熔接距离为所述光纤半径的四分之三到四分之五之间，以便实现两路光的光功率均衡，提高透射光谱的对比度。7.根据权利要求4所述基于光纤大偏置熔接和微波光子技术的液体折射率传感器，其特征在于所述的偏熔光纤利用大偏置熔接的全光纤马赫曾德尔结构切割宽带光源形成单通带微波滤波响应。8.根据权利要求7所述基于光纤大偏置熔接和微波光子技术的液体折射率传感器，其特征在于所述的微波滤波响应的通带中心频率由偏熔光纤长度、色散介质光纤长度和待测液体折射率与偏熔光纤有效折射率之差共同决定。9.根据权利要求8所述的基于光纤大偏置熔接和微波光子技术的液体折射率传感器，其特性在于所述微波滤波响应的中心频率在偏熔光纤长度、色散介质光纤长度和偏熔光纤有效折射率固定的情况下，中心频率与待测液体折射率呈现线性关系；通过测量中心频率能够实现待测液体折射率的传感与解调。10.根据权利要求9所述基于光纤大偏置熔接和微波光子技术的液体折射率传感器，其特征在于根据中心频率与待测液体折射率呈现的线性关系，在待测液体折射率范围固定时，缩短色散介质光纤的长度，能够改变线性关系的斜率，实现对灵敏度的优化。
技术总结基于光纤大偏置熔接和微波光子技术的液体折射率传感器，是使用微波光子滤波技术制成的应用于传感领域的一种器件。所述传感器包括：宽带光源、隔离器、由光纤大偏置熔接制成的全光纤马赫曾德尔传感头、调制器、色散介质光纤、光电探测器。本结构的核心部分是：由对液体折射率敏感的光纤大偏置熔接制成的全光纤马赫曾德尔传感头。本发明的优点：提出了一种简便、易于实现的液体折射率传感结构；提升了传感器的解调速度；避免了电学器件的电子瓶颈问题；提升了传感器的灵敏度和分辨率；降低了器件的生产成本和制作难度；优化了器件使用的灵活度；具有集成化的发展潜力。具有集成化的发展潜力。具有集成化的发展潜力。
技术研发人员：张爱玲 张永富
受保护的技术使用者：天津理工大学
技术研发日：2022.03.15
技术公布日：2022/7/5
