单模光纤耦合器应变特性实验研究

　　1　引　言

　　随着光纤耦合技术的发展,各种低损耗、高性能的光纤耦合器相继研制出来。作为一种基本的器件结构,光纤耦合器不仅可以用于光网络系统中的分光与合光,其耦合输出比还对耦合区的应变非常敏感[1~3]。由于单模光纤耦合器具有体积小、成本低、抗电磁干扰、耐腐蚀、解调方式简单等优点,对其应变特性进行研究具有重要的实用价值。

　　2　耦合器应变的响应机理

　　单模熔融拉锥光纤耦合器是用熔融拉锥法制作而成的,即将两根除去涂覆层的单模光纤以一定的方式靠拢,在高温下熔融并同时沿轴线向两侧拉伸,最终在加热区形成双锥形式的特殊波导结构。采用熔融拉锥法制作耦合器的过程中,由于两光纤的耦合段扭绞后熔融拉伸,纤芯变得很细,可以认为由包层同周围介质构成组合波导。光纤耦合器的几何结构包括熔融区和锥区两部分,L为耦合区的长度; l0为熔融区的宽度,即等于火焰的宽度;其两端l1和l2为锥区部分,其各点的直径随位置的变化而不同(如图1所示)。对耦合区作弱导和弱耦合近似后可知,耦合区两臂间的功率交换主要发生在熔融区等效圆柱型平行波导内。在熔融区部分,两根光纤的位置可以认为相互平行且靠得足够近,原来在独立光纤中传输的模场变为在组合波导中传输,由于细芯的影响,两光纤中的模场可近似为三角型分布,利用变分法就可以很方便地分析耦合区域内的耦合行为。

　　β+和β-为光波导中的模式传输常数,“+”、“-”号分别对应着同相模和反相模。因为两光纤在耦合区是近似无源无损的,故有:

　　由式(4)可知,耦合器的耦合输出比是耦合长度的函数,其输出耦合比随耦合区长度的变化呈周期性变化(见图2)。利用这一特性,使耦合器工作在A-B区,将耦合器粘贴在不同的被测物体上可以得到不同的灵敏度,实现对外界物体应变的测量。

　　3　实验研究

　　由光纤耦合器的工作机理分析可知,光纤耦合器的输出是耦合长度的函数。利用耦合器的这一特性可以制成耦合式光纤应力传感器,实现对应变的测量。由于螺旋测微仪能够精确地控制被测对象的形变,具有结构稳定、控制精度高等优点。实验中采用改造后的测微仪对光纤耦合器的应变特性进行研究,避免了悬臂梁结构自重、梁的振动等不可控因素对测量结果的影响,有效提高了测量精度。将耦合器粘贴在复合材料上,在耦合器的一侧粘贴微应变片,对比测量耦合器的输出的变化率。将复合材料固定在微应变仪上,通过微应变仪给予复合材料不同的拉力和压力引起复合材料的形变,观察应变片和耦合器的测量输出与微应变仪的对应关系。选用耦合输出比为50：50的单模光纤耦合器。入射光源采用深圳朗光公司生产的ASE-105型宽带光源,输出波长为1 525~1 560 nm,输出光功率为20mW。输出端采用EXFO FPM-602型光功率计,测量范围为10~70mW,测量精度为0. 1 nW,满足本实验的要求(见图3)。