基於光子晶體光纖的幹涉型光纖傳感器的製造方法
2023-04-25 09:27:06 1
基於光子晶體光纖的幹涉型光纖傳感器的製造方法
【專利摘要】一種基於光子晶體光纖的幹涉型光纖傳感器，中間段光子晶體光纖與兩端傳輸單模光纖採用偏芯連接結構，其中兩端的單模光纖的包層直徑為125μm，纖芯的直徑為8.3μm；中間段為由烽火通信所製造的PM-125型光子晶體光纖，包層直徑為125μm，纖芯直徑為7μm，長度為5cm，該段作為傳感區。本發明對溫度不那麼靈敏，而對摺射率的靈敏度較高，可以作為折射率傳感器，同時降低溫度的變化對摺射率測量精度所造成的影響。本發明結構簡單且易於製作，同時可降低溫度變化對單參量測量精度造成的影響，實用價值較高，適用於工業生產、國防科技、醫療民生等領域。
【專利說明】基於光子晶體光纖的幹涉型光纖傳感器
【技術領域】
[0001]本發明屬於光纖傳感領域，特別是涉及光子晶體光纖折射率傳感的幹涉型光纖傳感器。
【背景技術】
[0002]傳感技術在現代信息技術當中扮演著重要的角色，隨著現代信息技術的迅猛發展，對傳感技術不斷進步的要求也越來越迫切。近年來，基於幹涉原理的光纖傳感器，因其具有傳感靈敏度高和結構設計靈活等優點，被廣泛的應用於應變、彎曲、折射率、溫度、液位等的測量。
[0003]光子晶體光纖(PCF)是帶有缺陷的二維光波導，較之傳統光纖，其有許多優異的特性。由於PCF的獨特性能，PCF的應用引起了研究者的廣泛關注，自從PCF被製造出來，基於PCF所製造的各種光學器件也越來越多的在實際應用中出現。研究者已提出了多種用於測量折射率的PCF器件，諸如:在PCF光纖上寫制長周期(LPG)和布拉格光柵(FBG)，製作法布裡_拍羅幹涉儀(FPI)以及纖芯包層模幹涉儀(Core-Cladding-Mode Interferometers,CCMIs)ο
[0004]折射率的測量在工業測量中至關重要，但是一般的光纖傳感器中存在溫度與折射率的交叉敏感問題，會影響測量精度；而且一般的光纖傳感器的測量靈敏度也有待進一步提聞。
【發明內容】
[0005]本發明目的是獲得較高的折射率傳感靈敏度，同時降低由於溫度的變化而對摺射率測量所造成的影響，提供一種結構簡單且容易製作的幹涉型光子晶體光纖傳感器。該光纖傳感器基於光子晶體光纖偏芯連接結構，輸出信號中存在幹涉峰，根據其對不同折射率和溫度的漂移量，可測得折射率和溫度的靈敏度。
[0006]本發明提供的基於光子晶體光纖的幹涉型光纖傳感器，順次包括:入射端單模光纖(I)、中間的光子晶體光纖(2)和出射端單模光纖(3);所述的光子晶體光纖(2)分別與兩端的入射端單模光纖(I)和出射端單模光纖(3)錯位偏芯連接；傳輸光經入射端單模光纖
(1)進入偏芯連接的光子晶體光纖(2)，最後經輸出端偏芯連接的單模光纖(3)輸出。
[0007]本發明所述的入射端單模光纖(I)與出射端單模光纖(3)的包層直徑為125μπι，纖芯的直徑為8.3 μ m，光子晶體光纖(2)為烽火通信所製造的PM-125型光子晶體光纖，包層直徑為125 μ m,纖芯直徑為7 μ m,長度範圍為4飛cm (長度優選5cm);光子晶體光纖(2)兩端與入射端單模光纖(I)和出射端單模光纖((3)徑向進行較小距離的錯位熔接，徑向錯位距離小於等於9 μ m。
[0008]根據幹涉理論可知，光從傳輸臂入射端單模光纖(I)耦合到幹涉臂光子晶體光纖
(2)的能量一部分在纖芯中傳輸，另一部分以包層模的形式在包層中傳輸，包層模式與纖芯模式之間存在一定的相位差，當纖芯模式和包層模式的相位差滿足Φ =2 Ji AnL/λ時，在第二個偏芯熔接處，包層中的光被耦合回傳輸單模光纖(3)的纖芯中發生幹涉，根據幹涉波峰的漂移量，可以計算出溫度與折射率靈敏度，其中式中Λη為纖芯和包層的折射率差，λ為真空中的波長，L為幹涉臂光子晶體光纖的長度。
[0009]本發明的優點和有益效果
本發明提出了一種基於光子晶體光纖的幹涉型光纖傳感器，其結構簡單且易於製作，只需將光子晶體光纖的兩端和單模光纖進行偏芯熔接即可。根據該結構對溫度不那麼靈敏，而對摺射率的靈敏度較高，可以作為折射率傳感器，同時可降低溫度的變化對摺射率測量所造成的影響。該發明基於光子晶體光纖的幹涉型傳感器，結構簡單，測量靈敏度較高，可降低溫度對實際測量的影響，具有較高的實際應用價值。
[0010]
【專利附圖】
【附圖說明】
[0011]圖1為該光纖傳感器結構示意圖。
[0012]圖中1.入射端單模光纖，2.光子晶體光纖，3.出射端單模光纖，4.寬帶光源，5.光譜分析儀。
[0013]圖2為該光纖傳感器所採用的光子晶體光纖截面圖。
[0014]圖3為該光纖傳感器幹涉原理示意圖。
[0015]圖4為該光纖傳感器的輸出信號譜。
[0016]圖5為該光纖傳感器幹涉峰的特徵波長隨折射率變化的擬合曲線圖。
[0017]圖6為該光纖傳感器幹涉峰的特徵波長隨溫度變化的擬合曲線圖。
[0018]下面結合附圖和實施例對本發明進一步說明。
[0019]
【具體實施方式】
[0020]實施例:
一種基於光子晶體光纖的幹涉型光纖傳感器，如圖1、圖3所示，採用錯芯熔接結構，包括入射端單模光纖(I)、光子晶體光纖(2)、出射端單模光纖(3)、寬帶光源(4)和光譜分析儀(5 );光子晶體光纖(2 )分別與兩端的入射端單模光纖(I)和出射端單模光纖(3 )錯位偏芯連接；寬帶光源(4)發射的光經入射端單模光纖(I)進入偏芯連接的光子晶體光纖(2)，再經輸出端偏芯連接的單模光纖(3)，最後接入到光譜分析儀(5)。
[0021]所述的入射端單模光纖(I)與出射端單模光纖(3)的包層直徑為125μηι,纖芯的直徑為8.3 μ m，光子晶體光纖(2)為烽火通信所製造的PM-125型光子晶體光纖如圖2，包層直徑為125μηι,纖芯直徑為7 μ m,長度選取5cm ;光子晶體光纖(2)兩端與單模光纖(I )、
(3)徑向進行較小距離的錯位熔接，徑向錯位距離約為7 μ m。
[0022]如圖1、圖3所示，本發明測量溫度與折射率的光路傳輸過程為:寬帶光源(4)的光從傳輸臂單模光纖(I)耦合到幹涉臂PCF (2)的能量一部分在纖芯中傳輸，另一部分以包層模的形式在包層中傳輸，包層模式與纖芯模式滿足相位匹配條件時，在第二個偏芯熔接處，包層中的光被耦合回傳輸單模光纖(3)的纖芯中發生幹涉，並輸出，在光譜儀(5)中可以觀察到幹涉峰的特徵波長隨溫度、折射率的變化。如圖4為環境溫度為25°C，外界折射率為1.33時，在光譜儀(5)中觀察到的幹涉峰。圖5所示為環境溫度為25°C時，光纖傳感頭置於調配好的氯化鈉溶液中，氯化鈉溶液折射率從1.33變化到1.38時，波峰的特徵波長隨折射率變化的擬合曲線，可以計算得到該傳感器折射率的靈敏度為102nm/RIU (RIU為折射率單位)。圖6所示為將光纖傳感頭固定在溫度板上，溫度從75°C降低到25°C時，波峰的特徵波長隨溫度變化的擬合曲線，可以計算得到該傳感器的溫度靈敏度為-8X10_3nm/°C。
[0023]本發明提出了一種基於光子晶體光纖的幹涉型光纖傳感器，其結構簡單且易於製作，選擇合適長度的光子晶體光纖，將光子晶體光纖的兩端和單模光纖進行偏芯熔接，便可製作出該光纖傳感器。根據傳輸譜圖中幹涉峰的特徵波長漂移量，便可得到溫度與折射率靈敏度。該發明對溫度不那麼敏感，而對摺射率的靈敏度較高，可以作為折射率傳感器，同時可降低溫度的變化對摺射率測量所造成的影響。該發明具有體積小，結構簡單，易於製作等優點，在工業生產、國防科技、醫療民生等領域有較高的實用價值。
【權利要求】
1.基於光子晶體光纖的幹涉型光纖傳感器，其特徵在於該光纖傳感器順次包括:入 射端單模光纖(I)、中間的光子晶體光纖(2)以及出射端單模光纖(3);所述的光子晶體光纖(2)分別與兩端的入射端單模光纖(I)和出射端單模光纖(3)錯位偏芯連接；傳輸光經入射端單模光纖(I)進入偏芯連接的光子晶體光纖(2)最後經輸出端偏芯連接的單模光纖(3)輸出ο
2.根據權利要求1所述的光纖傳感器，其特徵在於:所述的入射端單模光纖(I)與出射端單模光纖(3)的包層直徑為125 μ m,纖芯的直徑為8.3 μ m,光子晶體光纖(2)的包層直徑為125 μ m,纖芯直徑為7 μ m,長度範圍為4飛cm ;光子晶體光纖(2)兩端與單模光纖(I)、(3)徑向進行較小距離的錯位熔接，徑向錯位距離小於等於9 μ m。
3.根據權利要求2所述的光纖傳感器，其特徵在於:所述的光子晶體光纖(2)優選的長度為5cm,徑向錯位熔接的距離約為7 μ m。
4.根據權利要求1或2所述的光纖傳感器，其特徵在於:根據幹涉理論可知，纖芯模式與包層模式進行幹涉，出現幹涉峰，利用光子晶體光纖對溫度不那麼敏感，而該發明產生的幹涉峰對摺射率比較敏感，可實現較高精度的折射率靈敏度測量。
5.根據權利要求1或2所述的光纖傳感器，其特徵在於:根據包層模式與纖芯模式之間存在一定的相位差，當纖芯模式和包層模式的相位差滿足Φ=2π AnL/λ時，在第二個偏芯熔接處發生幹涉，根據幹涉波峰的漂移量，能夠計算出溫度與折射率靈敏度，其中式中Λη為纖芯和包層的折射率差，λ為真空中的波長，L為幹涉臂光子晶體光纖(2)的長度。
【文檔編號】G01N21/45GK104297208SQ201410560810
【公開日】2015年1月21日 申請日期:2014年10月21日 優先權日:2014年10月21日
【發明者】曹曄, 劉 文, 趙舜, 童崢嶸 申請人:天津理工大學