包括過渡區的光纖熔錐長周期光柵高靈敏度折射率傳感器及其製造方法

2023-09-11 11:20:25 1

包括過渡區的光纖熔錐長周期光柵高靈敏度折射率傳感器及其製造方法
【專利摘要】本發明涉及了一種包括過渡區的光纖熔錐長周期光柵高靈敏度折射率傳感器，它包括一根單模光纖、單模光纖經氫氧火焰拉製成的光纖熔錐以及使用CO2雷射器刻寫在光纖熔錐上的長周期光纖光柵（LPFG）。光纖熔錐很大一部分光場能量以倏逝波的形式在纖外傳播，基於這部分芯外倏逝場與環境相互作用可感知周圍環境的折射率變化，結合採用CO2雷射器刻寫範圍包括光纖熔錐過渡區的LPFG，基於其同向傳輸的纖芯基模和包層模之間耦合且由於光纖熔錐特殊的錐形波導結構和錐腰的細直徑特性，諧振波長對外界環境的變化非常敏感。本發明將光纖熔錐和LPFG的優點結合在一起，通過測量其透射峰的諧振波長的變化進行高靈敏傳感，對基於光纖熔錐的複合型光纖器件的基礎研究與高靈敏傳感器應用具有重要意義。
【專利說明】包括過渡區的光纖熔錐長周期光柵高靈敏度折射率傳感器 及其製造方法

【技術領域】
[0001] 本發明涉及一種包括過渡區的光纖熔錐長周期光柵高靈敏度折射率傳感器及其 製造方法，屬於光纖器件領域。

【背景技術】
[0002] 光纖器件是光纖通信和光纖傳感的關鍵性器件，其發展程度的高低在很大程度上 決定著光纖通信和光纖傳感領域的發展。光纖傳感器抗幹擾能力強、絕緣性好安全度高、 靈敏度高、重量輕體積小易於集成，因而在很多行業比如航天(飛機及太空飛行器各部位的溫度 測量、壓力測量等)，石油開採(液面高度測量等)，電力傳輸(高壓輸電網的電流測量等）等 領域均有著廣闊的應用前景。隨著光纖通信和光纖傳感領域的快速發展，對光纖器件的要 求也越來越高，具有微尺寸、高靈敏度、快速響應等優勢的新型光纖器件逐漸成為研究的熱 點。光纖光柵因其優越的性能己成為目前最具有代表性和最具有發展前途的光纖無源器件 之一，新結構、新特性、多功能光纖光柵的研製已經成為必然趨勢。
[0003] 長周期光纖光柵（LPFG)具有插入損耗小、帶寬寬、後向反射低、對外界環境變化 的反應靈敏度高、製作簡單、成本低廉等優點，獲得了極大的應用。在傳感領域，由於LPFG 的周期長，同向傳輸的纖芯基模和包層模之間存在耦合，其諧振波長和峰值對外界環境的 變化非常敏感。熔錐型光纖器件與普通單模光纖SMF (single mode fiber)相比，光纖熔 錐的很大一部分光場能量以倏逝波的形式在芯外傳播，光進入過渡區部分繼續向前傳輸， 過渡區的半徑逐漸減小，隨著半徑的減小，在包層中傳輸的光逐漸增多，在纖芯中傳輸的光 逐漸減少，在錐腰傳輸的光波呈指數形式衰減，形成對外部環境的變化極其敏感的漸逝波， 可以製成高靈敏光纖傳感器，之後光波重新進入過渡區和單模區傳輸，光也逐漸由包層返 回纖芯。因此，光纖熔錐複合型器件的基礎研究具有重要意義。本發明在光纖熔錐上刻寫 LPFG，將光纖烙錐和LPFG的優點結合在一起，通過測量其透射峰的諧振波長和峰值的變化 進行傳感。因此，可以實現比普通LPFG更高的解析度、更高的靈敏度以及更大範圍的傳感 測量，同時可以通過改進工藝以實現低損耗和高性能傳感。


【發明內容】

[0004] 本發明的目的在於提高普通LPFG折射率傳感的靈敏度，提供一種包括過渡區的 光纖熔錐長周期光柵高靈敏度折射率傳感器及其製造方法。該傳感器可實現更高的分辨 率、更高的靈敏度以及更大範圍的折射率傳感。
[0005] 為達到上述目的，本發明採用下述技術方案： 一種包括過渡區的光纖熔錐長周期光纖光柵高靈敏度折射率傳感器，包括一根單模 光纖、單模光纖經過氫氧火焰拉製成的光纖熔錐以及使用CO2雷射器刻寫在光纖熔錐上的 LPFG，其特徵在於：所述光纖熔錐，它的很大一部分光場能量以倏逝波的形式在芯外傳播， 這部分芯外倏逝場與環境相互作用時，可以感知周圍環境的折射率變化；刻寫範圍包括光 纖熔錐過渡區的長周期光纖光柵（LPFG)，由於LPFG的周期長，存在同向傳輸的纖芯基模 和包層模之間的耦合，其諧振波長和峰值對外界環境的變化非常敏感；在光纖熔錐上刻寫 LPFG，將光纖熔錐和LPFG的優點結合在一起，以實現低損耗和高性能的傳感特性。特徵在 於所述單模光纖（1)包層直徑約為10(Γ150 μ m，纖芯直徑約為疒10 μ m ;所述纖熔錐過渡區 (2)和光纖熔錐的錐腰區域（3)總長為l(Tl5mm，光纖熔錐的錐腰（3)直徑3(Γ80μπι，所述 長周期光纖光柵（4)長度為15~20mm。
[0006] 用於製作上述所說的包括過渡區的光纖熔錐長周期光柵折射率傳感器，其製造工 藝操作步驟如下： 首先，取一根長度為Im ± 0. 2m的單模光纖（1)，剝掉該單模光纖（1)中間部分長度為 10cm ± Icm的塗覆層，然後用氫氧火焰拉錐機對其進行拉錐，得到光纖熔錐過渡區（2)和光 纖熔錐的錐腰區域（3);然後把光纖熔錐過渡區（2)和光纖熔錐的錐腰區域（3)固定在CO 2 雷射器上，光纖熔錐過渡區（2)的兩端分別通過跳線連接光源和光譜儀，然後通過顯微鏡 聚焦於光纖熔錐的錐腰區域（3)的中心，用電腦繪製一個長度為15~20mm長周期光纖光柵 (4)，控制CO 2雷射器刻寫長周期光纖光柵（4)，通過光譜儀的實時在線測量，得到一個光譜 較好的長周期光纖光柵（4)。至此，一種包括過渡區的光纖熔錐長周期光柵折射率傳感器制 備完成。
[0007] 本發明與現有技術相比較，具有如下顯而易見的突出特點和顯著優點： (1) 光纖烙錐很大一部分光場能量以倏逝波的形式在纖外傳播，倏逝場與環境相互作 用可實現高靈敏度感知周圍環境的折射率變化； (2) LPFG存在同向傳輸的纖芯基模和包層模之間稱合，諧振波長對外界環境的變化非 常敏感； (3) 所發明的器件結構簡單，性能穩定可靠，並可以根據需求，製備不同LPFG長度、不 同光纖熔錐直徑，成本低廉，重複性高，易於實現器件的批量加工。
[0008] 本發明的工作原理 與用常規製作方法製成的光纖光柵折射率傳感器相比，在光纖熔錐上刻寫包括過渡區 的長周期光纖光柵傳感器靈敏度更高。由於LPFG的周期長，存在同向傳輸的纖芯基模和包 層模之間的耦合，其諧振波長和峰值對外界環境的變化非常敏感，具有比布拉格光柵更好 的靈敏度(表現在溫度、折射率、彎曲等特性)。光纖熔錐很大一部分光場能量以倏逝波的形 式在纖外傳播，這部分芯外倏逝場與環境相互作用時，通過感知周圍環境的折射率變化，可 以用來做高靈敏度的微型傳感器。因此，針對基於光纖熔錐的複合型器件的工作原理、製造 工藝和應用特性進行基礎研究具有重要意義。在光纖熔錐上刻寫LPFG (結構如圖1所示)， 將光纖熔錐和LPFG的優點結合在一起，通過測量其透射峰的諧振波長和峰值的變化進行 傳感。因此，可以實現比普通LPFG更高的解析度、更高的靈敏度以及更大範圍的傳感。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0009] 圖1是本發明中包括過渡區的光纖熔錐長周期光柵折射率傳感器的結構圖。
[0010] 圖2是本發明利用CO2雷射器在光纖熔錐上刻寫長周期光柵的示意圖。
[0011] 圖3是刻寫在普通單模光纖SMF-28上，周期為500 μ m、周期數為60的LPFG傳輸 譜在外界折射率變化情況下的移動情況。
[0012] 圖4是刻寫在錐腰直徑84 μ m，周期為500 μ m、周期數為60的LPFG傳輸譜在外界 折射率變化情況下的移動情況。

【具體實施方式】
[0013] 本發明的優選實施例並結合【專利附圖】

【附圖說明】如下： 實施例一： 本段內容參見圖1，本包括過渡區的光纖熔錐長周期光纖光柵高靈敏度折射率傳感器， 包括一根單模光纖、由單模光纖經過氫氧火焰熔融拉錐形成的光纖熔錐、CO2雷射器在光纖 熔錐上刻寫長周期光纖光柵，其特徵在於：所述光纖熔錐部分是由氫氧火焰加熱經過熔融 拉錐製成，包括過渡區域和錐腰區域；長周期光纖光柵是由CO 2雷射器刻寫，刻寫區域包括 了光纖熔錐的過渡區域和錐腰區域。光纖熔錐的強漸逝場對外界環境變化產生高靈敏度特 性；長周期光纖光柵的耦合是纖芯基模和同向包層模之間的耦合，與包層模的有效折射率 密切相關；而外界折射率的變化會導致包層模有效折射率發生變化，進而對耦合模式產生 影響；本發明有效結合兩種光纖器件的優勢，製成一種對摺射率具有高靈敏度的光纖傳感 器件。
[0014] 實施例二： 本實施例與實施例一基本相同，特別之處：所述單模光纖（1)包層直徑約為 10(Γ?50μπι，纖芯直徑約為7~10μπι;所述纖熔錐過渡區（2)和光纖熔錐的錐腰區域（3) 總長為l(Tl5mm，光纖熔錐的錐腰（3)直徑3(Γ80μπι，所述長周期光纖光柵（4)長度為 15~20mm〇
[0015] 實施例三： 上述包括過渡區的光纖熔錐長周期光纖光柵高靈敏度折射率傳感器的製造方法，用於 製造上述折射率傳感器，其製造工藝步驟如下：首先，取一根長度為Im ± 0. 2m的單模光纖 (1) ，剝掉該單模光纖（1)中間部分長度為10cm ± Icm的塗覆層，然後用氫氧火焰拉錐機對 其進行拉錐，得到光纖熔錐過渡區（2)和光纖熔錐的錐腰區域（3);然後把光纖熔錐過渡區 (2) 和光纖熔錐的錐腰區域（3)固定在CO2雷射器上，光纖熔錐過渡區（2)的兩端分別通過 跳線連接光源和光譜儀，然後通過顯微鏡聚焦於光纖熔錐的錐腰區域（3)的中心，用電腦繪 制一個長度為15~20mm長周期光纖光柵（4)，控制CO 2雷射器刻寫長周期光纖光柵（4)，通過 光譜儀的實時在線測量，得到一個光譜較好的長周期光纖光柵（4)。至此，一種包括過渡區 的光纖熔錐長周期光纖光柵高靈敏度折射率傳感器製備完成。
[0016] 實施例四： 參見圖1，本包括過渡區的光纖熔錐長周期光纖光柵高靈敏度折射率傳感器，包括一根 單模光纖（1)、由單模光纖經過氫氧火焰熔融拉錐形成的光纖熔錐過渡區（2)和光纖熔錐 的錐腰區域（3)、CO2雷射器在光纖熔錐上刻寫長周期光纖光柵（4)，所述單模光纖（1)包層 直徑約為125um，纖芯直徑約為8. 5um ;所述光纖熔錐過渡區（2)和光纖熔錐的錐腰區域（3) 是由普通單模光纖經過氫氧火焰熔融拉錐形成的，長為l(Tl5mm，錐腰直徑為3(Γ60 μ m， LPFG長度為15?20mm ; 圖2為利用CO2雷射器在光纖熔錐上刻寫長周期光纖光柵的示意圖。圖3和圖4分別 為刻寫在普通單模光纖和錐腰直徑84 μ m，周期為500 μ m周期數為60的LPFG傳輸譜在外 界折射率變化情況下的移動情況，比較之下，圖4表明本發明所涉及的包括過渡區的光纖 熔錐長周期光柵折射率傳感器具有更高的傳感靈敏度。
【權利要求】
1. 一種包括過渡區的光纖熔錐長周期光柵高靈敏度折射率傳感器，包括一根單模光纖 (1)、以及在單模光纖（1)中的一段光纖熔錐上刻寫的長周期光柵（4)，其特徵在於：所述的 長周期光纖光柵（4)是由CO2雷射器刻寫，刻寫區域包括了光纖熔錐的兩個過渡區（2)域和 一個錐腰區域（3);所述光纖熔錐過渡區（2)和光纖熔錐的錐腰區域（3)部分是由氫氧火焰 加熱經過熔融拉錐製成。
2. 根據權利1所述的一種包括過渡區的光纖熔錐長周期光纖光柵折射率傳感器，其特 徵在於所述單模光纖（1)包層直徑約為10(Γ150μm，纖芯直徑約為疒10μm;所述纖熔錐過 渡區（2)和光纖熔錐的錐腰區域（3)總長為l(Tl5mm，光纖熔錐的錐腰（3)直徑3(Γ80μπι， 所述長周期光纖光柵（4)長度為15~20mm。
3. -種包括過渡區的光纖熔錐長周期光柵高靈敏度折射率傳感器製造方法，用於製造 根據權利要求1所述的包括過渡區的光纖熔錐長周期光柵高靈敏度折射率傳感器，其特徵 在於製造步驟如下： 1) 首先，取一根長度為Im± 0.2m的單模光纖（1)，剝掉該單模光纖（1)中間部分長度 為IOcm±Icm的塗覆層； 2) 然後，用氫氧火焰拉錐機對其進行拉錐，得到光纖熔錐過渡區（2)和光纖熔錐的錐腰 區域（3); 3) 接著，把光纖熔錐過渡區（2)和光纖熔錐的錐腰區域（3)固定在C02雷射器上，光纖 熔錐過渡區（2)的兩端分別通過跳線連結光源和光譜儀； 4) 最後，通過顯微鏡聚焦於光纖熔錐的腰椎區域（3)的中心，用電腦繪製一個長度為 15~20cm的長周期光纖光柵（4)，通過控制C02雷射器刻寫長周期光纖光柵（4);通過光譜儀 的實時在線測量，得到一個較好的長周期光纖光柵（4)。
【文檔編號】G01N21/41GK104237166SQ201410460070
【公開日】2014年12月24日 申請日期:2014年9月11日 優先權日:2014年3月6日
【發明者】張小貝, 李揚, 殷趙輝, 龐拂飛, 華陽, 劉雲啟, 王廷雲 申請人:上海大學