CN101710065A - 细芯光纤模式干涉仪传感器 - Google Patents

Abstract

本发明属于涉及一种细芯光纤模式干涉仪传感器，现有的光纤型模式干涉仪都存在制作工艺复杂，原材料特殊，机械强度较低等缺点。本发明包括标准单模光纤、细芯单模光纤、反射膜、宽带光源、光谱分析仪和环行器；宽带光源通过标准单模光纤与环行器的I口光连接，光谱分析仪通过标准单模光纤与环行器的III口光连接，细芯单模光纤一端通过标准单模光纤与环行器的II口光连接，另一端设置厚度为d的反射膜，其中100μm≤d≤200μm。连接一起的标准单模光纤和细芯单模光纤同轴设置。本发明的传感器制作工艺简单，成本低。

Description

细芯光纤模式干涉仪传感器

技术领域

本发明属于光纤传感技术领域，具体涉及一种细芯光纤模式干涉仪传感器，可以在生物医学、化学检测、环境监测等领域用于检测抗体-抗原、化学试剂浓度、污水PH等多种物质及特性。

背景技术

光纤传感器是一种新型的传感器。与传统的传感器相比，它具有体积小，质量轻，抗电磁干扰，灵敏度高，耐腐蚀等优点，特别是全光纤型的传感器，便于与光纤传输系统组成遥测网络，在恶劣、危险的环境下工作。按照光纤传感器中是否基于光栅结构，光纤传感器可以分为光纤光栅传感器和非光栅型光纤传感器。

光纤光栅传感器是已经成为广泛使用的传感器，它分为两种，一种基于光纤布拉格光纤光栅(Fiber Bragg Grating，FBG)，是一种窄带的反射型的传感器；另一种基于长周期光纤光栅(Long-Period Fiber Grating，LPG)，是一种透射型的带阻传感器。这两种传感器可以运用于应力，弯曲，等领域，同时也具有较高的信噪比。但其温度稳定性较低，因此存在温度干扰，特别是长周期光纤光栅传感器，对温度更为敏感，其温度响应大约为0.1～0.3nm/℃，这大大降低了传感器的稳定性和灵敏度。另外，普通光纤光栅在大于300℃的环境下就开始退火，因此不利于在高温环境下工作。

而非光栅型的光纤干涉仪传感器，由于其简单的制作工艺，低廉的成本以及较高的温度稳定性，已经吸引越来越多的学者，成为当前学术界研究的热点。这类传感器设计思想是构造一个光纤型模式干涉仪，由此激发传输光的高阶包层模式，并使高阶包层模和芯模之间具有稳定的光程差并最后进行干涉，从而形成对外界待测量敏感的干涉仪传感器。但现有的光纤型模式干涉仪都存在制作工艺复杂，原材料特殊，机械强度较低等缺点。

发明内容

本发明的目的是针对现有技术的不足，提出了一种制作简单、高机械强度、低温度敏感性的细芯光纤模式干涉仪传感器。该传感器利用光纤熔接处的细芯光纤来激发高阶模式，并作为模式耦合器，从而形成对外界待测物质敏感的干涉仪传感器。

本发明包括标准单模光纤、细芯单模光纤、反射膜、宽带光源、光谱分析仪和环行器；宽带光源通过标准单模光纤与环行器的I口光连接，光谱分析仪通过标准单模光纤与环行器的III口光连接，细芯单模光纤的一端通过标准单模光纤与环行器的II口光连接，细芯单模光纤的另一端设置厚度为d的反射膜，其中100μm≤d≤200μm。

与环行器的II口光连接的标准单模光纤和细芯单模光纤同轴设置。

本发明细芯光纤模式干涉仪传感器工作原理为：光在单模光纤中是单模传输的，只存在芯层传输的基模。当光传入细芯光纤后，由于纤芯大小不同，导致光无法再单模传输，高阶包层模式被激发。由于不同的高阶包层模式在光纤内传输时有效折射率不一样，因此，不同模式的光经细芯光纤端面反射膜的反射后，到达单模光纤时，和芯层传输的基模发生干涉，从而形成局部的相长干涉和相消干涉。对某个具体透射谷的相消干涉条件可以表达为：

$2\mathrm{\π}[n_{\mathrm{eff}}^{\mathrm{co}}\left(\mathrm{\λ}\right)-n_{\mathrm{eff}}^{\mathrm{cl},j}(\mathrm{\λ},n_{\mathrm{ext}})]\frac{L}{{\mathrm{\λ}}_D}=(2k+1)\mathrm{\π}---\left(1\right)$

其中，λ_D是相消干涉波长，n_eff ^co是芯层的有效折射率，n_eff ^cl，j是第j阶包层模的有效折射率，n_ext是外界物质的折射率，L是细芯光纤的长度，k是整数。

细芯光纤模式干涉仪传感器的干涉图样反应了传感特性。因为形成的局部相长干涉和相消干涉取决于细芯光纤的长度和激发出的高阶模式，当外界折射率改变时，高阶模式的特性将随之改变，从而影响传感器的干涉图样。此传感器对外界折射率的响应可以表示为：

$\frac{d{\mathrm{\λ}}_D}{d{n}_{\mathrm{ext}}}=\frac{-{\mathrm{\λ}}_D}{{\mathrm{\Δn}}_{\mathrm{eff}}}\frac{{\∂n}_{\mathrm{eff}}^{\mathrm{cl},j}}{{\∂n}_{\mathrm{ext}}}/[1-\frac{{\mathrm{\λ}}_D}{{\mathrm{\Δn}}_{\mathrm{eff}}}(\frac{{\∂n}_{\mathrm{eff}}^{\mathrm{co}}}{\∂\mathrm{\λ}}-\frac{{\∂n}_{\mathrm{eff}}^{\mathrm{cl},j}}{\∂\mathrm{\λ}})]---\left(2\right)$

其中，Δn_eff是芯层模式和基模的有效折射率差。作为传感器，温度稳定性是一个重要参数，本发明提出的细芯光纤模式干涉仪的温度性应可以表示为：

$\frac{d{\mathrm{\λ}}_D}{\mathrm{dT}}\≅[\frac{{\mathrm{\λ}}_D}{\mathrm{\Δ}{n}_{\mathrm{eff}}}(\frac{\∂\mathrm{\Δ}{n}_{\mathrm{eff}}}{{\∂n}_{\mathrm{co}}}\frac{{\mathrm{dn}}_{\mathrm{co}}}{\mathrm{dT}}+\frac{{\∂\mathrm{\Δn}}_{\mathrm{eff}}}{{\∂n}_{\mathrm{cl}}}\frac{{\mathrm{dn}}_{\mathrm{cl}}}{\mathrm{dT}})+\frac{{\mathrm{\λ}}_D}{L}\frac{\mathrm{dL}}{\mathrm{dT}}]/(1-\frac{{\mathrm{\λ}}_D}{{\mathrm{\λn}}_{\mathrm{eff}}}\frac{{\∂n}_{\mathrm{eff}}}{\∂\mathrm{\λ}}).---\left(3\right)$

本发明的传感器制作工艺简单，不像光纤光栅传感器需要包括激光器在内的一整套光栅刻写系统，仅仅需要一套光纤熔接设备和两种不同芯径的单模光纤。鉴于本发明具有很高的折射率敏感性和温度稳定性，因此可以在此传感器上镀上生物敏感膜，pH敏感高分子膜等物质，来检测特定的生物分子或者水溶液pH值等。

附图说明

图1是本发明的结构示意图；

图2为不同细芯光纤长度的细芯光纤模式干涉仪传感器的干涉图；

图3为本发明的温度响应特性图；

图4为本发明对外界折射率的响应特性图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明作进一步的说明

如图1所示，细芯光纤模式干涉仪传感器包括细芯单模光纤5、反射膜6、宽带光源1、光谱分析仪2和环行器4；宽带光源1通过第一标准单模光纤3-1与环行器6的I口光连接，光谱分析仪5通过第二标准单模光纤3-2与环行器6的III口光连接，细芯单模光纤2(如，Nufern 460-HP，芯径约3μm，截止波长450nm)一端通过第三标准单模光纤3-3(如，Corning SMF-28，芯径约8μm)与环行器4的II口光连接，另一端设置厚度为200μm的反射膜3。

连接一起的第三标准单模光纤3-3和细芯单模光纤5同轴设置，两者之间采用熔接技术连接，反射膜是由溅射机溅射所形成。宽带光源1发出的光进入环行器4的I口后，由II口出射，经细芯单模光纤末端的反射膜反射后进入环行器4的II口，并由III口出射，光谱分析仪2接收并分析此干涉信号。

因为该传感器中细芯光纤的长度将会影响干涉图样，在传感器的制作过程中，接入不同长度的细芯光纤，其干涉特性如图2所示，其中，(a)细芯单模光纤长度为1cm、(b)细芯单模光纤长度为2cm、(c)细芯单模光纤长度为3cm。因此可以通过改变细芯单模光纤的长度来设计特殊传输波长和带宽的传感器。

温度响应特性是传感器很重要的一个指标，直接关系到其工作的稳定性。本发明使用一个可编程的控温炉测试了接入1cm长细芯单模光纤的传感器样本的温度稳定性。如图3所示，相消干涉波长的位置随着温度的上升向长波方向漂移，而且两者呈现一个良好的线性关系。其温度稳定性为9.8pm/℃，相比于FBG和LPG传感器，本发明具有非常良好的温度稳定性。

为了证明本发明可以应用于生物医学，化学检测，环境监测等传感领域，为此研究了该传感器对外界折射率的响应特性。利用该传感器对不同浓度的蔗糖溶液进行了折射率测试，质量百分比分别为：(1.381、5.123、8.425、11.817、14.821、18.033、21.136、24.242、26.901、29.577、32.432、35.065)；对应的折射率为(1.3346、1.3400、1.3448、1.3500、1.3547、1.3599、1.3651、1.3704、1.3750、1.3798、1.3850、1.3899)。结果如图4所示，该传感器的折射率灵敏度高达105nm/R.I.U，且具有较好的线性关系。

因此这种具有高灵敏度和温度稳定性的细芯光纤模式干涉仪传感器在传感领域具有非常广泛的应用前景。

Claims (1)

1.细芯光纤模式干涉仪传感器，包括标准单模光纤、细芯单模光纤、反射膜、宽带光源、光谱分析仪和环行器，其特征在于：宽带光源通过标准单模光纤与环行器的I口光连接，光谱分析仪通过标准单模光纤与环行器的III口光连接，细芯单模光纤一端通过标准单模光纤与环行器的II口光连接，另一端设置厚度为d的反射膜，其中100μm≤d≤200μm；与环行器的II口光连接的标准单模光纤和细芯单模光纤同轴设置。

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