CN102141413A - 一种全光纤条件下实现外差测量的方法 - Google Patents
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Abstract
一种全光纤条件下实现外差测量的方法，包括一个光纤环形器、一个光纤耦光V形槽、一段端面有亚波长金属光栅的光纤和第一、第二两个光功率计，端面有亚波长金属光栅的光纤是实现对该光纤端面不同偏振态入射光的透射率和偏振率的控制的第一全光纤光偏振控制器；入射光到光纤环形器的第一端口，环形器第三端口通过光纤直接连接第二光功率计，入射光通过环形器第一端口至光纤环形器的第二端口和全光纤光偏振控制器的透射光通过一个光纤耦光V形槽耦合入一段光纤到第一光功率计测量光强。本发明公开了一种全光纤条件下实现外差测量的方法，设置光路包括一个光纤环形器、一个光纤耦光V形槽、一段端面有亚波长金属光栅的光纤和两个光功率计。
Description
技术领域
本发明属于光电子技术领域，具体涉及光学量的测量方法和金属线栅的偏振选择特性，及基于此的一种在全光纤条件下实现外差测量的方法和应用。具体而言是利用光纤端面金属线栅结构对不同偏振态入射光透射率和偏振率的控制，分别测量透射光和反射光的强度然后进行外差处理，从而设计出的一种新型的全光纤的外差测量方法。
背景技术
在过去的几十年间，光纤传感器件由于其相对于传统传感器件的众多优点，如不受电磁场干扰、体积小重量轻、高带宽高灵敏度等，而被广泛研究以及应用到实际生活各种物理量的检测中，如介质折射率、压力应力、电流电压、环境温度等。为了进一步提高精度、稳定性、可靠性和测量的动态范围，可以在光信号的测量端引入光外差的检测技术。常规的做法是在信号光待检测的出射端加上一个分光棱镜(由多块双折射晶体组成)，把出射光分成两束(或者多束)，各束二级出射光之间存在由分光棱镜决定的固定相位差，分别用光功率计(或光谱仪)收集各束光的光强、频率和相位等信息，然后再利用数学运算得到排除外界干扰的纯传感信号。可以排除的外界干扰因素一般包括光源强度的波动、环境温度的扰动、测量光路的微弱机械振动等。而现有外差技术存在的明显缺点是所使用的分束棱镜都是体块晶体材料，而体块材料的引用就不可避免地使得测量需要在自由光路中进行，于是就丧失了全光纤器件体积小、重量轻、机械稳定性好的优点。
面对以上问题，本发明公开了一种在全光纤条件下实现光外差测量的技术，主要的方法是用光纤端面金属光栅做成偏振控制器的代替传统的体块分光棱镜。另一方面，目前商用的偏振控制器根据其技术原理可分为三类：一种是由多个延迟固定、方位角可变的波片组成的；另一种由单个延迟可调、方位角可变的波片组成；还有一种由多个方位角固定、延迟可调的波片组成。典型的偏振控制器由三个可旋转的波片组成，一个λ/2波片处于两个λ/4波片中间，每个波片都可沿着光轴相对于其它波片自由转动。波片的延迟是固定的，但波片的相对角度是可变的。
虽然，这些方法应用在商用化的产品中已经颇见成效，但仍然存在许多不足。第一，光线的准直、对轴、聚焦费时费力。第二，波片、微透镜等元件都价格不菲，并且还需要镀增透膜、抛磨斜角以减少背向反射。第三，由于不可避免的要将光从一根光纤中耦合输出，然后再将其聚焦进入另一根光纤，造成插入损耗大。第四，波片是对波长敏感的(任何分数波片的确定都是针对某个固定波长的)，从而使得相应的偏振控制器也对波长敏感。第五，使用电动机或其它机械器件旋转波片，都会限制偏振控制器的控制速度。
与此同时，基于金属线栅技术的体块型偏振器发展已经日趋成熟。金属线栅偏振器是一种宽带的偏振器，借助一定的结构设计，工作波长可覆盖宽波段。到目前为止，在无线电波、微波和远红外波段，亚波长金属线栅偏振器均已得到了广泛应用。随着纳米加工技术的发展，制备出结构更小，应用于近红外、可见、甚至紫外波段的金属线栅偏振器也已经成为可能。本发明第一次公开了将金属光栅做在光纤端面的技术和实际应用。
发明内容
本发明目的是：从光纤端面的金属线栅技术出发，制备新型在线式光偏振控制器，最终设计出全光纤条件下的外差测量方法。
本发明的技术方案是：一种全光纤条件下实现外差测量的方法，包括一个光纤环形器、一个光纤耦光V形槽、一段端面有亚波长金属光栅的光纤和两个光功率计。具体光路如图1所示。端面有亚波长金属光栅的光纤是通过特定微纳加工技术，在平整的光纤端面制得金属线栅，实现对该光纤端面不同偏振态入射光的透射率和偏振率的控制，即为第一全光纤光偏振控制器。入射光到光纤环形器的第一端口，环形器第三端口通过光纤直接连接第二光功率计，入射光通过环形器第一端口至光纤环形器的第二端口和全光纤光偏振控制器的透射光通过一个光纤耦光V形槽耦合入一段光纤到第一光功率计测量光强。所述的光纤包括单模光纤、多模光纤、保偏光纤，其特征是具有平整的光纤端面。光纤环形器、光纤耦光V形槽和光功率计为商用产品。
透射光通过一个光纤耦光V形槽耦合入一段光纤测量光强It，反射光通过一个光纤环路器引入另一段光纤测量光强Ir，经过信号处理得到外差结果
一束光经过偏振控制器后即获得特定的偏振性，TM光分量经过金属线栅后发生透射，可在金属线栅结构的光纤后耦合一段光纤引出TM透射光；TE光则被金属线栅完全反射，反射的TE光可在环形器末端测得。因此，利用该装置可以有效地控制透射或反射光的偏振态。设置光路中的偏振控制器可以是传统的光纤偏振控制器，也可以是另一具有金属线栅结构的光纤，且通过调节两段光纤上线栅的夹角，即可调节两个偏振器的相对关系，从而控制透射或反射光的特性：入射光到光纤环形器的光纤光路上安装第二偏振控制器，第二偏振控制器与第一全光纤光偏振控制器二光栅的线栅方向平行。入射光到光纤环形器的光纤光路上安装第二偏振控制器，第二偏振控制器与第一全光纤光偏振控制器二光栅的线栅方向垂直。
所述全光纤光偏振控制器的构造是：在光纤端面设有金属线栅，金属线栅的周期为0.05-5微米，组成金属线栅是金属膜，金属膜厚为0.01-2微米，占空比x为0＜x＜1之间的任意值。利用微纳加工技术直接或间接地在光纤端面制备金属线栅，利用金属线栅对特定偏振光的选择性反射或透射效应，实现对特定光波段的反射光或透射光的偏振性控制。
所光纤具有平整的光纤端面，光纤包括单模光纤、多模光纤、保偏光纤。
金属线栅的材质包括金、银、铝、铜、铂、铬等金属，线栅结构周期为0.1-3微米，占空比x为0.3至0.7之间的任意值，线栅的金属膜厚为0.05-1微米，线栅结构区域覆盖光纤纤芯。
全光纤光偏振控制器的结构和制备方法：利用微纳加工技术直接或间接地在光纤端面制备金属线栅，利用金属线栅对特定偏振光的选择性反射或透射效应，实现对特定光波段的反射光或透射光的偏振性控制。
金属线栅制备方法分为直接法和间接法两类，直接法为在光纤端面利用微纳加工技术直接制备金属线栅结构，包括聚焦离子束刻蚀(FIB)，微纳遮挡板定向沉积技术，及软模板打印(金属)；间接法为先利用微纳加工技术制备非金属结构挡层，利用结构挡层制备金属线栅结构，包括纳米压印、光刻技术、全息干涉及电子束直写(EBL)。金属线栅的材质包括金、银、铝、铜、铂、铬等金属，线栅结构周期为0.05-50微米，占空比为0-1之间的任意值，线栅的膜厚为0.01-2微米，结构区域覆盖光纤纤芯。
本发明的有益效果是：
(1)与传统体块晶体构建的外差测量光路，本发明的外差测量方法实现了全光纤条件下的外差测量，具有体积小、重量轻、机械稳定性好等传统光路所不具有的优势。
(2)该发明中所使用的光栅偏振控制器，相对于传统器件，结构大为简化，提高了系统的稳定性和可靠性，并可根据需要灵活实现透射光和反射光偏振性的同时或分别控制，这是传统的偏振器件所不具有的优势。
(3)该全光纤的外差测量光路结构简单，制作成本低，光纤端面的金属光栅简化了系统设计、降低了制造成本，适用于大批量生产，能够广泛应于科学研究和生产生活。
(4)该发明由于采用了全光纤结构，反应速度快，能够对快速变化的偏振态进行实时跟踪。由于光纤中偏振态对于外界环境因素的敏感性，该偏振控制器适用于偏振相关物理量的实时传感，而全光纤的外差测量可大幅度地提高传感的稳定性与灵敏度。
附图说明
图1基于光纤端面金属线栅的全光纤外差测量光路。
图2金属线栅偏振器的工作原理：入射的TE光绝大部分被反射，TM光绝大部分透射。
图3利用严格耦合波(RCWA)方法计算的在一定的前述周期、占空比条件下，1.0-1.6微米范围内TE和TM偏振态光的透射和反射光谱。
图4在线式光偏振控制器的结构设置与工作原理。图4(a)由一个偏振控制器，一个环形器一段和端面有金属光栅的光纤组成；图4(b)由一个环形器和两段端面有金属光栅的光纤组成，光栅1与光栅2线栅方向平行；图4(c)由一个环形器和两段端面有金属光栅的光纤组成，光栅1与光栅2线栅方向垂直。
图5利用FIB方式，在光纤截面纤芯处得到的金属光栅结构。图5(a)为金属光栅的照片；图5(b)为纤芯处有线栅结构的光纤截面照片。
图6(a)利用纳米压印技术在光纤端面获得的抗蚀剂光栅结构SEM照片；图6(b)沉积金属银后洗脱掉抗蚀剂结构得到的银纳米光栅。
图7在两个偏振控制器之间施加压力的光路图。
图8实施例2中随两个偏振控制器之间所施加的压力变化，反射光强的变化。
具体实施方式
下面通过实施例来进一步阐明本发明方法及应用，而不是要用这些实施例来限制本发明。
基于光纤端面金属线栅的在线式光偏振控制器的制备方法和全光纤条件下的外差测量方法，包括：
(1)光纤端面金属线栅的制作。利用微纳加工技术，通过直接或间接的方法在光纤表面制作金属线栅。直接法包括聚焦离子束刻蚀(FIB)，微纳遮挡板定向沉积技术，及软模板打印(金属)；间接法包括纳米压印、光刻技术、全息干涉及电子束直写(EBL)。具体说明：直接法中的聚焦离子束刻蚀技术为利用聚焦镓离子束溅射掉光纤端面目标区域的金属膜层，得到金属线栅结构；微纳遮挡板定向沉积技术为利用遮挡板的空间遮挡效应，直接在光纤端面定向沉积金属线栅；软模板打印技术为在软模板的微纳结构表面沉积金属膜层，打印转移金属线栅至光纤端面。间接法还可以分为两类，一是在光纤端面沉积的金属膜层上利用微纳加工技术制备结构挡层，并以此为阻挡利用湿法刻蚀或干法刻蚀刻蚀掉凹槽处的金属，最终洗脱掉挡层，得到金属线栅结构；另一种方案是先制备微结构挡层，再沉积金属，然后洗脱掉挡层及沉积其上的金属，即得到目标金属线栅结构。
间接法第一种方案的一般操作步骤如下：
(a)在光纤端面沉积一层金属膜(膜厚0.01-2微米)。
(b)在该光纤端面涂上光刻胶或抗蚀层
(c)利用微纳加工技术对光刻胶或抗蚀层图案化
(d)显影去胶或去除残留
(e)利用湿法刻蚀或干法刻蚀刻蚀掉上方没有光刻胶覆盖的金属
(f)用溶剂溶解去除剩余的光刻胶层，即可获得所需的光栅结构
第二种方案的操作步骤包括：
(a)在光纤端面涂上光刻胶或抗蚀层
(b)利用微纳加工技术对光刻胶或抗蚀层图案化
(c)显影去胶或去除残留
(d)在图案表面沉积特定厚度(0.01-2微米)的金属膜
(e)用溶剂溶解去除光刻胶层，即可获得所需的光栅结构
金属线栅周期为0.05-50微米，占空比为0-1之间的任意值，金属膜厚为0.01-2微米。
(2)在线式光偏振控制器的结构设置。将制备好的具有金属线栅结构的光纤熔接进入光路。如图3(a)所示，光路中包括：偏振控制器、环形器、端面具有金属线栅结构的光纤和两个光功率计。
对于周期远小于入射光波长的金属线栅，入射的横磁模TM偏振光(平行于线栅方向)和横电模TE偏振光(垂直于线栅方向)(如图2)边界条件不同，等效折射率也不同。如图2所示，金属线对于TE偏振呈现出金属性，使得TE偏振光反射；而对于TM偏振光，由于空气间隙将金属线隔离而表现出介电性，此时TM光会发生透射。基于严格耦合波理论的计算结果(如图3)也表明，在一定的前述周期、占空比条件下，波长在1.0-1.6微米范围内TE偏振光几乎完全被反射，而TM偏振光几乎完全透射。
在图4(a)所示的光路中，一束光经过偏振控制器后即获得特定的偏振性，TM光分量经过金属线栅后发生透射，可在金属线栅结构的光纤后耦合一段光纤引出TM透射光；TE光则被金属线栅完全反射，反射的TE光可在环形器末端测得。因此，利用该装置可以有效地控制透射或反射光的偏振态。图4(a)中所示的偏振控制器可以是传统的光纤偏振控制器，也可以是另一具有金属线栅结构的光纤(如图4(b)，(c))，且通过调节两段光纤上线栅的夹角，即可调节两个偏振器的相对关系，从而控制透射或反射光的特性：在图4(b)中，光路中前后的线栅相互平行，则只有TM光透射，无反射光；在图4(c)中，光路中前后的线栅相互垂直，则只有相对于后面线栅的TE光反射，无透射光。
(3)全光纤条件下的外差测量光路的设置。利用上述方法制得的光纤端面金属光栅的偏振控制特性，构建如图1所示的光纤条件下的外差测量光路。光纤中传输光受到外界传感物理量的影响，使得入射到检测端的光偏振态发生变化，则光纤端面金属光栅的透射光和反射光的光强会相应地发生变化。透射光通过一个光纤耦光V形槽耦合入一段光纤测量光强It，反射光通过一个光纤环形器引入另一段光纤测量光强Ir，经过信号处理得到外差结果
从而在全光纤的条件下实现了经典的外差测量方法，外差结果可以剔除如光源强度的波动、环境温度的扰动、测量光路的微弱机械振动等与特定传感无关外界因素。
实施例1
用光纤切割刀切割单模光纤以获得平整的光纤端面，并用溅射法在光纤端面镀0.07微米厚的金膜。利用聚焦离子束刻蚀系统(Strata FIB 201，FEI公司，30keV镓离子源)，7pA束流的条件下，用聚焦镓离子束溅射掉光纤端面目标区域的金属膜层，从而在光纤的纤芯处获得面积为10微米×10微米，周期为0.2微米，占空比为0.5的金线栅，如图5所示。把该金线栅光纤接入图4(a)所示光路，测得该在线式光偏振器对TE反射光的偏振对比度为14dB。
实施例2
用光纤切割刀切割多模光纤以获得平整的光纤端面，将光纤端面与紫外固化的抗蚀剂材料接触，使该光纤端面附着一层厚度约为0.2微米的抗蚀剂薄膜。将该光纤固定在夹具上，使粘有紫外固化胶的一头朝下，操控夹具缓慢向下移动，调节光纤的位置使光纤端面与平铺的软模板的光栅结构表面保持完全接触，但又不压得过紧。然后将整个装置置于N2环境下保持进行紫外曝光(功率20mw/cm2，时间10min)。待曝光完成后将光纤与软模板分离，并用反应离子束刻蚀掉凹槽处的残留层(约0.06微米)后，即在光纤端面获得抗蚀剂线栅结构(如图6(a))。
控制光纤端面朝向蒸发源，且光纤端面与金属沉积方向垂直，热蒸发沉积0.12微米的银膜；然后利用丙酮溶剂将剩余的抗蚀剂线栅结构及沉积于其上金属银一起洗脱掉。这样即利用纳米压印技术通过间接法在光纤端面制备了金属线栅结构。(如图6(b))结构特征为：银纳米线栅结构，周期0.2微米、高度0.12微米、占空比为0.5。
实施例3
根据偏振干涉的原理，光经过两个正交的偏振器后，其透射光光强It＝I0sin2(δ/2)，反射光光强Ir＝I0cos2(δ/2)，其中δ为相位差，I0为入射偏振光的光强。根据弹光效应：透明的各向同性介质在机械应力的作用下，会变成各向异性，压力越大，则各向异性越强，即Δn越大，而δ∞Δn，因此随着施加应力的变化，输出光强也会发生相应变化。对于光纤而言，应力所导致的相位差δ＝8CF/λr，其中F为应力，C为光弹性系数，λ为光波长，r为光纤半径。因此，随着压力的变化，透射光光强It＝I0sin2(4CF/λr)，反射光光强Ir＝I0cos2(4CF/λr)，随着压力呈正弦(或余弦)函数的形式变化。无论透射光还是反射光的光强都与I0有关，如果实验光源I0不稳那测得的透射光或反射光的光强随着压力的变化曲线无疑是不准确了。但是，在全光纤外差测量的条件下，外差值
是与实验光源I0无关的准确值，如此即提高了实验测量的稳定性与精度。
利用图7所示的测试光路，以1.55微米的激光(Santec TSL-210)作为光源，光源上加一个自动光衰减器人工模拟光源的变化，使得光源强度不断减小。在两个偏振器之间的一段光纤上施加压力(如图7)，随着所加压力的变化(0-9kg)，在透射端和反射端同时用一光功率计(HP 8153A)监测TM模和TE模光强的变化。透射光和反射光光强伴随压力的增加而变化如图8(a)所示，谱线失真很严重。通过外差分析的方法，得到如图8(b)所示的外差值S随压力的变化曲线，呈标准的余弦变化趋势。
Claims (8)
1.一种全光纤条件下实现外差测量的方法，其特征是：包括一个光纤环形器、一个光纤耦光V形槽、一段端面有亚波长金属光栅的光纤和第一、第二两个光功率计，端面有亚波长金属光栅的光纤是实现对该光纤端面不同偏振态入射光的透射率和偏振率的控制的第一全光纤光偏振控制器；入射光到光纤环形器的第一端口，环形器第三端口通过光纤直接连接第二光功率计，入射光通过环形器第一端口至光纤环形器的第二端口和全光纤光偏振控制器的透射光通过一个光纤耦光V形槽耦合入一段光纤到第一光功率计测量光强。
2.根据权利要求1所述的全光纤条件下实现外差测量的方法，其特征是：设置光路特征为：入射光通过所述的全光纤光偏振控制器时，透射光通过一个光纤耦光V形槽耦合入一段光纤测量光强It，反射光通过光纤环形器引入另一段光纤测量光强Ir，经过信号处理得到外差结果
3.根据权利要求1或2所述的全光纤条件下实现外差测量的方法，其特征是除使用偏振控制器外，第二方法特征是入射光到光纤环形器的光纤光路上安装第二偏振控制器，第二偏振控制器与第一全光纤光偏振控制器二光栅的线栅方向平行、垂直或其它角度。
4.根据权利要求1或2所述的全光纤条件下实现外差测量的方法，其特征是所述全光纤光偏振控制器的构造是：在光纤端面设有金属线栅，金属线栅的周期为0.05-5微米，组成金属线栅是金属膜，金属膜厚为0.01-2微米，占空比x为0＜x＜1之间的任意值；金属线栅是利用微纳加工技术直接或间接地在光纤端面制备金属线栅，利用金属线栅对特定偏振光的选择性反射或透射效应，实现对特定光波段的反射光或透射光的偏振性控制。
5.根据权利要求4所述的全光纤条件下实现外差测量的方法，其特征是所光纤具有平整的光纤端面，光纤包括单模光纤、多模光纤、保偏光纤。
6.根据权利要求4所述的全光纤条件下实现外差测量的方法，其特征是金属线栅的材质包括金、银、铝、铜、铂、铬等金属，线栅结构周期为0.1-3微米，占空比x为0.3至0.7之间的任意值，线栅的金属膜厚为0.05-1微米，线栅结构区域覆盖光纤纤芯。
7.根据权利要求4所述的全光纤条件下实现外差测量的方法，其特征是金属线栅制备方法分为直接法和间接法两类，直接法为在光纤端面利用微纳加工技术直接制备金属线栅结构，包括聚焦离子束刻蚀(FIB)，微纳遮挡板定向沉积技术，及软模板打印(金属)；间接法为先利用微纳加工技术制备非金属结构挡层，利用结构挡层制备金属线栅结构，包括纳米压印、光刻技术、全息干涉及电子束直写(EBL)。
8.该全光纤条件下实现外差测量的方法光信息处理系统、光纤传感及精密光学测量系统中的应用。
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