CN102323643A - S形光纤单锥干涉仪的制备方法 - Google Patents

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孙洪波
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Abstract

本发明属于光纤干涉仪传感器领域，具体涉及一种两侧拉力非同轴光纤熔融拉锥制备S形光纤单锥干涉仪的方法。首先将去掉涂覆层的光纤放入夹具固定，然后根据要制备的S形光纤单锥弯曲程度设定拉锥时光纤两端夹具的轴向偏移量，最后通过控制拉锥温度及速度得到设计的S形单锥结构。本发明方法制备的S形光纤单锥可独立形成光纤马赫-曾德尔(MZ)干涉仪结构，比现行公开的利用两个或三个光纤锥制备光纤MZ干涉仪更简单、紧凑，对环境折射率和轴向应力传感具有更高的响应灵敏度。

Description

S形光纤单锥干涉仪的制备方法
技术领域
本发明属于光纤干涉仪传感器领域，具体涉及一种两侧拉力非同轴光纤熔融拉锥制备S形光纤单锥干涉仪的方法。
背景技术
锥形光纤是一种截面半径沿轴向逐渐变小再恢复的光纤无源结构，通常采用光纤熔融拉锥或腐蚀的办法得到。它是光纤通信及光纤传感系统中重要的基本部件之一，可以用于光纤耦合器、波分复用器、光纤干涉仪等多种光学测量及传感器件的制备。其中，利用锥形光纤制作的各类光纤干涉仪，如马赫-曾德尔(MZ)干涉仪和迈克尔逊干涉仪，在光纤传感方面已经得到了广泛的应用，包括对应力、温度和折射率等多种物理及生物化学参量的传感测量。由于光纤干涉仪传感器兼容于光纤通信系统且具有本质绝缘、不受电磁干扰、耐蚀性强、体积小和灵敏度高等诸多优点，是物联网时代非常重要的一类传感器件，具有非常好的应用前景。
目前，基于锥形光纤的干涉仪传感器主要从设计特殊结构以简化器件制备和提高传感灵敏度两方面进行研究。其中光纤马赫-曾德尔干涉仪又比迈克尔逊干涉仪结构更为简单，所以对它的研究制备较多，应用较广。光纤MZ干涉仪属于透射型干涉仪，其基本工作原理是入射光在一端将部分纤芯模能量转移给包层模式，传输一段距离后，纤芯模和包层模将产生一定的相位差，到另一端后包层模能量再回传到纤芯模，由于模式间相位差的存在，光能量在输出端便能形成干涉效果，利用光谱分析仪可以检测到输出功率随波长呈谐振的变化。而光纤锥的作用就是实现纤芯模和包层模之间的能量转化，也称为模式间的耦合。所以一种比较简单的光纤MZ干涉仪结构是在去掉涂覆层的光纤上一定距离间(几十毫米)拉制两个光纤锥，起到对模式能量的一分一合作用，形成干涉效果。而两锥之间的部分，由于存在包层模的传输，对环境比较敏感，所以可用于环境折射率的测量。此外，干涉仪对臂长的变化也比较灵敏，当光纤轴向被拉伸时输出光谱也会发生变化，从而可以起到对应力的检测。虽然双锥型的光纤MZ干涉仪结构比较简单，但折射率传感灵敏度偏低，适用场合受限。为了提高其对环境折射率探测的灵敏度，人们在双锥的基础上研制了一种由三个光纤锥组成的三明治结构的MZ干涉仪。中间的光纤锥可以使更多的包层模能量与环境相互作用，起到增大对环境折射率检测的灵敏度。不过这种改进的效果也比较有限，而且增加一个光纤锥使制备变得稍微复杂的同时也令器件长度进一步增加，不利于其集成化应用。
所以，如何简化光纤MZ干涉仪结构并提高其传感灵敏度成为其实用化道路上的一大挑战。
发明内容
本发明的目的是提供一种制备S形光纤单锥干涉仪的方法，其特征在于：首先将去掉涂覆层的光纤放入光纤夹具固定，然后根据要制备的S形光纤单锥弯曲程度设定两个光纤夹具的轴向偏移量为25μm～700μm，最后在速度为10μm/s～50μm/s条件下通过熔融加热方式拉锥得到S形光纤单锥干涉仪。
本发明制备的S形光纤单锥干涉仪可独立形成光纤马赫-曾德尔干涉仪。本发明所述的光纤单锥由前后两端的S形光纤弯曲(弯曲角度3°～30°)部分和中间的锥形(锥腰截面直径30μm～80μm，光纤锥长400μm～10000μm)部分构成。其中，两端的弯曲部分起到对纤芯模和包层模能量转换的作用，而中间的锥形部分使包层模消逝场更多的进入环境，对环境的扰动更为敏感，因此能够提高器件整体对环境折射率变化的灵敏度。这种S形光纤单锥干涉仪比现行公开的利用两个或三个光纤锥制作的光纤MZ干涉仪在结构上更简单、紧凑，而且在环境折射率传感和轴向应力响应中具有更高的探测灵敏度，是一种结构简单、制备方便、成本低廉、灵敏度高且易于集成化应用的新型器件。
以上方法中光纤夹具的轴向偏移量为25μm～700μm，可以是光纤两端夹具在水平方向的偏移量为25μm～700μm、也可以是两端夹具在垂直方向的偏移量为25μm～700μm，还可以是两端夹具既在水平的偏移又在垂直方向的偏移量均为25μm～700μm。
以上方法中用于制备S形光纤单锥干涉仪的光纤可以是纯石英光纤、掺杂石英光纤、氟化物玻璃光纤或光子晶体光纤，且既可以是单模光纤也可以是多模光纤。
制备S形光纤单锥干涉仪时，根据情况可以选择不同的光纤加热熔融方式，可以是电弧放电加热(放电电流8mA～20mA，放电时间5s～30s)、火焰加热(酒精灯400℃～500℃，氢氧焰2500℃～3000℃，时间范围5s～30s)或激光加热(CO2激光器或YAG激光器，激光功率0.5W～5W，加热时间5s～30s)，但不限于这些方法，只要能够使光纤材料熔融易于拉锥即可。
以上方法所涉及的光纤拉锥过程中，光纤加热熔融的部分可以是光纤上固定的一“点”(电弧放电情况，加热部分只限于放电电极区域)或是光纤上均匀的一段(火焰加热或激光加热时，可以使热源沿着光纤来回移动让一小段光纤受热均匀并软化)。
通过控制熔融加热温度、拉锥速度和拉锥时间，以及选取不同横截面积光纤等，可以实现对光纤单锥长度、锥腰截面直径的调整。通过改变夹具的轴向偏移量、熔融加热温度及拉锥速度等，可以实现对光纤单锥弯曲角度的调整。
附图说明
图1：本发明所述的一种制备S形光纤单锥的实验装置示意图；
图2：本发明所述的S形光纤单锥的光学显微镜图；
图3：本发明所述的S形光纤单锥的透射光谱图；
图4：本发明所述的S形光纤单锥透射谱波长随环境折射率变化结果；
图5：本发明所述的S形光纤单锥透射谱波长随轴向拉力变化结果；
图6：本发明所述的不同弯曲程度的S形光纤单锥。
如图1所示，制备S形光纤单锥的实验装置各部件分别为：1宽带光源，2单模光纤，3、3’光纤夹具，4、4’步进电机，5、5’电弧放电电极，6光谱分析仪。
如图3所示，S形光纤单锥的透射谱中存在多个峰位，在环境折射率测量中监测峰位7的变化，而在轴向拉力测量中监测峰位8的变化。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作举例进行详细说明。
实施例1：
本实施例采用电弧放电熔融拉锥的方法在通信用单模光纤(SMF-28e)中制备S形光纤单锥，具体使用的是爱立信FSU 975光纤熔接机自带的拉锥程序进行实验。实验装置示意图如图1所示，信号光由宽带光源1(丹麦NKTPhotonics公司，Superk Compact)产生，经过单模通信光纤2(芯层、包层直径分别为9微米和125微米)进入光谱分析仪6(日本Yokogawa公司，AQ6370B)，对透射光谱进行实时监测。实验所使用的光纤熔接机在图1中的部件包括光纤夹具3(3’)、步进电机4(4’)和电弧放电电极5(5’)。将熔接机工作模式选择在拉锥状态，并设置放电电流为10mA，放电时间为10s。拉锥前先需调整两光纤夹具(3、3’)间轴向的偏移量，在水平方向上，使两夹具轴向错开120μm。然后用光纤剥皮钳将光纤2中间一小段(3cm～5cm)的涂覆层去除，并用酒精棉球擦拭干净，放入熔接机的光纤夹具间固定住。此时可以看到熔接机上液晶屏中的光纤是倾斜的，进一步确认了光纤两端夹具不同轴。最后运行熔接机的拉锥程序并观察透射光谱的变化。可以发现刚开始放电时仅有损耗，随着放电时间的延长，透射谱中出现了明显的谐振峰。如图3所示，为拉锥完成后得到的透射光谱，最大峰的深度约17dB。图2给出的是对应的光纤锥的光学显微镜照片，可以发现弯曲的光纤锥呈“S”形。这段S形光纤单锥的长度约为650μm，锥腰处的直径为63μm，弯曲角度为6.4°。而弯曲形成的轴向偏移量约为96μm，小于初始设置值120μm，可能是由于放电电流偏小或拉锥时间偏短所致。
实施例2：
对实施例1制备的S形光纤单锥进行环境折射率及轴向拉力响应的测试。如图4所示，给出了S形光纤锥在不同环境折射率下透射谱波长的变化情况，该波长对应于图3中的峰位7。光纤锥在空气中的情况对应图中左边的第一个点，折射率为1，其它点表示光纤锥浸没在折射率匹配液中的情况。匹配液是由甘油和水以不同体积比配制而成，其折射率经阿贝折射仪标定(室温20℃，测量波长589nm)。从图示结果可以看出，随着外界折射率的增加，峰值波长往长波方向移动，并且变化率逐渐增大。当环境折射率达到1.425时，器件的折射率灵敏度高达1590nm/RIU(折射率单位)，此时的峰值波长随外界折射率的变化非常迅速，拥有很高的探测灵敏度。
图5给出了S形光纤单锥在轴向拉力下透射谱波长的变化结果，该波长对应于图3中的峰位8。光纤锥上所施加的轴向拉力大小从0N增大到1.2N，峰值波长随拉力的增加向短波方向移动，经过拟合得到其平均的应力灵敏度为-69nm/N，转换为应变灵敏度大约是-50pm/με。
实施例3：
根据实施例1所描述方法，仅改变两端光纤夹具在水平方向的轴向偏移量而其它条件不变，可以得到不同弯曲程度的S形光纤单锥结构。如图6所示，S形光纤单锥的长度均为650μm，锥腰处的直径为63μm，光纤锥两端的轴向偏移量从上至下(图(a)、(b)、(c)、(d))分别为64μm、178μm、215μm和261μm，弯曲角度分别是3.9°，10.7°，14.6°，17.8°。

Claims (7)

1.一种S形光纤单锥干涉仪的制备方法，其特征在于：首先将去掉涂覆层的光纤放入光纤夹具固定，然后根据要制备的S形光纤单锥弯曲程度设定两个光纤夹具的轴向偏移量为25μm～700μm，最后在速度为10μm/s～50μm/s条件下通过熔融加热方式拉锥得到S形光纤单锥干涉仪。
2.如权利要求1所述的一种S形光纤单锥干涉仪的制备方法，其特征在于：光纤夹具的轴向偏移为水平方向的轴向偏移。
3.如权利要求1所述的一种S形光纤单锥干涉仪的制备方法，其特征在于：光纤夹具的轴向偏移为垂直方向的轴向偏移。
4.如权利要求1所述的一种S形光纤单锥干涉仪的制备方法，其特征在于：光纤夹具的轴向偏移为水平方向和垂直方面的轴向偏移。
5.如权利要求1所述的一种S形光纤单锥干涉仪的制备方法，其特征在于：光纤是纯石英光纤、掺杂石英光纤、氟化物玻璃光纤或光子晶体光纤。
6.如权利要求1所述的一种S形光纤单锥干涉仪的制备方法，其特征在于：光纤是单模光纤或多模光纤。
7.如权利要求1所述的一种S形光纤单锥干涉仪的制备方法，其特征在于：熔融加热方式是电弧放电加热、火焰加热或激光加热。
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