CN102508337B

CN102508337B - 基于光纤熔锥的本征型法布里-珀罗器件及其制造方法

Info

Publication number: CN102508337B
Application number: CN 201110342596
Authority: CN
Inventors: 张小贝; 李金龙; 王文辕; 殷赵辉; 李迎春; 庞拂飞; 刘云启; 王廷云
Original assignee: University of Shanghai for Science and Technology
Current assignee: University of Shanghai for Science and Technology
Priority date: 2011-11-03
Filing date: 2011-11-03
Publication date: 2013-03-06
Anticipated expiration: 2031-11-03
Also published as: CN102508337A

Abstract

本发明提出一种基于光纤熔锥的本征型法布里-珀罗器件及其制造方法。本基于光纤熔锥的本征型法布里-珀罗器件包括一根光纤熔锥，其内有一个第一光纤内部反射镜和一个第二光纤内部反射镜，所述第一光纤内部反射镜和第二光纤内部反射镜分别是通过飞秒脉冲激光沿光纤熔锥的锥腰内部径向改变纤芯处的折射率形成的反射面；所述光纤熔锥直径为10～50μm；所述第一光纤内部反射镜和第二光纤内部反射镜之间的距离为50～6000μm。本器件结合了光纤熔锥的强渐逝场致高传感灵敏度特性和法布里-珀罗腔用于传感的谐振峰偏移易检测特性，提高了光纤传感器件的传感灵敏度、响应速度和可靠性。本器件的制造方法是采用光纤熔融拉锥后，用飞秒激光刻写光纤法布里-珀罗腔。而且，本发明中的器件具有结构简单稳定、成本低廉、重复性高，易于实现器件的批量加工等优点。此发明将在微型化和高灵敏度的传感领域中有广泛的应用前景。

Description

基于光纤熔锥的本征型法布里-珀罗器件及其制造方法

技术领域

本发明涉及一种基于光纤熔锥的本征型法布里-珀罗器件及其制造方法，属于光纤器件领域。

背景技术

光纤器件被广泛应用于光纤传感和光通信网络等领域，其中光纤传感器件是目前可实用化的小尺寸传感头之一，它具有抗电磁干扰、抗辐射、灵敏度高、重量轻、绝缘防爆、耐腐蚀等优异的性能，特别的是光纤尺寸微小、且具有良好的光传输特性，将成为制备性能优良的网络化微型传感器的重要选择，因此，倍受国内外的青睐和重视。光纤传感器的发展趋势为微型化和高性能，因此具有小尺寸、高灵敏度、快响应速度和微量检测等优势的新型光纤传感器件逐渐成为研究的热点。近年来，随着各种微加工技术不断成熟，基于光纤端面、光纤表面和光纤内部而进行的微结构制备得到了大力发展，极大地推动各种新型光纤微传感器在传感方面的应用。光纤熔锥型器件以其低损耗、低成本、高性能、高可靠性占据光纤器件中的很大份额。与普通单模光纤相比，光纤熔锥的很大一部分光场能量以渐逝波的形式在芯外传播，这部分芯外渐逝场与环境相互作用时，通过感知周围环境的折射率变化，可以用来做高灵敏度的微型传感器。单靠光纤熔锥用于传感难以实现精确的定量检测，基于此研究者们往往通过在其表面涂覆响应环境变化的敏感材料，但是涂覆材料通常存在一定的不完全可逆性或者需要较长的响应时间，所以涂覆型光纤熔锥传感器在稳定性和可靠性上具有一定的劣势。

发明内容

本发明的目的在于克服现有光纤熔锥传感技术存在的不足，提供一种基于光纤熔锥的本征型法布里-珀罗器件及其制造方法。以实现更高灵敏度、快响应速度和微量检测，这将在微型化和高灵敏度的传感领域有广泛应用前景。

为达到上述目的，本发明采用下述技术方案：

一种基于光纤熔锥的本征型法布里-珀罗器件，包括普通光纤部分、光纤熔锥过渡区部分、光纤熔锥锥腰部分和法布里-珀罗腔部分，其特征在于把普通光纤熔融拉锥，利用飞秒激光在其锥腰区域刻写两个反射面形成法布里-珀罗谐振腔，结合了光纤熔锥的强渐逝场致高灵敏度特性和法布里-珀罗腔用于传感的谐振峰偏移易检测特性，进一步提高光纤传感器件的传感灵敏度和可靠性。所述光纤熔锥直径为10~50μm，法布里-珀罗谐振腔的两个腔面之间的距离为50~6000μm。

一种基于光纤熔锥的本征型法布里-珀罗器件的制造方法，用于制作上述基于光纤熔锥的本征型法布里-珀罗器件，其操作步骤如下：

1）光纤熔锥制备：以氢氧火焰作为热源进行熔融拉锥：把一段长2米左右的单模光纤，并在此单模光纤中间剥去长1厘米左右的涂覆层，并用酒精擦拭干净裸纤部分的待用单模光纤放置在间距为3cm的光纤夹具上，尾纤的一端连接到宽带光源，另一端连接至光功率计，用以监控熔融光纤在被拉伸过程中的损耗变化情况，通过拉伸速度、拉伸长度，以及热源的氢气流量等参数的优化设定，所制作光纤熔锥的拉伸长度为10000μm ~ 20000μm，相应的锥腰直径为10μm ~ 50μm，损耗在0.5dB以下。

2）飞秒激光刻写光纤法布里-珀罗腔：将制备的光纤熔锥置于三维移动平台上，使光纤熔锥轴向垂直于飞秒脉冲激光传输方向。飞秒脉冲激光通过显微镜的物镜聚焦于光纤熔锥锥腰的中心，三维移动平台沿飞秒脉冲激光传输方向移动，使飞秒脉冲激光的聚焦点沿光纤径向扫描光纤熔锥的锥腰，使飞秒激光刻写区域覆盖光纤熔锥锥腰区的纤芯，即单个反射面制备完毕；每制作一个反射面时，三维移动平台的移动距离为锥腰直径的二分之一，移动速度为0.8 μm/s。控制台沿x轴向锥腰另一端移动所需腔长的距离，完成第二个反射面的制备，则基于光纤熔锥的本征型法布里-珀罗器件制备完成。

本发明的工作原理

与普通单模光纤相比，光纤熔锥的很大一部分光场能量以渐逝波的形式在芯外传播，这部分芯外渐逝场与环境相互作用，通过感知周围环境的传感参量变化，可以用来做高灵敏度的微型传感器。同时，法布里-珀罗腔用于传感时，具有分辨率高，动态范围大，易于检测分析等优势。

本发明是基于光纤熔锥的优良特性，利用飞秒激光在光纤熔锥的锥腰刻写法布里-珀罗微谐振腔，通过监测其反射光谱来感知环境变化，结合了光纤熔锥的强渐逝场致高灵敏度特性和法布里-珀罗腔用于传感的谐振峰偏移易检测特性，进一步提高光纤传感器件的传感灵敏度和响应速度。其次，飞秒激光作用区域小、热效应小，具有高度的空间选择性。可对器件进行精细加工，并且飞秒激光诱导的折射率变化比较稳定，这保证了器件的可靠性，可实现小尺寸、快速响应、高灵敏度和高可靠性的微量检测，在工业、农业、国防等各领域的物理以及生化传感方面均有广阔的应用前景。

本发明与现有技术相比较，具有如下实质性特点和显著优点：

（1）结合了光纤熔锥器件和法布里-珀罗器件二者的优良特性，可实现小尺寸、高灵敏度和快响应速度的微量检测；

（2）所发明的器件结构简单，性能稳定可靠，并可以根据需求，制备不同锥腰直径、不同腔长、不同反射系数的光纤内部反射镜的器件；

（3）飞秒激光加工技术不需要昂贵的掩模版，成本低廉，重复性高，易于实现器件的批量加工。

附图说明

图1是本发明中基于光纤熔锥的本征型法布里-珀罗器件的结构框图。

图2是本发明中制作光纤熔锥的装置示意图。

图3是本发明利用飞秒激光在光纤熔锥锥腰刻写纤法布里-珀罗腔的装置示意图，以及飞秒激光刻写轨迹示意图。

图4是本发明中测试器件反射信号的装置示意图。

图5是腔长100μm的基于光纤熔锥的本征型法布里-珀罗器的反射信号。

图6是腔长200μm的基于光纤熔锥的本征型法布里-珀罗器的反射信号。

图7是腔长400μm的基于光纤熔锥的本征型法布里-珀罗器的反射信号。

具体实施方法

本发明的优选实施例并结合附图说明如下：

实施例一：

参见图1，本基于光纤熔锥的本征型法布里-珀罗器件，包括一根光纤熔锥，其特征在于所述光纤熔锥包含两段普通光纤（1）、两段光纤熔锥过渡区（2）、一段光纤熔锥锥腰（3）、一个第一光纤内部反射镜（4）和一个第二光纤内部反射镜（5），所述的光纤熔锥是通过把普通单模光纤熔融拉锥制成的；所述第一光纤内部反射镜（4）和第二光纤内部反射镜（5）分别是通过飞秒脉冲激光沿光纤熔锥锥腰内部纤芯（3）的径向在光纤熔锥锥腰处改变光纤的折射率形成的反射面；所述的光纤熔锥锥腰（3）的直径为10~50μm；所述第一光纤内部反射镜（4）和第二光纤内部反射镜（5）之间的距离为50~6000μm。

实施例二：

参见图2，本基于光纤熔锥的本征型法布里-珀罗器件的制造方法，用于制作根据实施例一所述的光纤熔锥。以氢氧火焰作为热源（6）进行熔融拉锥：把一段长2米左右的单模光纤（7），并在此单模光纤中间剥去长1厘米左右的涂覆层，并用酒精擦拭干净裸纤部分（8）的待用单模光纤放置在间距为3cm的光纤夹具（9）上，尾纤的一端连接到宽带光源（10），另一端连接至光功率计（11），用以监控熔融光纤在被拉伸过程中的损耗变化情况，通过拉伸速度、拉伸长度，以及热源的氢气流量等参数的优化设定，所制作光纤熔锥的拉伸长度为10000μm ~ 20000μm，相应的锥腰直径为10μm ~ 50μm，损耗在0.5dB以下。

实施例三：

参见图3，本基于光纤熔锥的本征型法布里-珀罗器件的制造方法，用于制作根据实施例一所述的利用飞秒激光在光纤熔锥锥腰刻写光纤法布里-珀罗腔。将制备的光纤熔锥（12）置于三维移动平台（13）上，使光纤熔锥（12）轴向垂直于飞秒脉冲激光光束（14）传输方向。飞秒脉冲激光（15）通过显微镜的物镜（16）聚焦于光纤熔锥锥腰的中心，三维移动平台沿飞秒脉冲激光传输方向移动，使飞秒脉冲激光的聚焦点沿光纤径向扫描光纤熔锥的锥腰，使飞秒激光刻写区域覆盖光纤熔锥锥腰区的纤芯，即单个反射面制备完毕；每制作一个反射面时，三维移动平台的移动距离为锥腰直径的二分之一，移动速度为0.8 μm/s。控制台沿x轴向锥腰另一端移动所需腔长的距离，完成第二个反射面的制备，则基于光纤熔锥的本征型法布里-珀罗器件制备完成。

参见图4为本器件测试反射信号的装置示意图，包括一个宽带光源（17），所述宽带光源（17）连接到光纤环形器（18）的输入端，所述光纤环形器（18）的输出端连接到实施例一所述的基于光纤熔锥的本征型法布里-珀罗器件（19），所述光纤环形器（18）的反射端连接到光谱分析仪（20）测试反射光谱。通过光谱分析仪（20）记录器件的反射信号。

图5、图6和图7分别是腔长为100μm、200和400μm的基于光纤熔锥的本征型法布里-珀罗器件的反射信号，其对比度分别为9dB、8dB和5dB。

Claims

1.一种基于光纤熔锥的本征型法布里-珀罗器件，包括一根光纤熔锥，其特征在于所述光纤熔锥包含两段普通光纤（1）、两段光纤熔锥过渡区（2）、一段光纤熔锥锥腰（3）、一个第一光纤内部反射镜（4）和一个第二光纤内部反射镜（5），所述的光纤熔锥是通过把普通单模光纤熔融拉锥制成的；所述第一光纤内部反射镜（4）和第二光纤内部反射镜（5）分别是通过飞秒脉冲激光沿光纤熔锥锥腰（3）内部纤芯的径向在光纤熔锥锥腰处改变光纤的折射率形成的反射面，有效结合了光纤熔锥的强渐逝场致高灵敏度特性和法布里-珀罗腔用于传感的谐振峰偏移易检测特性，进一步提高光纤传感器件的传感灵敏度和可靠性。

2.根据权利要求1所述的基于光纤熔锥的本征型法布里-珀罗器件，特征在于所述的光纤熔锥锥腰（3）的直径为10~50μm；所述第一光纤内部反射镜（4）和第二光纤内部反射镜（5）之间的距离为50~6000μm。

3.一种基于光纤熔锥的本征型法布里-珀罗器件的制造方法，用于制作根据权利要求1所述的基于光纤熔锥的本征型法布里-珀罗器件，其操作步骤如下：

1）光纤熔锥制备：把一段长2米左右的单模光纤（7）以氢氧火焰作为热源（6）进行熔融拉锥：在此单模光纤中间剥去长1厘米左右的涂覆层，并用酒精擦拭干净裸纤部分（8）的待用单模光纤放置在间距为3cm的光纤夹具（9）上，尾纤的一端连接到宽带光源（10），另一端连接至光功率计（11），用以监控熔融光纤在被拉伸过程中的损耗变化情况，通过拉伸速度、拉伸长度，以及热源的氢气流量的优化设定，所制作光纤熔锥的拉伸长度为10000μm ~ 20000μm，相应的锥腰直径为10μm ~ 50μm，损耗在0.5dB以下；

2）飞秒激光刻写光纤法布里-珀罗腔：将制备的光纤熔锥（12）置于三维移动平台（13）上，使光纤熔锥（12）轴向垂直于飞秒脉冲激光光束（14）传输方向；飞秒脉冲激光（15）通过显微镜的物镜（16）聚焦于光纤熔锥锥腰的中心，三维移动平台沿飞秒脉冲激光传输方向移动，使飞秒脉冲激光的聚焦点沿光纤径向扫描光纤熔锥的锥腰，使飞秒激光刻写区域覆盖光纤熔锥锥腰区的纤芯，即单个反射面制备完毕；每制作一个反射面时，三维移动平台的移动距离为锥腰直径的二分之一，移动速度为0.8 μm/s；控制台沿x轴向锥腰另一端移动所需腔长的距离，完成第二个反射面的制备，则基于光纤熔锥的本征型法布里-珀罗器件制备完成。