CN102564639A - 基于液体填充光子晶体光纤光栅的温度传感器及制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了基于液体填充的光子晶体光纤光栅的温度传感器及制造方法，包括有光子晶体光纤包层，光纤包层内中心轴位是掺锗光纤纤芯，在光纤纤芯表面刻有布拉格光栅结构，沿所述光纤包层轴向方向有气孔，该些气孔分布在光纤纤芯周围并形成多层矩阵结构，所述气孔内充入具有热光敏感效应的折射率匹配液体。将具有热光敏感效应的折射率匹配液体注入到光纤包层气孔中，提高光纤光栅温度传感器的温度敏感特性。本发明采用填充液体的光子晶体光纤光栅结构，除芯区光栅的热光效应和热膨胀效应外，还有包层区的液体热光效应。由于液体的热光敏感程度远优于固体，所以本发明可获得比现有产品提高1～2个数量级的热光敏感系数。

Description

基于液体填充光子晶体光纤光栅的温度传感器及制造方法

技术领域

本发明涉及到光纤光栅传感器技术领域，具体涉及一种基于液体填充的光子晶体光纤光栅的高灵敏度温度传感器及制作方法。

背景技术

1)光纤光栅温度传感器是以波长编码为特征的传感器，通过测量光纤光栅布拉格反射波长的移动测量出温度的变化，测量信号特征不受光强、光纤弯曲及连接损耗等因素影响。这种传感器具有小型紧凑、不受电磁干扰的优点，可实现多个节点的同时测量，可应用于多种施工环境。

2)现有的光纤光栅温度传感器绝大部分为普通的实心包层光纤光栅，极少量采用微结构光纤(即光子晶体光纤)。一般的实心包层光纤光栅和微结构光纤光栅(PCF-BGs)的温度传感机制都基于光纤光栅对温度的敏感特性，原因是器件的热光效应(温度对材料折射率的影响)和热膨胀效应(温度对光栅长度和周期的影响)，当测量温度改变时，光栅的反射波长随温度改变。

3)现有的光纤光栅温度传感器的折射率改变部位均在纤芯的光栅部位，包层的折射率的改变对反射波长影响不大。

4)现有的光纤光栅温度传感器由光敏光纤制成：纤芯为掺锗二氧化硅材料，通过紫外掩模等方法把光栅写入纤芯，光纤包层为纯二氧化硅材料。

5)现有的光纤光栅温度传感器基本上都通过采集光栅反射波长的变化来测量温度，已面市的解调设备解调分辨率一般为1pm，部分解调设备解调分辨率为0.25pm。

6)现有的光纤光栅传感器热敏变化依赖于纤芯中光栅的折射率变化(热光效应)、长度及周期变化(热膨胀效应)，温度敏感系数达到10pm/℃，与解调设备连接使用时可反映的测温精度为0.1℃。

现有技术中有人公开了专利名称为一种基于微芯光纤布拉格光栅的折射率传感器及其制备方法、专利公布号为CN101832924、公布日为2010年9月15日的发明专利，该专利文件提出的保护内容以光栅刻写为主要内容，同时也提出光纤器件包层的气孔问题，空气圆孔半径为4～20微米，没有涉及在微结构包层中注入热光效应折射率匹配液体的内容。CN101832924专利提出的方案提出把微芯光纤应用于光纤光栅传感器，实现对空气孔中气体和液体介质折射率变化的近场高灵敏传感。该专利方案的传感器测量针对对象是气体和液体的折射率，未提及对温度进行测量。

发明内容

本发明的目的在于克服现有光纤光栅温度传感器灵敏度不高的问题，这种光纤光栅温度传感器的布拉格波长变化主要由光纤材料的热光效应和热膨胀效应引起，布拉格波长随温度变化而移动的范围不大。为提高光纤光栅温度传感器温度变化系数的技术问题，本发明设计一种液体填充的光子晶体光纤光栅(PCF-BGs-liquids)。

为实现以上目的，本发明采取了以下的技术方案：基于液体填充的光子晶体光纤光栅的温度传感器，包括有光子晶体光纤包层，光纤包层内中心轴位置有掺锗光纤纤芯，在光纤纤芯表面刻有布拉格光栅结构，沿所述光纤包层轴向方向有气孔，该些气孔分布在光纤纤芯周围并形成多层矩阵结构，所述气孔内充入具有热光敏感效应的折射率匹配液体。将具有热光敏感效应的折射率匹配液体注入到光纤包层气孔中，提高光纤光栅温度传感器的温度敏感特性。

本发明利用的光子晶体光纤(PCFs)(也称为微结构光纤)，光子晶体光纤包括光纤纤芯、光纤包层。包层内沿光纤包层轴向的气孔，气孔分布在光纤纤芯周围共同构成多层结构的光子晶体光纤，光纤纤芯掺锗使得光子晶体光纤有光敏性。空气孔的大小和空气孔的间距决定光子晶体光纤的特性。采用压力法将具有热光敏感效应的折射率匹配液体注入到光纤包层气孔中，采用已有的光纤光栅刻写方法，在这种液体填充的光子晶体光纤的纤芯刻写布拉格光栅结构，形成液体填充的光子晶体光纤光栅(PCF-BGs-liquids)。

本发明的液体填充的光子晶体光纤光栅的热敏变化位置在包层和纤芯。温度变化时，本新产品除纤芯中光栅周期结构变化外，填充到包层中的液体折射率也随温度改变，且由于液体的热光敏感效应比固体更显著，一般可达-4×10^-4，光子晶体光纤包层气孔中液体的折射率将发生相对较大的变化，从而引起光子晶体光纤包层等效折射率发生相对较大的变化。包层等效折射率较大的变化会引起光子晶体光纤纤芯内传输的基模LP01的有效折射率有较大的变化，最终导致光纤光栅的布拉格波长随温度变化有较大的移动，从而显著提高光纤光栅温度传感器的温度敏感特性，使得温度灵敏系数提高1～2个数量级。

现有的光纤光栅传感器在设计时考虑的设计重点是光栅结构；本发明在设计光纤光栅传感器时设计重点是优化设计光子晶体光纤结构，重点考虑光子晶体光纤结构、液体的折射率和液体热光系数对光纤光栅反射波长的影响。

所述热光敏感效应折射率匹配液体其本身的特点即折射率会随温度改变而变化。庚烷液体就是热光敏感效应的折射率匹配液体之一，其中庚烷液体为其中一种典型的应用实例，其他热光敏感效应折射率匹配液体亦应包含在本权利保护要求中。由于传感器所处环境的温度改变，含有该液体的光纤包层有效折射率与环境温度匹配而产生变化，基模LP01耦合模的波长也会随之变化，导致光纤光栅传感器对温度的变化十分灵敏。

所述光纤纤芯为掺锗光敏二氧化硅材料制成，直径为1μm～8μm，掺锗硅质纤芯折射率为1.44～1.6。优化设计光子晶体光纤结构的这些参数，光纤光栅的布拉格波长随温度变化会有较大的移动，实现高灵敏度的光纤光栅温度传感器。

光纤包层由纯二氧化硅材料制成，外径125μm，气孔的直径为1～8μm，在光纤包层的横截面上的气孔分布为4～9层矩阵，所述热光敏感效应的折射率匹配液体的折射率为1.0～1.44。

较小的气孔直径使产品可实现多层的气孔矩阵设计，空气孔层数与气孔位置分布对传感器热敏感系数有影响，合理的气孔分布使充入液体的操作易于实现。

光子晶体光纤光纤包层125μm是标准通用单模光纤外径，只有应用通用的外径，器件才可以顺利地连接到外部标准单模光纤上，实现器件的通用性；1.0～1.44的有效折射率热光敏感液体，为该专利产品填充液体提供可行性。

本发明还提供了一种基于液体填充光子晶体光纤光栅的温度传感器的制造方法，包括如下步骤：

步骤一：采用压力法，将热光敏感效应的折射率匹配液体充入到气孔(2)中。

步骤二：采用高压电弧放电法，熔融光子晶体光纤两端截面处光纤包层(1)的气孔，使折射率匹配液体不溢出空气孔；

步骤三：采用传统的相位模板法，紫外曝光技术制作布拉格光纤光栅；

步骤四：用细不锈钢管封装(或盒式封装)用来保护光纤光栅。

本发明与现有技术相比，具有如下优点：

1、现有的光纤光栅温度传感器的热敏感部位在光纤芯区的光栅，利用热光效应和热膨胀效应进行温度的波长编码。本发明采用填充液体的光子晶体光纤光栅结构，除芯区光栅的热光效应和热膨胀效应外，还有包层区的液体热光效应。由于液体的热光系数优于包层固体热光系数，所以本专利可获得比现有产品提高1～2个数量级的热光敏感系数。

2、现有的光纤光栅温度传感器温度敏感系数为10pm/℃。本发明在光纤包层微结构中填充热光敏感折射率匹配液体，其热光效应远优于纤芯材料的温度敏感系数，使传感器整体热光敏感系数提高到263pm/℃。

3、对应现已面市并投入使用的解调设备，最佳分辨率为1pm，现有的光纤光栅温度传感器灵敏度为0.1℃，本产品可将灵敏度提高到0.004℃。

4、与现有产品的单一包层结构相比，本发明使用的微结构光纤包层有气孔矩阵，通过调节矩阵的层数和排列，可得到最佳温度传感效果和最有利于和普通单模光纤的连接及传感工程的实现。

5、本发明的产品可获得高达263pm/℃的光纤光栅布拉格波长移动的温度敏感系数，对应现有的光纤光栅传感器波长移动量解调能力，可达到0.004℃的测温灵敏度。采用解调设备解调分辨率为0.25pm的设备解调时，本产品可将在测温范围从-15℃到65℃，灵敏度提高到0.001℃。

6、本产品可使用在需要高精度测量和监测温度的环境。比如微纳加工技术，航空、航天传感测量方面；也可使用在地质灾害温度监测、海底海啸温度监测等防灾减灾方面。

附图说明

图1为本发明光纤光栅传感器立体结构透视图；

图2为图1的一个端面示意图；

图3为实施案例一的传感器反射谱随温度变化移动的图；

图4为实施案例二的传感器反射谱随温度变化移动的图；

图5为实施案例三的传感器反射波长随温度变化的图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明发明的内容做进一步详细说明。

实施例一：

基于液体填充的光子晶体光纤光栅的温度传感器，包括有光子晶体光纤包层1，光纤包层1内中心轴位置设有掺锗光纤纤芯3，在光纤纤芯3表面刻有布拉格光栅结构，沿光纤包层1轴向贯穿有气孔2，该些气孔2均匀分布在光纤纤芯3周围并形成多层矩阵结构，气孔2内充入具有热光敏感效应的折射率匹配液体。

采用外径为125μm的PCF光纤包层1，包层气孔排列为七层矩阵，空气孔2直径1μm，空气孔距离1.55μm，空气孔注入n-庚烷折射率为1.38(25℃时)，光纤纤芯3为掺锗光敏二氧化硅质材料制成，直径为2.1μm，掺锗硅质纤芯折射率为1.45，热膨胀系数5.5×10^-7。纤芯内光栅由紫外掩模写入，光栅周期为534.5nm，光栅长度4mm。本案例中应用产品的25℃、45℃、65℃反射谱如图3，温度敏感系数为55pm/℃，与解调精度为1pm的光纤传感分析仪连接时，该传感器可达到0.2℃的测温灵敏度。

本实施案例还提供了一种基于液体填充光子晶体光纤光栅的温度传感器的制造方法，包括如下步骤：

步骤一：采用压力法，将热光敏感效应的折射率匹配液体充入到气孔(2)中。

步骤二：采用高压电弧放电法，熔融光子晶体光纤两端截面处光纤包层(1)的气孔，使折射率匹配液体不溢出空气孔；

步骤三：采用传统的相位模板法，紫外曝光技术制作布拉格光纤光栅；

步骤四：用细不锈钢管封装(或盒式封装)用来保护光纤光栅。

上述压力法是比较普遍的填充气体和液体的方法，高压电弧放电法、相位模板法均为传统的工艺方法。

实施案例二：

采用与实施案例一相同结构的PCF和光栅，注入热光敏感效应的折射率匹配液体，其折射率是1.43(25℃时)，获得100pm/℃的温度敏感系数，本案例中应用产品25℃、45℃、65℃反射谱如图4，与解调精度为1pm的光纤传感分析仪连接时连接时，该传感器可达到0.01℃的测温灵敏度。

实施案例三：

采用优化设计的光子晶体光纤结构，采用外径为125μm的PCF光纤包层1，包层气孔排列为5层矩阵，空气孔2直径1.2μm，空气孔距离1.6μm，掺锗二氧化硅纤芯折射率1.46，空气孔填充热光敏感效应的折射率匹配液体，其折射率是1.43(25℃时)，光纤光栅可获得263pm/℃的温度敏感系数，本案例中应用产品-15℃到65℃，光纤光栅波长移动变化如图5，该传感器与解调精度度为1pm的光纤传感分析仪连接时，该传感器可达到0.004℃的测温灵敏度。采用解调设备解调分辨率为0.25pm的设备解调时，本产品可将在测温范围从-15℃到65℃，灵敏度提高到0.001℃。

本发明提出设计光纤光栅的设计方案包括，优化设计光纤掺锗纤芯直径和折射率以及包层的空气孔直径大小和排列方式，同时要优化选择折射率匹配液体的热光系数，从而极大改善温度灵敏度。

上列详细说明是针对本发明发明可行实施例的具体说明，该实施例并非用以限制本发明发明的专利范围，凡未脱离本发明发明所为的等效实施或变更，均应包含于本案的专利范围中。

Claims (5)

1.基于液体填充光子晶体光纤光栅的温度传感器，包括有光子晶体光纤包层(1)，光纤包层(1)内中心轴位置是掺锗光纤纤芯(3)，在光纤纤芯(3)表面刻有布拉格光栅结构，其特征在于：沿所述光纤包层(1)轴向方向有气孔(2)，该些气孔(2)分布在光纤纤芯(3)周围并形成多层矩阵结构，所述气孔(2)内充入具有热光敏感效应的折射率匹配液体。

2.如权利要求1所述的基于液体填充光子晶体光纤光栅的温度传感器，其特征在于：所述热光敏感效应的折射率匹配液体为庚烷液体。

3.如权利要求1所述的基于液体填充光子晶体光纤光栅的温度传感器，其特征在于：所述光纤纤芯(3)为掺锗光敏二氧化硅材料制成，直径为1μm～8μm，掺锗二氧化硅纤芯折射率为1.44～1.6。

4.如权利要求1所述的基于液体填充光子晶体光纤光栅的温度传感器，其特征在于：光纤包层(1)为二氧化硅材料制成，外径125μm，气孔(2)的直径为1μm～8μm，在光纤包层(1)的横截面上的气孔(2)分布为4～9层矩阵，所述热光敏感效应的折射率匹配液体的折射率为1.0～1.44。

5.基于液体填充光子晶体光纤光栅的温度传感器的制造方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤一：采用压力法，将热光敏感效应的折射率匹配液体充入到气孔(2)中。

步骤二：采用高压电弧放电法，熔融光子晶体光纤两端截面处光纤包层(1)的气孔，使折射率匹配液体不溢出空气孔；

步骤三：采用传统的相位模板法，紫外曝光技术制作布拉格光纤光栅；

步骤四：用细不锈钢管封装或盒式封装用来保护光纤光栅。

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