CN102645237A - 化学腐蚀法制备低损耗微纳光纤光栅传感器的方法和装置 - Google Patents

化学腐蚀法制备低损耗微纳光纤光栅传感器的方法和装置 Download PDF

Info

Publication number
CN102645237A
CN102645237A CN2012101326610A CN201210132661A CN102645237A CN 102645237 A CN102645237 A CN 102645237A CN 2012101326610 A CN2012101326610 A CN 2012101326610A CN 201210132661 A CN201210132661 A CN 201210132661A CN 102645237 A CN102645237 A CN 102645237A
Authority
CN
China
Prior art keywords
optical fiber
bragg grating
fiber
corrosion
micro
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
CN2012101326610A
Other languages
English (en)
Inventor
张阿平
白银冰
张业斌
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Zhejiang University ZJU
Original Assignee
Zhejiang University ZJU
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Zhejiang University ZJU filed Critical Zhejiang University ZJU
Priority to CN2012101326610A priority Critical patent/CN102645237A/zh
Publication of CN102645237A publication Critical patent/CN102645237A/zh
Pending legal-status Critical Current

Links

Images

Landscapes

  • Optical Fibers, Optical Fiber Cores, And Optical Fiber Bundles (AREA)
  • Investigating Or Analysing Materials By Optical Means (AREA)

Abstract

本发明涉及一种化学腐蚀法制备低损耗微纳光纤光栅传感器的方法和装置。本发明中的装置包括宽带光源、光纤环形器、3-dB光纤耦合器、光谱仪、光功率计、步进电机、写有布拉格光栅的光纤和盛有腐蚀溶液的聚四氟乙烯容器。本发明通过自动控制技术控制腐蚀写有布拉格光栅的光纤的速度来制备传感器。通过缓慢的提升光纤能够实现光纤渐变区域平缓的过渡到微纳光纤部分，从而减小光纤渐变区域的折射率变化梯度。本发明具有精度高、低成本、抗干扰性好、结构简单实用、适于大批量生产等优点。

Description

化学腐蚀法制备低损耗微纳光纤光栅传感器的方法和装置
技术领域
本发明属于光电器件技术领域，特别涉及了一种利用步进电机精确控制刻写有光纤光栅的光纤在化学腐蚀溶液中的提升速度来实现低损耗微纳光纤光栅传感器的方法，以及实现该方法的装置。
背景技术
微纳光纤的直径在微米量级、与通信波段波长相当，具有很强的倏逝场和较高的光功率密度。微纳光纤传输的光场与周围的被测样品有很强的光物质作用以及较长的作用距离，因而能够实现高灵敏度的光学传感。但是单一的微纳光纤传感器是基于外界样品折射率变化引起探测光强变化的透射式光强调制型传感器，容易受到光源稳定性等因素的影响。光纤布拉格光栅（Fiber Bragg grating，FBG）是在光纤纤芯内引入周期性的折射率调制，通过检测外界产量引起的布拉格中心波长的变化能够实现温度、浓度、应力、拉力、弯曲等物理量的测量，是一种实用的反射式波长调制传感器。微纳光纤与光纤布拉格光栅结合的微纳光纤光栅传感器具有抗电磁干扰、体积小、高灵敏度、高稳定性等优点，具有广泛的应用前景。
化学腐蚀制备微纳光纤光栅的方法是利用氢氟酸腐蚀预先写有光纤光栅的光纤，直到光栅区域的直径达到微米量级。化学腐蚀的方法相比在微纳光纤上刻写光栅结构等方法具有实验设备简单、易于调节和适合大批量生产等优点。但是一般腐蚀过程中会引起光纤渐变区域的不对称和折射率突变以及光纤表面的不光滑，从而导致较大的光学损耗，严重限制了腐蚀制备微纳光纤光栅传感器的最小直径和信噪比。因此，在腐蚀过程中通过对光纤渐变区域和光纤表面光滑度进行优化，来获得低损耗的微纳光纤光栅传感器是十分必要的。
经检索发现，中国专利申请号为：201020256618.1，名称为：一种基于光纤布拉格光栅的折射率传感器，该技术包括一个宽带光源、3-dB光纤耦合器、经腐蚀后的光纤布拉格光栅和光谱仪，其中经腐蚀后的光纤布拉格光栅是指被氢氟酸腐蚀掉包层的光纤布拉格光栅。但是该技术说明了微纳光纤光栅在传感领域的应用能力，但并未考虑腐蚀过程中产生的较大光学损耗问题。由实验得知，这种方法无法获得非常细的微纳光纤光栅，因而限制了微纳光纤光栅传感器的探测灵敏度；同时较大传输损耗引起的较差信噪比也会严重影响微纳光纤光栅传感器的实际探测应用。
发明内容
本发明的目的在于针对现有技术存在的不足，提出了一种通过化学腐蚀制备低损耗微纳光纤光栅传感器的方法和装置。本发明是通过以下技术方案实现的：
本发明中的装置包括宽带光源、光纤环形器、3-dB光纤耦合器、光谱仪、光功率计、步进电机、写有布拉格光栅的光纤和盛有腐蚀溶液的聚四氟乙烯容器。
所述的宽带光源的光信号通过光纤环形器到达光纤布拉格光栅，同时光纤布拉格光栅的反射信号通过光纤环形器输出到3-dB光纤耦合器。
所述的3-dB光纤耦合器将光纤布拉格光栅的反射信号传输到光谱仪和光功率计。
光谱仪实时监测光纤布拉格光栅腐蚀过程中由于外包层和部分纤芯被腐蚀导致的布拉格中心波长的漂移，控制腐蚀获得的微纳光纤光栅的直径大小。
光功率计实时监测光纤布拉格光栅腐蚀过程中反射信号的光强变化。
所述的写有布拉格光栅的光纤的末端竖直浸在盛有氢氟酸溶液的聚四氟乙烯容器中。
所述的写有布拉格光栅的光纤的上端竖直固定在步进电机上。步进电机提升光纤的速度由计算机实时控制。
本发明的方法具体是：
用酒精棉擦拭写有布拉格光栅的光纤，之后将写有布拉格光栅的光纤的末端竖直放置于聚四氟乙烯容器中，其上端竖直固定在步进电机上；
在聚四氟乙烯容器中加入浓度为n%的氢氟酸腐蚀溶液；启动步进电机，以速度V1提升写有布拉格光栅的光纤，并实时监测光谱仪和光功率计；
在光功率计显示的光强减小时增大步进电机的提升速度到V2,并以V2匀速提升有布拉格光栅的光纤；其中V2 =mV1， m为n%的氢氟酸腐蚀溶液中光纤纤芯和光纤包层的腐蚀速度比值；
继续腐蚀光纤，布拉格光栅的芯模有效折射率                                               会随着腐蚀进行逐渐减小，从而导致布拉格中心波长
Figure 2012101326610100002DEST_PATH_IMAGE004
向短波漂移，通过光谱仪显示的布拉格中心波长的漂移量决定是否停止腐蚀，其中
Figure 2012101326610100002DEST_PATH_IMAGE006
为布拉格中心波，
Figure 2012101326610100002DEST_PATH_IMAGE008
是布拉格光栅的周期；
当布拉格中心波长漂移量达到目标微纳光纤光栅的直径减小所导致的漂移量时，立即从腐蚀溶液中提起写有布拉格光栅的光纤，终止腐蚀并沿光纤方向用柔和的氮气气流将光纤表面的腐蚀溶液吹干。
与现有通过腐蚀制备微纳光纤光栅的技术相比，本发明中的步进电机能够精确控制浸在腐蚀溶液中的光纤提升速度。通过缓慢的提升光纤能够实现光纤渐变区域平缓的过渡到微纳光纤部分，从而减小光纤渐变区域的折射率变化梯度；同时利用光谱仪检测的布拉格中心波长的漂移可以确定外包层被腐蚀完的临界状态，此时适当的增大提升速度可以消除由于外包层和纤芯成分差异导致的腐蚀界面突变，进一步减小光学损耗。由于光纤垂直浸在腐蚀溶液中，并且被垂直提升，所以同时可以减小腐蚀过程中光纤的抖动引起的微纳光纤不对称产生的光学损耗。本发明装置简单、可重复性高，可通过监测多根样品中的单根光纤实现批量制备微纳光纤光栅，对推动基于微纳光纤光栅器件的发展具有重要意义。
本发明具有精度高、低成本、抗干扰性好、结构简单实用、适于大批量生产等优点。
附图说明
图1为本发明的结构示意图：
其中：1-宽带光源、2-光纤环形器、3-3-dB光纤耦合器、4-光谱仪、5-光功率计、6-写有布拉格光栅的光纤、7-聚四氟乙烯容器、8-步进电机。
    图2为中心波长为1547.65nm和1547.89nm的两个FBG在有无精确提升控制腐蚀时其损耗对比图：
    其中：1-中心波长为1547.65nm的FBG在布拉格中心波长漂移16.8nm时的反射谱、2-中心波长为1547.89nm的FBG在布拉格中心波长漂移16.8nm时的反射谱。
图3为本实施例制备的微纳光纤光栅光学显微镜图片，直径为4.06um。
图4为制备的直径与通信波长相当微纳光纤光栅光学显微镜图片，直径为1.51um。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的方法和装置进一步描述：本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
实施例
如图1所示，该装置包括一个宽带光源1、一个光谱仪4、一个光功率计5、一个步进电机8和一个写有布拉格光栅的光纤6，其中宽带光源1发出的光经光纤环形器2传输到写有布拉格光栅的光纤6，写有布拉格光栅的光纤6的反射信号经光纤环形器2传输到3-dB光纤耦合器3，传输到3-dB光纤耦合器3的光信号分别传输到光谱仪4和光功率计5，写有布拉格光栅的光纤6的末端竖直放置于聚四氟乙烯容器7中，写有布拉格光栅的光纤6的上端竖直固定在步进电机8上，写有布拉格光栅的光纤6是载氢处理过的普通单模光纤，光栅长度为1cm，位于光纤的末端。
本实施例中的步进电机8采用的是北京世纪仪器有限公司MGC101系列精密电控倾斜台和SC步进电机控制器。
本实施例的工作过程：用酒精棉擦拭写有布拉格光栅的光纤6，之后将写有布拉格光栅的光纤6的末端竖直放置于聚四氟乙烯容器7中，其上端竖直固定在步进电机8上；在聚四氟乙烯容器7中加入浓度为26%的氢氟酸腐蚀溶液；启动步进电机8，以速度V1提升写有布拉格光栅的光纤6，并实时监测光谱仪4和光功率计5。
在光功率计5显示的光强减小时增大提升速度到V2,并以V2匀速提升有布拉格光栅的光纤6；其中V2 =1.33V1。继续腐蚀光纤，通过光谱仪4显示的布拉格中心波长的漂移量决定是否停止腐蚀。如图2所示，同一套光栅刻写平台在载氢的标准单模光纤上刻写的中心波长为1547.65nm和1547.89nm的两个FBG分别在有无精确提升控制下腐蚀时其中心波长向短波漂移，并且损耗逐渐增大；在中心波长均漂移16.8nm的情况下，施加提升控制制备的微纳光纤光栅相比没有施加提升控制时能够减小6.29dB的光学损耗。对比光纤直径变化引起的布拉格光栅中心波长漂移的模拟结果，中心波长16.8nm漂移对应的微纳光纤光栅直径为4um。立即快速从腐蚀溶液中提起写有布拉格光栅的光纤6，终止腐蚀并沿光纤方向用柔和的氮气气流将光纤表面的腐蚀溶液吹干。将聚四氟乙烯容器7中的腐蚀溶液换为去离子水溶液，把腐蚀后的微纳光纤缓慢放入溶液中再做进一步操作。
本实施例制备的微纳光纤如图3、图4所示，图3所示的微纳光纤直径为4.06um，和由布拉格光栅中心波长漂移反推出的微纳光纤直径吻合。图4所示制备的微纳光纤直径为1.51um，与通信波长相当。
本实施例中把不同折射率的溶液样品放在聚四氟乙烯容器7中利用本实施例所制作的传感器可实现折射率测量。

Claims (2)

1. 化学腐蚀法制备低损耗微纳光纤光栅传感器的装置，包括宽带光源、光纤环形器、3-dB光纤耦合器、光谱仪、光功率计、步进电机、写有布拉格光栅的光纤和盛有腐蚀溶液的聚四氟乙烯容器，其特征在于：
宽带光源的光信号通过光纤环形器到达光纤布拉格光栅，同时光纤布拉格光栅的反射信号通过光纤环形器输出到3-dB光纤耦合器；
3-dB光纤耦合器将光纤布拉格光栅的反射信号传输到光谱仪和光功率计；
光谱仪实时监测光纤布拉格光栅腐蚀过程中由于外包层和部分纤芯被腐蚀导致的布拉格中心波长的漂移，控制腐蚀获得的微纳光纤光栅的直径大小；
光功率计实时监测光纤布拉格光栅腐蚀过程中反射信号的光强变化；
写有布拉格光栅的光纤的末端竖直浸在盛有氢氟酸溶液的聚四氟乙烯容器中；
写有布拉格光栅的光纤的上端竖直固定在步进电机上；步进电机提升光纤的速度由计算机实时控制。
2.化学腐蚀法制备低损耗微纳光纤光栅传感器的方法，其特征在于：
用酒精棉擦拭写有布拉格光栅的光纤，之后将写有布拉格光栅的光纤的末端竖直放置于聚四氟乙烯容器中，其上端竖直固定在步进电机上；
在聚四氟乙烯容器中加入浓度为n%的氢氟酸腐蚀溶液；启动步进电机，以速度V1提升写有布拉格光栅的光纤，并实时监测光谱仪和光功率计；
在光功率计显示的光强减小时增大步进电机的提升速度到V2,并以V2匀速提升有布拉格光栅的光纤，其中V2 =mV1， m为n%的氢氟酸腐蚀溶液中光纤纤芯和光纤包层的腐蚀速度比值；
继续腐蚀光纤，布拉格光栅的芯模有效折射率                                               
Figure 2012101326610100001DEST_PATH_IMAGE002
会随着腐蚀进行逐渐减小，从而导致布拉格中心波长
Figure 2012101326610100001DEST_PATH_IMAGE004
向短波漂移，通过光谱仪显示的布拉格中心波长的漂移量决定是否停止腐蚀，其中
Figure 2012101326610100001DEST_PATH_IMAGE006
为布拉格中心波，
Figure 2012101326610100001DEST_PATH_IMAGE008
是布拉格光栅的周期；
当布拉格中心波长漂移量达到目标微纳光纤光栅的直径减小所导致的漂移量时，立即从腐蚀溶液中提起写有布拉格光栅的光纤，终止腐蚀并沿光纤方向用柔和的氮气气流将光纤表面的腐蚀溶液吹干。
CN2012101326610A 2012-05-03 2012-05-03 化学腐蚀法制备低损耗微纳光纤光栅传感器的方法和装置 Pending CN102645237A (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN2012101326610A CN102645237A (zh) 2012-05-03 2012-05-03 化学腐蚀法制备低损耗微纳光纤光栅传感器的方法和装置

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN2012101326610A CN102645237A (zh) 2012-05-03 2012-05-03 化学腐蚀法制备低损耗微纳光纤光栅传感器的方法和装置

Publications (1)

Publication Number Publication Date
CN102645237A true CN102645237A (zh) 2012-08-22

Family

ID=46658208

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN2012101326610A Pending CN102645237A (zh) 2012-05-03 2012-05-03 化学腐蚀法制备低损耗微纳光纤光栅传感器的方法和装置

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN102645237A (zh)

Cited By (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN104407413A (zh) * 2014-11-26 2015-03-11 暨南大学 一种哑铃型光纤光栅制备方法及温度不敏感折射率传感器
CN107337357A (zh) * 2017-06-05 2017-11-10 东北大学 一种实时监测控制腐蚀进度的光纤腐蚀装置
CN108844559A (zh) * 2018-08-24 2018-11-20 南京航空航天大学 一种制备微纳光纤传感器的系统及方法
CN110289543A (zh) * 2019-08-14 2019-09-27 四川大学 一种微纳光纤锁模器件及其制备方法、全光纤激光器
CN110967048A (zh) * 2019-12-28 2020-04-07 桂林电子科技大学 正交倾斜三芯光纤光栅并行集成Mach-Zehnder干涉仪

Citations (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN1587946A (zh) * 2004-09-29 2005-03-02 上海交通大学 基于光纤光栅的光纤微振动传感器
JP2009072274A (ja) * 2007-09-19 2009-04-09 Nec Corp 映像配信システム、サーバシステム、クライアントシステム、映像配信方法、及びプログラム
CN101788697A (zh) * 2010-02-23 2010-07-28 南京师范大学 一种包层型胶体晶体微结构光纤及其制备方法
CN201724901U (zh) * 2010-05-31 2011-01-26 华南师范大学 光纤布拉格光栅折射率传感器
CN201740734U (zh) * 2010-07-09 2011-02-09 钱文文 一种基于光纤布拉格光栅的折射率传感器
JPWO2009072274A1 (ja) * 2007-12-06 2011-04-21 三菱電機株式会社 光ファイバセンサ
CN102126835A (zh) * 2010-11-22 2011-07-20 中国计量学院 基于步进电机控制的腐蚀制备双锥形光纤的方法及装置
CN202793431U (zh) * 2012-05-03 2013-03-13 浙江大学 化学腐蚀法制备低损耗微纳光纤光栅传感器的装置

Patent Citations (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN1587946A (zh) * 2004-09-29 2005-03-02 上海交通大学 基于光纤光栅的光纤微振动传感器
JP2009072274A (ja) * 2007-09-19 2009-04-09 Nec Corp 映像配信システム、サーバシステム、クライアントシステム、映像配信方法、及びプログラム
JPWO2009072274A1 (ja) * 2007-12-06 2011-04-21 三菱電機株式会社 光ファイバセンサ
CN101788697A (zh) * 2010-02-23 2010-07-28 南京师范大学 一种包层型胶体晶体微结构光纤及其制备方法
CN201724901U (zh) * 2010-05-31 2011-01-26 华南师范大学 光纤布拉格光栅折射率传感器
CN201740734U (zh) * 2010-07-09 2011-02-09 钱文文 一种基于光纤布拉格光栅的折射率传感器
CN102126835A (zh) * 2010-11-22 2011-07-20 中国计量学院 基于步进电机控制的腐蚀制备双锥形光纤的方法及装置
CN202793431U (zh) * 2012-05-03 2013-03-13 浙江大学 化学腐蚀法制备低损耗微纳光纤光栅传感器的装置

Cited By (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN104407413A (zh) * 2014-11-26 2015-03-11 暨南大学 一种哑铃型光纤光栅制备方法及温度不敏感折射率传感器
CN107337357A (zh) * 2017-06-05 2017-11-10 东北大学 一种实时监测控制腐蚀进度的光纤腐蚀装置
CN107337357B (zh) * 2017-06-05 2020-02-11 东北大学 一种实时监测控制腐蚀进度的光纤腐蚀装置
CN108844559A (zh) * 2018-08-24 2018-11-20 南京航空航天大学 一种制备微纳光纤传感器的系统及方法
CN110289543A (zh) * 2019-08-14 2019-09-27 四川大学 一种微纳光纤锁模器件及其制备方法、全光纤激光器
CN110967048A (zh) * 2019-12-28 2020-04-07 桂林电子科技大学 正交倾斜三芯光纤光栅并行集成Mach-Zehnder干涉仪

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Zhao et al. High-resolution and temperature-insensitive fiber optic refractive index sensor based on Fresnel reflection modulated by Fabry–Perot interference
CN109974758B (zh) 用于海水温盐深三参数同时测量的光纤传感器及制备方法
CN102645237A (zh) 化学腐蚀法制备低损耗微纳光纤光栅传感器的方法和装置
CN107677390B (zh) 一种熔锥型光纤马赫-增德尔传感器的制备方法
Lin et al. High-sensitivity salinity sensor based on etched C-type micro-structured fiber sensing structure
Wang et al. Ultra-high sensitivity SPR temperature sensor based on a helical-core fiber
Chen et al. Ultra-short phase-shifted fiber Bragg grating in a microprobe for refractive index sensor with temperature compensation
CN111398222A (zh) 一种基于马赫曾德尔干涉测量的光纤折射率传感器
Shuo et al. A miniature SMS-LPG bending sensor with high sensitivity based on multimode fiber embedded-LPG
Wang et al. Novel optical fiber SPR temperature sensor based on MMF-PCF-MMF structure and gold-PDMS film
Philip-Chandy et al. A novel technique for on-line measurement of scaling using a multimode optical fibre sensor for industrial applications
Zhao et al. Ultra-short fiber Bragg grating composed of cascaded microchannels in a microprobe for refractive index measurement
CN106442340A (zh) 一种长周期光纤光栅检测海水盐度的装置与方法
Zhang et al. Highly sensitive salinity sensor based on Mach-Zehnder interferometer with double-C fiber
CN109632710B (zh) 利用水凝胶涂覆修饰的干涉型光纤检测pH值的方法
Liu et al. Dual-detection-parameter SPR sensor based on graded index multimode fiber
CN202793431U (zh) 化学腐蚀法制备低损耗微纳光纤光栅传感器的装置
CN114137273A (zh) Fbg级联光纤复合结构的消除温度敏感电流传感装置
CN112710633A (zh) 一种制备拼接结构马赫-曾德尔折射率传感器方法
Jiang et al. Precise measurement of liquid-level by fiber loop ring-down technique incorporating an etched fiber
CN112254840A (zh) 一种基于sts结构测量磁场和温度的光纤spr传感器
CN112014351A (zh) 一种液体折射率测量装置及系统
CN111141415A (zh) 一种光纤刻槽填充温敏液体的长周期光栅温度探头
CN110006846B (zh) 一种v型特种光纤的微量液体折射率测量装置与制备方法
CN211347149U (zh) 一种光纤刻槽填充温敏液体的长周期光栅温度探头

Legal Events

Date Code Title Description
C06 Publication
PB01 Publication
C10 Entry into substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
C02 Deemed withdrawal of patent application after publication (patent law 2001)
WD01 Invention patent application deemed withdrawn after publication

Application publication date: 20120822