CN102749304B - 高灵敏度光子晶体光纤折射率传感器及制法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了高灵敏度光子晶体光纤折射率传感器及制法，包括两端单模光纤连接一小段位于中段的微拉伸光子晶体光纤；拉伸后的长度变化＜0.5cm；所述的微拉伸光子晶体光纤为固体芯和空气包层，长度为10毫米到30毫米。制备方法是通过微拉伸光子晶体光纤，降低光纤直径，增大了光场在空气中的部分，增加光场与环境的作用。本发明制备简单可行，在光纤传感等领域有广泛的应用前景。目前腰部直径为30微米的光子晶体光纤获得的折射率灵敏度为1629.03nm/RIU。

Description

高灵敏度光子晶体光纤折射率传感器及制法

技术领域

本发明涉及光电子技术领域，具体涉及微纳光纤传感器的研究与制备。更具体而言，是通过与单模光纤进行熔接，再拉伸光子晶体光纤从而制备出高灵敏度的光子晶体光纤干涉型折射率传感器。

背景技术

光纤干涉型传感器在许多领域有着很重要的应用，例如生物传感、食品安全、海水盐都的测量等。最近几年，因为光子晶体光纤的传播特性与传统光纤不同，所以基于光子晶体光纤的干涉传感器越来越得到广泛的关注。其中一个类型是通过熔融拼接普通单模光纤，利用熔接处光子晶体光纤中空洞塌缩从而激发高阶模式与基模相互干涉。不过由于光子晶体的尺寸较大，瞬逝场较小，所以它的折射率灵敏度很低，一般情况下基于光子晶体光纤的非偏振干涉器件的折射率灵敏度≈223nm/RIU（光子晶体光纤长度为2cm），对于折射率的灵敏度并不高，这在一定程度上也限制了光子晶体光纤的应用。

发明内容

本发明的目的是：提出一种通过将一段光子晶体光纤与单模光纤熔接后再拉伸从而制备出高折射率灵敏度的光子晶体光纤传感器及制备方法。

本发明的技术方案是：高灵敏度光子晶体光纤折射率传感器，包括两端单模光纤连接一小段位于中段的微拉伸光子晶体光纤；拉伸后的长度变化＜0.5cm。所述的微拉伸光子晶体光纤为固体芯和空气包层，长度一般为10毫米到30毫米。光在经过单模光纤与光子晶体光纤熔接点处塌缩区时会激发高阶模式，形成芯模和包层模传播，在经过第二个塌缩区时模式又都转变成芯模，最终形成双光束或者多光束干涉效应。

高灵敏度光子晶体光纤折射率传感器将光子晶体光纤微拉伸，增大其瞬逝场，从而加强光场与周围环境介质的相互作用，大大提高灵敏度。

高灵敏度光子晶体光纤折射率传感器的制备方法，输入输出导光利用普通单模光纤，单模光纤中间采用电弧方法熔接一小段光子晶体光纤，然后用火焰刷法加热光子晶体光纤中间，并拉伸光子晶体光纤，拉伸光子晶体光纤的长度为1毫米到5毫米。

高灵敏度光子晶体光纤折射率传感器可作为传输型传感器，或作为反射型折射率传感器，反射型折射率传感器的结构是：将一端的光子晶体光纤切平作为发射面，或者增加一个反射型器件。微拉伸光子晶体光纤中间部分，使其中间很短的一段直径变小，这样传感器总长仍旧处于厘米级。光纤的腰部直径变小从125微米到25微米。

所用的光子晶体光纤为固体芯，空气包层，或使用空心光子晶体光纤，长度一般为几毫米到几十毫米。

光子晶体光纤与单模光纤熔接前先用光纤切割刀将光纤端面切平，然后通过调节光纤熔接机的参数进行熔接以保证熔接后的各光纤光学性能较好。然后将熔接好的光纤放在电动平移台上，使氢气火焰加热光子晶体光纤的中间，并拉伸光子晶体光纤，由于拉伸后光子晶体光纤的腰部直径变小，从而增强光场与外界环境的相互作用，从而比普通干涉型光子晶体光纤传感器折射率灵敏度提高了很多。

该折射率传感器光路特征为：如图1所示，从ASE光源发出的光通过一段单模光纤，再通过被拉伸的光子晶体光纤，最后通过另一段单模光纤被光谱分析仪所接收。其中为避免光子晶体光纤弯曲而导致的损耗，故先将光纤伸直并在单模光纤两端用夹具固定好。光子晶体光纤一段置于一个凹槽里，并将通过加入不同液体，例如水、丙酮以及两者的混合液来进行折射率传感测量。

如图2所示，光在经过单模光纤和光子晶体光纤熔接处塌缩区时会发生模式的转变，形成芯模和包层模传播，在经过另一个塌缩区时模式又都转变成芯模，最终形成双光束或者多光束干涉效应。

其中δ＝(2π/λ)∫_L(n_cl-n_co)dz，I是干涉信号强度，I_co和I_cl分别是芯模和包层模的强度.δ是芯模和包层模的位相差。n_co和n_cl分别是芯模和包层模的有效折射率，λ是波长。

折射率灵敏度为

$S=\frac{{\mathrm{d\λ}}_i}{{\mathrm{dn}}_{\mathrm{\α}}}=\frac{{\mathrm{\λ}}_i}{n_{\mathrm{al}}-n_{\mathrm{co}}}\frac{\∂(n_{\mathrm{cl}}-n_{\mathrm{co}})}{{\∂n}_{\mathrm{\α}}}$

λ_i是谐振波长，n_α是介质折射率。

光纤传感的原理有很多种，比如在光纤环形镜中利用双折射可以制成灵敏度很高的传感器，不过其光路很复杂，光纤较长。还可在光纤里面做出一些FP的结构来做传感器，不过这一般需要很复杂的微加工工艺。本发明的非偏振干涉高灵敏度的光子晶体光纤折射率传感器的原理是：由于拉伸后光子晶体光纤的瞬逝场很大，导致光子晶体光纤的包层模模具有较高的折射率敏感性。利用光子晶体光纤中基模与包层模间的模式干涉实现高折射率灵敏度的传感应用。该方法无需复杂的工艺，光路也简单，所需光子晶体光纤很短（可以是几毫米到几十毫米），折射率灵敏度高。

本发明的有益效果：（1）本发明通过拉伸光子晶体光纤，制备出非偏振干涉高灵敏度光子晶体光纤折射率传感器。（2）相比其它传感原理的传感器，本发明无需复杂的工艺，光路也简单，所需光子晶体光纤很短（可以是几毫米到几十毫米），折射率灵敏度高。（3）由于拉伸后光子晶体光纤长度增大＜0.5cm，所以该传感器依然小巧，紧凑。

附图说明

图1本发明高灵敏度光子晶体光纤折射率传感器的光路图。

图2本发明单模光纤与光子晶体光纤中的模式转变图。

图3为本发明传感器在不同直径、不同外界折射率下的透射光谱图（对应不同直径，不同折射率液体），液体分别为水、丙酮和两者的混合液，光子晶体光纤为LMA-8。

图4该传感器不同直径下折射率灵敏度拟合图。

具体实施方式：

下面结合附图和具体实施方式对本发明做更进一步的具体说明，以使本发明的特点得以清楚展现。

图1是本发明的光路图，其中，ASE光源出射的是C+L波段（1525-1610nm）的光。实验中，先用光纤切割刀将LMA-8光子晶体光纤一端切平，然后将其与标准单模光纤熔接起来。接着将熔接好的光子晶体光纤另一端切平，再与标准单模光纤熔接，熔接时要合理控制熔接时间，放电强度等参数使保证光谱有一定对比度的同时损耗较小。然后将光纤放固定在电动平移台上，使用氢气焰加热光子晶体光纤中间，并移动电动平移台，微微拉伸光子晶体光纤。因为实验中进行的熔接会使光子晶体光纤空气洞塌缩，因而当宽带光源发出的光传播到空气洞塌缩区时光会衍射从而在光子晶体光纤中激发出芯模和包层模相互干涉，然后芯模和包层模的光会被随后的标准单模光纤重新结合最后被光谱分析仪接收与显示。其中单模光纤两端用夹具固定好以避免光纤弯曲导致损耗。将光子晶体光纤置于一个凹槽中，在凹槽中加入不同折射率的液体，如水、丙酮和两者的混合液，最后通过调节加入不同折射率的液体进行折射率传感测量。图中单模光纤1、夹具2、拉伸后光子晶体光纤3、需要分析的液体4、熔接点5。

高灵敏度光子晶体光纤折射率传感器的制备时用到的仪器设备包括ASE光源，光谱分析仪，光纤熔接机，光纤切割刀，电动平移台，氢气发生器，火焰喷枪。

图2显示了单模光纤与光子晶体光纤中的模式转变图。其中光在单模光纤中以基模形式传播，在光子晶体光纤中以基模和包层模两种形式传播，因而光在光子晶体光纤中存在模式干涉。

图3显示不同直径，不同折射率液体（直径分别为61μm(长度2.2cm)（最上面）、49μm（长度2.2cm）（中间）以及33μm（长度为2.35cm）（最下面）的光子晶体光纤的透射谱（左半边图）以及最大峰值随外界折射率的移动）下透光率随波长变化的图。图中显示随折射率变大，透射光谱向右移动，这是因为当折射率变大时，基模和包层模的有效折射率差逐渐增大。实施例中，未拉伸时的光子晶体光纤长度均为2cm。

图4显示该传感器不同直径下折射率灵敏度拟合图。从图中可以看出当直径减小到30μm时，折射率灵敏度达到1629.03nm/RIU,是没有拉伸时的七倍。

Claims (3)

1.高灵敏度光子晶体光纤折射率传感器，其特征是包括两端单模光纤连接一小段位于中段的微拉伸光子晶体光纤；微拉伸光子晶体光纤中间部分，使中间部分很短的一段腰部直径变小，拉伸后的长度变化＜0.5cm；所述的微拉伸光子晶体光纤为固体芯和空气包层，长度为10毫米到30毫米;

光子晶体光纤折射率传感器作为传输型传感器，或作为反射型传感器，反射型折射率传感器的结构是：将一端的光纤切平作为发射面;光子晶体光纤腰部直径为30微米的光子晶体光纤获得的折射率灵敏度为1629.03nm/RIU。

2.根据权利要求1所述的高灵敏度光子晶体光纤折射率传感器的制备方法，其特征是输入输出导光利用普通单模光纤导光，单模光纤中间采用电弧方法熔接一小段光子晶体光纤，火焰法加热光子晶体光纤中部并拉伸光子晶体光纤，所用的光子晶体光纤为固体芯和空气包层或使用空气芯光子晶体光纤，长度为10毫米到30毫米；

光子晶体光纤与单模光纤熔接前先用光纤切割刀将光纤端面切平，然后通过调节光纤熔接机的参数进行熔接以保证熔接后的各光纤光学性能；然后将熔接好的光纤放在电动平移台上，使氢气火焰加热光子晶体光纤的中间，并拉伸光子晶体光纤，由于拉伸后光子晶体光纤的腰部直径变小，光子晶体光纤的拉伸长度为1毫米到5毫米；

光子晶体光纤与单模光纤熔接前先用光纤切割刀将光纤端面切平，然后通过调节光纤熔接机的参数进行熔接以保证熔接后的各光学性能。

3.根据权利要求2所述的高灵敏度光子晶体光纤折射率传感器的制备方法，其特征是光纤的腰部直径变小到从125微米至25微米。