CN104034696B - 一种具有高灵敏度和大测量范围的纳米光纤折射率传感器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种具有高灵敏度和大测量范围的纳米光纤折射率传感器，包括光源、第一单模光纤、第二单模光纤、第一纳米光纤、第二纳米光纤、探测器；光源与第一单模光纤相连，第一单模光纤分别与第一纳米光纤和第二纳米光纤耦合相连，形成第一耦合区；第一纳米光纤由第一纳米光纤第一段、第一纳米光纤第二段、第一纳米光纤第三段组成；第一纳米光纤第一段、第一纳米光纤第二段、第一纳米光纤第三段相交处形成第三耦合区；第一纳米光纤和第二纳米光纤再与第二单模光纤耦合相连，形成第二耦合区；第二单模光纤与探测器相连。本发明通过纳米光纤环形谐振腔保证高的折射率测量灵敏度，通过M‑Z干涉调制包络提高折射率的测量动态范围。
Description
技术领域
本发明涉及一种纳米光纤折射率传感器，尤其涉及一种具有高灵敏度和大动态测量范围的纳米光纤折射率传感器。
背景技术
纳米技术是当今科技的一个研究热点。在光电子领域，随着对微纳尺度上的材料和结构的深入研究，人们发现了很多奇特而又有趣的新的光学现象，并基于这些现象研究具有各种功能的微纳光子器件。其中，纳米光纤以其特有的性能成为研究热点。光在纳米光纤中传输时，与普通光纤相比一个突出特点就是纤芯周围有很强的倏逝场，光场有很大一部分能量是以倏逝场的形式在分布在光纤表面，这部分处在光纤表面的倏逝场与环境发生相互作用时，便可以得到高灵敏度的传感器。基于纳米光纤的折射率传感器便是利用纳米光纤倏逝场与环境折射率的相互作用而提高探测灵敏度的一类传感器。基于纳米光纤环形谐振腔的折射率传感器具有较高的灵敏度，这类器件依靠很高的Q值有效的减小器件尺寸以及探测所需的分析物量，但是折射率测量的动态范围是受到限制的，因为纳米光纤环形谐振腔折射率传感器是基于谐振峰值波长的移动来测量折射率的，折射率变化导致的谐振峰值波长的移动必须在一个自由光谱范围(FSR)内，否则便不可区分，这样必然导致折射率测量范围的受限。
发明内容
本发明的目的在于针对现有技术的不足，提供一种具有高灵敏度和大测量范围的纳米光纤折射率传感器。
本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：一种具有高灵敏度和大测量范围的纳米光纤折射率传感器，包括：光源、第一单模光纤、第二单模光纤、第一纳米光纤、第二纳米光纤、探测器；其中，所述光源与第一单模光纤相连，第一单模光纤分别与第一纳米光纤和第二纳米光纤耦合相连，形成第一耦合区；所述第一纳米光纤由第一纳米光纤第一段、第一纳米光纤第二段、第一纳米光纤第三段组成，绕成环状形成纳米光纤环形谐振腔；第一纳米光纤第一段、第一纳米光纤第二段、第一纳米光纤第三段相交处形成第三耦合区；第一纳米光纤和第二纳米光纤再与第二单模光纤耦合相连，形成第二耦合区；第二单模光纤与探测器相连；由光源发出的光经过第一单模光纤进入第一耦合区后分为两路光，第一路光经过纳米光纤环形谐振腔后进入第二耦合区，第二路光直接经过第二纳米光纤后进入第二耦合区，两路光之间具有相位差，构成M-Z干涉仪，两路光共同经过第二耦合区耦合进第二单模光纤后，输出经过干涉包络调制的谐振透射光谱进入探测器。
本发明的有益效果：通过纳米光纤环形谐振腔保证高的折射率测量灵敏度，通过M-Z干涉调制包络提高折射率的测量动态范围。装置结构简单，测量方便，且易于小型化集成。
附图说明
图1 为本发明的折射率传感器结构示意图；
图2 为纳米光纤与普通单模光纤锥形耦合示意图；
图3 为本发明的折射率传感器具有干涉调制包络的谐振透射光谱图；
图4 为折射率变化导致传感器谐振峰值波长移动在一个自由光谱范围内的示意图；
图5 为折射率变化导致传感器谐振峰值波长移动超过一个自由光谱范围的示意图；
图中，光源1、第一单模光纤2、第一耦合区3、第一纳米光纤第一段4、第三耦合区5、第一纳米光纤第二段7、第一纳米光纤第三段6、第二纳米光纤8、第二耦合区9、第二单模光纤10、探测器11。
具体实施方式
本发明的工作原理如下：
传感器的输出光谱为经过M-Z干涉包络调制的谐振透射谱，两根纳米光纤均为折射率传感元，将分析物附着于纳米光纤传感元上，此时纳米光纤包层环境折射率将变化，输出谐振光谱会发生谐振峰值波长的移动，当谐振峰值移动在一个自由光谱范围(FSR)内时，探测谐振峰值波长的移动量便可以测得分析物折射率值；当谐振峰值波长移动超过一个自由光谱范围(FSR)但仍处于一个M-Z干涉调制包络内时，我们可以通过光强变化来辅助确定谐振峰值波长的偏移量，进而探测到变化的分析物折射率值。
下面参照附图并结合具体实施例对本发明作进一步的详细说明。
本发明一种具有高灵敏度和大测量范围的纳米光纤折射率传感器，该传感器包括：光源1、第一单模光纤2、第二单模光纤10、第一纳米光纤、第二纳米光纤8、探测器11；其中，所述光源1与第一单模光纤2相连，第一单模光纤2分别与第一纳米光纤和第二纳米光纤8耦合相连，形成第一耦合区3；所述第一纳米光纤由第一纳米光纤第一段4、第一纳米光纤第二段7、第一纳米光纤第三段6组成，绕成环状形成纳米光纤环形谐振腔；第一纳米光纤第一段4、第一纳米光纤第二段7、第一纳米光纤第三段6相交处形成第三耦合区5；第一纳米光纤和第二纳米光纤8再与第二单模光纤10耦合相连，形成第二耦合区9；第二单模光纤10与探测器11相连。
由光源1发出的光经过第一单模光纤2进入第一耦合区3后分为两路光，第一路光经过纳米光纤环形谐振腔后进入第二耦合区9，第二路光直接经过第二纳米光纤8后进入第二耦合区9，两路光之间具有相位差，构成M-Z干涉仪，两路光共同经过第二耦合区9耦合进第二单模光纤10后，输出经过干涉包络调制的谐振透射光谱进入探测器11。
第二耦合区5可以利用纳米光纤的倏逝场形成，通过第二耦合区5的纳米光纤进行近距离靠近或者打成环结来形成耦合；第一耦合区3和第二耦合区9是通过普通单模光纤锥形端与两根纳米光纤进行耦合形成的。
如图2 所示，普通单模光纤通过熔融拉锥形成锥形端，两根纳米光纤近距离靠近光纤锥形区域，便可以形成耦合；耦合系数由锥形端形状、纳米光纤直径以及光纤与锥形端靠近距离有关，通过选取适当的参数便可得到需要的耦合系数。
光源可为1550nm范围内的宽带光源，或者可调谐激光光源；探测器可为扫描光谱分析仪。
与传统的纳米光纤环形谐振腔折射率传感器相比，本发明传感器通过增加一根纳米光纤作为传感元，引入M-Z干涉仪，这样得到的结果是经过M-Z干涉包络调制的环形谐振腔谐振透射光谱，如图3所示为本发明传感器的一种输出光谱，传感器参数如下：第一纳米光纤和第二纳米光纤8的直径均为1.6μm，第一纳米光纤第一段4和第一纳米光纤第二段7的长度均为1000μm，第一纳米光纤第三段6的长度为800μm，第二纳米光纤8的长度为2160μm，第三耦合区5的耦合系数为0.8，纳米光纤外部分析物折射率为1.33。图3中自由光谱范围(FSR)为2.27nm，一个M-Z干涉包络内包含5个自由光谱范围(FSR)。示意图1中的传感器的第一耦合区3、第二耦合区 9和第三耦合区5的耦合系数、耦合损耗、第一纳米光纤第三段7的长度、第一纳米光纤第一段4、第一纳米光纤第二段6和第二纳米光纤8的长度对输出光谱都有影响，我们可以通过调节这些参数来得到适合折射率传感的透射光谱。
当纳米光纤外部分析物折射率改变时，输出谐振透射光谱便会移动，图4为分析物折射率由1.33变化到1.3302时所导致的传感器输出光谱的移动示意图，其余传感器参数不变，由图4可见此时谐振峰值波长的移动在一个自由光谱范围内，最大光强左侧的谐振峰值波长由1549.32nm移动到1549.55nm，折射率灵敏度为1150nm/RIU(单位折射率)。图5为分析物折射率由1.33变化到1.3325时所导致的传感器输出光谱的移动示意图，由图可见此时谐振峰值波长的移动已经越过一个自由光谱范围，但仍在一个干涉包络内，此时我们通过最大光强的移动来进行光谱移动的定位，可知最大光强左侧的谐振峰值波长由1549.32nm移动到1552.23nm。当折射率的变化导致谐振峰值移动在五个自由光谱范围内时(也即一个干涉包络内)，我们都是可以进行区分的。但当谐振峰值波长的移动超过五个自由光谱范围后(也即超过一个干涉包络)，我们将对此无法区分。由此可知，本发明在上述参数设置下的折射率测量灵敏度非常高，而且可以横跨5个自由光谱范围进行折射率测量，明显提高了折射率测量的动态范围。
本发明不仅仅限于上述实施例，我们可以通过改变传感器参数来改变一个M-Z干涉包络内可以横跨的自由光谱范围数，以便得到所需的折射率测量灵敏度以及测量动态范围。
Claims (1)
1.一种具有高灵敏度和大测量范围的纳米光纤折射率传感器，其特征在于，包括：光源(1)、第一单模光纤(2)、第二单模光纤(10)、第一纳米光纤、第二纳米光纤(8)和探测器(11)；其中，所述光源(1)与第一单模光纤(2)相连，第一单模光纤(2)分别与第一纳米光纤和第二纳米光纤(8)耦合相连，形成第一耦合区(3)；所述第一纳米光纤由第一纳米光纤第一段(4)、第一纳米光纤第二段(7)、第一纳米光纤第三段(6)组成，绕成环状形成纳米光纤环形谐振腔；第一纳米光纤第一段(4)、第一纳米光纤第二段(7)、第一纳米光纤第三段(6)相交处形成第三耦合区(5)；第一纳米光纤和第二纳米光纤(8)再与第二单模光纤(10)耦合相连，形成第二耦合区(9)；第二单模光纤(10)与探测器(11)相连；由光源(1)发出的光经过第一单模光纤(2)进入第一耦合区(3)后分为两路光，第一路光经过纳米光纤环形谐振腔后进入第二耦合区(9)，第二路光直接经过第二纳米光纤(8)后进入第二耦合区(9)，两路光之间具有相位差，构成M-Z干涉仪，两路光共同经过第二耦合区(9)耦合进第二单模光纤(10)后，输出经过干涉包络调制的谐振透射光谱进入探测器(11)；第一纳米光纤第一段(4)和第一纳米光纤第二段(7)的长度均为1000μm，第一纳米光纤第三段(6)的长度为800μm，第二纳米光纤(8)的长度为2160μm。
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