CN104669104A - 侧边抛磨光纤及其制备方法及传感器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种简便的侧边抛磨光纤及其制备方法及传感器。本发明通过将单模光纤无扭曲地自然拉直，并将其两端固定，然后利用粗研磨料在光纤的一侧沿光纤长度方向对光纤进行来回研磨，使研磨区的表面沿光纤长度方向形成若干划痕；在研磨过程中，实时监测光纤的传输光谱，当传输光谱形成高对比度MZI干涉光谱时停止研磨。本发明简化了光纤侧边抛磨工艺，可与现有设备兼容，同时，不需要细磨及抛光，缩短了制备时间。制备的侧边抛磨光纤的传输光谱可形成高对比度干涉光谱，无需其它后续光学结构，可直接作为传感器的敏感部应用于众多测试领域，具有结构简单、灵敏度高、响应快、使用便捷等优点。

Description

侧边抛磨光纤及其制备方法及传感器

技术领域

本发明属于光纤应用技术领域，尤其涉及一种侧边抛磨光纤及其制备方法及传感器。

背景技术

侧边抛磨光纤是在普通通信光纤上，利用光学微加工技术，将光纤的部分侧边包层去掉所制成的光纤。侧边抛磨光纤器件是利用侧抛光纤中光通过倏势场泄露到光纤外部的性能，在其抛磨面上制作各种光学结构或淀积不同的薄膜材料而制作的各种光纤传感器及光纤通信器件。

现有的光纤侧边抛磨工艺包括槽式侧抛工艺和轮式侧抛工艺两种。槽式侧抛工艺是将光纤放置在预先制作好的V型槽中，用环氧树脂固定好，再采用不同粒径的研磨料对光纤进行研磨和抛光。由这种方法制作得到的侧抛光纤的剩余厚度由V型槽的尺寸来控制。因此提前根据光纤尺寸、抛磨剩余厚度的要求来制作高精度的V型槽是槽式侧抛工艺的关键，也是该工艺复杂、耗时的原因之一。另一种轮式侧抛工艺，采用固定有研磨料或抛磨砂纸的旋转磨轮对水平放置的光纤进行抛磨，光纤的剩余厚度通过液滴法来测算。这种方法不需要提前制作高精度的V型槽，可通过抛磨进程中光功率的变化来计算出剩余厚度，大大地提高了侧边抛磨光纤的制作效率。然而，无论是槽式侧抛工艺还是轮式侧抛工艺，通常侧抛光纤的制作都包括粗磨、细磨以及抛光工序，在光纤抛磨过程中需要更换不同粗细程度的研磨料或砂纸，最后再进行长时间的抛光来得到抛磨面细腻光滑的侧抛光纤。上述传统的抛磨工艺较复杂、耗时较长，而且光纤很容易在加工过程断裂导致成品率低下。此外，制作侧抛光纤器件通常还需要在侧抛光纤表面再制作其它光学结构或淀积不同材料的薄膜来实现一定的传感或通信器件功能，这进一步增加了侧抛光纤器件的制作难度和成本。因此，侧抛光纤工艺复杂、耗时，侧抛光纤器件制作难、成品率低下等问题已成为侧抛光纤器件在光纤传感和光纤通信领域应用的瓶颈。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是，提供了一种简便的侧边抛磨光纤及其制备方法及传感器，以克服现有侧边抛磨光纤制备工艺复杂的缺陷。本发明是这样实现的：

一种侧边抛磨光纤的制备方法，包括如下步骤：

将单模光纤无扭曲地自然拉直，并将其两端固定；

利用粗研磨料在所述单模光纤的一侧沿所述光纤的长度方向对所述光纤进行来回研磨，使研磨区的表面沿所述光纤的长度方向形成若干划痕；

在研磨过程中，实时监测所述单模光纤的传输光谱；当所述传输光谱形成高对比度MZI干涉光谱时停止研磨。

进一步地，各划痕沿所述光纤的长度方向有间断。

进一步地，所述粗研磨料为粗砂纸或粗粒径研磨料。

进一步地，所述研磨区的长度为20mm至40mm。

进一步地，所述研磨区有一平坦区，所述单模光纤在所述平坦区各处的厚度一致；所述制备方法还包括如下步骤：

在研磨过程中，实时监测所述平坦区的表面距所述单模光纤的纤芯表面的距离。

一种侧边抛磨光纤，所述光纤的一侧有一研磨区，所述研磨区的表面沿所述光纤的长度方向形成有若干划痕；所述研磨区的表面与所述光纤的纤芯形成MZI干涉结构。

进一步地，各划痕沿所述光纤的长度方向有间断。

进一步地，所述研磨区的长度为20mm至40mm。

进一步地，所述研磨区有一平坦区，所述单模光纤在所述平坦区各处的厚度一致；所述平坦区的表面距所述单模光纤的纤芯表面的距离小于2um。

一种传感器，所述传感器包括敏感部；

所述敏感部为一侧边抛磨光纤；

所述光纤的一侧有一研磨区，所述研磨区的表面沿所述光纤的长度方向形成有若干不连续划痕；所述研磨区的表面与所述光纤的纤芯形成MZI干涉结构；

所述研磨区的长度为20mm至40mm；

所述研磨区有一平坦区，所述单模光纤在所述平坦区各处的厚度一致；所述平坦区的表面距所述单模光纤的纤芯表面的距离小于2um。

本发明利用粗研磨料在单模光纤的侧面沿光纤长度方向进行研磨，使研磨区的表面沿光纤的长度方向自然形成若干划痕，在研磨过程中实时监测单模光纤的传输光谱，当检测到传输光谱形成高对比度MZI干涉光谱时停止研磨即可制成具有MZI干涉结构的侧边抛磨光纤。与现有技术相比，本发明简化了传统的光纤侧边研磨工艺，可与现有设备兼容，同时，不需要细磨、抛光工序，缩短了侧边抛磨光纤的制备时间。制备的侧边抛磨光纤的传输光谱中可形成高对比度的干涉光谱，无需其它后续光学结构，可直接作为传感器的敏感部应用于众多测试领域，具有结构简单、灵敏度高、响应速度快、使用便捷等优点。

附图说明

图1：本发明实施例提供的侧边抛磨光纤的制备方法流程示意图；

图2：通过上述方法制备完成的侧边抛磨光纤的研磨区侧面形状示意图；

图3：通过上述方法制备完成的侧边抛磨光纤的研磨区中平坦区的截面形状示意图；

图4：通过上述方法制备完成的侧边抛磨光纤的研磨区的俯视图；

图5：通过上述方法制备完成的侧边抛磨光纤的研磨区中平坦区与单模光纤纤芯构成的MZI干涉结构示意图；

图6：制备侧边抛磨光纤的过程中，单模光纤传输光谱随光纤在平坦区的厚度的减小而改变的过程示意图；

图7：采用800目粗砂纸研磨，研磨区长度为30mm，研磨至光纤在平坦区的厚度为68.1um时该光纤的传输光谱示意图；

图8a：将图7中的侧边抛磨光纤应用于温度测试时干涉峰Dip1、Dip2的位置随外界温度升高而逐渐向长波方向漂移的测试谱图；

图8b：将图7中的侧边抛磨光纤应用于温度测试时干涉峰的波长漂移量与温度之间的关系图；

图9a：将图7中的侧边抛磨光纤应用于应力测试时干涉峰Dip1、Dip2的位置随外界应力升高而逐渐向短波方向漂移的测试谱图；

图9b：将图7中的侧边抛磨光纤应用于应力测试时干涉峰的波长漂移量与轴向应力之间的关系图；

图10a：将图7中的侧边抛磨光纤应用于应力测试时干涉峰Dip1、Dip2的位置随酒精气体浓度升高而逐渐向长波方向漂移的测试谱图；

图10b：将图7中的侧边抛磨光纤应用于应力测试时干涉峰的波长漂移量与酒精气体浓度之间的关系图。

图11：侧边抛磨光纤的制备装置结构示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。

如图1所示，本发明实施例提供的侧边粗研磨单模光纤的制备方法包括如下步骤：

步骤S1：将单模光纤无扭曲地自然拉直，并将其两端固定；

步骤S2:利用粗研磨料在单模光纤的一侧沿单模光纤的长度方向对单模光纤进行来回研磨，使研磨区的表面沿单模光纤的长度方向形成若干划痕；

步骤S3：在研磨过程中，实时监测单模光纤的传输光谱；当传输光谱形成高对比度MZI(马赫-曾德尔)干涉光谱时停止研磨。

步骤S1中，可将单模光纤固定在支架上，通过安装在支架上的两个夹具将单模光纤两端夹持固定住，使单模光纤水平无扭曲地自然拉直。如果单模光纤上的涂覆层未剥去，可先将单模光纤上待抛磨部位的涂覆层剥去，使纤芯裸露出来，再执行步骤2。步骤S2中，可采用为粗砂纸或粗粒径研磨料作为粗研磨材料，同时，可在粗研磨材料上涂覆液体石蜡油等润滑剂起到润滑作用。粗砂纸或粗粒径研磨料的粒径需大于5um。如选用粗砂纸，可采用800目或1500目粗砂纸，采用800目或1500目粗砂纸研磨得到的单模光纤的研磨区的表面划痕尺寸较大较深、划痕数量相对较少、平行排列分布较为整齐，发生MZI干涉的光学成分相对简单，可以获得对比度超过10dB的类似于正弦形状的干涉光谱。研磨时，需在单模光纤的一侧进行研磨，比如，将粗研磨材料固定在单模光纤的正上方，然后使粗研磨材料下压一定深度，使粗研磨材料正向下压在单模光纤上，然后沿单模光纤的长度方向进行来回研磨。在研磨过程中，研磨区的表面将形成若干划痕，这些表面划痕在肉眼条件下无法发现，但通过高倍显微放大后可观测到，研磨区的表面沿单模光纤的长度方向自然形成若干不连续的划痕，且各划痕间相互平行。在步骤S3中，研磨过程中，研磨区中将会形成一个平坦区，单模光纤在该平坦区各处的厚度是一致的，随着的研磨的进行，单模光纤在该平坦区的厚度将逐渐变小，单模光纤的传输光谱也将随之发生改变。在研磨过程中需要实时监测单模光纤的传输光谱，可将单模光纤两端分别耦合连接宽带光源和光谱仪，通过光谱仪对单模光纤的传输光谱进行监测。光谱仪的量程需要大于宽带光源的带宽。单模光纤在平坦区各处的厚度是一致的，随着的研磨的进行，单模光纤在该平坦区的厚度将逐渐变小，如图6所示，当单模光纤在平坦区的厚度减小到一定程度后，由于研磨区的表面沿单模光纤的长度方向形成有若干不连续划痕，这种特殊的光波导结构将使研磨区的表面与单模光纤的纤芯形成MZI干涉结构，MZI干涉结构将导致单模光纤的传输光谱形成MZI干涉光谱。当研磨至MZI干涉光谱的对比度大于10dB时，可认为获得了高对比度MZI干涉光谱，此时即可停止研磨，制备完成。

制备完成的侧边粗研磨单模光纤的一侧有一研磨区，该研磨区的侧面形状如图2所示，从图中可以看出，该研磨区具有一个平坦区1及两个厚度渐变区2，其中研磨区的长度大约8.5mm，此时平坦区1的长度大约4mm，两侧各厚度渐变区长度大约2-2.5mm，单模光纤在平坦区1的厚度约为66-68um，且在平坦区1各处厚度一致。单模光纤的平坦区1通常是设计单模光纤传感器、光通信器件或其他单模光纤器件的有效区域，因此平坦区1的厚度需要精确控制。图3即为该平坦区1的截面示意图，其截面类似“D”字形。图3中，d为平坦区1表面距单模光纤纤芯表面的距离，D为单模光纤在平坦区1的厚度。一般而言，对普通单模光纤(纤芯直径8.1um，包层直径125um)，当研磨至单模光纤在平坦区1的厚度D小于72um时，单模光纤传输光谱不再是单一的损耗线而逐渐出现波纹。在研磨过程中，可实时监测平坦区1的表面距单模光纤的纤芯表面的距离，当单模光纤研磨至平坦区1表面距单模光纤纤芯表面的距离d小于2um时，单模光纤传输光谱演变为具有高对比度干涉峰的MZI干涉光谱，此时即可停止研磨。将采用800目粗砂纸制作完成的侧边粗研磨单模光纤的研磨区朝上放置于20倍显微镜下观测，得到侧边粗磨单模光纤的研磨区的俯视图如图4所示，从图中可以看到，由于使用粗砂纸研磨而未经细磨与抛光工序，制备而成的侧边粗磨单模光纤的研磨区表面呈现大量平行、且沿单模光纤长度方向不连续的表面划痕。平坦区1与单模光纤纤芯构成的MZI干涉结构如图5所示，光(如箭头所示)在纤芯3中传输，遇到第一个单模光纤划痕4后分为两路，一路继续在纤芯3中传输，另一路被激发为高阶模沿着划痕4下方传输，该路光在遇到下一个划痕4后被激发的高阶模耦合回纤芯3并与纤芯3中的基模发生干涉。这样，纤芯3中的光经过一系列的划痕4的分光及耦合干涉，最终在侧边粗研磨单模光纤的传输光谱中形成MZI干涉光谱。

研磨区的长度需适当长一点，这样可以得到具有陡峭干涉峰并且峰值大于10dB的侧边粗磨单模光纤，但随着研磨区长度的增加，所得到的MZI干涉光谱周期减小，即光谱变得更为密集，而光谱过于密集不利于检测识别，因此研磨区的长度最好控制在20～40mm。如图7所示，该侧边粗磨单模光纤采用800目粗砂纸研磨，研磨长度为30mm，当单模光纤被研磨至剩余厚度为68.1um时其传输谱中出现了干涉峰值接近12dB的干涉光谱，其损耗值在10-20dB范围内。该侧边单模光纤干涉谱中两个较深、较陡峭的干涉峰Dip1、Dip2，可直接用于传感检测。改变单模光纤的研磨区长度，采用800目砂纸进行研磨可以得到不同效果的干涉光谱。

通过上述方法制备的侧边粗研磨单模光纤可直接作为传感器的敏感部，应用于不同的测试领域，例如作为温度传感器的敏感部对外界温度变化进行检测，作为应变传感器的敏感部对轴向应变拉力进行检测，作为气体浓度传感器的敏感部对酒精气体浓度进行检测等。

温度测试：选择图7所示的侧边抛磨光纤作为温度传感器的敏感部，利用两个陡峭的干涉峰Dip1、Dip2来测试该温度传感器对外界温度变化的响应。测试步骤如下：将光纤放入恒温箱内，调节恒温箱温度由30℃逐渐升温到100℃，温度每升高10℃测量一次光纤的传输光谱。图8a示出了干涉峰Dip1、Dip2的位置随外界温度升高而逐渐向长波方向漂移的测试谱图。如图8b所示，干涉峰的波长漂移量与温度呈线性递增的关系，Dip1、Dip2对温度响应的灵敏度分别为：25.32pm/℃及29.37pm/℃。

轴向应力测试：同样选择图7所示的侧边抛磨光纤作为应力传感器的敏感部，利用两个陡峭的干涉峰Dip1、Dip2来测试该应力传感器对外界应力变化的响应。测试时，沿光纤轴向施加的拉力由0με逐步增加到1000με，每增加100με测量一次光纤的传输光谱。图9a图示出了干涉峰Dip1、Dip2的位置随轴向拉力增加而逐渐向短波方向漂移的测试谱图。如图9b所示，干涉峰的波长漂移量与轴向拉力呈线性递减的关系，Dip1、Dip2对轴向拉力响应的灵敏度分别为：-1.47pm/με以及-2.00pm/με。

酒精气体浓度测试：同样选择图7所示的侧边抛磨光纤作为酒精气体浓度传感器的敏感部，利用两个陡峭的干涉峰Dip1、Dip2来测试该传感器对酒精气体浓度变化的响应。测试时，将光纤水平放置于密闭的气室中，研磨区的表面向上直接接触气体。酒精气体浓度由0.3835×10⁴ppm逐步增加至2.6645×10⁴ppm，每增加0.3835×10⁴ppm测量一次光纤的传输光谱。图10a示出了干涉峰的位置随酒精气体浓度增加而逐渐向长波方向漂移的测试谱图。如图10b所示，干涉峰的波长漂移量与酒精气体浓度呈线性递增的关系，干涉峰对酒精气体浓度的响应灵敏度为：7.1708×10^-2pm/ppm。

上述侧边粗研磨单模光纤10的制备装置如图11所示，包括宽带光源5、光谱仪6、单模光纤固定装置7、研磨装置及控制系统9。

单模光纤固定装置7可将单模光纤10无扭曲地自然拉直并将其两端固定，具体地，可在单模光纤固定装置7上设置两个支架13，在两个支架13上各设置一夹具14，并使两夹具14处于同一水平位置，通过两夹具14将单模光纤10的两端夹持固定。宽带光源5用于与单模光纤10的一端耦合，以向单模光纤10输入宽带光源，光谱仪6用于与单模光纤10的另一端耦合，以实时监测单模光纤10的传输光谱。光谱仪6的测量范围需大于宽带光源的带宽，如选择1250-1650nm的宽带光源及量程为600-1700nm的光谱仪6。控制系统9与研磨装置连接，用于控制研磨装置利用粗研磨料在单模光纤10的一侧沿单模光纤10的长度方向对单模光纤10进行来回研磨，使研磨区的表面沿单模光纤10的长度方向形成若干不连续划痕，并在光谱仪6检测到传输光谱形成高对比度MZI干涉光谱时控制研磨装置停止研磨。

研磨装置可采用三维数控电机8加磨轮12的结构，磨轮12通过三维数控电机8与控制系统9连接。将粗砂纸或粗粒径研磨料等粗研磨料固定在磨轮12圆周上对单模光纤10进行研磨。为减小研磨过程中摩擦力过大而导致单模光纤10表面出现裂痕，可在粗研磨料上涂覆液体石蜡油等润滑剂，并使润滑剂完全浸润粗研磨料。调整磨轮12的位置，使得单模光纤10的研磨区位于磨轮12的正下方，并通过单模光纤固定装置7将单模光纤10拉直并固定。控制系统9设置好单模光纤10的研磨区长度、磨轮12的转速、磨轮12的下压深度等研磨参数后，通过三维数控电机8控制磨轮12按照设定参数下压到单模光纤10上，然后沿单模光纤10的长度方向进行研磨。

制备装置还可包括一CCD成像系统11，将该CCD成像系统11与控制系统9连接。通过该CCD成像系统11可在研磨过程中实时拍摄单模光纤10在平坦区的厚度图像，并将厚度图像发送到控制系统9，控制系统9用于将CCD成像系统11实时拍摄的单模光纤10在平坦区的厚度图像与单模光纤10的原始厚度图像进行比对，并根据比对结果计算单模光纤10在平坦区的实时厚度及平坦区的表面距单模光纤10的纤芯表面的距离。CCD成像系统11可安装在单模光纤10研磨区的表面所在的水平位置，在控制系统9的控制下移动到单模光纤10研磨区的侧面拍摄单模光纤10在平坦区的厚度图像，并将图像数据发送到控制系统9。控制系统9中可安装相应的成像软件，由于单模光纤10的规格是已知的，因此，控制系统9只需将该研磨区的原始厚度图像与当前厚度图像进行比对即可计算出单模光纤10在该研磨区的平坦区的厚度及平坦区的表面距单模光纤10的纤芯表面的距离。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种侧边抛磨光纤的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：

将单模光纤无扭曲地自然拉直，并将其两端固定；

利用粗研磨料在所述单模光纤的一侧沿所述光纤的长度方向对所述光纤进行来回研磨，使研磨区的表面沿所述光纤的长度方向形成若干划痕；

在研磨过程中，实时监测所述单模光纤的传输光谱；当所述传输光谱形成高对比度MZI干涉光谱时停止研磨。

2.如权利要求1所述的侧边抛磨光纤的制备方法，其特征在于，各划痕沿所述光纤的长度方向有间断。

3.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述粗研磨料为粗砂纸或粗粒径研磨料。

4.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述研磨区的长度为20mm至40mm。

5.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述研磨区有一平坦区，所述单模光纤在所述平坦区各处的厚度一致；所述制备方法还包括如下步骤：

在研磨过程中，实时监测所述平坦区的表面距所述单模光纤的纤芯表面的距离。

6.一种侧边抛磨光纤，其特征在于，所述光纤的一侧有一研磨区，所述研磨区的表面沿所述光纤的长度方向形成有若干划痕；所述研磨区的表面与所述光纤的纤芯形成MZI干涉结构。

7.如权利要求6所述的侧边抛磨光纤，其特征在于，各划痕沿所述光纤的长度方向有间断。

8.如权利要求6所述的侧边抛磨光纤，其特征在于，所述研磨区的长度为20mm至40mm。

9.如权利要求6所述的侧边抛磨光纤，其特征在于，所述研磨区有一平坦区，所述单模光纤在所述平坦区各处的厚度一致；所述平坦区的表面距所述单模光纤的纤芯表面的距离小于2um。

10.一种传感器，其特征在于，所述传感器包括敏感部；

所述敏感部为一侧边抛磨光纤；

所述光纤的一侧有一研磨区，所述研磨区的表面沿所述光纤的长度方向形成有若干不连续划痕；所述研磨区的表面与所述光纤的纤芯形成MZI干涉结构；

所述研磨区的长度为20mm至40mm；

所述研磨区有一平坦区，所述单模光纤在所述平坦区各处的厚度一致；所述平坦区的表面距所述单模光纤的纤芯表面的距离小于2um。