CN107121726B - 光纤双参量传感器及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种光纤双参量传感器及其制备方法，传感单元由单模光纤和光子晶体光纤熔接制成，这种光子晶体光纤纤芯同时存在基模和高阶模。当光从光源发出，经入射端单模光纤通过第一个融塌区进入光子晶体光纤时，一部分光通过纤芯，另一部分光通过包层，其中纤芯模分为基模和高阶模，这两个模式之间及纤芯模与包层模之间存在一定的相位差，当相位差满足条件时，在第二个融塌区，纤芯中的基模与高阶模、纤芯模与包层模发生干涉。本发明制备的传感器灵敏度高，能同时测量温度及应力。

Description

光纤双参量传感器及其制备方法

技术领域

本发明属于光纤传感领域，尤其涉及一种光纤双参量传感器及其制备方法。

背景技术

随着时代的发展，对传感器的要求也越来越高。光纤传感器因其本身的优点，在科研和工业应用中一直占有很重要的地位。

光子晶体光纤(PCF)是一种新颖的光纤，具有独特的光学性能。光子晶体光纤本身结构是带有缺陷的二维光波导阵列，其包层由折射率不同于纤芯的材料以沿光纤轴向伸展的圆孔周期性排列。这些规则排列的圆孔可以是空气孔，也可以是其他掺杂的材料组成。通过调节孔洞的大小、形状、位置分布，设计得到具有不同性质的PCF。由于光子晶体光纤具有很好的结构特性和模式特性，并且能方便地调控性能，可以用于对温度、应变、折射率等物理量的测量，因此，PCF的应用引起了研究者的广泛关注。目前已经实现了基于光子晶体光纤的温度或者应变光纤传感器。但是，目前的报道主要是单参量传感器，而实际中往往需要温度及应变同时测量。并且，已有的双参量传感器，测量方法较为简单，对外界环境的响应不够准确，限制了光纤传感器的应用范围。

专利CN201620421589.7、CN201620379742.4发明了一种应变和温度同时测量的光纤传感器，所述传感单元由输入腰椎多模光纤、传输光纤、输出腰椎多模光纤组成。该传感器利用光通过腰椎区域时耦合进包层，从而激发出包层模。在输出端腰椎多模光纤，光耦合进入单模光纤中，形成干涉。当外界应变、温度改变时，干涉衰减峰的波长位置会发生相应改变。这个方法使用双腰椎结构，制作复杂。更重要的是由于传感器使用了两个腰椎，每制作一个传感器都需要重新制备双腰椎，这就导致了传感器的性能可能会存在不稳定，不同的传感器不一致。

专利CN201410560810.2发明了温度不敏感型折射率传感器。该传感器利用光子晶体光纤与单模光纤错芯熔接，使光耦合进包层模。在另一端错芯部分，光耦合进单模光纤，形成干涉。干涉峰对温度灵敏度不高，对折射率灵敏度高。通过干涉峰或干涉谷的波长漂移得到折射率的变化。这种结构的传感器只能检测单一参量，不能同时检测双参量。另外，由于采用了错芯熔接，这有可能导致传感器结构的不牢固，难以长久使用。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是，提供一种光纤双参量传感器及其制备方法，本发明制备的光纤双参量传感器灵敏度高，能同时测量温度及应力。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：首先提供一种光纤双参量传感器，包括：输入单模光纤、光子晶体光纤、输出单模光纤；输入单模光纤、光子晶体光纤、输出单模光纤依次同心对直熔接；光经过输入单模光纤入射到光子晶体光纤，激发光子晶体光纤的纤芯基模、纤芯高阶模和包层模；光通过光子晶体光纤与输出单模光纤的熔接处耦合到输出单模光纤并发生干涉，光子晶体光纤为实心纤芯光纤，纤芯材质为二氧化硅，光子晶体光纤的包层由空气包层与外包层组成，空气包层由空气孔堆积而成，呈圆形或者正六边形，空气孔的孔壁为二氧化硅材质，空气包层的等效折射率范围为1.2～1.45。光子晶体光纤与输入单模光纤、输出单模光纤的连接方式为熔接。本发明为一种结构简单且容易制作的干渉型光纤传感器。该光纤传感器基于光子晶体光纤的模式特性，输出信号中存在干涉峰，根据其对不同温度及应变的漂移量，可以高精确度地测量温度及应变变化。

光子晶体光纤具有纤芯基模、纤芯高阶模、包层模。光通过光子晶体光纤时，由于光纤纤芯中基模和纤芯高阶模具有折射率差，因而会产生光程差，从而形成干涉。纤芯基模与纤芯高阶模对温度及应变响应不相同。光通过光子晶体光纤时，由于光纤纤芯模和包层模具有折射率差，因而会产生光程差，从而形成干涉。纤芯模与包层模对温度及应变的响应不同，利用灵敏度矩阵方程可以同时测量温度及应变。

按上述技术方案，光子晶体光纤的外包层直径为110～220μm，空气包层中空气孔的层数为1～5层，空气孔的直径d与相邻空气孔间距Λ的比值d/Λ大于0.45。这样的参数设置能够保证光纤具有传输多种模式的光的能力。

按上述技术方案，光子晶体光纤为3层空气孔包围实心纤芯结构，纤芯直径为2.7～19.4μm，单个空气孔直径为1～5μm，相邻空气孔间距为1.6～11.2μm，光子晶体光纤长度范围为1～5cm。可以使传感器通过多种模式的光。

按上述技术方案，光子晶体光纤同时支持基模和高阶模；光子晶体光纤纤芯折射率、空气包层等效折射率、光纤纤芯半径满足关系式：

式中a是光子晶体光纤纤芯半径，λ₀是入射光波长，n₁是空气包层的等效折射率，其中n₀是纤芯等效折射率。

利用光子晶体光纤纤芯中存在纤芯基模和纤芯高阶模的特点，光子晶体光纤的纤芯基模与纤芯高阶模干涉，纤芯模与包层模干涉：基模、高阶模干涉和纤芯模、包层模干涉对温度及应变的灵敏度不同，当外界温度、应变改变时，干涉峰的波长位置会发生相应改变，通过检测不同模式干涉时干涉峰波长的移动来实现对外界应变、温度的同时测量。

本发明还提供一种光纤双参量传感器制备方法，包括以下步骤，光子晶体光纤的两端纤芯分别与单模光纤进行同心对直熔接，光子晶体光纤长度为1～5cm；熔接时熔接机放电电极位于单模光纤端面的50～100μm处，每次放电的放电强度在70～120之间，进行多次放电，最后一次放电时，熔接点位于熔接机放电电极中间。通过本工艺激发多种模式的光。保证焊牢传感器和保证结构上的坍塌需要；并避免使单模光纤变形过大，熔接点部位扭曲，结构坍塌过大，得不到明显的干涉条纹。

按上述技术方案，熔接时熔接机放电电极位于单模光纤端面的80μm处；每次放电的放电强度为90；放电次数为3次。

按上述技术方案，光子晶体光纤的长度为3～3.2cm。

本发明产生的有益效果是：本发明制备的光子晶体光纤光纤双参量传感器灵敏度高，能同时测量温度及应力。

附图说明

下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：

图1为本发明实施例中光子晶体光纤的结构图；

图2为本发明实施例光纤传感器结构示意图；

图3为本发明实施例中光纤双参量传感器的透射信号谱；

图4为本发明实施例光纤双参量传感器干涉峰的特征波长随应变变化的拟合曲线图；

图5为本发明实施例光纤双参量传感器干涉峰的特征波长随温度变化的拟合曲线图。

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。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

本发明实施例中，首先提供一种光纤双参量传感器，包括：输入单模光纤、光子晶体光纤、输出单模光纤；输入单模光纤、光子晶体光纤、输出单模光纤依次同心对直熔接；光经过输入单模光纤入射到光子晶体光纤，激发光子晶体光纤的纤芯基模、纤芯高阶模和包层模；光通过光子晶体光纤与输出单模光纤的熔接处耦合到输出单模光纤并发生干涉，光子晶体光纤为实心纤芯光纤，纤芯材质为二氧化硅，光子晶体光纤的包层由空气包层与外包层组成，空气包层由空气孔堆积而成，呈圆形或者正六边形，空气孔的孔壁为二氧化硅材质，空气包层的等效折射率范围为1.2～1.45。光子晶体光纤与输入单模光纤、输出单模光纤的连接方式为熔接。本发明为一种结构简单且容易制作的干渉型光纤传感器。该光纤传感器基于光子晶体光纤的模式特性，输出信号中存在干涉峰，根据其对不同温度及应变的漂移量，可以高精确度地测量温度及应变变化。

进一步地，光子晶体光纤的外包层直径为110～220μm，空气包层中空气孔的层数为1～5层，空气孔的直径d与相邻空气孔间距Λ的比值d/Λ大于0.45。这样的参数设置能够保证光纤具有传输多种模式的光的能力。

进一步地，光子晶体光纤为3层空气孔包围实心纤芯结构，纤芯直径为2.7～19.4μm，单个空气孔直径为1～5μm，相邻空气孔间距为1.6～11.2μm，光子晶体光纤长度范围为1～5cm。可以使传感器通过多种模式的光。

进一步地，光子晶体光纤同时支持基模和高阶模；光子晶体光纤纤芯折射率、空气包层等效折射率、光纤纤芯半径满足关系式：

式中a是光子晶体光纤纤芯半径，λ₀是入射光波长，n₁是空气包层的等效折射率，其中n₀是纤芯等效折射率。

利用光子晶体光纤纤芯中存在纤芯基模和纤芯高阶模的特点，光子晶体光纤的纤芯基模与纤芯高阶模干涉，纤芯模与包层模干涉：基模、高阶模干涉和纤芯模、包层模干涉对温度及应变的灵敏度不同，当外界温度、应变改变时，干涉峰的波长位置会发生相应改变，通过检测不同模式干涉时干涉峰波长的移动来实现对外界应变、温度的同时测量。

本发明实施例还提供一种光纤双参量传感器制备方法，包括以下步骤，光子晶体光纤的两端纤芯分别与单模光纤进行同心对直熔接，光子晶体光纤长度为1～5cm；熔接时熔接机放电电极位于单模光纤端面的50～100μm处，每次放电的放电强度在70～120之间，进行多次放电，最后一次放电时，熔接点位于熔接机放电电极中间。通过本工艺激发多种模式的光。保证焊牢传感器和保证结构上的坍塌需要；并避免使单模光纤变形过大，熔接点部位扭曲，结构坍塌过大，得不到明显的干涉条纹。

进一步地，熔接时熔接机放电电极位于单模光纤端面的80μm处；每次放电的放电强度为90；放电次数为3次。

进一步地，光子晶体光纤的长度为3～3.2cm。

本发明较佳实施例中，提供一种光子晶体光纤光纤双参量传感器，其中光子晶体光纤光纤，端面结构如图1所示，本发明实施例采用的光子晶体光纤包含纤芯、空气孔层和包层。纤芯为熔融石英，纤芯的有效折射率随入射光波长的不同而改变，直径为5.2μm。空气孔层位于包层中，本实施例中的空气孔层共有三层，每个空气孔层由多个空气孔构成，呈正六边形并以纤芯为中心。每个空气孔的折射率为1，直径为3μm，包层直径为190μm，相邻空气孔的孔间距为5.15μm。外包层材料为实心二氧化硅，折射率随入社波长的不同而改变。光纤长度从1～5cm，优选3.2cm。空气孔的直径d与空气孔间距Λ的比值d/Λ的范围约为0.45～0.65。

光子晶体光纤同时支持基模和高阶模；光子晶体光纤纤芯折射率、空气包层等效折射率、光纤纤芯半径满足关系式：

式中a是光子晶体光纤纤芯半径，λ₀是入射光波长，n₁是空气包层的等效折射率，其中n₀是纤芯等效折射率。

本发明较佳实施例中单模光纤和光子晶体光纤的熔接采用的是古河S177熔接机。光子晶体光纤的切割利用陶瓷刀片，单模光纤的切割采用熔接机配套的光纤切割刀。将光纤断面切割平整放入熔接机后，左右移动光纤，使得熔接机放电部位对准单模光纤。放电部位离单模光纤端面距离为50μm～100μm，优选70μm～90μm，更进一步地，优选80μm。放电部位距离的控制通过熔接机上脉冲来判断。将单模光纤和光子晶体光纤端面对准，纤芯对直，熔接机上显示光纤纤芯为一条亮直线。选择clear清除灰尘杂质，移动光纤使得光纤端面相触。选择Arc放电，放电强度为70～120，优选90。第一次放电后，单模光纤将向放电方向收缩移动，熔接点向放电部位移动。第二次放电后，熔接点基本上位于放电电极处。第三次放电，放电部位位于熔接点。此时单模光纤与光子晶体光纤中间纤芯亮直线连接，熔接点部位有一定变形，说明熔接点熔塌。光纤端面可以有一定的倾斜面，但角度不宜过大，在0～15°之间为宜，同时单模光纤和光子晶体光纤的端面能吻合为宜。光纤端面最好为平直面。熔接过程中要保证纤芯对直，放电起始部位位于单模光纤以避免光子晶体光纤结构破坏过大引起模式混杂。第三次放电后，熔接点最好被熔接机被动移到放电电极处，以完成熔接中结构的熔塌。放电强度要适宜，过小的电流不足焊牢传感器和保证结构上的坍塌需要；过大的电流会使单模光纤变形过大，熔接点部位扭曲，结构坍塌过大，得不到明显的干涉条纹。放电强度可在70～120之间，优选90。

图2为本发明实施例光纤传感器结构示意图，本发明测量温度及应变的光路传输过程为：光从输入端单模光纤3进入到融塌区；在融塌区一部分光耦合进光子晶体光纤4包层，激发包层模，另一部分耦合进纤芯，激发纤芯基模和高阶模；包层模和纤芯模之间满足相位匹配条件时，在第二个融塌区，包层和纤芯中的光被耦合会输出端单模光纤5的纤芯中发生干涉。对透射光谱进行傅里叶变换及你变化，得到不同干涉模式独立的传感透射谱。根据干涉峰的特征波长随温度、应变的变化，计算出每种干涉对温度及应变的灵敏度。结合灵敏度矩阵，可以同时测量温度及应变。对图3中的数据进行傅里叶变化及傅里叶逆变换，分别得到纤芯模模间干涉和纤芯模与包层模模间干涉的透射曲线，结合灵敏度矩阵方程，得到传感器对温度及应变的响应曲线。图4为本发明实施例光纤双参量传感器干涉峰的特征波长随应变变化的拟合曲线图，图5为本发明实施例光纤双参量传感器干涉峰的特征波长随温度变化的拟合曲线图。

可以知道当温度及应变同时改变的时候，通过灵敏度矩阵，可得

式中Δλ₁、Δλ₂分别为纤芯模透射干涉光波长和纤芯模与包层模透射干涉光波长的变化量，ΔT、Δε为环境温度及应变变化量。对透射谱进行数据处理得到不同模式干涉谱，根据特征波长的漂移量及灵敏度矩阵，可同时测量温度及应变。本发明不仅同时测量温度及应变，并且灵敏度很高。

本发明的另一个较佳实施例中，光子晶体光纤为自制的三圈空气包层的实心纤芯光子晶体光纤，包层直径为190μm，纤芯直径为5.2μm，空气孔直径为3μm空气孔间距为5.15μm，由三圈空气孔呈六边形组成。光子晶体光纤长度范围1～5cm，优选3.2cm。

光从入射端单模光纤通过第一个融塌区进入光子晶体光纤时，一部分光通过纤芯，另一部分光通过包层，其中纤芯模分为基模模和高阶模，这两个模式之间及基模与包层模之间存在一定的相位差，当相位差满足Φ＝2πΔnL/λ时，在第二个融塌区，纤芯中的基模与高阶模、纤芯模与包层模发生干涉。式中Δn为模式之间的折射率差，λ为真空中的波长，L为干涉臂光子晶体光纤的长度。通过对透射谱进行傅里叶变换及逆变换，分别得到两种干涉模式的透射谱。根据干涉波峰或波谷的漂移量，可以计算出温度及应变的灵敏度。

应当理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，而所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。

Claims (6)

1.一种光纤双参量传感器，其特征在于，包括：输入单模光纤、光子晶体光纤、输出单模光纤；输入单模光纤、光子晶体光纤、输出单模光纤依次同心对直熔接；光经过输入单模光纤入射到光子晶体光纤，激发光子晶体光纤的纤芯基模、纤芯高阶模和包层模；光通过光子晶体光纤与输出单模光纤的熔接处耦合到输出单模光纤并发生干涉，光子晶体光纤为实心纤芯光纤，纤芯材质为二氧化硅，光子晶体光纤的包层由空气包层与外包层组成，空气包层由空气孔堆积而成，呈圆形或者正六边形，空气孔的孔壁为二氧化硅材质，空气包层的等效折射率范围为1.2～1.45，光子晶体光纤的外包层直径为110～220μm，空气包层中空气孔的层数为1～5层，空气孔的直径d与相邻空气孔间距Λ的比值d/Λ大于0.45。

2.根据权利要求1所述的光纤双参量传感器，其特征在于，光子晶体光纤为3层空气孔包围实心纤芯结构，纤芯直径为2.7～19.4μm，单个空气孔直径为1～5μm，相邻空气孔间距为1.6～11.2μm，光子晶体光纤长度范围为1～5cm。

3.根据权利要求1所述的光纤双参量传感器，其特征在于，光子晶体光纤同时支持基模和高阶模；光子晶体光纤纤芯折射率、空气包层等效折射率、光纤纤芯半径满足关系式：

式中a是光子晶体光纤纤芯半径，λ₀是入射光波长，n₁是空气包层的等效折射率，其中n₀是纤芯等效折射率。

4.一种光纤双参量传感器制备方法，其特征在于，用于制作权利要求1-3任一传感器，包括以下步骤，光子晶体光纤的两端纤芯分别与单模光纤进行同心对直熔接，光子晶体光纤长度为1～5cm；熔接时熔接机放电电极位于单模光纤端面的50～100μm处，每次放电的放电强度在70～120之间，进行多次放电，最后一次放电时，熔接点位于熔接机放电电极中间。

5.根据权利要求4所述的光纤双参量传感器制备方法，其特征在于，熔接时熔接机放电电极位于单模光纤端面的80μm处；每次放电的放电强度为90；放电次数为3次。

6.根据权利要求5所述的光纤双参量传感器制备方法，光子晶体光纤的长度为3～3.2cm。

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