CN111579535A - 一种芯区压缩型光纤马赫-曾德干涉器的制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种芯区压缩型光纤马赫‑曾德干涉器的制备方法，包括步骤如下：步骤A：部分去除单模光纤或少模光纤一侧的包层，得到一个平行于纤芯中轴线的平面；步骤B：在步骤A所得到的平面上继续刻蚀形成两条沟槽；两沟槽内侧壁的间距小于光纤基模尺寸。该方案可以大幅缩短干涉器的尺寸，并可用于紧凑化的高性能光纤传感器制备。
Description
技术领域
本发明属于光纤器件领域，特别涉及到一种光纤马赫-曾德干涉器的制备方法。另外，还提供一种新型光纤干涉型折射率传感器的制备方法。
背景技术
光纤马赫-曾德干涉器是一种基础光纤器件，它是利用两路或多路信号间的光程差，形成干涉谱，从而起到信号调制的作用，在光纤通讯、激光、传感等领域具有重要的应用。
目前，光纤马赫-曾德干涉器的制备，一般是通过拉锥、错芯熔接等方式激发包层模，利用基模和包层模之间的光程差形成干涉效应；或者通过单芯光纤与多芯光纤的熔接，利用多芯光纤的不同通路形成所需的干涉效应。一般来说，由于不同光路之间的有效折射率相差较小，所需的干涉作用区域较长(通常大于数毫米)，这不利于光纤干涉器件的进一步集成化，以及高灵敏度微型光纤传感器的开发。
发明内容
为克服上述不足，本发明提供一种芯区压缩型光纤马赫-曾德干涉器的制备方法，并提供一种基于该原理的光纤干涉型折射率传感器的制备方法。本申请采用的技术方案是：
一种芯区压缩型光纤马赫-曾德干涉器的制备方法：
步骤A：部分去除单模光纤或少模光纤一侧的包层，得到一个平行于纤芯中轴线的平面；
步骤B：在步骤A所得到的平面上继续刻蚀形成两条沟槽；两沟槽内侧壁的间距小于光纤基模尺寸。
优选方案为，所述两条沟槽的边缘为直线，所述直线互相平行。
优选方案为，所述两条沟槽相对于光纤中轴线成对称分布。
另一种的制备方案为：(参考附图4)
步骤A：部分去除单模光纤或少模光纤双侧的包层，形成两个相对的平面；
步骤B：在步骤A形成的两平面上，刻蚀形成两个沟槽；沟槽底部与光纤中轴线间的距离小于光纤基模模场分布半径。
优选方案，步骤A，所述平面通过研磨、精密金刚石刀切割或化学刻蚀方法获得。
本发明所涉及的方案是基于最近发现的一种新的光纤模式现象，即利用沟槽对光纤芯层进行额外的限制时，由于此时芯层在两个维度上分别处于“弱导”条件和远离截止的“强导”条件，在该区域内可以存在一系列有效折射率远低于光纤包层的特殊模态。与之相对，传统的光纤理论及波导理论要求，光纤模式的有效折射率必须大于光纤包层。由于学界尚未对该类模态进行命名，我们暂时称之为光纤“离轴”模态。当入射光纤模式信号到达沟槽作用区域时，由于结构失配，将会激发一系列“离轴”模态，由于这些模态之间的有效折射率相差较大，因此可以在很短的作用距离内实现显著的干涉效应，从而可以大幅缩短光纤干涉器的尺寸，并可用于紧凑化的高性能光纤传感器制备。
本发明的有益效果：
1.仅需要很短的器件长度即可实现良好的干涉效果，相对于现有的光纤马赫-曾德干涉器结构，具有更为紧凑的体积；
2.通过改变沟槽长度即可实现对干涉谱的调制；
3.可以实现结构紧凑、灵敏度极高的光学传感器。例如，仅需80微米的干涉区长度即可实现灵敏度超过14000nm/RIU的液体折射率传感器。
附图说明
图1为光纤马赫-曾德干涉器结构的俯视示意图；
图2为光纤马赫-曾德干涉器结构的侧视示意图；
图3为光纤马赫-曾德干涉器结构的干涉区截面示意图；
图4为另一种制备方案的光纤马赫-曾德干涉器结构的干涉区截面示意图；
图5为实施例1中沟槽长度为20μm时的透射谱；
图6为实施例1中沟槽长度为50μm时的透射谱；
图7为实施例1中沟槽长度为100μm时的透射谱；
图8为实施例2的器件结构示意图；
图9为实施例3对应光纤传感器的传感效果图；
图10为实施例4的器件结构示意图。
图11为实施例6的器件结构示意图。
其中，1为光纤纤芯；2为沟槽；3为入射、出射光纤；4为光纤干涉器区域；5为光纤包层；6为金膜。
具体实施方式
应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
实施例1一种芯区压缩型光纤马赫-曾德干涉器的制备方法
步骤A，选取商用单模光纤，用精密金刚石刀切割的方法在光纤一侧下刀，切割形成一个宽度50μm的槽，槽底部所在平面(以下简称平面)与纤芯中轴线之间的距离为8μm。
步骤B，在平面上利用飞秒激光刻蚀或聚焦离子束刻蚀等方法刻蚀形成两个沟槽，两沟槽相对于光纤轴线呈对称分布。沟槽宽度为8μm，沟槽深度为15μm，两沟槽内侧壁间距为5μm。沟槽长度为20μm，50μm或100μm(其效果分别见附图5-7)。
实施例2一种级联式光纤马赫-曾德干涉器的制备方法
步骤A，选取商用单模光纤，用精密金刚石刀切割的方法在光纤一侧下刀，切割形成一个宽度50μm的槽，槽底部所在平面(以下简称平面)与纤芯中轴线之间的距离为8μm。
步骤B，在平面上利用飞秒激光刻蚀或聚焦离子束刻蚀等方法刻蚀形成两对，共四个沟槽。其中每对沟槽相
对于光纤轴线呈对称分布。沟槽宽度为8μm，沟槽深度为15μm，两沟槽内侧壁间距为5μm。其中，第一对沟槽长度为20μm，第二对沟槽长度为50μm，两对沟槽的间距为20μm(其结构示意图参看附图8)。
实施例3一种芯区压缩型光纤折射率传感器的制备方法
步骤A，选取商用单模光纤，用精密金刚石刀切割的方法在光纤一侧下刀，切割形成一个宽度50μm的槽，槽底部所在平面(以下简称平面)与纤芯中轴线之间的距离为8μm。
步骤B，在平面上利用飞秒激光刻蚀或聚焦离子束刻蚀等方法刻蚀形成两个沟槽。两沟槽相对于光纤轴线呈对称分布。沟槽宽度为20μm，沟槽深度为15μm，两沟槽内侧壁间距为5μm。沟槽长度为80μm。
步骤C，在使用时，以宽谱光源作为入射源，将待测液体滴于光纤干涉器所在区域的表面，或将光纤干涉器浸没于待测液体中，用光谱器读取透射光谱即可实现传感功能。
传感器效果参看附图9，在1.35-1.36折射率范围内，其灵敏度可达14350nm/RIU。
实施例4
一种探针式芯区压缩型光纤折射率传感器的制备方法
步骤A，选取商用单模光纤，用精密金刚石刀切割的方法在光纤一侧下刀，切割形成一个宽度200μm的槽(选用200μm宽度的刀片即可)，槽底部所在平面(以下简称平面)与纤芯中轴线之间的距离为8μm；
步骤B，使用精密金刚石刀切割的方法，选用50微米宽度的金刚石刀片在步骤A所制备的平面区域中心处下刀，将剩余光纤截断；
步骤C，利用蒸镀、溅射等方法在步骤B所形成的光纤截断面上沉积一层约300nm厚度的金膜；
步骤D，在平面上利用飞秒激光刻蚀或聚焦离子束刻蚀等方法刻蚀形成两个沟槽，两沟槽相对于光纤轴线呈对称分布。沟槽宽度为20μm，沟槽深度为15μm，两沟槽内侧壁间距为5μm。沟槽一端起始于步骤B所形成的光纤截断面上，沟槽长度为40μm(结构示意图见附图10)。
步骤E，使用时，将光纤头(传感器)浸没于待测液体中，用光谱光源作为激发源，探测反射谱变化，即可实现传感功能。
实施例5一种非对称芯区压缩型光纤马赫-曾德干涉器的制备方法
步骤A，选取商用单模光纤，用精密金刚石刀切割的方法在光纤一侧下刀，切割形成一个宽度50μm的槽，槽底部所在平面(以下简称平面)与纤芯中轴线之间的距离为6μm。
步骤B，在平面上利用飞秒激光刻蚀或聚焦离子束刻蚀等方法刻蚀形成两个沟槽，两沟槽相对于光纤中轴线呈不对称分布，其中一个沟槽的内侧壁与光纤中轴线的距离为1.5μm，另一个沟槽的内侧壁与光纤中轴线的距离为3μm。沟槽宽度为8μm，沟槽深度为12μm。沟槽长度为50μm。
实施例6一种渐变型芯区压缩型光纤马赫-曾德干涉器的制备方法
步骤A，选取商用单模光纤，利用研磨的方法，部分去除光纤一侧的包层，研磨形成一个平面。该平面距离光纤轴线6μm。
步骤B，利用飞秒激光刻蚀或聚焦离子束刻蚀等方法制备两个相对的沟槽。沟槽由两部分组成，第一部分相互平行，位于信号的入射端；第二部分相互倾斜并形成10°夹角，并与第一部分相连，位于信号的出射端。两沟槽相对于光纤轴线对称分布，沟槽宽度为8μm，沟槽深度为12μm。第一部分沟槽长度为50μm，第二部分沟槽在光纤轴线上的投影长度为50μm。(结构示意图见附图11)
实施例7一种双面研磨型光纤马赫-曾德干涉器的制备方法
步骤A，选取商用单模光纤，利用研磨的方法，部分去除光纤两侧的包层，形成两个相对且相互平行的研磨平面(以下简称平面)。光纤剩余部分在研磨区域呈薄片状，两平面与光纤中轴线之间的距离均为12.5μm，即薄片状区域厚度为25μm。
步骤B，利用飞秒激光刻蚀或聚焦离子束刻蚀等方法在两平面上各制作一个沟槽状结构。两沟槽均相对于光纤中轴线对称，沟槽深度为10μm，沟槽宽度为15μm，沟槽长度为50μm。(其中，长度方向指沿光纤中轴线的方向)
对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。
Claims (5)
1.一种芯区压缩型光纤马赫-曾德干涉器的制备方法，其特征在于，包括步骤如下：
步骤A：部分去除单模光纤或少模光纤一侧的包层，得到一个平行于纤芯中轴线的平面；
步骤B：在步骤A所得到的平面上继续刻蚀形成两条沟槽；两沟槽内侧壁的间距小于光纤基模尺寸。
2.一种芯区压缩型光纤马赫-曾德干涉器的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤A：部分去除单模光纤或少模光纤双侧的包层，形成两个相对的平面；
步骤B：在步骤A形成的两平面上，刻蚀形成两个沟槽；沟槽底部与光纤中轴线间的距离小于光纤基模模场分布半径。
3.如权利要求1所述的一种芯区压缩型光纤马赫-曾德干涉器的制备方法，其特征在于，所述两条沟槽的边缘为直线，所述直线互相平行。
4.如权利要求3所述的一种芯区压缩型光纤马赫-曾德干涉器的制备方法，其特征在于，所述两条沟槽相对于光纤中轴线成对称分布。
5.权利要求1或2所述制备方法获得的干涉器在制备光纤传感器方面的应用。
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