CN113433611B - 一种螺旋式结构型长周期光纤光栅干涉仪及其制作方法 - Google Patents

一种螺旋式结构型长周期光纤光栅干涉仪及其制作方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于结构型微纳光纤的长周期光纤光栅干涉仪及其制备方法，该长周期光纤光栅干涉仪包括微纳光纤Ⅱ的中部缠绕于微纳光纤Ⅰ的锥区，微纳光纤Ⅱ中部的周期性螺旋缠绕部分和微纳光纤Ⅰ的锥区满足长周期光栅的相位匹配条件，形成结构型微纳光纤长周期光栅；微纳光纤Ⅱ的两端对接耦合；光信号在光栅区谐振耦合满足长周期光栅相位匹配条件时，相应波长的部分光能量耦合到微纳光纤Ⅱ的螺旋缠绕部分，然后经过耦合环路重新输入到光栅，并进一步耦合回微纳光纤Ⅰ的锥区形成干涉。本发明由单个长周期光纤光栅构成，能够充分利用微纳光纤大倏逝场特性和长周期光栅高折射率灵敏度特性，在生化检测及传感通信等领域具有广阔的应用前景。

Description

一种螺旋式结构型长周期光纤光栅干涉仪及其制作方法
技术领域
本发明涉及光学传感器技术领域，尤其是涉及一种螺旋式结构型长周期光纤光栅干涉仪及其制作方法。
背景技术
长周期光纤光栅是一种重要的光无源传感器件，通过折射率周期性的调制使纤芯中的基模和同向传播的包层模之间发生耦合，在特定波长范围内能够形成谐振峰，是一种透射式全光纤带阻滤波器，其工作原理决定了该器件对外界环境变化非常敏感。
长周期微纳光纤光栅是建构在微纳光纤上可使光波模式产生耦合的周期性结构(其周期在几十微米至几百微米)，通过环境变量影响倏逝场能量分布从而利用接收到的光信号参量变化来监测环境变量波动。工作原理是其对传导模进行了周期性调制，在满足谐振条件的情况下，前向传输的纤芯模式与同向的高阶次模式之间产生耦合，在输出光谱中表现为出现对应损耗峰。当外界环境待测量发生变化时，倏逝场范围内折射率发生改变，进而影响到透射光谱中损耗峰的变化。故而长周期光纤光栅在传感测量、光通信等领域有广泛的应用。
相较于单个长周期光纤光栅，由多个长周期光栅串联构成的级联长周期光纤光栅在传感测量应用中表现出了更窄的损耗峰带宽和更高的分辨率等优势特性，同时其透射谱中干涉峰振幅大、谱型条纹丰富，可以很好地构成各种滤波器。但是，由于长周期光栅光谱一般较宽，在测量微弱响应造成的微小光谱移动时，存在观测困难与测量精度不足的问题，并且器件尺寸较大使得小型化应用受限。
综上，行业内急需研发一种输出光谱精细度高和小型化程度高的长周期光纤光栅器件。
发明内容
本发明为了解决现有技术中的上述缺陷，提供了一种螺旋式结构型长周期光纤光栅干涉仪及其制作方法。本发明利用微纳光纤缠绕形成周期性折射率调制获得长周期光栅，通过缠绕部延伸出的微纳光纤环路使谐振耦合光能输送返回光栅，从而形成单一光栅基础上的了一种螺旋式结构型长周期光纤光栅干涉，实现结构紧凑、精度高、兼具带通滤波和带阻滤波特性的传感器件。
本发明可以通过采取如下技术方案达到：
一种螺旋式结构型长周期光纤光栅干涉仪，包括微纳光纤Ⅰ与微纳光纤Ⅱ；微纳光纤Ⅰ的两端分别作为外部光信号的输入端口和光信号输出端口；微纳光纤Ⅰ的中部为均匀的锥区，微纳光纤Ⅱ直径均匀一致，微纳光纤Ⅱ的中部周期性螺旋缠绕于微纳光纤Ⅰ的锥区，微纳光纤Ⅱ中部的周期性螺旋缠绕部分和微纳光纤Ⅰ的锥区满足长周期光栅的相位匹配条件，形成结构型微纳光纤长周期光栅；微纳光纤Ⅱ的两端通过紧密接触实现光耦合，使得微纳光纤Ⅱ的非缠绕部分构成微纳光纤耦合环路；光信号在光栅区谐振耦合满足长周期光栅相位匹配条件时，相应波长处部分光能量耦合到微纳光纤Ⅱ的周期性螺旋缠绕部分，然后经过耦合环路重新输入到光栅，并进一步耦合回微纳光纤Ⅰ的锥区形成干涉。
优选地，所述微纳光纤Ⅰ包括第一光纤端区(1)、第二光纤端区(5)、第一光纤锥区(2)、第二光纤锥区(4)和光纤均匀区(3)；所述第一光纤锥区(2)和所述第二光纤锥区(4)分别位于所述光纤均匀区(3)的两端，所述第一光纤端区(1)位于所述第一光纤锥区(2)的外端，所述第二光纤端区(5)位于所述第二光纤锥区(4)的外端。
优选地，所述微纳光纤Ⅱ包括第一光纤均匀区(8)、第二光纤均匀区(9)、第三光纤均匀区(6)、第四光纤均匀区(10)和第五光纤均匀区(7)；所述第三光纤均匀区(6)和所述第四光纤均匀区(10)分别位于所述第五光纤均匀区(7)的两端，所述第一光纤均匀区(8)位于所述第三光纤均匀区(6)的外端；所述第二光纤均匀区(9)位于所述第四光纤均匀区(10)的外端；所述第五光纤均匀区(7)周期性螺旋缠绕在所述微纳光纤Ⅰ的光纤均匀区(3)上，所述第五光纤均匀区(7)和光纤均匀区(3)满足长周期光纤光栅相位匹配条件，形成结构型微纳光纤长周期光纤光栅；所述第一光纤均匀区(8)与第二光纤均匀区(9)紧密接触耦合；所述第三光纤均匀区(6)、第一光纤均匀区(8)、第二光纤均匀区(9)、第四光纤均匀区(10)、第五光纤均匀区(7)构成闭合光通路，形成微纳光纤耦合环路。
优选地，所述第五光纤均匀区(7)作为所述微纳光纤Ⅱ的光信号输入源，第五光纤均匀区(7)将光纤均匀区(3)中的光能量耦合至所述微纳光纤Ⅱ的回路中，光能量经由所述微纳光纤Ⅱ的第三光纤均匀区(6)、第一光纤均匀区(8)、第二光纤均匀区(9)与第四光纤均匀区(10)传递，通过所述微纳光纤Ⅱ的第五光纤均匀区(7)耦合进入所述微纳光纤Ⅰ的光纤均匀区(3)中，在光纤均匀区(3)形成干涉。
优选地，所述第一光纤均匀区(8)与第二光纤均匀区(9)互相平行且互相紧密接触，形成闭合光通路。
优选地，所述第一光纤均匀区(8)与第二光纤均匀区(9)相互缠绕成环形结结构实现紧密接触，形成闭合光通路。
优选地，所述微纳光纤Ⅰ为微纳石英光纤、微纳玻璃光纤或微纳聚合物光纤；所述微纳光纤Ⅱ为微纳石英光纤、微纳玻璃光纤或微纳聚合物光纤。
一种螺旋式结构型长周期光纤光栅干涉仪的制作方法：将除去涂覆层的光纤进行熔融拉锥得到微纳光纤Ⅰ，将除去涂覆层的光纤进行熔融拉锥，再截取均匀区部分得到微纳光纤Ⅱ，将微纳光纤Ⅱ的中间部分螺旋缠绕于微纳光纤Ⅰ中间的均匀区，构成满足相位耦合条件的周期性结构，微纳光纤Ⅱ的两端紧密接触耦合构成耦合区。
本发明相对于现有技术具有如下的优点及效果：
本发明中将微纳光纤Ⅱ的中间部分螺旋缠绕于微纳光纤Ⅰ中间的均匀区，构成满足相位耦合条件的周期性结构，在缠绕部分形成强的周期折射率调制，从而获得长周期光纤光栅；所述微纳光纤Ⅱ可通过闭合回路将收集到的光能耦合送返所述微纳光纤Ⅰ中，形成光干涉，可见实现所需技术及过程均较为简单，亦无须高成本的加工设备。且相较于长周期光纤光栅和级联光栅干涉仪，本发明提出的一种新的螺旋式结构型长周期光纤光栅干涉仪，以微纳光纤Ⅰ第一光纤端区(1)作为输入，微纳光纤Ⅱ第二光纤均匀区(9)和微纳光纤Ⅰ第二光纤端区(5)作为光信号输出端的情况下，可以同时获得光栅干涉仪的透射光谱和“反射”光谱(耦合出的能量)，因此该光栅干涉仪兼具带通滤波和带阻滤波的功能，可见本发明具有新颖性。此外，该长周期光纤光栅干涉仪仅需要单光栅就能构成，器件尺寸均在毫米至微米量级，具有大倏逝场，所述微纳光纤Ⅰ、微纳光纤Ⅱ均可由不同材料的微纳光纤构成，周期性螺旋结构可在此形成强的周期折射率调制，从而降低了对光栅周期数的要求，微纳光纤Ⅱ耦合环路可以调节，本发明兼具灵活紧凑的特点。
附图说明
图1是实施例1的螺旋式结构型长周期光纤光栅干涉仪的结构示意图；
图2是实施例2的螺旋式结构型长周期光纤光栅干涉仪的结构示意图。
图3是本发明螺旋式结构型长周期光纤光栅干涉仪的透射光谱图。
其中，1---微纳光纤Ⅰ的第一光纤端区，2---微纳光纤Ⅰ的第一光纤锥区，3---微纳光纤Ⅰ的光纤均匀区，4---微纳光纤Ⅰ的第二光纤锥区，5---微纳光纤Ⅰ的第二光纤端区，6---微纳光纤Ⅱ的第三光纤均匀区，7---微纳光纤Ⅱ的第五光纤均匀区，8---实施例1的微纳光纤Ⅱ的第一光纤均匀区，9---实施例1的微纳光纤Ⅱ的第二光纤均匀区，10---实施例1与实施例2中的微纳光纤Ⅱ的第四光纤均匀区，11---实施例2的微纳光纤Ⅱ第一光纤均匀区、12---实施例2的微纳光纤Ⅱ第二光纤均匀区。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例1
参见图1、3，一种螺旋式结构型长周期光纤光栅干涉仪，所述螺旋式结构型长周期光纤光栅干涉仪包括两条直径不同的微纳光纤Ⅰ与Ⅱ，
在本实施例，所述微纳光纤Ⅰ包括第一光纤端区1、第二光纤端区5、第一光纤锥区2、第二光纤锥区4和光纤均匀区3。所述第一光纤锥区2和所述第二光纤锥区4分别位于所述光纤均匀区3的两端，所述第一光纤端区1位于所述第一光纤锥区2的外端，所述第二光纤端区5位于所述第二光纤锥区4的外端；
在本实施例，所述微纳光纤Ⅱ包括第一光纤均匀区8、第二光纤均匀区9、第三光纤均匀区6、第四光纤均匀区10和第五光纤均匀区7。所述第三光纤均匀区6和所述第四光纤均匀区10分别位于所述第五光纤均匀区7的两端，所述第一光纤均匀区8位于所述第三光纤均匀区6的外端，所述第二光纤均匀区9位于所述第四光纤均匀区10的外端；
在本实施例，所述微纳光纤Ⅱ的第五光纤均匀区7均匀螺旋缠绕在横截面直径更大的所述微纳光纤Ⅰ均匀区3上构成满足相位匹配耦合条件的螺旋式周期性结构；
在本实施例，所述微纳光纤Ⅰ的其余各区与所述微纳光纤Ⅱ的其余各区处处保持互不接触的相对位置关系。
在本实施例，以所述微纳光纤Ⅰ的第一光纤端区1与所述微纳光纤Ⅰ的第二光纤端区5分别作为外部光信号的输入和输出端口，经由所述微纳光纤Ⅰ的第一光纤锥区2、第二光纤锥区4和光纤均匀区3以及所述微纳光纤Ⅱ各部分共同构成本发明中的耦合光信号环绕回传通路。
进一步地，外部光源与所述微纳光纤Ⅰ第一光纤端区1连通以输入光信号，所述微纳光纤Ⅰ第二光纤端区5作为光信号输出端与光信号检测设备连接；当所述微纳光纤Ⅰ第二光纤端区5作为光信号输入端与外部光源连接时，光信号检测设备与所述微纳光纤Ⅰ第一光纤端区1连通以监测输出光信号。
在本实施例，所述微纳光纤Ⅱ的回路结构参与形成干涉仪。
其中，所述微纳光纤Ⅱ的第五光纤均匀区7作为所述微纳光纤Ⅱ部分的光信号输入源，将所述微纳光纤Ⅰ光纤均匀区3中光能量耦合至所述微纳光纤Ⅱ回路中，光能量经由所述微纳光纤Ⅱ的第三光纤均匀区6、第一光纤均匀区8、第二光纤均匀区9与第四光纤均匀区10传递，通过所述微纳光纤Ⅱ的第五光纤均匀区7耦合进入所述微纳光纤Ⅰ光纤均匀区3中，在此形成干涉。
进一步地，所述微纳光纤Ⅱ的第五光纤均匀区7的均匀螺旋周期性结构应满足长周期光栅相位匹配条件，能在特定波长下使光栅光谱形成干涉。
在本实施例，所述微纳光纤Ⅱ第一光纤均匀区8与第二光纤均匀区9保持互相平行、紧密接触的相对位置关系，形成闭合光通路；通过各种搭接方式强化此相对位置关系，其相互搭接方式包括但不限于：直接搭接、打结、低折射率胶粘剂粘合、高温熔融结合等。
在本实施例，所述微纳光纤Ⅰ与所述微纳光纤Ⅱ为微纳石英光纤所述微纳光纤Ⅰ可由相应材料的标准光纤去除涂覆层后熔融拉锥得到，所述微纳光纤Ⅱ可由相应材料的标准光纤去除涂覆层后熔融拉锥后截取均匀区部分获得。
具体地，螺旋式结构型长周期光纤光栅干涉仪的制作方法为：将除去涂覆层的光纤进行熔融拉锥得到微纳光纤Ⅰ，将除去涂覆层的光纤进行熔融拉锥，再截取均匀区部分得到微纳光纤Ⅱ，将微纳光纤Ⅱ的中间部分螺旋缠绕于微纳光纤Ⅰ中间的均匀区，构成满足相位耦合条件的周期性结构，微纳光纤Ⅱ的两端对接耦合构成耦合区。
微纳光纤Ⅱ螺旋缠绕依附于微纳光纤Ⅰ的均匀区，形成长周期光纤光栅。光经由微纳光纤Ⅰ输入并在均匀区形成较强的倏逝场，沿满足光栅耦合条件的周期性螺旋缠绕结构部分倏逝场能量耦合进入微纳光纤Ⅱ的闭合回路中，这部分光能又由该回路重新耦合回光栅，形成干涉。
实施例2
参见图2，实施例2与实施例1的区别在于：所述微纳光纤Ⅱ中第一光纤均匀区11与第二光纤均匀区12相互缠绕成环形结的紧密接触结构，形成闭合光通路。
综上所述，本发明的一种螺旋式结构型长周期光纤光栅干涉仪，基于微纳光纤满足相位匹配耦合条件的螺旋缠绕形成干涉回路结构，完成对待测环境参量变化的即时响应，提升了测量精度与传感灵敏度，可应用于生物医学检测、疾病早期诊断等测量应用，制作简便，成本低廉，结构紧凑小巧，兼具带通滤波和带阻滤波的功能。
上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包括在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种螺旋式结构型长周期光纤光栅干涉仪，其特征在于：包括微纳光纤Ⅰ与微纳光纤Ⅱ；微纳光纤Ⅰ的两端分别作为外部光信号的输入端口和光信号输出端口；微纳光纤Ⅰ的中部为均匀的锥区，微纳光纤Ⅱ直径均匀一致，微纳光纤Ⅱ的中部周期性螺旋缠绕于微纳光纤Ⅰ的锥区，微纳光纤Ⅱ中部的周期性螺旋缠绕部分和微纳光纤Ⅰ的锥区满足长周期光栅的相位匹配条件，形成结构型微纳光纤长周期光栅；微纳光纤Ⅱ的两端对接耦合，使得微纳光纤Ⅱ的非缠绕部分构成微纳光纤耦合环路；
所述微纳光纤Ⅰ包括第一光纤端区(1)、第二光纤端区(5)、第一光纤锥区(2)、第二光纤锥区(4)和光纤均匀区(3)；所述第一光纤锥区(2)和所述第二光纤锥区(4)分别位于所述光纤均匀区(3)的两端，所述第一光纤端区(1)位于所述第一光纤锥区(2)的外端，所述第二光纤端区(5)位于所述第二光纤锥区(4)的外端；
所述微纳光纤Ⅱ包括第一光纤均匀区(8)、第二光纤均匀区(9)、第三光纤均匀区(6)、第四光纤均匀区(10)和第五光纤均匀区(7)；所述第三光纤均匀区(6)和所述第四光纤均匀区(10)分别位于所述第五光纤均匀区(7)的两端，所述第一光纤均匀区(8)位于所述第三光纤均匀区(6)的外端；所述第二光纤均匀区(9)位于所述第四光纤均匀区(10)的外端；
所述第五光纤均匀区(7)周期性螺旋缠绕在所述微纳光纤Ⅰ的光纤均匀区(3)上，所述第五光纤均匀区(7)和光纤均匀区(3)满足长周期光纤光栅相位匹配条件，形成结构型微纳光纤长周期光纤光栅；
所述第一光纤均匀区(8)与第二光纤均匀区(9)靠紧耦合；所述第三光纤均匀区(6)、第一光纤均匀区(8)、第二光纤均匀区(9)、第四光纤均匀区(10)、第五光纤均匀区(7)构成闭合光通路，形成微纳光纤耦合环路；
光信号在光栅区谐振耦合满足长周期光栅相位匹配条件时，相应波长处部分光能量耦合到微纳光纤Ⅱ的周期性螺旋缠绕部分，然后经过耦合环路重新输入到光栅，并进一步耦合回微纳光纤Ⅰ的锥区形成干涉。
2.根据权利要求1所述的螺旋式结构型长周期光纤光栅干涉仪，其特征在于：所述第五光纤均匀区(7)作为所述微纳光纤Ⅱ的光信号输入源，第五光纤均匀区(7)将光纤均匀区(3)中的光能量耦合至所述微纳光纤Ⅱ的回路中，光能量经由所述微纳光纤Ⅱ的第三光纤均匀区(6)、第一光纤均匀区(8)、第二光纤均匀区(9)与第四光纤均匀区(10)传递，通过所述微纳光纤Ⅱ的第五光纤均匀区(7)耦合进入所述微纳光纤Ⅰ的光纤均匀区(3)中，在光纤均匀区(3)形成干涉。
3.根据权利要求1所述的螺旋式结构型长周期光纤光栅干涉仪，其特征在于：所述微纳光纤Ⅱ第一光纤均匀区(8)与第二光纤均匀区(9)互相平行且互相接触，形成闭合光通路。
4.根据权利要求1所述的螺旋式结构型长周期光纤光栅干涉仪，其特征在于：所述微纳光纤Ⅱ中第一光纤均匀区(8)与第二光纤均匀区(9)相互缠绕成环形结结构，形成闭合光通路。
5.根据权利要求1所述的螺旋式结构型长周期光纤光栅干涉仪，其特征在于：所述微纳光纤Ⅰ为微纳石英光纤、微纳玻璃光纤或微纳聚合物光纤；所述微纳光纤Ⅱ为微纳石英光纤、微纳玻璃光纤或微纳聚合物光纤。
6.根据权利要求1-5任一项所述的螺旋式结构型长周期光纤光栅干涉仪的制作方法，其特征在于：将除去涂覆层的光纤进行熔融拉锥得到微纳光纤Ⅰ，将除去涂覆层的光纤进行熔融拉锥，再截取均匀区部分得到微纳光纤Ⅱ，将微纳光纤Ⅱ的中间部分螺旋缠绕于微纳光纤Ⅰ中间的均匀区，构成满足相位耦合条件的周期性结构，微纳光纤Ⅱ的两端对接耦合构成耦合区。
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