CN202421057U - 全光纤微环窄带宽高灵敏度传感器 - Google Patents
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Abstract
全光纤微环窄带宽高灵敏度传感器，属于光纤通信、化学生物及环境测量领域。解决了目前在化学生物领域的全光纤传感器灵敏度不高及测量范围不大的问题。该传感器是基于第一、第二根锥形微纳光纤的器件，在第一根锥形微纳光纤锥腰的前半部分(14)利用自缠绕的方法制作成第一个微环形腔(31)，在第一根锥形微纳光纤锥腰的中间部分(13)弯成一个U形，在第一根锥形微纳光纤锥腰的后半部分(15)制作一个Sagnac环(33)作为反射端；在第二根微纳光纤锥腰的中间部分(23)直接弯成U形的形状，并与第一根锥形微纳光纤的U形部分重叠，利用两根光纤之间的吸引力，形成第二个微环形腔(32)。具有体积小、功能强、结构简洁、适于大规模单片紧密集成。
Description
技术领域
本实用新型涉及全光纤微环窄带宽高灵敏度传感器，属于光纤通信、光纤传感、仪器仪表、化学生物及环境测量领域。
背景技术
基于微环谐振器（简称微环）的光波导器件具有体积小、功能强、结构简洁等的优点，非常适于大规模单片紧密集成，同时能实现包括滤波器、延迟器、缓存器、波长复用/解复用和传感器等功能单元，功能强大。基于微环的传感器在生物化学领域，不仅具备高灵敏的传感特性，而且具有精确的中心工作波长、低损耗、高消光比、大的动态范围等特点。利用微环制作的有源和无源器件一直在光纤通信及光纤传感领域发挥着重大的作用。
目前，针对生物化学及环境测量领域的传感器主要集中在平面波导传感测量和光纤传感测量这两类光波导测量。基于平面波导的生物化学传感器基于表面镀上一层对测量介质敏感的敏感膜，通过测量敏感膜的不同来测量传感介质，这种基于平面波导的传感器易于集成，但其易受外界环境如电磁场等的干扰，测量精度也不高。基于光纤的生物化学传感器是通过分析在不同传感介质中的输出光谱来测量传感介质，这种传感器不易受电磁场等外界环境的干扰，而且可以在高温、高化学反应条件下工作，同时光纤材料无毒、生物兼容性好。当前光纤生物化学传感器主要有多光纤束传感器、光纤光栅传感器及单微环光纤传感器，其中多光纤束传感器及光纤光栅传感器灵敏度不高，且不易于集成，而单微环光纤传感器虽易于集成，但其测量范围不宽,且其带宽太宽，不利于解调。
实用新型内容
本实用新型所要解决的技术问题是针对目前全光纤传感器在生物化学及环境测量领域的传感灵敏度不高、测量范围不大、带宽较宽的问题，从而提出了一种具有高灵敏度、窄带宽的全光纤微环传感器。
本实用新型解决技术其问题所采用的技术方案是：
该全光纤微环窄带宽高灵敏度传感器是基于第一、第二根锥形微纳光纤的器件，在第一根锥形微纳光纤锥腰的前半部分利用自缠绕的方法制作成第一个微环形腔，作为传感器的传感部分，在第一根锥形微纳光纤锥腰的中间部分弯成一个U形,在第一根锥形微纳光纤锥腰的后半部分制作一个Sagnac环，在第二根锥形微纳光纤锥腰的中间部分直接弯成U形的形状，并与第一根锥形微纳光纤的U形部分重叠，利用两根光纤之间的吸引力，形成第二个微环形腔，作为传感器的参考部分。
第一根锥形微纳光纤的两端和第二根锥形微纳光纤的两端的直径相等。
第一根锥形微纳光纤锥腰的中间部分、第一根锥形微纳光纤锥腰的前半部分、第一根锥形微纳光纤锥腰的后半部分和第二根锥形微纳光纤锥腰的中间部分、第二根锥形微纳光纤锥腰的前半部分、第二根锥形微纳光纤锥腰的后半部分的直径相等。
第一个微环形腔和第二个微环形腔的半径相同或不相同。
本实用新型所具有的有益效果如下：
本实用新型提出了一种全光纤微环窄带宽高灵敏度传感器。该传感器是基于两个微环级联的全光纤传感器器，其具有体积小、功能强、结构简洁等的优点，非常适于大规模单片紧密集成，不仅具备高灵敏度的特性，而且具有精确的中心工作波长、平坦的通带、低损耗、高消光比、大的动态范围等特点。与其他基于化学生物领域的全光纤型传感器相比，本实用新型进一步提高了传感器的传感灵敏度及测量范围。
附图说明
图1 为全光纤微环窄带宽高灵敏度传感器的结构示意图。
图2 为锥形微纳光纤的结构示意图。
图3为图2的A-A剖面图。
图4为图2的B-B剖面图。
图5 为第一根带有环形腔和U形的锥形微纳光纤及Sagnac环的结构示意图。
图6为第二根带有U形的锥形微纳光纤的结构示意图。
图7为光纤熔融拉锥平台。
具体实施方式
下面结合附图对本实用新型作进一步说明。
该全光纤微环窄带宽高灵敏度传感器，如图1，它是基于第一、第二根锥形微纳光纤的器件，在第一根锥形微纳光纤锥腰的前半部分14利用自缠绕的方法制作成第一个微环形腔31，作为传感器的传感部分，在第一根锥形微纳光纤锥腰的中间部分13弯成一个U形,在第一根锥形微纳光纤锥腰的后半部分15制作一个Sagnac环33作为反射端；在第二根锥形微纳光纤锥腰的中间部分23直接弯成U形的形状，并与第一根锥形微纳光纤的U形部分重叠，利用两根光纤之间的吸引力，形成第二个微环形腔32，作为传感器的参考部分。
第一根锥形微纳光纤的两端11、12和第二根锥形微纳光纤的两端21、22的直径相等。
第一根锥形微纳光纤锥腰的中间部分13、第一根锥形微纳光纤锥腰的前半部分14、第一根锥形微纳光纤锥腰的后半部分15和第二根锥形微纳光纤锥腰的中间部分23、第二根锥形微纳光纤锥腰的前半部分24、第二根锥形微纳光纤锥腰的后半部分25的直径相等。
第一个微环形腔31和第二个微环形腔32的半径相同或不相同。
全光纤微环窄带宽高灵敏度传感器的制作之一，包括以下步骤：
步骤一 取两根长度为5厘米的单模光纤，其芯层的半径为5μm，折射率为1.448，其包层的半径为62.5μm，折射率为1.444。
步骤二 将一根单模光纤放入光纤熔融拉锥平台，并用夹子42、43夹住光纤的两端。
步骤三 将火炬44点上火，之后将带有火的火炬44融化光纤的中间部分，同时控制移动平台40、41向外移动，移动平台40、41的移动速度均为0.085mm/s。
步骤四 在控制移动平台40、41的同时，控制火炬44来回移动，火炬44的移动速度为0.082mm/s。
步骤五 当单模光纤的锥腰部分的直径为5μm时，移动的火炬和移动平台停止移动，并将火炬的火熄灭并移开，制成第一根锥形微纳光纤，如图2。
步骤六 对第一根锥形微纳光纤进行退火处理。
步骤七 在第一根锥形微纳光纤锥腰的前半部分14，利用自缠绕法制作出第一个微环形腔31，作为传感器的传感微环，其半径为100μm，同时在第一根锥形微纳光纤锥腰的中间部分13进行弯曲，弯成一个U形，其曲率半径为100μm，如图1、5。
步骤八 在第一根锥形微纳光纤锥腰的后半部分15，绕成一个500μm的环，并将环的输入端和输出端利用光纤的锥腰部分之间的吸引力缠绕在一起，形成一个Sagnac环33，如图1、5。
步骤九 重复步骤二至五，将另一根单模光纤制作成第二根锥形微纳光纤，如图2。
步骤十 在第二根锥形微纳光纤锥腰的中间部分23进行弯曲，并弯成一个半圆，形成另一个U形，其曲率半径为100μm。
步骤十一 将第二根锥形微纳光纤的U形部分重叠在第一根锥形微纳光纤的U形部分，形成第二个微环形腔32，作为传感器的参考微环，其半径为 100μm。第一根锥形微纳光纤的两端11、12，第一根锥形微纳光纤锥腰的前半部分14、第一根锥形微纳光纤锥腰的后半部分15，锥形微纳光纤2的两端21、22，第二根锥形微纳光纤锥腰的前半部分24、第二根锥形微纳光纤锥腰的后半部分25及微环形腔31、32和Sagnac环33形成一个全光纤微环窄带宽高灵敏度传感器。
全光纤微环窄带宽高灵敏度传感器的制作之二 ，包括以下步骤：
步骤一 取两根长度为5厘米的单模光纤，其芯层的半径为4.7μm，折射率为1.447，其包层的半径为62.5μm，折射率为1.444。
步骤二 将一根单模光纤放入光纤熔融拉锥平台，并用夹子42、43夹住光纤的两端。
步骤三 将火炬44点上火，之后将带有火的火炬44融化光纤1的中间部分，同时控制移动平台40、41向外移动，移动平台40、41的移动速度均为0.084mm/s。
步骤四 在控制移动平台40、41的同时，控制火炬44来回移动，火炬44的移动速度为0.082mm/s。
步骤五 当单模光纤的锥腰部分的直径为4.5μm时，移动的火炬和移动平台停止移动，并将火炬的火熄灭并移开，制成第一锥形微纳光纤。
步骤六 对第一根锥形微纳光纤进行退火处理。
步骤七 在第一根锥形微纳光纤锥腰的前半部分14，利用自缠绕法制作出第一个微环形腔31，作为传感器的传感微环，其半径为150μm，同时在第一根锥形微纳光纤锥腰的中间部分13进行弯曲，弯成一个U形，其曲率半径为160μm。
步骤八 在第一根锥形微纳光纤锥腰的后半部分15，绕成一个1000μm的环，并将环的输入端和输出端利用光纤的锥腰部分之间的吸引力缠绕在一起，形成一个Sagnac环33。
步骤九 重复步骤二至五，将另一根单模光纤制作成第二根锥形微纳光纤。
步骤十 在第二根锥形微纳光纤锥腰的中间部分23进行弯曲，并弯成一个 半圆，形成另一个U形，其曲率半径为160μm。
步骤十一 将第二根锥形微纳光纤的U形部分重叠在第一根锥形微纳光纤的U形部分，形成第二个微环形腔32，作为传感器的参考微环，其半径为160μm 。第一根锥形微纳光纤的两端11、12，第一根锥形微纳光纤锥腰的前半部分14、第一根锥形微纳光纤锥腰的后半部分15，锥形微纳光纤2的两端21、22，第二根锥形微纳光纤锥腰的前半部分24、第二根锥形微纳光纤锥腰的后半部分25及微环形腔31、32和Sagnac环33形成一个全光纤微环窄带宽高灵敏度传感器。
全光纤微环窄带宽高灵敏度传感器的制作之三 ，包括以下步骤：
步骤一，取两根长度为5厘米的单模光纤，其芯层的半径为4.8μm，折射率为1.448，其包层的半径为62.5μm，折射率为1.444。
步骤二，将一根单模光纤放入光纤熔融拉锥平台，并用夹子42、43夹住光纤1的两端。
步骤三，将火炬44点上火，之后将带有火的火炬44融化光纤的中间部分，同时控制移动平台40、41向外移动，移动平台40、41的移动速度均为0.085mm/s。
步骤四，在控制移动平台40、41的同时，控制火炬44来回移动，火炬44的移动速度为0.082mm/s。
步骤五，当单模光纤的锥腰部分的直径为4μm时，移动的火炬和移动平台停止移动，并将火炬的火熄灭并移开，制成第一根锥形微纳光纤。。
步骤六 对第一根锥形微纳光纤进行退火处理。
步骤七 在第一根锥形微纳光纤的锥腰部分的前半部分14，利用自缠绕法制作出第一个微环形腔31，作为传感器的传感微环，其半径为120μm，同时在第一根锥形微纳光纤的中间部分13进行弯曲，弯成一个U形，其曲率半径为125μm。
步骤八 在第一根锥形微纳光纤锥腰的后半部分15，绕成一个800μm的环， 并将环的输入端和输出端利用光纤的锥腰部分之间的吸引力缠绕在一起，形成一个Sagnac环33。
步骤九，重复步骤二至五，将另一根单模光纤制作成第二根锥形微纳光纤。
步骤十 在第二根锥形微纳光纤锥腰的中部分23进行弯曲，并弯成一个半圆，形成另一个U形，其曲率半径为120μω。
步骤十一 将第二根锥形微纳光纤的U形部分重叠在第一根锥形微纳光纤的U形部分，形成第二个微环形腔32，作为传感器的参考微环，其半径为125μm 。第一根锥形微纳光纤的两端11、12，第一根锥形微纳光纤锥腰的前半部分14、第一根锥形微纳光纤锥腰的后半部分15，锥形微纳光纤2的两端21、22，第二根锥形微纳光纤锥腰的前半部分24、第二根锥形微纳光纤锥腰的后半部分25及微环形腔31、32和Sagnac环33形成一个全光纤微环窄带宽高灵敏度传感器。
Claims (4)
1.全光纤微环窄带宽高灵敏度传感器，其特征在于：
该全光纤微环窄带宽高灵敏度传感器是基于第一、第二根锥形微纳光纤的器件，在第一根锥形微纳光纤锥腰的前半部分(14)利用自缠绕的方法制作成第一个微环形腔(31)，在第一根锥形微纳光纤锥腰的中间部分(13)弯成一个U形，在第一根锥形微纳光纤锥腰的后半部分(15)制作一个Sagnac环(33)作为反射端；在第二根微纳光纤锥腰的中间部分(23)直接弯成U形的形状，并与第一根锥形微纳光纤的U形部分重叠，利用两根光纤之间的吸引力，形成第二个微环形腔(32)。
2.根据权利要求1所述的全光纤微环窄带宽高灵敏度传感器，其特征在于：
第一根锥形微纳光纤的两端(11、12)和第二根锥形微纳光纤的两端(21、22)的直径相等。
3.根据权利要求2所述的全光纤微环窄带宽高灵敏度传感器，其特征在于：
第一根锥形微纳光纤锥腰的中间部分(13)、第一根锥形微纳光纤锥腰的前半部分(14)、第一根锥形微纳光纤锥腰的后半部分(15)和第二根锥形微纳光纤锥腰的中间部分(23)、第二根锥形微纳光纤锥腰的前半部分(24)、第二根锥形微纳光纤锥腰的后半部分(25)的直径相等。
4.根据权利要求1所述的全光纤微环窄带宽高灵敏度传感器，其特征在于：
第一个微环形腔(31)和第二个微环形腔(32)的半径相同或不相同。
Priority Applications (1)
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|---|---|---|---|---|
| CN110673266A (zh) * | 2019-09-19 | 2020-01-10 | 中国科学院半导体研究所 | 基于高阶微环谐振器的窄带光滤波器 |
| CN112731593A (zh) * | 2021-01-05 | 2021-04-30 | 南通大学 | 一种全光纤微光纤反射镜及其制备方法 |
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| CN110673266B (zh) * | 2019-09-19 | 2020-09-15 | 中国科学院半导体研究所 | 基于高阶微环谐振器的窄带光滤波器 |
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