CN215677267U

CN215677267U - 一种光纤传感器

Info

Publication number: CN215677267U
Application number: CN202120937018.XU
Authority: CN
Inventors: 张豪杰; 张治国; 李璇; 李永啸; 蔡善勇
Original assignee: Beijing University of Posts and Telecommunications
Current assignee: Beijing University of Posts and Telecommunications
Priority date: 2021-04-30
Filing date: 2021-04-30
Publication date: 2022-01-28
Anticipated expiration: 2031-04-30

Abstract

本实用新型提供一种光纤传感器，该光纤传感器包括：第一光子晶体光纤一端与宽带光源连接，另一端与循环器第一端口连接；第二光子晶体光纤一端与循环器第二端口连接；第三光子晶体光纤一端与第二光子晶体光纤另一端连接；第三光子晶体光纤在纤芯上设有第一光纤光栅区及第二光纤光栅区，且第三光子晶体光纤侧表面具有抛磨区，该抛磨区设置于所述第一光纤光栅区及第二光纤光栅区之间；第四光子晶体光纤一端与所述循环器第三端口连接，另一端与光谱分析仪连接。本实用新型公开的光纤传感器灵敏度高、环境适应性好。

Description

一种光纤传感器

技术领域

本实用新型涉及光纤传感技术领域，具体而言，涉及一种光纤传感器。

背景技术

在海洋开发过程中，声波作为唯一可以在海水中远距离传输的能量场，是目前水下信息感知和处理最有效的形式。光纤水声传感器作为水下声波的一种接收设备，是海洋开发极为重要的探测仪器。光纤水声传感器，与基于电器件的水声传感器相比，具有抗电磁干扰、传播损耗低、与光纤通信网兼容性好等显著优势，可以应用于水下地震监测、海洋矿物资源勘探、海洋渔业、洋流监测、污染监测等领域。

随着水下目标信号声压的不断降低，以及海洋环境噪声的不断上升，对水下声信号的探测难度迅速增加。同时，海洋油气开采已从大陆架向深海延伸，对声探测获得的地层结构分辨率的要求越来高，这些都对水声传感器的灵敏度和环境适应性提出了更高的要求。研发环境适应性强、灵敏度高的光纤水声传感器，对提高大深度海底资源勘探和开发、高精度海洋地形观测以及静音潜艇反潜作战等领域具有重要作用。然而，现有的光纤水声传感器，灵敏度和环境适应性均不能满足实际应用要求。

实用新型内容

本实用新型的目的在于提供一种光纤传感器，能够解决上述提到的至少一个技术问题。具体方案如下：

本实用新型提供一种光纤传感器，包括：

宽带光源；

第一光子晶体光纤及第二光子晶体光纤，所述第一光子晶体光纤一端与所述宽带光源连接，另一端与循环器第一端口连接；所述第二光子晶体光纤一端与所述循环器第二端口连接；

第三光子晶体光纤，该第三光子晶体光纤一端与所述第二光子晶体光纤另一端连接；其中，所述第三光子晶体光纤在纤芯上设有第一光纤光栅区及第二光纤光栅区，且所述第三光子晶体光纤侧表面具有抛磨区，该抛磨区设置于所述第一光纤光栅区及第二光纤光栅区之间；

第四光子晶体光纤，该第四光子晶体光纤一端与所述循环器第三端口连接，另一端与光谱分析仪连接。

可选的，所述抛磨区包括抛磨平面区、第一抛磨过渡区及第二抛磨过渡区，所述抛磨平面区所在平面平行于所述第三光子晶体光纤的纤芯，所述第一抛磨过渡区及第二抛磨过渡区相对设置于所述抛磨平面区的两端。

可选的，所述抛磨区总长度为15-70mm，所述抛磨平面区长度为 10-50mm，所述第一抛磨过渡区及第二抛磨过渡区长度范围分别为5- 15mm。

可选的，所述抛磨区总长度为30mm，所述抛磨平面区长度为 20mm，所述第一抛磨过渡区及第二抛磨过渡区在所述第三光子晶体光纤的轴向投影长度分别为5mm。

可选的，所述第一抛磨过渡区及第二抛磨过渡区所在端面为曲面状。

可选的，所述第一抛磨过渡区及第二抛磨过渡区在所述第三光子晶体光纤的径向投影长度为40-60um。

可选的，所述第一抛磨过渡区及第二抛磨过渡区在所述第三光子晶体光纤的径向投影长度为56um或58um。

可选的，所述第一光纤光栅区与所述第二光纤光栅区中心之间的轴向长度为1-80mm。

可选的，所述第三光子晶体光纤的直径为125um。

可选的，所述第三光子晶体光纤具有多个沿所述第三光子晶体光纤轴向的空气孔，该多个空气孔间隔设置。

本实用新型实施例的上述方案与现有技术相比，至少具有以下有益效果：

1、采用光子晶体光纤为传感平台。光纤传感器灵敏度与光纤的材料和结构密切相关，光子晶体光纤在光纤中引入了空气孔，大大降低了其有效杨氏模量，对压力的敏感性高于普通光纤，可提高传感器灵敏度；

2、采用光纤光栅法布里-珀罗腔结构(FBG-FP)。FBG-FP为双光栅结构，继承了FBG的诸多优点，例如便于制造以及优异的波分复用能力等，且相比于其它F-P结构，可以极大地减少耦合器和熔接点的数量，从而简化光纤传感系统的制造过程；

3、利用侧边抛磨处理光子晶体光纤。FBG-FP腔进行传感时存在固有的腔中光纤和光栅光纤的交叉干扰，本实用新型使用侧边抛磨技术处理FBG-FP腔中的光纤，将FBG-FP腔中圆柱形的光纤抛磨掉一部分包层，降低腔中光纤的有效杨氏模量，使腔中光纤与光栅光纤的灵敏度不同，从而减小干扰。

附图说明

此处的附图被并入说明书中并构成本说明书的一部分，示出了符合本实用新型的实施例，并与说明书一起用于解释本实用新型的原理。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本实用新型的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。在附图中：

图1示出了本实用新型提供的一种光纤传感器的结构示意图；

图2示出了图1所述光纤传感器中第三光子晶体光纤沿轴向的剖面示意图；

图3示出了本实用新型提供的一种光纤传感器的制备方法。

具体实施方式

为了使本实用新型的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本实用新型作进一步地详细描述，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本实用新型保护的范围。

在本实用新型实施例中使用的术语是仅仅出于描述特定实施例的目的，而非旨在限制本实用新型。在本实用新型实施例和所附权利要求书中所使用的单数形式的“一种”、“所述”和“该”也旨在包括多数形式，除非上下文清楚地表示其他含义，“多种”一般包含至少两种。

应当理解，本文中使用的术语“和/或”仅仅是一种描述关联对象的关联关系，表示可以存在三种关系，例如，A和/或B，可以表示：单独存在A，同时存在A和B，单独存在B这三种情况。另外，本文中字符“/”，一般表示前后关联对象是一种“或”的关系。

应当理解，尽管在本实用新型实施例中可能采用术语第一、第二、第三等来描述，但不应限于这些术语。

还需要说明的是，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的商品或者装置不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种商品或者装置所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的商品或者装置中还存在另外的相同要素。

本实用新型提供一种光纤传感器，图1示出了本实用新型实施例提供的一种光纤传感器的结构示意图。如图1所示，所述光纤传感器包括：

宽带光源1；

第一光子晶体光纤2及第二光子晶体光纤6，所述第一光子晶体光纤2一端与所述宽带光源1连接，另一端与循环器3第一端口连接；所述第二光子晶体光纤6一端与所述循环器3第二端口连接。

第三光子晶体光纤7，该第三光子晶体光纤7一端与所述第二光子晶体光纤6另一端连接；其中，所述第三光子晶体光纤7在纤芯70上设有第一光纤光栅区71及第二光纤光栅区72，且所述第三光子晶体光纤7侧表面具有抛磨区73，该抛磨区73设置于所述第一光纤光栅区71 及第二光纤光栅区72之间；

第四光子晶体光纤4，该第四光子晶体光纤4一端与所述循环器3 第三端口连接，另一端与光谱分析仪5连接。

本实用新型中，所述第一光子晶体光纤2、第二光子晶体光纤6、第三光子晶体光纤7、第四光子晶体光纤4可以为具有相同特征，例如纤芯直径相同，的光子晶体光纤，也可以为特征各不相同的光子晶体光纤。所述第三光子晶体光纤直径D₂范围为110-135um。可选的，所述第三光子晶体光纤直径D₂为125um。

所述第一光子晶体光纤2、第二光子晶体光纤6、第三光子晶体光纤7、第四光子晶体光纤4都具有空气孔75，使纤芯周围具有二维晶体结构周期排列的。通过改变光子晶体光纤的结构，在光纤中引入空气孔，大大降低了光纤的有效杨氏模量，增加了轴向应变，使得光子晶体光纤对声压的敏感性高于普通光纤，并且其纤芯和包层具有相同的热膨胀系数，相对普通光纤具有较低的温度敏感性，因此将光子晶体光纤替代普通光纤，并应用于水声探测中，可提高水声传感器灵敏度及温度稳定性。

所述第一光纤光栅区71及第二光纤光栅区72设置于所述第三光子晶体光纤的纤芯上，如图2所示，形成一光纤光栅法布里-珀罗腔结构 (FBG-FP)。本实用新型通过将光纤光栅直接布置在光纤上且为双光栅结构，可以做到全光纤化传感系统，使得这种结构封装的水声传感器探头体积小，在复杂环境下的可靠性高，可降低应用成本，并易于通过波分复用等方式实现大规模阵列复用。且相比于其他法布里-珀罗结构，避免了高难度的熔接，从而使传感系统的制造简化。

所述第一光纤光栅区71中心与第二光纤光栅区72中心之间的距离大于或小于或等于所述抛磨区73总长度。本实用新型实施例中，所述第一光纤光栅区71中心及第二光纤光栅区72中心之间的轴向长度L₃为1-80mm。可选的，所述L₃长度为10mm，15mm，20mm，25mm，30mm，35mm，40mm，45mm，50mm，60mm。所述第一光纤光栅区 71的中心距离所述抛磨区边缘的最短距离L₄为0-10mm；同样的，所述第二光纤光栅区72的中心距离所述抛磨区边缘的最短距离L₄为0- 10mm。

所述抛磨区73包括抛磨平面区730、第一抛磨过渡区731及第二抛磨过渡区732，所述抛磨平面区730所在平面平行于所述第三光子晶体光纤7的纤芯70，所述第一抛磨过渡区731及第二抛磨过渡区732 相对设置于所述抛磨平面区的两端。可选的，所述第一抛磨过渡区731 及第二抛磨过渡区732所在端面分别为曲面，当然，在其它可选的实施方式中，也可以为平面。本实用新型使用侧边抛磨技术处理光纤光栅法布里-珀罗腔结构中的光纤，并维持其余部分的光纤不变，在同等声压下，抛磨部分相比于未抛磨的部分有更大的形变，从而提升传感系统灵敏度；此外侧边抛磨使腔中光纤和光栅光纤的灵敏度不同，减少了侧抛光纤光栅法布里-珀罗腔结构固有的腔中光纤和光栅的交叉干扰。

本实用新型中，所述抛磨区的深度D₁为40-60um。所述抛磨区的深度是指所述第一抛磨过渡区731及第二抛磨过渡区732在所述第三光子晶体光纤的径向投影长度。可选的，所述深度D₁为56um或58um。

所述抛磨区总长度L₀为15-70mm，即所述第一抛磨过渡区L₂到第二抛磨过渡区L₂之间的最大距离。所述抛磨平面区长度L₁为10-50mm，所述第一抛磨过渡区L₂及第二抛磨过渡区L₂长度范围分别为5-15mm。在本实用新型一可选的实施例中，所述长度L₀、L₁、L₂分别为15mm、 5mm、5mm。

在本实用新型一可选的实施例中，所述长度L₀、L₁、L₂分别为 20mm、10mm、5mm。

在本实用新型一可选的实施例中，所述长度L₀、L₁、L₂分别为 30mm、10mm、10mm。

在本实用新型一可选的实施例中，所述长度L₀、L₁、L₂分别为 30mm、20mm、5mm。

在本实用新型一可选的实施例中，所述长度L₀、L₁、L₂分别为 50mm、30mm、10mm。

在本实用新型一可选的实施例中，所述长度L₀、L₁、L₂分别为 70mm、40mm、15mm。

在本实用新型一可选的实施例中，所述长度L₀、L₁、L₂分别为 70mm、50mm、10mm。

在实际应用中，所述宽带光源1发出的光耦合进入所述第一光子晶体光纤2，所述第一光子晶体光纤2中的光通过所述循环器3输出至所述第二光子晶体光纤6，所述第二光子晶体光纤6将光输入至侧抛光纤光栅法布里-珀罗腔结构中，反射回来的光经过所述循环器3进入所述第四光子晶体光纤4中，最终被光谱分析仪5接收并进行处理。

本实用新型提供的光纤传感器采用声压敏感性高于普通光纤的光子晶体光纤作为传感平台，并在该光子晶体光纤上构建高灵敏度FBG-FP 腔来实现微弱声信号探测；为进一步增强灵敏度并减少腔中光纤与光栅光纤的交叉干扰，同时采用侧边抛磨技术处理FBG-FP腔中的光纤，增强腔中光纤在同等声压下的变化。本实用新型的光纤传感器具有灵敏度高、造价低、稳定性和环境适应性好、容易实现微型化等优点，是实现复杂环境下水声探测的可行途径。

根据上述光纤传感器，本实用新型还提供一种光纤传感器的制备方法，如图3所示，所述方法包括如下步骤：

S102，提供第一光子晶体光纤、第二光子晶体光纤、第三光子晶体光纤及第四光子晶体光纤；

在该步骤中，所述第一光子晶体光纤2、第二光子晶体光纤6、第三光子晶体光纤7、第四光子晶体光纤4可以为具有相同特征，例如纤芯直径相同，的光子晶体光纤，也可以为特征各不相同的光子晶体光纤。所述第三光子晶体光纤直径D₂为110-135um。可选的，所述第三光子晶体光纤直径D₂为125um。

所述第一光子晶体光纤2、第二光子晶体光纤6、第三光子晶体光纤7、第四光子晶体光纤4都具有空气孔75，使纤芯周围具有二维晶体结构周期排列的。通过改变光子晶体光纤的结构，在该光纤中引入空气孔，大大降低了光纤的有效杨氏模量，增加了轴向应变，使得光子晶体光纤对声压的敏感性高于普通光纤，并且其纤芯和包层具有相同的热膨胀系数，相对普通光纤具有较低的温度敏感性，因此将光子晶体光纤替代普通光纤，并应用于水声探测中，可提高水声传感器灵敏度及温度稳定性。

S104，对所述第三光子晶体光纤侧表面进行抛磨处理，形成抛磨区；

在该步骤中，将一段光子晶体光纤进行侧边抛磨，去掉部分包层，形成抛磨区。在本实施例中，所述对所述第三光子晶体光纤侧表面进行抛磨处理，形成抛磨区，具体包括：

对所述第三光子晶体光纤侧表面的包层进行抛磨，形成抛磨平面区、第一抛磨过渡区及第二抛磨过渡区，所述抛磨平面区所在平面平行于所述第三光子晶体光纤的纤芯，所述第一抛磨过渡区及第二抛磨过渡区相对设置于所述抛磨平面区的两端。可选的，所述第一抛磨过渡区731及第二抛磨过渡区732所在端面分别为曲面，当然，在其它可选的实施方式中，也可以为平面。

本实用新型使用侧边抛磨技术处理光纤光栅法布里-珀罗腔结构中的光纤，并维持其余部分的光纤不变，在同等声压下，抛磨部分相比于未抛磨的部分有更大的形变，从而提升传感系统灵敏度；此外侧边抛磨使腔中光纤和光栅光纤的灵敏度不同，减少了光纤光栅法布里-珀罗腔结构固有的腔中光纤和光栅的交叉干扰。

在本实用新型一可选的实施例中，所述长度L₀、L₁、L₂分别为70mm、40mm、15mm。

S106，在所述第三光子晶体光纤的纤芯上制作第一光纤光栅区及第二光纤光栅区，所述抛磨区位于所述第一光纤光栅区及第二光纤光栅区之间，形成侧抛光纤光栅法布里-珀罗腔结构；

在该步骤中，利用紫外曝光法在侧抛后的第三光子晶体光纤上在侧抛区域制成两个相距一定距离的第一光纤光栅区及第二光纤光栅区，并形成法布里珀罗腔。本实用新型通过将光纤光栅直接布置在光纤上且为双光栅结构，可以做到全光纤化传感系统，使得这种结构封装的水声传感器探头体积小，在复杂环境下的可靠性高，可降低应用成本，并易于通过波分复用等方式实现大规模阵列复用。且相比于其他法布里-珀罗结构，避免了高难度的熔接，从而使传感系统的制造简化。

其中，所述第一光纤光栅区71及第二光纤光栅区72设置于所述第三光子晶体光纤的纤芯上。所述第一光纤光栅区71中心与第二光纤光栅区72中心之间的距离大于或小于或等于所述抛磨区73总长度。本实用新型实施例中，所述第一光纤光栅区71中心及第二光纤光栅区72中心之间的轴向长度L₃为1-80mm。可选的，所述L₃长度为10mm， 15mm，20mm，25mm，30mm，35mm，40mm，45mm，50mm，60mm。所述第一光纤光栅区71的中心距离所述抛磨区边缘的最短距离L₄为0- 10mm；同样的，所述第二光纤光栅区72的中心距离所述抛磨区边缘的最短距离L₄为0-10mm。

S108，将宽带光源、所述第一光子晶体光纤、循环器、第二光子晶体光纤、第三光子晶体光纤、第四光子晶体光纤及光谱分析仪依次相连，得到所述光纤传感器。

在该步骤中，所述宽带光源发出的光耦合进入所述第一光子晶体光纤，所述第一光子晶体光纤中的光通过所述循环器输出至所述第二光子晶体光纤，所述第二光子晶体光纤将光输入至侧抛光纤光栅法布里-珀罗腔结构中，反射回来的光经过所述循环器进入所述第四光子晶体光纤中，最终被光谱分析仪接收并进行处理。

本实用新型提供的光纤传感器的制备方法及光纤传感器，至少具有以下有益效果：

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本实用新型的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本实用新型进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本实用新型各实施例技术方案的精神和范围。

Claims

1.一种光纤传感器，其特征在于，包括：

宽带光源；

2.根据权利要求1所述的光纤传感器，其特征在于，所述抛磨区包括抛磨平面区、第一抛磨过渡区及第二抛磨过渡区，所述抛磨平面区所在平面平行于所述第三光子晶体光纤的纤芯，所述第一抛磨过渡区及第二抛磨过渡区相对设置于所述抛磨平面区的两端。

3.根据权利要求2所述的光纤传感器，其特征在于，所述第一抛磨过渡区及第二抛磨过渡区所在端面为曲面状。

4.根据权利要求2所述的光纤传感器，其特征在于，所述抛磨区总长度为15-70mm，所述抛磨平面区长度为10-50mm，所述第一抛磨过渡区及第二抛磨过渡区在所述第三光子晶体光纤的轴向投影长度分别为5-15mm。

5.根据权利要求4所述的光纤传感器，其特征在于，所述抛磨区总长度为30mm，所述抛磨平面区长度为20mm，所述第一抛磨过渡区及第二抛磨过渡区在所述第三光子晶体光纤的轴向投影长度分别为5mm。

6.根据权利要求2所述的光纤传感器，其特征在于，所述第一抛磨过渡区及第二抛磨过渡区在所述第三光子晶体光纤的径向投影长度为40-60um。

7.根据权利要求6所述的光纤传感器，其特征在于，所述第一抛磨过渡区及第二抛磨过渡区在所述第三光子晶体光纤的径向投影长度为56um或58um。

8.根据权利要求1所述的光纤传感器，其特征在于，所述第一光纤光栅区与所述第二光纤光栅区中心之间的轴向长度为1-80mm。

9.根据权利要求1所述的光纤传感器，其特征在于，所述第三光子晶体光纤的直径为125um。

10.根据权利要求1所述的光纤传感器，其特征在于，所述第三光子晶体光纤具有多个沿所述第三光子晶体光纤轴向的空气孔，该多个空气孔间隔设置。