[發明專利]包括過渡區的光纖熔錐長周期光柵高靈敏度折射率傳感器及其制造方法

在審

• 申請號: 201410460070.5
• 申請日: 2014-09-11
• 公開（公告）號: CN104237166A
• 公開（公告）日: 2014-12-24
• 發明（設計）人: 張小貝;李揚;殷趙輝;龐拂飛;華陽;劉云啟;王廷云
• 申請（專利權）人: 上海大學
• 主分類號: G01N21/41
• 分類號: G01N21/41;G02B6/02;G02B6/255
• 代理公司: 上海上大專利事務所(普通合伙) 31205
• 代理人: 何文欣

技術領域

本發明涉及一種包括過渡區的光纖熔錐長周期光柵高靈敏度折射率傳感器及其制造方法，屬于光纖器件領域。

背景技術

光纖器件是光纖通信和光纖傳感的關鍵性器件，其發展程度的高低在很大程度上決定著光纖通信和光纖傳感領域的發展。光纖傳感器抗干擾能力強、絕緣性好安全度高、靈敏度高、重量輕體積小易于集成，因而在很多行業比如航天（飛機及航天器各部位的溫度測量、壓力測量等），石油開采（液面高度測量等），電力傳輸（高壓輸電網的電流測量等）等領域均有著廣闊的應用前景。隨著光纖通信和光纖傳感領域的快速發展，對光纖器件的要求也越來越高，具有微尺寸、高靈敏度、快速響應等優勢的新型光纖器件逐漸成為研究的熱點。光纖光柵因其優越的性能己成為目前最具有代表性和最具有發展前途的光纖無源器件之一，新結構、新特性、多功能光纖光柵的研制已經成為必然趨勢。

長周期光纖光柵?(LPFG)?具有插入損耗小、帶寬寬、后向反射低、對外界環境變化的反應靈敏度高、制作簡單、成本低廉等優點，獲得了極大的應用。在傳感領域，由于LPFG的周期長，同向傳輸的纖芯基模和包層模之間存在耦合，其諧振波長和峰值對外界環境的變化非常敏感。熔錐型光纖器件與普通單模光纖SMF（single?mode?fiber）相比，光纖熔錐的很大一部分光場能量以倏逝波的形式在芯外傳播，光進入過渡區部分繼續向前傳輸，過渡區的半徑逐漸減小，隨著半徑的減小，在包層中傳輸的光逐漸增多，在纖芯中傳輸的光逐漸減少，在錐腰傳輸的光波呈指數形式衰減，形成對外部環境的變化極其敏感的漸逝波，可以制成高靈敏光纖傳感器，之后光波重新進入過渡區和單模區傳輸，光也逐漸由包層返回纖芯。因此，光纖熔錐復合型器件的基礎研究具有重要意義。本發明在光纖熔錐上刻寫LPFG，將光纖熔錐和LPFG的優點結合在一起，通過測量其透射峰的諧振波長和峰值的變化進行傳感。因此，可以實現比普通LPFG更高的分辨率、更高的靈敏度以及更大范圍的傳感測量，同時可以通過改進工藝以實現低損耗和高性能傳感。

發明內容

本發明的目的在于提高普通LPFG折射率傳感的靈敏度，提供一種包括過渡區的光纖熔錐長周期光柵高靈敏度折射率傳感器及其制造方法。該傳感器可實現更高的分辨率、更高的靈敏度以及更大范圍的折射率傳感。

為達到上述目的，本發明采用下述技術方案：

一種包括過渡區的光纖熔錐長周期光纖光柵高靈敏度折射率傳感器，包括一根單模光纖、單模光纖經過氫氧火焰拉制成的光纖熔錐以及使用CO₂激光器刻寫在光纖熔錐上的LPFG，其特征在于：所述光纖熔錐，它的很大一部分光場能量以倏逝波的形式在芯外傳播，這部分芯外倏逝場與環境相互作用時，可以感知周圍環境的折射率變化；刻寫范圍包括光纖熔錐過渡區的長周期光纖光柵（LPFG），由于LPFG的周期長，存在同向傳輸的纖芯基模和包層模之間的耦合，其諧振波長和峰值對外界環境的變化非常敏感；在光纖熔錐上刻寫LPFG，將光纖熔錐和LPFG的優點結合在一起，以實現低損耗和高性能的傳感特性。特征在于所述單模光纖（1）包層直徑約為100~150μm，纖芯直徑約為7~10μm；所述纖熔錐過渡區（2）和光纖熔錐的錐腰區域（3）總長為10~15mm，光纖熔錐的錐腰（3）直徑30~80μm，所述長周期光纖光柵（4）長度為15~20mm。

用于制作上述所說的包括過渡區的光纖熔錐長周期光柵折射率傳感器，其制造工藝操作步驟如下：

首先，取一根長度為1m????????????????????????????????????????????????0.2m的單模光纖（1），剝掉該單模光纖（1）中間部分長度為10cm1cm的涂覆層，然后用氫氧火焰拉錐機對其進行拉錐，得到光纖熔錐過渡區（2）和光纖熔錐的錐腰區域（3）；然后把光纖熔錐過渡區（2）和光纖熔錐的錐腰區域（3）固定在CO₂激光器上，光纖熔錐過渡區（2）的兩端分別通過跳線連接光源和光譜儀，然后通過顯微鏡聚焦于光纖熔錐的錐腰區域（3）的中心，用電腦繪制一個長度為15~20mm長周期光纖光柵（4），控制CO₂激光器刻寫長周期光纖光柵（4），通過光譜儀的實時在線測量，得到一個光譜較好的長周期光纖光柵（4）。至此，一種包括過渡區的光纖熔錐長周期光柵折射率傳感器制備完成。

本發明與現有技術相比較，具有如下顯而易見的突出特點和顯著優點：

（1）????光纖熔錐很大一部分光場能量以倏逝波的形式在纖外傳播，倏逝場與環境相互作用可實現高靈敏度感知周圍環境的折射率變化；?