專利名稱：光纖傳感器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種光纖傳感器，具體地說，涉及一種利用納米光柵偏振分束器進(jìn)行分束實現(xiàn)多個環(huán)境參量測量的方法和設(shè)備。
背景技術(shù)：
隨著密集波分復(fù)用技術(shù)、摻鉺光纖放大器技術(shù)和光時分復(fù)用技術(shù)的發(fā)展和成熟，光纖通信技術(shù)正向著超高速、大容量的方向發(fā)展，并且逐步向全光網(wǎng)絡(luò)演進(jìn)。在光通信產(chǎn)業(yè)的迅猛發(fā)展帶動下，對光纖傳感器的研究成為應(yīng)用熱點(diǎn)領(lǐng)域。作為傳感器家族中年輕的一員，與傳統(tǒng)機(jī)電傳感系統(tǒng)相比，由于具有電磁絕緣、高靈敏度、易復(fù)用、輕巧等卓越優(yōu)勢，為工業(yè)生產(chǎn)過程的環(huán)境監(jiān)測提供了一種優(yōu)良的手段。在檢測過程中，通常將敏感元件嵌入被測構(gòu)件機(jī)體和材料中，從而在構(gòu)件或材料常規(guī)工作的同時實現(xiàn)對其安全運(yùn)轉(zhuǎn)、故障等的實時監(jiān)控。而實際的工業(yè)應(yīng)用中往往有多個環(huán)境參量希望得到同時的監(jiān)測。
中國專利CN1331795A提出了一種技術(shù)方案，利用摻雜不同的兩個保偏光纖對環(huán)境參量的響應(yīng)不同實現(xiàn)對溫度和應(yīng)力的測量，保偏光纖由若干段光軸方向依次旋轉(zhuǎn)的光纖熔接在一起組成，從而可以獨(dú)立測量若干個環(huán)境參量。這種結(jié)構(gòu)的缺點(diǎn)是結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，因而成本高，可靠性和穩(wěn)定性也不理想。
成本是目前限制光纖傳感器普及的一個重要因素，降低成本的實用化研究已成為一個熱點(diǎn)和關(guān)鍵。
因此，需要一種既能夠同時測量多個環(huán)境參量，例如電磁場特性、溫度以及應(yīng)力等，而且結(jié)構(gòu)簡單、成本低的傳感器。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是克服傳統(tǒng)光纖傳感器不能對多個環(huán)境參量進(jìn)行測量、成本高等問題，提出一種成本低，結(jié)構(gòu)簡單，可進(jìn)行多個環(huán)境參量的光纖傳感器。
本發(fā)明的目的是這樣實現(xiàn)的一種光纖傳感器，主要包括光源、光纖1、準(zhǔn)直器2、透明玻璃4、納米光柵偏振分束/合束器5、敏感材料6、反射器、檢測器組件，其特征在于光源發(fā)出的光經(jīng)普通單模光纖、準(zhǔn)直器、透明玻璃入射到納米光柵偏振分束/合束器，被分成偏振方向相互垂直的兩束偏振光(S、P)，其中一束S或P偏振光被反射，經(jīng)過全反鏡3又被反射回來，與另一束P或S偏振光一起傳播到另一透明玻璃、反射器、敏感材料，敏感材料放置在兩透明玻璃之間，檢測器組件放置在相應(yīng)位置分別檢測S、P經(jīng)敏感材料之前之后的光強(qiáng)或偏振態(tài)相位，再將檢測的相關(guān)信息送到信號分析單元處理得出環(huán)境參量的變化量。所述反射器為90％、93％或95％的反射鏡組件。
利用新型材料納米光柵將入射紅外激光分成偏振方向相互垂直的兩束偏振光，分別經(jīng)過不同的敏感材料，利用敏感材料的旋光特性、克爾效應(yīng)或者光彈性效應(yīng)等物理過程，對溫度、電磁場以及應(yīng)力環(huán)境參量進(jìn)行探測。敏感材料為熱光、電光、彈光或者旋光性材料，對溫度、電壓或者應(yīng)力等敏感，可以響應(yīng)多個環(huán)境參量?？梢允氰F磁材料，壓電晶體等。
當(dāng)偏振光經(jīng)過光纖傳輸時，環(huán)境參量對光信號的相位(即強(qiáng)度、偏振態(tài)等，以相位為例)產(chǎn)生不同的影響，這一關(guān)系可以用下式表征Δp＝αpΔM+βpΔNΔs＝αsΔM+βsΔN其中Δp為p偏振光的相位變化，αp為p偏振光環(huán)境參量M的變化系數(shù)，βp為p偏振光環(huán)境參量N的變化系數(shù)；Δs為s偏振光的相位變化，αs為s偏振光環(huán)境參量M的變化系數(shù)，βs為s偏振光環(huán)境參量N的變化系數(shù)。由于本發(fā)明采用了兩種不同的敏感材料，αp≠αs，βp≠βs，因此可以保證這個二元一次方程組有解。
探測器組件分別探測到p偏振光和s偏振光的相位變化Δp和Δs，并輸送到智能處理單元經(jīng)過編程處理計算出環(huán)境參量變化ΔM和ΔN。
由于納米光柵對波長不敏感的特性，降低了對激光器的要求，也可以降低光纖傳感器的成本。另外納米光柵偏振分束器具有成本低廉、低插損以及高消光比等特性，可以保證這種光纖傳感器具有高精度和高靈敏度。
本發(fā)明光纖傳感器由于采用了上述的技術(shù)方案，使之與現(xiàn)有技術(shù)光纖傳感器相比，具有以下的優(yōu)點(diǎn)和積極效果①采用兩束偏振方向相互垂直的偏振光進(jìn)入到傳感元件中對多個環(huán)境參量進(jìn)行響應(yīng)。
②新型材料納米光柵對入射非偏振光進(jìn)行偏振分束，不僅可以降低光纖傳感器成本，而且還提高了精度和靈敏度；③在本發(fā)明中，因為不需要保偏光纖，所以抗干擾能力強(qiáng)，而且結(jié)構(gòu)簡化，成本低。目前保偏光纖與普通單模光纖在價格上相差3個數(shù)量級。


圖1-現(xiàn)有的偏振型光纖溫度傳感器；
圖2-本發(fā)明結(jié)構(gòu)示意圖；圖3-本發(fā)明應(yīng)用結(jié)構(gòu)示意圖；圖4-本發(fā)明另一應(yīng)用結(jié)構(gòu)示意圖；圖5-本發(fā)明另一應(yīng)用結(jié)構(gòu)示意圖；圖6-本發(fā)明的封裝結(jié)構(gòu)示意圖；圖7-納米光柵偏振分束/合束器結(jié)構(gòu)圖1；圖8-納米光柵偏振分束/合束器結(jié)構(gòu)圖2；圖9-納米光柵偏振分束示意圖1；納米光學(xué)晶體基片讓非偏振入射光的P偏振光全反射，S偏振光全穿過。
圖10-納米光柵偏振分束示意圖2；納米光學(xué)晶體基片讓非偏振入射光的S偏振光全反射，P偏振光全穿過。
圖11a-納米光柵對非偏振入射光p的散射特性曲線圖；圖11b-納米光柵對非偏振入射光s的散射特性曲線圖。
具體實施例方式
下面結(jié)合附圖和實施例進(jìn)一步說明。
如圖2所示，從激光器中出來的紅外激光經(jīng)過準(zhǔn)直透鏡后在透明玻璃4中無損耗的傳播入射到納米光柵偏振分束器5，被分成偏振方向相互垂直的兩束偏振光，其中一束偏振光被反射，經(jīng)過全反鏡3又被反射回來，與另一束偏振光一起傳播到透明玻璃4、95％反射鏡組件7，之后分別進(jìn)入到不同的敏感材料6。由于不同環(huán)境參量的變化分別引起不同的相位變化，若兩束偏振光分別進(jìn)入兩個敏感材料時，多個環(huán)境參量引起的相位(強(qiáng)度，偏振態(tài)等)變化將會形成一個二元一次方程組。這些信息經(jīng)過檢測單元檢測送到信號處理單元(如計算機(jī))分析計算后，就可以分別得出這些環(huán)境參量的變化量。
另一種實施方案如圖3所示，在兩束偏振光同時進(jìn)入左邊兩個準(zhǔn)直器之前放置兩塊光柵取向相互垂直的人工納米材料，將偏振變化轉(zhuǎn)化為強(qiáng)度量記錄下來。
本發(fā)明的精神還可以應(yīng)用于測量材料的特性參量，如圖4所示。當(dāng)兩束偏振光同時進(jìn)入待測量的凝聚態(tài)或生化材料時，材料特性參量引起的強(qiáng)度，相位或偏振變化可以組成一個二元一次方程組。這些信息經(jīng)過計算機(jī)分析計算后，可以分別得出這些特性參量。右邊的兩個探測器數(shù)據(jù)用來做強(qiáng)度，相位數(shù)據(jù)的校準(zhǔn)。當(dāng)該傳感器需要進(jìn)行相位測量時，激光器發(fā)出的光應(yīng)該是脈沖或者調(diào)制信號。較一般的光纖傳感器，這個設(shè)計可以提供的信息量豐富一倍。精度高，但結(jié)構(gòu)簡單。為了強(qiáng)化待測量的凝聚態(tài)或生化材料的偏振敏感特性(電極化特性)時，可以在待測量材料的東西向或者南北向加一個靜態(tài)的或者交變電場，如圖5所示。
圖6所示為一種封裝方式，陰影框中所有的內(nèi)部單元都是無源組件，并被固定在精密配合的一個耐高溫的外封裝盒內(nèi)；因此該傳感器探頭可應(yīng)用于強(qiáng)電場，高溫等各種惡劣環(huán)境。傳感器探頭與信號處理單元及光源/探測器等之間用一條多芯光纜連接。
實現(xiàn)這些結(jié)構(gòu)的一個關(guān)鍵器件是納米光柵偏振分束器，該器件偏振分光性能優(yōu)異，兩束偏振光的分光距離(Walk off)、角度可調(diào)范圍大，如表所示。這一特性保證可以讓兩束偏振光以較大的分光距離分別經(jīng)過敏感材料1和2。

它可以有以下兩種結(jié)構(gòu)1.如圖7所示，厚的金屬柵條(如金或者鋁等)直接沉積在襯底(通常為二氧化硅等介質(zhì)材料)表面上，形成的一種周期在亞微米量級的周期結(jié)構(gòu)。由于等離子體偏振激發(fā)效應(yīng)的作用，不同于平常的布拉格反射規(guī)律(對入射光波長敏感)，這種周期結(jié)構(gòu)對入射光的偏振方向非常敏感，能將偏振方向垂直于金屬柵條方向的偏振光完全反射(如圖9P偏振光和如圖10S偏振光)，偏振方向平行于金屬柵條方向的偏振光則被透射(如圖9S偏振光和如圖10P偏振光)。這種結(jié)構(gòu)具有插損小，消光比高，成本低廉等多種優(yōu)點(diǎn)。缺點(diǎn)是引入金屬柵條后會造成這種人工材料的表面十分脆弱。以前雖然已有人嘗試在光柵上做保護(hù)膜，但保護(hù)膜在金屬柵上附著太差。
2.如圖8所示，將厚的金屬柵條沉積在與襯底同質(zhì)的介質(zhì)周期結(jié)構(gòu)的溝槽底部。這種結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)在于克服了圖7結(jié)構(gòu)的表面脆弱的缺點(diǎn)，將保護(hù)膜蓋在介質(zhì)表面。目前光迅已就這種結(jié)構(gòu)申請了有關(guān)專利，圖11a給出了這種結(jié)構(gòu)對P光的散射系數(shù)-入射角度曲線圖，圖11b給出了這種結(jié)構(gòu)對S光的散射系數(shù)-入射角度曲線圖。
權(quán)利要求
1.一種光纖傳感器，主要包括光源、光纖、準(zhǔn)直器、透明玻璃、納米光柵偏振分束/合束器、敏感材料、反射器、檢測器組件，其特征在于光源發(fā)出的光經(jīng)光纖、準(zhǔn)直器、透明玻璃入射到納米光柵偏振分束/合束器，被分成偏振方向相互垂直的兩束偏振光(S、P)，其中一束S或P偏振光被反射，經(jīng)過全反鏡又被反射回來，與另一束P或S偏振光一起傳播到另一透明玻璃、反射器、敏感材料，敏感材料放置在兩透明玻璃之間，檢測器組件放置在相應(yīng)位置分別檢測S、P經(jīng)敏感材料之前之后的光強(qiáng)或偏振態(tài)相位，再將檢測的相關(guān)信息送到信號分析單元處理得出兩個環(huán)境參量的變化量。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的光纖傳感器，其特征在于所述反射器為90％、93％或95％的反射鏡組件。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的光纖傳感器，其特征在于S、P偏振光所經(jīng)過的敏感材料為兩種不同的敏感材料，也就是說偏振光的環(huán)境參量變化系數(shù)不同。
4.根據(jù)權(quán)利要求1、2或3所述的光纖傳感器，其特征在于所述的納米光柵偏振分束/合束器的結(jié)構(gòu)為厚的金屬柵條直接沉積在以二氧化硅等介質(zhì)為襯底的表面上，形成一種周期在亞微米量級的周期結(jié)構(gòu)。
5.根據(jù)權(quán)利要求1、2或3所述的光纖傳感器，其特征在于所述的納米光柵偏振分束/合束器的結(jié)構(gòu)為厚的金屬柵條沉積在與襯底同質(zhì)的介質(zhì)周期結(jié)構(gòu)的溝槽底部，其上覆蓋了一層與襯底同質(zhì)的保護(hù)層。
6.根據(jù)權(quán)利要求4所述的光纖傳感器，其特征在于所述的納米光柵偏振分束/合束器的分光距離在7-20mm之間，角度可調(diào)范圍在5-25度。
7.根據(jù)權(quán)利要求5所述的光纖傳感器，其特征在于所述的納米光柵偏振分束/合束器的分光距離在7-20mm之間，角度可調(diào)范圍在5-25度。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種光纖傳感器，主要采用納米光柵偏振分束器將入射光分成偏振方向垂直的兩束線偏振光，這兩束偏振光分別經(jīng)過一、兩次反射后通過一個95％的反射鏡，在反射鏡的另一端分別用兩個檢測器單元接收5％的光強(qiáng)作為參考光，反射回來的兩束偏振光分別經(jīng)過兩塊不同的敏感材料，用于響應(yīng)一個或者多個環(huán)境參量。本發(fā)明與傳統(tǒng)的光纖傳感器相比，這一結(jié)構(gòu)能同時獨(dú)立測試多個環(huán)境參量，不僅具有偏振型光纖傳感器對環(huán)境參量敏感度高的特點(diǎn)，而且對敏感材料的選用和環(huán)境變化的解析將更加清晰。本發(fā)明不需要使用保偏光纖，所以抗干擾能力強(qiáng)，并具有體積小，結(jié)構(gòu)簡單，成本低等優(yōu)點(diǎn)。
文檔編號G02B5/12GK1587913SQ20041006082
公開日2005年3月2日 申請日期2004年9月9日 優(yōu)先權(quán)日2004年9月9日
發(fā)明者劉 文, 劉青, 周立兵, 楊濤 申請人:武漢光迅科技有限責(zé)任公司