專利名稱：全光纖雙微環(huán)高靈敏度傳感器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
全光纖雙微環(huán)高靈敏度傳感器技術(shù)領(lǐng)域[0001]本實(shí)用新型涉及全光纖雙微環(huán)高靈敏度傳感器，屬于光纖通信、光纖傳感領(lǐng)域。
技術(shù)背景[0002]基于微環(huán)諧振器(簡(jiǎn)稱微環(huán))的光波導(dǎo)器件具有體積小、功能強(qiáng)、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)潔等的優(yōu)點(diǎn)，非常適于大規(guī)模單片緊密集成，同時(shí)能實(shí)現(xiàn)包括濾波器、延遲器、緩存器、波長(zhǎng)復(fù)用/解復(fù)用和傳感器等功能單元，功能強(qiáng)大。基于微環(huán)的傳感器在生物化學(xué)領(lǐng)域，不僅具備高靈敏的傳感特性，而且具有精確的中心工作波長(zhǎng)、平坦的通帶、低損耗、高消光比、大的動(dòng)態(tài)范圍等特點(diǎn)。利用微環(huán)制作的有源和無源器件一直在光纖通信及光纖傳感領(lǐng)域發(fā)揮著重大的作用。[0003]目前，針對(duì)生物化學(xué)傳感領(lǐng)域的傳感器主要集中在平面波導(dǎo)傳感測(cè)量和光纖傳感測(cè)量這兩類光波導(dǎo)測(cè)量。基于平面波導(dǎo)的生物化學(xué)傳感器基于表面鍍上一層對(duì)測(cè)量介質(zhì)敏感的敏感膜，通過測(cè)量敏感膜的不同來測(cè)量傳感介質(zhì)，這種基于平面波導(dǎo)的傳感器易于集成，但其易受外界環(huán)境如電磁場(chǎng)等的干擾，測(cè)量精度也不高。基于光纖的生物化學(xué)傳感器是通過分析在不同傳感介質(zhì)中的輸出光譜來測(cè)量傳感介質(zhì)，這種傳感器不易受電磁場(chǎng)等外界環(huán)境的干擾，而且可以在高溫、高化學(xué)反應(yīng)條件下工作，同時(shí)光纖材料無毒、生物兼容性好。 當(dāng)前光纖生物化學(xué)傳感器主要有多光纖束傳感器、光纖光柵傳感器及單微環(huán)光纖傳感器， 其中多光纖束傳感器及光纖光柵傳感器靈敏度不高，且不易于集成，而單微環(huán)光纖傳感器雖易于集成，但其測(cè)量范圍不寬。實(shí)用新型內(nèi)容[0004]本實(shí)用新型所要解決的技術(shù)問題是針對(duì)目前全光纖傳感器在生物化學(xué)傳感領(lǐng)域的傳感靈敏度不高、測(cè)量范圍不大、不易于集成的問題，從而提出了一種具有高靈敏度的全光纖雙微環(huán)傳感器。[0005]本實(shí)用新型解決技術(shù)其問題所采用的技術(shù)方案是[0006]該全光纖雙微環(huán)高靈敏度傳感器是在第一根錐形微納光纖錐腰的前端部分制作第一個(gè)微環(huán)形腔，在第一根錐形微納光纖錐腰的中間部分彎成一個(gè)半圓，形成一個(gè)U形。[0007]在第二根錐形微納光纖錐腰的中間部分直接彎成一個(gè)半圓，形成一個(gè)U形，彎成U 形的形狀，并與第一根微納光纖的U形部分重疊，利用兩根光纖之間的吸引力，形成第二個(gè)微環(huán)形腔。[0008]第一根錐形微納光纖的兩端和第二根錐形微納光纖的兩端的纖芯直徑、折射率相同，包層直徑、折射率相同，纖芯直徑為4至10 μ m，包層直徑為125 μ m,纖芯折射率為1. 446 至1. 45，包層折射率與纖芯折射率的相對(duì)折射率差為0. 至1%。[0009]第一根錐形微納光纖錐腰部分和第二根錐形微納光纖錐腰部分的直徑相等。[0010]第一根錐形微納光纖錐腰部分和第二根錐形微納光纖錐腰部分中整個(gè)光纖即為-H-* \=t心層。3[0011 ] 第一個(gè)微環(huán)形腔和第二個(gè)微環(huán)形腔的半徑相同或不相同。[0012]本實(shí)用新型所具有的有益效果如下[0013]本實(shí)用新型提出了一種全光纖雙微環(huán)高靈敏度傳感器。該傳感器是基于兩個(gè)微環(huán)級(jí)聯(lián)的全光纖傳感器器，其具有體積小、功能強(qiáng)、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)潔等的優(yōu)點(diǎn)，非常適于大規(guī)模單片緊密集成，不僅具備高靈敏度的特性，而且具有精確的中心工作波長(zhǎng)、平坦的通帶、低損耗、 高消光比、大的動(dòng)態(tài)范圍等特點(diǎn)。與其他基于化學(xué)生物領(lǐng)域的全光纖型傳感器相比，本實(shí)用新型進(jìn)一步提高了傳感器的傳感靈敏度及測(cè)量范圍，且易于集成。


[0014]圖1為全光纖雙微環(huán)高靈敏度傳感器的結(jié)構(gòu)示意圖。[0015]圖2為第一、第二根錐形微納光纖的結(jié)構(gòu)示意圖。[0016]圖3為圖2的A-A剖面圖。[0017]圖4為圖2的B-B剖面圖。[0018]圖5為第一根帶有第一環(huán)形腔和U形的錐形微納光纖的結(jié)構(gòu)示意圖。[0019]圖6為第二根帶有U形的錐形微納光纖的結(jié)構(gòu)示意圖。[0020]圖7為光纖熔融拉錐平臺(tái)。
具體實(shí)施方式
[0021]
以下結(jié)合附圖對(duì)本實(shí)用新型作進(jìn)一步說明。[0022]實(shí)施方式一[0023]該全光纖雙微環(huán)高靈敏度傳感器，如圖1所示，是在第一根錐形微納光纖錐腰的前端部分14制作第一個(gè)微環(huán)形腔31，在第一根錐形微納光纖錐腰的中間部分13彎成一個(gè)半圓，形成一個(gè)U形。[0024]在第二根錐形微納光纖錐腰中間部分23直接彎成一個(gè)半圓，形成一個(gè)U形，并與第一根微納光纖的U形部分重疊，利用兩根光纖之間的吸引力，形成第二個(gè)微環(huán)形腔32。[0025]第一根錐形微納光纖的兩端11、12和第二根錐形微納光纖的兩端21、22的纖芯直徑、折射率相同，包層直徑、折射率相同，纖芯直徑為4至10 μ m，包層直徑為125 μ m,纖芯折射率為1. 446至1. 45，包層折射率與纖芯折射率的相對(duì)折射率差為0. 至1%。[0026]第一根錐形微納光纖錐腰的中間部分13、第一根錐形微納光纖錐腰的前端部分 14、第一根錐形微納光纖錐腰的后端部分15和第二根錐形微納光纖錐腰的中間部分23、第二根錐形微納光纖錐腰的前端部分對(duì)、第二根錐形微納光纖錐腰的后端部分25的直徑相寸。[0027]第一根錐形微納光纖錐腰的中間部分13、第一根錐形微納光纖錐腰的前端14、第一根錐形微納光纖錐腰的后端部分15和第二根錐形微納光纖錐腰的中間部分23、第二根錐形微納光纖錐腰的前端部分對(duì)、第二根錐形微納光纖錐腰的后端部分25中整個(gè)光纖即為芯層。[0028]第一個(gè)微環(huán)形腔31和第二個(gè)微環(huán)形腔32的半徑相同或不相同。[0029]實(shí)施方式二[0030]實(shí)施方式二與實(shí)施方式一的區(qū)別[0031]第一根錐形微納光纖的兩端11、12和第二根錐形微納光纖的兩端21、22的芯層的直徑為10 μ m，折射率為1.45，其包層的直徑為125 μ m，包層折射率與纖芯折射率的相對(duì)折射率差為1%。[0032]在第一根錐形微納光纖錐腰的前端部分14制作第一個(gè)微環(huán)形腔31，微環(huán)形腔31 的半徑為100 μ m，在第一根錐形微納光纖錐腰的中間部分13彎成一個(gè)半圓，形成一個(gè)U形， 其曲率半徑為100 μ m，如圖5所示。[0033]在第二根錐形微納光纖錐腰中間部分23直接彎成一個(gè)半圓，形成U形，其曲率半徑為100 μ m，如圖6所示。[0034]第一個(gè)微環(huán)形腔31和第二個(gè)微環(huán)形腔32的半徑均為100 μ m。[0035]實(shí)施方式三[0036]實(shí)施方式三與實(shí)施方式一的區(qū)別[0037]第一根錐形微納光纖的兩端11、12和第二根錐形微納光纖的兩端21、22的芯層的直徑為4 μ m，折射率為1.446，其包層的直徑為125 μ m，包層折射率與纖芯折射率的相對(duì)折射率差為0. 1%。[0038]在第一根錐形微納光纖錐腰的前端部分14制作第一個(gè)微環(huán)形腔31，微環(huán)形腔31 的半徑為150 μ m，在第一根錐形微納光纖錐腰的中間部分13彎成一個(gè)半圓，形成一個(gè)U形， 其曲率半徑為160 μ m，如圖5所示。[0039]在第二根錐形微納光纖錐腰中間部分23直接彎成一個(gè)半圓，形成U形，其曲率半徑為160 μ m，如圖6所示。[0040]第一個(gè)微環(huán)形腔31的半徑為150 μ m,第二個(gè)微環(huán)形腔32的半徑為160 μ m。[0041]實(shí)施方式四[0042]實(shí)施方式四與實(shí)施方式一的區(qū)別[0043]第一根錐形微納光纖的兩端11、12和第二根錐形微納光纖的兩端21、22的芯層的直徑為7 μ m，折射率為1.448，其包層的直徑為125 μ m，包層折射率與纖芯折射率的相對(duì)折射率差為0.5%。[0044]在第一根錐形微納光纖錐腰的前端部分14制作第一個(gè)微環(huán)形腔31，微環(huán)形腔31 的半徑為120 μ m，在第一根錐形微納光纖錐腰的中間部分13彎成一個(gè)半圓，形成一個(gè)U形， 其曲率半徑為125μπι，如圖5所示。[0045]在第二根錐形微納光纖錐腰中間部分23直接彎成一個(gè)半圓，形成U形，其曲率半徑為125 μ m，如圖6所示。[0046]第一個(gè)微環(huán)形腔31的半徑為120 μ m,第二個(gè)微環(huán)形腔32的半徑為125 μ m。[0047]第一根錐形微納光纖和第二根微納光纖的第一種制作過程，包括以下步驟[0048]步驟一取兩根長(zhǎng)度為5cm的單模光纖，其芯層的直徑為10 μ m，折射率為1.45，其包層的直徑為125 μ m，包層折射率與纖芯折射率的相對(duì)折射率差為1%。[0049]步驟二將一根單模光纖放入光纖熔融拉錐平臺(tái)，并用夾子42、43夾住單模光纖的兩端。[0050]步驟三將火炬44點(diǎn)燃，之后用火炬44融化單模光纖的中間部分，同時(shí)控制移動(dòng)平臺(tái)41向外移動(dòng)，移動(dòng)平臺(tái)41的移動(dòng)速度為0. 085mm/s。[0051]步驟四在控制移動(dòng)平臺(tái)41的同時(shí)，控制火炬44來回移動(dòng)，火炬44的移動(dòng)速度為0.082mm/so[0052]步驟五當(dāng)單模光纖的錐腰部分的直徑為5μπι時(shí)，停止火炬和移動(dòng)平臺(tái)的移動(dòng)，并將火炬的火熄滅并移開，制成一根錐形微納光纖。[0053]步驟六對(duì)步驟五制成的一根錐形微納光纖進(jìn)行退火處理。[0054]步驟七在退火處理后的一根錐形微納光纖的錐腰部分的前端14，利用自纏繞法制作出第一個(gè)微環(huán)形腔31，作為傳感器的傳感微環(huán)，其半徑為100 μ m，同時(shí)，在此錐形微納光纖的中部13進(jìn)行彎曲，并彎成一個(gè)半圓，形成一個(gè)U形，其曲率半徑為ΙΟΟμπι，制成第一根錐形微納光纖。[0055]步驟八重復(fù)步驟二至五，將另一根單模光纖，制作成另一根錐形微納光纖。[0056]步驟九在錐形微納光纖的中部23進(jìn)行彎曲，并彎成一個(gè)半圓，形成另一個(gè)U形，其曲率半徑為100 μ m，制成第二根錐形微納光纖。[0057]將第二根錐形微納光纖的U形部分重疊在第一根錐形微納光纖的U形部分，形成第二個(gè)微環(huán)形腔32，作為傳感器的參考微環(huán)，其半徑為100 μ m。[0058]第一根錐形微納光纖的兩端11、12，其微納部分13、14、15 ；第二根錐形微納光纖的兩端21、22，其微納部分23、24、25及第一個(gè)、第二個(gè)微環(huán)形腔31、32形成一個(gè)全光纖雙微環(huán)高靈敏度傳感器。[0059]第一根錐形微納光纖和第二根微納光纖的第二種制作過程，包括以下步驟[0060]步驟一取兩根長(zhǎng)度為5cm的單模光纖，其芯層的直徑為4 μ m，折射率為1. 446，其包層的直徑為125 μ m，包層折射率與纖芯折射率的相對(duì)折射率差為0. 1%。[0061]步驟二將一根單模光纖放入光纖熔融拉錐平臺(tái)，并用夾子42、43夾住單模光纖的兩端。[0062]步驟三將火炬44點(diǎn)燃，之后用火炬44融化單模光纖的中間部分，同時(shí)控制移動(dòng)平臺(tái)41向外移動(dòng)，移動(dòng)平臺(tái)41的移動(dòng)速度為0. 084mm/s。[0063]步驟四在控制移動(dòng)平臺(tái)41的同時(shí)，控制火炬44來回移動(dòng)，火炬44的移動(dòng)速度為 0.082mm/so[0064]步驟五當(dāng)單模光纖的錐腰部分的直徑為4. 5 μ m時(shí)，停止火炬和移動(dòng)平臺(tái)移動(dòng)，并將火炬的火熄滅并移開，制成一根錐形微納光纖。[0065]步驟六對(duì)步驟五制成的一根錐形微納光纖進(jìn)行退火處理。[0066]步驟七在退火處理后的一根錐形微納光纖的錐腰部分的前端14，利用自纏繞法制作出第一個(gè)微環(huán)形腔31，作為傳感器的傳感微環(huán)，其半徑為150 μ m，同時(shí)，在此錐形微納光纖的中部13進(jìn)行彎曲，并彎成一個(gè)半圓，形成一個(gè)U形，其曲率半徑為160μπι，制成第一根微納光纖。[0067]步驟八重復(fù)步驟二至五，將另一根單模光纖，制作成另一根錐形微納光纖。[0068]步驟九在錐形微納光纖的中部23進(jìn)行彎曲，并彎成一個(gè)半圓，形成另一個(gè)U形，其曲率半徑為160 μ m，制成第二根微納光纖。[0069]將第二根錐形微納光纖的U形部分重疊在第一根錐形微納光纖的U形部分，形成另第二個(gè)微環(huán)形腔32，作為傳感器的參考微環(huán)，其半徑為160 μ m。[0070]第一根錐形微納光纖的兩端11、12，其微納部分13、14、15 ；第二根錐形微納光纖的兩端21、22，其微納部分23、24、25及第一個(gè)、第二個(gè)微環(huán)形腔31、32形成一個(gè)全光纖雙微環(huán)高靈敏度傳感器。[0071]第一根錐形微納光纖和第二根微納光纖的第三種制作過程，包括以下步驟[0072]步驟一，取兩根長(zhǎng)度為5cm的單模光纖，其芯層的直徑為7 μ m，折射率為1. 448，其包層的直徑為125 μ m，包層折射率與纖芯折射率的相對(duì)折射率差為0. 5%。[0073]步驟二，將一根單模光纖放入光纖熔融拉錐平臺(tái)，并用夾子42、43夾住單模光纖的兩端。[0074]步驟三，將火炬44點(diǎn)燃，之后用火炬44融化單模光纖的中間部分，同時(shí)控制移動(dòng)平臺(tái)41向外移動(dòng)，移動(dòng)平臺(tái)41的移動(dòng)速度為0. 085mm/s。[0075]步驟四，在控制移動(dòng)平臺(tái)41的同時(shí)，控制火炬44來回移動(dòng)，火炬44的移動(dòng)速度為 0.082mm/so[0076]步驟五，當(dāng)單模光纖的錐腰部分的直徑為4 μ m時(shí)，停止火炬和移動(dòng)平臺(tái)移動(dòng)，并將火炬的火熄滅并移開，制成一根錐形微納光纖。[0077]步驟六，對(duì)步驟五制成的一根錐形微納光纖進(jìn)行退火處理。[0078]步驟七，在退火處理后的一根錐形微納光纖的錐腰部分的前端14，利用自纏繞法制作出第一個(gè)微環(huán)形腔31，作為傳感器的傳感微環(huán)，其半徑為120 μ m，同時(shí)，在錐形微納光纖的中部13進(jìn)行彎曲，并彎成一個(gè)半圓，形成一個(gè)U形，其曲率半徑為125μπι，制成第一根錐形微納光纖。[0079]步驟八，重復(fù)步驟二至五，將另一根單模光纖，制作成另一根錐形微納光纖。[0080]步驟九，在另一根錐形微納光纖的中部23進(jìn)行彎曲，并彎成一個(gè)半圓，形成另一個(gè)U形，其曲率半徑為125 μ m，制成第二根錐形微納光纖。[0081]將第二根錐形微納光纖的U形部分重疊在第一根錐形微納光纖的U形部分，形成另第二個(gè)微環(huán)形腔32，作為傳感器的參考微環(huán)，其半徑為125 μ m。[0082]第一根錐形微納光纖的兩端11、12，其微納部分13、14、15 ；第二根錐形微納光纖的兩端21、22，其微納部分23、24、25及第一個(gè)、第二個(gè)微環(huán)形腔31、32形成一個(gè)全光纖雙微環(huán)高靈敏度傳感器。
權(quán)利要求1.全光纖雙微環(huán)高靈敏度傳感器，其特征在于該全光纖雙微環(huán)高靈敏度傳感器是在第一根錐形微納光纖錐腰的前端部分(14)制作第一個(gè)微環(huán)形腔(31)，在第一根錐形微納光纖錐腰的中間部分(1 彎成一個(gè)半圓，形成一個(gè)U形；在第二根錐形微納光纖錐腰的中間部分直接彎成一個(gè)半圓，形成一個(gè)U形，并與第一根微納光纖的U形部分重疊，利用兩根光纖之間的吸引力，形成第二個(gè)微環(huán)形腔(32)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的全光纖雙微環(huán)高靈敏度傳感器，其特征在于第一根錐形微納光纖的兩端(11、12)和第二根錐形微納光纖的兩端(21、22)的纖芯直徑、折射率相同，包層直徑、折射率相同，纖芯直徑為4至10 μ m，包層直徑為125 μ m,纖芯折射率為1. 446至1. 45，包層折射率與纖芯折射率的相對(duì)折射率差為0. 至1%。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的全光纖雙微環(huán)高靈敏度傳感器，其特征在于第一根錐形微納光纖錐腰的中間部分(13)、第一根錐形微納光纖錐腰的前端部分 (14)、第一根錐形微納光纖錐腰的后端部分(1 和第二根錐形微納光纖錐腰的中間部分 (23)、第二根錐形微納光纖錐腰的前端部分(M)、第二根錐形微納光纖錐腰的后端部分 (25)的直徑相等。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的全光纖雙微環(huán)高靈敏度傳感器，其特征在于第一根錐形微納光纖錐腰的中間部分(13)、第一根錐形微納光纖錐腰的前端部分 (14)、第一根錐形微納光纖錐腰的后端部分(1 和第二根錐形微納光纖錐腰的中間部分 (23)、第二根錐形微納光纖錐腰的前端部分(M)、第二根錐形微納光纖錐腰的后端部分 (25)中整個(gè)光纖即為芯層。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的全光纖雙微環(huán)高靈敏度傳感器，其特征在于第一個(gè)微環(huán)形腔(31)和第二個(gè)微環(huán)形腔(3 的半徑相同或不相同。
專利摘要全光纖雙微環(huán)高靈敏度傳感器是基于第一、第二根錐形微納光纖制作出的二個(gè)微環(huán)形腔(31、32)級(jí)聯(lián)的器件，在第一根錐形微納光纖錐腰的前端部分(14)制作第一個(gè)微環(huán)形腔(31)并在其錐腰的中間部分(13)彎成一個(gè)半圓，形成一個(gè)U形；在第二根錐形微納光纖錐腰中間部分(23)直接彎成一個(gè)半圓，形成一個(gè)U形，并與第一根微納光纖的U形部分重疊，利用兩根光纖之間的吸引力，形成第二個(gè)微環(huán)形腔(32)，該器件屬于光纖通信、光纖傳感領(lǐng)域。本實(shí)用新型制作工藝簡(jiǎn)單、靈活，能夠很好與通信光纖匹配，減小連接損耗，具有插損低、無偏振依賴性、封裝容易等優(yōu)點(diǎn)，而且由于不需要特殊的材料和昂貴的設(shè)備，制作成本較低，且測(cè)量精度較高，測(cè)量范圍較寬。
文檔編號(hào)G02B6/02GK202330268SQ20112046219
公開日2012年7月11日 申請(qǐng)日期2011年11月18日 優(yōu)先權(quán)日2011年11月18日
發(fā)明者劉超, 孫將, 寧提綱, 李卓軒, 祁春慧, 裴麗, 趙瑞峰, 高嵩 申請(qǐng)人:北京交通大學(xué)