專利名稱：一種微納光纖光柵折射率傳感器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及光纖光柵折射率傳感器領(lǐng)域，特別是一種微納光纖光柵折射率傳感器。
背景技術(shù)：
作為二十世紀(jì)最為重要的光子器件之一，光纖布拉格光柵(簡稱光纖光柵)以其體積小、靈敏度高、波長編碼、抗電磁干擾等優(yōu)點，在光纖傳感和光纖通信領(lǐng)域中得到廣泛應(yīng)用。在折射率以及生物化學(xué)傳感方面，微納光纖光柵將微納光纖與光纖光柵技術(shù)相結(jié)合，一方面可以實現(xiàn)微納光纖大倏逝場與外界進(jìn)行作用，同時，另一方面也可以充分利用光纖光柵的優(yōu)勢，為其外環(huán)境折射率探測提供了良好的條件。因此，在拉錐而成的微納光纖上刻寫光纖光柵已經(jīng)成為行業(yè)發(fā)展的趨勢和主要發(fā)展方向。而微納光纖光柵由于其獨特的性質(zhì)和優(yōu)勢已經(jīng)成為了物理、化學(xué)以及生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域內(nèi)的新的熱點。香港理工大學(xué)的X. Fang等人，采用飛秒激光器，其在小空間區(qū)域內(nèi)擁有極大的光能量，以及超短的間歇時間(飛秒量級)，在微納光纖上刻寫出了光纖光柵，所刻制的光纖直徑可以由2 10 μ m,在光纖直徑為2 μ m處，環(huán)境折射率值為I. 44時，可獲得最大的靈敏度為231. WRIU0聚焦離子束(FIB)蝕刻方式刻寫MFBG也同時被國內(nèi)外研究者提出，此種方式可以獲得很緊湊的結(jié)構(gòu)，并實現(xiàn)折射率傳感。華中科技大學(xué)Y. Zhang等人，采用248nm的KrF準(zhǔn)分子激光器，借助相位掩模板，在直徑為微米量級的具有光敏性的微納光纖上刻制了光纖布拉格光柵。MFBG具有不同于普通光纖布拉格光柵(FBG)的獨特的反射特性,在其反射譜中，除了具有對應(yīng)基模的反射峰(類似于普通FBG)外，還有對應(yīng)于高階模式的反射峰；并且高階模式的反射峰具有靈敏度很高的折射率傳感特性，在實驗中獲得了 102nm/RIU的傳感靈敏度；Yang Ran等人利用193nm準(zhǔn)分子激光器在微納光纖上刻寫布拉格光柵制作折射率傳感器，獲得折射率靈敏度為165nm/RIU ；R. Ahmad等研究者，在硫化物光纖上，采用633nm以及1550nm激光器刻寫出了 MFBG并實現(xiàn)了折射率靈敏度測量。然而，上述基于微納光纖光柵的折射率傳感器，都沒有考慮溫度對微納光纖光柵的影響。事實上，在折射率傳感中，尤其是生物醫(yī)學(xué)的傳感應(yīng)用中，溫度往往是不容忽視的一個影響因素，其作用于微納光纖光柵上所引起的交叉敏感性會導(dǎo)致測量精度和準(zhǔn)確性的降低。而且，尤其在生物體測量中，往往折射率變化是很小的，而溫度變化相對較大。因此，如何消除溫度響應(yīng)，實現(xiàn)真正的完全的折射率傳感測量就顯得尤為必要。將微納光纖光柵與普通光纖光柵串聯(lián)定標(biāo)，可以實現(xiàn)溫度響應(yīng)的消除，但是，引入多個光柵會引起結(jié)構(gòu)上的復(fù)雜化，不適合實際應(yīng)用的需要。而一些基于F-P腔、傾斜光纖光柵、長周期光纖光柵以及光纖腐蝕方法等實現(xiàn)的溫度不敏感的折射率測量器件，都不屬于微納光纖光柵的范疇。
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是克服現(xiàn)有技術(shù)的缺點與不足，提供一種微納光纖光柵折射率傳感器，該傳感器是在具有幾何雙折射特性的微納光纖上寫制而成的光纖光柵，可以排除溫度交叉敏感性，在外環(huán)境折射率測量中的消除溫度干擾，實現(xiàn)對外界環(huán)境折射率的絕對測量，結(jié)構(gòu)緊湊，測量方法簡單。本發(fā)明的目的通過以下技術(shù)方案實現(xiàn)本微納光纖光柵折射率傳感器，包括依次連接的寬帶光源、光耦合元件和微納光纖光柵，以及與光耦合元件連接的波長檢測單元；所述寬帶光源發(fā)出的光信號經(jīng)光稱合兀件后入射微納光纖光柵，經(jīng)微納光纖光柵反射后再次經(jīng)過光耦合元件入射光波長檢測單元；所述微納光纖光柵的透射反射譜線中的兩個偏振態(tài)方向布拉格反射峰的折射率敏感度不同而溫度敏感度相同。所述微納光纖光柵是制備在包層為矩形、類矩形或D型的具有純幾何雙折射的微納尺度的光纖上。 所述微納光纖光柵是通過紫外曝光法、飛秒激光刻寫法、聚焦離子束蝕刻法或紅外曝光法制備。采用兩個偏振態(tài)方向布拉格反射峰之間的波長差對被測折射率進(jìn)行編碼。所述微納光纖的橫截面尺度在10微米以下。所述在寬帶光源和光耦合器之間連接有光偏振控制器。所述光耦合元件為3dB耦合器或光環(huán)形器。所述的微納光纖光柵折射率傳感器通過對兩個偏振態(tài)方向布拉格反射峰的波長差編碼實現(xiàn)傳感與解調(diào)。本發(fā)明的幾何雙折射微納光纖光柵在透射反射譜線上具有屬于兩個偏振態(tài)的布拉格反射峰，可以通過偏振控制器對反射功率進(jìn)行調(diào)諧使之成為同一水平，便于觀察與測量。兩反射峰對溫度具有相同的靈敏度，即在不同溫度作用下，兩反射峰的波長差恒定。而對外環(huán)境折射率的靈敏不同，短波長的反射峰具有更大的折射率靈敏度，即在外環(huán)境折射率升高時，兩反射峰的波長差減小。因此，通過計算兩反射峰的波長差，再由折射率傳感定標(biāo)，可以得到排除溫度影響的折射率測量值。本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有如下優(yōu)點和有益效果I、本發(fā)明采用幾何雙折射微納光纖進(jìn)行光纖光柵刻寫，制成外環(huán)境折射率傳感器，實現(xiàn)折射率測量。相比其他微納光纖光柵傳感器，本發(fā)明通過測定兩個主偏振方向布拉格反射峰波長差值的方法，可消除溫度對光柵帶來的影響，實現(xiàn)完全意義上的外環(huán)境折射
率測量。2、本發(fā)明基于微納光纖光柵結(jié)構(gòu),相比于F-P腔,長周期光柵、腐蝕、傾斜光柵等方法實現(xiàn)溫度不敏感折射率測量，具有更高的折射率傳感靈敏度，解調(diào)方便，實現(xiàn)簡單，結(jié)構(gòu)小巧。3、本發(fā)明采用幾何雙折射微納光纖，雙折射率可以通過不同光纖尺寸來調(diào)節(jié)，越細(xì)的純幾何雙折射微納光纖具有更高的雙折射率，即可以對純幾何雙折射微納光纖光柵兩反射峰初始的波長差進(jìn)行設(shè)計。4、本發(fā)明采用幾何雙折射微納光纖光柵，波長差折射率敏感度也同樣可以通過不同光纖尺寸來設(shè)定，越細(xì)的幾何雙折射微納光纖所寫制的光柵具有更高的波長差折射率靈敏度；此外，光柵反射強(qiáng)度可以接入偏振控制器進(jìn)行調(diào)節(jié)，實現(xiàn)兩峰的反射強(qiáng)度在同一量級，便于測量。


圖I是本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意圖；圖2是幾何雙折射微納光纖光柵的結(jié)構(gòu)示意圖；圖3是幾何雙折射微納光纖光柵的特性原理圖；其中1-幾何雙折射微納光纖光柵；2_光纖橫截面短邊；3_光纖橫截面長邊； 4-光纖纖芯；5_光纖光柵條紋；6_寬帶光源；7_偏振控制器；8-3dB稱合器；9_待測溶液；10-波長檢測單元；11_單模通信光纖。
具體實施例方式下面結(jié)合實施例及附圖對本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)的描述，但本發(fā)明的實施方式不限于此。實施例如圖I所示，本發(fā)明包括依次連接的寬帶光源6、偏振控制器7、3dB耦合器8和幾何雙折射微納光纖光柵1，以及與耦合器8連接的波長檢測單元10 ;寬帶光源6與偏振控制器7之間、偏振控制器7與稱合器8之間、稱合器8與幾何雙折射微納光纖光柵I、稱合器8與波長檢測單元10之間均通過單模通信光纖11連接。寬帶光源6發(fā)出的光信號經(jīng)偏振控制器7和稱合器8后入射幾何雙折射微納光纖光柵I,將幾何雙折射微納光纖光柵I作為傳感頭伸入待測溶液9中，通過與耦合器8連接的波長檢測單元10對幾何雙折射微納光纖光柵I的譜線進(jìn)行檢測。幾何雙折射微納光纖光柵I在包層為矩形的幾何雙折射微納光纖上制備而成，光纖纖芯折射率高于光纖包層折射率。具體是將光纖包層進(jìn)行熔融拉錐加工得到將幾何雙折射微納光纖的外涂覆層除去，然后將光纖兩端固定于光纖夾具之上，用高溫?zé)嵩磳θサ敉馔扛矊拥墓饫w區(qū)域進(jìn)行預(yù)熱，待光纖進(jìn)入熔融狀態(tài)后，用光纖夾具對光纖進(jìn)行左右拉伸，同時高溫?zé)嵩匆灶A(yù)熱區(qū)(即去掉外涂覆層的光纖區(qū)域)為中心左右往返移動，拉伸后的光纖分為兩個部分，一個是直徑漸變過渡區(qū)，另一個是微納光纖區(qū)。高溫?zé)嵩礊槎⊥閲姌尰蚨趸技す馄骰蚋邏弘娀?，產(chǎn)生高溫為1000°C以上。拉錐前的矩形光纖不具有幾何雙折射特性，而拉錐后的微納光纖橫截面的最長邊尺寸不高于10 μ m，具有相當(dāng)量級的幾何雙折射特性，雙折射率隨光纖橫截面尺寸的減小而增大。具有幾何雙折射微納光纖光柵的兩端尾纖與標(biāo)準(zhǔn)光纖熔接。而微納光纖光柵是采用折射率周期調(diào)制方法在幾何雙折射微納光纖上刻寫得出，刻寫方法可選擇紫外曝光、飛秒激光刻寫、聚焦離子束蝕刻、紅外曝光?？虒懗鰜淼奈⒓{光纖光柵，在透射反射譜線上可以觀測到屬于兩個偏振態(tài)方向布拉格反射峰；兩峰之間的波長差與幾何雙折射微納光纖的橫截面尺寸有關(guān)，尺寸越小，波長差越大；橫截面尺寸一定的幾何雙折射微納光纖光柵，通過調(diào)整偏振控制器，可以將屬于兩個偏振態(tài)方向布拉格反射峰調(diào)節(jié)至同一反射功率水平，便于觀察和測量。屬于兩個偏振態(tài)方向布拉格反射峰隨著作用于微納光纖光柵的溫度的升高，都向長波長方向漂移，同時，在此過程中，兩個反射峰的折射率溫度敏感度相同，即兩峰的波長差保持不變；屬于兩個偏振態(tài)方向布拉格反射峰隨著外環(huán)境折射率的提高，也都向長波長方向漂移，然而，在此過程中，兩個反射峰的折射率敏感度不同，短波長反射峰(快軸峰)具有更大的折射率敏感度，因此，即兩峰的波長差隨著外環(huán)境折射率的增大而減小。如圖2所不,幾何雙折射微納光纖光柵I包括光纖纖芯4和光纖光柵條紋5,矩形光纖橫截面的長邊3與矩形光纖橫截面的短邊2的比例為I. 5。當(dāng)矩形光纖被拉錐至矩形光纖橫截面的長邊3為10微米以下時，矩形光纖呈現(xiàn)高幾何雙折射率特性。在此基礎(chǔ)上進(jìn)行光纖光柵加工，可在纖芯和周圍一小部分區(qū)域內(nèi)實現(xiàn)沿軸向周期性的折射率調(diào)制，形成光纖光柵條紋5。如圖3所示，矩形光纖橫截面的短邊2對應(yīng)的軸為快軸，形成短波長反射峰，矩形光纖橫截面的長邊3對應(yīng)的軸為慢軸，形成長波長反射峰。由于幾何雙折射微納光纖光柵I的譜線中的兩個偏振態(tài)布拉格反射峰的溫度敏感度相同，都為12.01pm/°C，因此兩個反射峰的波長差在外環(huán)境折射率不變情況下，只由初始的波長差決定。當(dāng)矩形光纖橫截面的長邊3為4. 8微米時,幾何雙折射微納光纖光柵I的兩個偏振態(tài)所形成的布拉格反射峰波長差可以達(dá)到I. 87nm，可以計算出其幾何雙折射率可以達(dá)到1.7X10_3。而幾何雙折射微納光纖光柵I的譜線中的兩個偏振態(tài)布拉格反射峰的外環(huán)境折射率敏感度不同，快軸所對應(yīng)的短波長峰具有更高的折射率靈敏度，以快軸、慢軸反射峰分別在折射率為I. 36處，對應(yīng)46nm/RIU以及39nm/RIU為例。因此，隨著外環(huán)境折射率升高，兩峰的波長差呈減小的態(tài)勢。兩峰波長差和折射率關(guān)系式為ffs=47. 742 X 1-18. 808 X Ι2_29· 62其中，Ws為兩峰波長差值，I為外環(huán)境折射率值；通過以上關(guān)系式可以測量得到排除溫度影響的外環(huán)境折射率。上述實施例為本發(fā)明較佳的實施方式，但本發(fā)明的實施方式并不受上述實施例的限制，其他的任何未背離本發(fā)明的精神實質(zhì)與原理下所作的改變、修飾、替代、組合、簡化，均應(yīng)為等效的置換方式，都包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。權(quán)利要求
1.一種微納光纖光柵折射率傳感器，其特征在于包括依次連接的寬帶光源、光I禹合元件和微納光纖光柵，以及與光耦合元件連接的波長檢測單元；所述寬帶光源發(fā)出的光信號經(jīng)光耦合元件后入射微納光纖光柵，經(jīng)微納光纖光柵反射后再次經(jīng)過光耦合元件入射光波長檢測單元；所述微納光纖光柵的兩個偏振態(tài)方向布拉格反射峰的折射率敏感度不同而溫度敏感度相同。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的微納光纖光柵折射率傳感器，其特征在于所述微納光纖光柵是制備在包層為矩形、類矩形或D型的具有純幾何雙折射的微納尺度的光纖上。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的微納光纖光柵折射率傳感器，其特征在于所述微納光纖光柵是通過紫外曝光法、飛秒激光刻寫法、聚焦離子束蝕刻法或紅外曝光法制備。
4.根據(jù)權(quán)利要求I所述的微納光纖光柵折射率傳感器，其特征在于采用兩個偏振態(tài)方向布拉格反射峰之間的波長差對被測折射率進(jìn)行編碼。
5.根據(jù)權(quán)利要求I所述的微納光纖光柵折射率傳感器，其特征在于在寬帶光源和光耦合器之間連接有光偏振控制器。
6.根據(jù)權(quán)利要求I所述的微納光纖光柵折射率傳感器，其特征在于所述微納光纖的橫截面尺度在10微米以下。
7.根據(jù)權(quán)利要求I所述的微納光纖光柵折射率傳感器，其特征在于所述光耦合元件為3dB耦合器或光環(huán)形器。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種微納光纖光柵折射率傳感器，包括依次連接的寬帶光源、光耦合元件和微納光纖光柵，以及與光耦合元件連接的波長檢測單元；所述寬帶光源發(fā)出的光信號經(jīng)光耦合元件后入射微納光纖光柵，經(jīng)微納光纖光柵反射后再次經(jīng)過光耦合元件入射光波長檢測單元；所述微納光纖光柵的兩個偏振態(tài)方向布拉格反射峰的折射率敏感度不同而溫度敏感度相同。兩個反射峰對外環(huán)境折射率的靈敏度不同，短波長的反射峰具有更大的折射率靈敏度，即在外環(huán)境折射率升高時，兩反射峰的波長差減小。本發(fā)明結(jié)構(gòu)簡單，實現(xiàn)與解調(diào)方法簡便，測量結(jié)果準(zhǔn)確。
文檔編號G02B6/02GK102721665SQ20121015236
公開日2012年10月10日 申請日期2012年5月16日 優(yōu)先權(quán)日2012年5月16日
發(fā)明者關(guān)柏鷗, 冉洋, 金龍 申請人:暨南大學(xué)