專利名稱：光波導(dǎo)環(huán)境傳感器和制造方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明一般涉及光波導(dǎo)環(huán)境傳感器及其制造方法，并且具體地涉及光子帶隙 光纖形式的傳感器，該光子帶隙光纖具有把空芯暴露于周圍環(huán)境中的長(zhǎng)形側(cè)開口。
背景技術(shù)：
空芯光纖形式的環(huán)境傳感器在現(xiàn)有技術(shù)中己知。用于這種傳感器的光纖的空
芯通常以光子帶隙結(jié)構(gòu)(PBG)圍繞空芯的方式傳導(dǎo)光，所述光子帶隙結(jié)構(gòu)具有 對(duì)應(yīng)于通過(guò)光纖傳輸?shù)墓獾牟ㄩL(zhǎng)的"禁止頻率范圍"，雖然經(jīng)全部?jī)?nèi)反射(TIR)傳 導(dǎo)特定波長(zhǎng)范圍光的空芯光纖也是已知的。這種傳感器可用來(lái)感測(cè)周圍環(huán)境中存 在的特定氣體或液體，例如，可指示火災(zāi)或其他不安全狀況的周圍空氣中一定閾值 量的二氧化碳。在' -現(xiàn)有技術(shù)設(shè)計(jì)中，在光纖的一端或兩端光纖空芯暴露于周圍 環(huán)境中，使得周圍環(huán)境中的氣體連續(xù)流入光纖的空芯。在操作中，具有被特定氣 體成分吸收的波長(zhǎng)的激光通過(guò)光纖空芯被連續(xù)傳導(dǎo)。在該氣體從周圍環(huán)境導(dǎo)入光 纖開口端時(shí)，它開始流經(jīng)空芯，經(jīng)空芯傳輸?shù)募す庹穹蚬獗粴怏w吸收而減弱。 在前面提到的二氧化碳例子中，光振幅減弱到低于某一閾值可用來(lái)產(chǎn)生信號(hào)，觸發(fā) 火災(zāi)警報(bào)電路。
該種環(huán)境傳感器可用來(lái)檢測(cè)大氣中種類繁多的各種不同的氣體成分、有機(jī)顆 粒和無(wú)機(jī)物顆?；蛘羝旱危踔猎诠饫w浸入液體時(shí)這種環(huán)境傳感器可用來(lái)檢測(cè)不 同的液體成分。因此該傳感器應(yīng)用范圍廣泛，不僅可作為燃燒物或污染物或潛在 有毒物質(zhì)的檢測(cè)器，而且在需要控制特定氣體或液體成分的工業(yè)制造過(guò)程中作為控 制或監(jiān)測(cè)傳感器。遺憾的是，該現(xiàn)有技術(shù)光纖環(huán)境傳感器有許多的缺點(diǎn)。正如前面指出的，只 是在光纖的--端或兩端接觸周圍環(huán)境，而暴露于外面大氣中的中空部分直徑相對(duì)很 微小。這種對(duì)傳感器光纖空芯的有限接觸導(dǎo)致該傳感器需相對(duì)長(zhǎng)的響應(yīng)時(shí)間檢測(cè) 到特定"目標(biāo)"氣體或液體。例如，對(duì)于具有21厘米長(zhǎng)度的己知光纖傳感器， 從目標(biāo)氣體或液體最初導(dǎo)入光纖空芯的時(shí)間到在光纖傳感器產(chǎn)生表明存在目標(biāo)氣體
或液體的信號(hào)，需要2分鐘的響應(yīng)時(shí)間。這樣長(zhǎng)的響應(yīng)時(shí)間限制了該種傳感器在 許多應(yīng)用中的使用，如在化學(xué)制造應(yīng)用中，2分鐘延遲可能導(dǎo)致對(duì)昂貴的組合物生 產(chǎn)操作造成無(wú)可挽回的破壞。
迄今，未發(fā)現(xiàn)縮短該種傳感器響應(yīng)時(shí)間的滿意方法。當(dāng)然，光纖傳感器的長(zhǎng) 度可能被縮短，但該縮短不僅降低傳感器的靈敏度(靈敏度同空芯體積成正比)而 且使它容易產(chǎn)生誤報(bào)(如在1厘米煙霧檢測(cè)器周圍一根煙巻產(chǎn)生的一縷煙可觸發(fā) 它)。
縮短響應(yīng)時(shí)間的另一個(gè)方案可以是增加光纖空氣芯的直徑。通過(guò)使用經(jīng)掠入 射散射導(dǎo)光的具有1.0毫米量級(jí)直徑的空芯的毛細(xì)管而不是使用TIR或PBG可實(shí) 現(xiàn)該方案。但是，該種毛細(xì)管光波導(dǎo)具有高于1分貝/米的光損耗，這對(duì)該傳感器 的長(zhǎng)度產(chǎn)生實(shí)際限制，并且該種毛細(xì)管光波導(dǎo)相對(duì)僵硬而不柔軟，在需要傳感器進(jìn) 行銳彎或緊巻的空間有限的地方難以進(jìn)行安裝。為了降低與毛細(xì)管設(shè)計(jì)相關(guān)的損 耗，管的中空內(nèi)部可涂有具有明顯不同折射率的材料的交替層由此形成布拉格 (Bragg)反射器，或涂有折射率小于空氣的單層材料。然而，制造該涂層毛細(xì)管比 制造拉制光纖要昂貴得多。此外，損耗仍將大于0.5分貝/米，而與僵硬不柔軟有 關(guān)的問(wèn)題仍然存在。此外，很多光感測(cè)操作依賴非線性光效應(yīng)(例如，拉曼光 譜)，其靈敏度與光信號(hào)的強(qiáng)度(單位面積上的功率)成正比。較大的光芯將導(dǎo) 致芯中的光強(qiáng)度降低，降低的系數(shù)與芯直徑的平方成正比，由此使設(shè)備靈敏度以同 樣的系數(shù)降低。最后，已有提議在光纖中用激光鉆出若干圓形側(cè)孔以更好地將空芯暴露于周 圍大氣中。雖然該方案可能縮短光纖傳感器的響應(yīng)時(shí)間，但因?yàn)榕c空芯的接觸仍 然十分有限這一事實(shí)導(dǎo)致響應(yīng)時(shí)間將仍然過(guò)長(zhǎng)。此外，該現(xiàn)有技術(shù)中存在一個(gè)問(wèn) 題，這些徑向側(cè)面開口產(chǎn)生"光泄漏"，限制了在光纖中能夠打出的側(cè)口的數(shù)量， 以防止產(chǎn)生的損耗過(guò)高而不可接受。
顯然，需要的是光波導(dǎo)環(huán)境傳感器，該傳感器保持光纖的低損耗，柔軟和易 于制造的特點(diǎn)，而又大大地縮短與光纖環(huán)境傳感器相關(guān)的響應(yīng)時(shí)間，該光纖環(huán)境傳 感器依賴相對(duì)少量的端孔或側(cè)孔使光纖空芯暴露于周圍環(huán)境中。
發(fā)明概述
一般而言，本發(fā)明是一種克服了上述與現(xiàn)有技術(shù)相關(guān)的缺點(diǎn)的光波導(dǎo)環(huán)境傳 感器。為此，本發(fā)明的環(huán)境傳感器包括具有空芯部分的包層和上述包層中至少一個(gè) 長(zhǎng)形側(cè)開口，所述的空芯部分沿著或平行于所述包層的縱向中心軸延仲、并界定通 過(guò)光導(dǎo)的光傳輸路徑，所述的長(zhǎng)形側(cè)開口平行于所述縱向中心軸延伸并直接使所述 空芯部分的側(cè)面的全部或大部分暴露于周圍環(huán)境，其中所述空芯部分和所述長(zhǎng)形開
口支持至少一個(gè)束縛限制光模(bound optical mode)。 光波導(dǎo)最好是包括包圍 所述空芯部分的光子帶隙結(jié)構(gòu)的光纖。光子帶隙結(jié)構(gòu)可采用布拉格反射器的形式 (所述布拉格反射器包括具有明顯不同折射率的材料交替層)，或折射率周期變化 的微結(jié)構(gòu)材料的形式。在操作中，當(dāng)來(lái)自周圍環(huán)境的氣體或液體填充到所述空芯 部分和所述包層中長(zhǎng)形開口中時(shí)，所述空芯部分和長(zhǎng)形開口分別形成光脊波導(dǎo)傳感 器的脊(ridge)和板(slab)，所述光脊波導(dǎo)傳感器將光模束縛限制到所述空芯部分。
長(zhǎng)形開口最好延伸大部分的或全部的波導(dǎo)長(zhǎng)度，以便將空芯部分側(cè)面最大程 度地暴露于周圍環(huán)境并使檢測(cè)響應(yīng)時(shí)間最小，最好是數(shù)秒或更少。光波導(dǎo)可具有 多個(gè)這樣的長(zhǎng)形開口，每個(gè)都使空芯部分側(cè)面暴露于周圍環(huán)境并進(jìn)一步降低響應(yīng)時(shí) 間。為了消除光雙折射，可圍繞所述包層對(duì)稱設(shè)置多個(gè)長(zhǎng)形開口。所述長(zhǎng)形開口可采用具有平行側(cè)壁的溝形槽的形式。該溝形開口可僅沿著包 層的一個(gè)側(cè)面延伸到所述空芯部分，或完全穿過(guò)所述包層由此暴露所述空芯部分的 兩個(gè)側(cè)面?？蛇x地，可以這樣形成所述長(zhǎng)形開口通過(guò)移去包層的楔形部分以使 當(dāng)從橫截面觀看所述波導(dǎo)時(shí),開口的側(cè)壁相互之間以--個(gè)角度設(shè)置。最后，還可以 這樣形成所述長(zhǎng)形開口移去包層的平側(cè)部分以使長(zhǎng)形開口的側(cè)壁共平面，由此使 當(dāng)從橫截面觀看時(shí)光纖感測(cè)器的形狀為"D"形。當(dāng)以上述方式形成所述長(zhǎng)形開口 時(shí)，光纖最好以螺旋形式繞半徑折彎，彎曲內(nèi)部平側(cè)為"D"形，以降低形成的光 纖中的光損耗，因?yàn)橥ㄟ^(guò)產(chǎn)生的脊波導(dǎo)傳導(dǎo)的光模受空芯部分該開口結(jié)構(gòu)的約束更 弱。
本發(fā)明的光纖傳感器還可有多個(gè)空芯，該多個(gè)空芯最好彼此光耦合。例如， 在本實(shí)施方式中，通過(guò)一個(gè)或多個(gè)長(zhǎng)形開口將一個(gè)或全部空芯部分暴露于周圍環(huán)境 中。例如，在該種傳感器中， 一個(gè)孔可能與環(huán)境隔離當(dāng)作參比光路，而其他一個(gè) 或多個(gè)芯可暴露于環(huán)境，由此產(chǎn)生干涉測(cè)量傳感器，其中參比光路中的光將干涉所 述感測(cè)光路中的光，產(chǎn)生與目標(biāo)氣體或液體標(biāo)本濃度相關(guān)的信號(hào)。根據(jù)本發(fā)明的 這些實(shí)施方式的這種差分或干涉?zhèn)鞲衅髂軌蛳T如溫度和壓力的其他環(huán)境變化的 影響。
最后，本發(fā)明還包括光波導(dǎo)環(huán)境傳感器的制造方法，其包括步驟由光傳導(dǎo)
材料形成包含由光子帶隙結(jié)構(gòu)包圍的空芯部分的長(zhǎng)形光波導(dǎo)，在所述波導(dǎo)側(cè)面形成
與所述波導(dǎo)的縱軸平行的長(zhǎng)形開口，該長(zhǎng)形開口將所述空芯部分暴露于周圍環(huán)境
中。最好是，形成所述長(zhǎng)形光波導(dǎo)的步驟通過(guò)從光傳導(dǎo)材料拉制空芯光子帶隙光
纖實(shí)現(xiàn)，而形成所述長(zhǎng)形開口的步驟通過(guò)在所述光纖的側(cè)壁中化學(xué)蝕刻出所述開口
實(shí)現(xiàn)。當(dāng)使用這種化學(xué)蝕刻形成所述長(zhǎng)形開口時(shí)，在所述光纖的.,'j可提供具有 高蝕刻率的玻璃組合物以便于在所述光纖的側(cè)壁中化學(xué)蝕刻所述開口?？蛇x地，
可通過(guò)在所述光纖的一個(gè)側(cè)壁中激光加工(例如鉆)所述開口，形成所述長(zhǎng)形開 口。 在此使用的術(shù)語(yǔ)"激光加工"，包括但不限于激光輔助的材料移除、材料重 新分配和材料變性的各種方式。


圖1是在報(bào)警系統(tǒng)中操作的本發(fā)明光纖環(huán)境傳感器的透視圖。
圖2A-2G是光纖傳感器不同實(shí)施方式的橫向截面圖，其中所述空芯位于構(gòu)成 微結(jié)構(gòu)的點(diǎn)陣的中心，并且所述長(zhǎng)形側(cè)面開口的形式為沿著點(diǎn)陣X軸的半徑槽、 半弦槽、直徑槽和弦槽。
圖3A-3F是光纖傳感器不同實(shí)施方式的橫向截面圖，其中所述空芯位于構(gòu)成 微結(jié)構(gòu)的點(diǎn)陣的中心，并且所述長(zhǎng)形側(cè)面開口的形式為沿著點(diǎn)陣Y軸的半徑槽、 半弦槽、直徑槽和弦槽。
圖4A-4C是光纖傳感器不同實(shí)施方式的橫向截面圖，其中所述空芯位于構(gòu)成 微結(jié)構(gòu)的點(diǎn)陣的中心，所述長(zhǎng)形側(cè)面開口的形式為三個(gè)半徑槽，該三個(gè)半徑槽彼此 間120度均勻設(shè)置，并且相對(duì)于所述芯對(duì)稱設(shè)置，以消除雙折射。
圖4D和4E是光纖傳感器不同實(shí)施方式的橫向截面圖，其中所述空芯分別為 六角形和三角形，并且不在構(gòu)成微結(jié)構(gòu)的點(diǎn)陣的中心，并且其中長(zhǎng)形側(cè)面開口的形 式為弦槽。
圖4F是前體光纖的橫向截面圖，該前體光纖具有偏置的空芯，以便于將其激 光加工或化學(xué)蝕刻成為本發(fā)明的光纖傳感器。
圖5A-5C圖示了用于圖2D所示實(shí)施方式、具有窄水平槽的光子帶隙光纖、 和圖3C所示實(shí)施方式的在10%、 30%、 50%、 70%和90。/。計(jì)算基本光模處的
光強(qiáng)度輪廓圖， -般性地圖示說(shuō)明了由本發(fā)明的不同實(shí)施方式提供的模限制量。圖6A-6D是用于感測(cè)周圍液體的光纖傳感器的不同實(shí)施方式的橫向截面圖， 其中所述長(zhǎng)形側(cè)面開口采用半徑槽或直徑槽的形式，并且以氣孔或高折射率的玻 璃、液體或塑料的圖形形成點(diǎn)陣。
圖7A是同圖2A所示實(shí)施方式結(jié)構(gòu)相似的光纖傳感器的實(shí)施方式的橫向截面 圖，但其中所述長(zhǎng)形側(cè)面開口采用半徑槽、楔形槽的形式。
圖7B-7F是具有諸如內(nèi)部空隙、容易蝕刻玻璃和薄包層壁之類特征以方便將 這些前體光纖轉(zhuǎn)化為本發(fā)明光纖傳感器的不同前體光纖設(shè)計(jì)的橫向截面圖。
圖8A和8B示出光纖傳感器及其預(yù)制棒的兩個(gè)不同實(shí)施方式，其中光纖傳感 器被包在上包層中以方便制造。
圖8C-8F是點(diǎn)陣內(nèi)有兩個(gè)空芯的光纖傳感器的不同實(shí)施方式的橫向截面圖， 其中這些空芯中的--個(gè)或多個(gè)通過(guò)直徑槽或半徑槽暴露于周圍環(huán)境中。
圖9A-9C是具有一個(gè)或兩個(gè)偏心空芯的光纖傳感器的不同實(shí)施方式的橫向截 面圖，其中所述長(zhǎng)形側(cè)面開口采用除去包層的平側(cè)部分的形式，以將一個(gè)或多個(gè)空 芯暴露于周圍環(huán)境中，使產(chǎn)生的光纖具有"D"形的橫截面。
圖10是類似于圖9A-9C所示的光纖傳感器的實(shí)施方式的截面示意圖，區(qū)別 在于所述光纖只具有一個(gè)中心設(shè)置的氣芯，其中所述光纖被盤巻以使其開口側(cè)形成 盤管的內(nèi)徑，以便更好地限制所述芯中的光模。
圖11A-11C是彎曲半徑分別為1000毫米、10毫米和5毫米的圖10所示相 似結(jié)構(gòu)在基本光模為10%, 30%， 50%, 70%和90%處用光學(xué)輪廓線表示的強(qiáng)度分 布，-^般性地圖解說(shuō)明模限制如何隨著彎曲半徑減少而改善。圖12A和12B是用于比較沒(méi)有長(zhǎng)形開口因此也無(wú)空氣板(air slab)的光子
帶隙光纖傳感器與本發(fā)明的光子帶隙光纖傳感器的帶隙圖；以及
圖13A-13F示出了與本發(fā)明的圖12B相同的實(shí)施方式的不同導(dǎo)向模(guided mode)。
優(yōu)選實(shí)施方式的說(shuō)明
現(xiàn)在參照?qǐng)D1，其中所有圖中相同的編號(hào)代表相同部件，本發(fā)明的光波導(dǎo)傳 感器1優(yōu)選包括具有點(diǎn)陣型微結(jié)構(gòu)7 (下文中稱為包層7)的光子帶隙光纖3。包 層7包括具有不同折射率的不同光傳導(dǎo)材料的圖形，如在光纖3中心中存在的二 氧化硅中的氣孔8的圖形(如圖2A-4F戶萬(wàn)示)。可選地，包層7可以由兩種不同 實(shí)心光傳導(dǎo)材料的交替圖形構(gòu)成，諸如兩種不同類型的玻璃，或一種玻璃材料和--種塑料材料。最后，包層7可以由這些材料的交替層組成，只要該兩種材料的折 射率之差能有效地產(chǎn)生將至少.-個(gè)光模限制在空芯5中的"禁區(qū)"。包層7又由 護(hù)套9包圍。護(hù)套9包括長(zhǎng)形側(cè)面開口 11。在本例子中，它是基本上沿光纖3長(zhǎng) 度延仲的槽13。槽13相對(duì)于光纖3的圓形橫截面徑向定向并使空芯5暴露于周圍 環(huán)境(在該例子中其為周圍大氣)中?？招?和槽13—起構(gòu)成導(dǎo)引由所述聯(lián)合光 結(jié)構(gòu)支持的光模的波導(dǎo)?？招?是槽13的局部放大，使得至少一個(gè)光模由局部 化到上述放大區(qū)域中的大部分能量所支持。上述光模具有放大區(qū)域中50%以上， 最好75%以上的能量。在操作中，使得環(huán)境氣體15連續(xù)流經(jīng)槽13并進(jìn)入光纖的 空芯5中。光源17(例如，激光)光耦合到光纖3的一端并穿過(guò)空芯5投射光束 19。光源17可包括準(zhǔn)單色激光源、多激光源(共同傳播或反傳播)、寬帶光源 (如鎢絲鹵燈、發(fā)光棒、頻譜燈等)、發(fā)光二極管或感測(cè)應(yīng)用中使用的任何其他光 源?？招?和徑向定向的槽13共同支持至少一個(gè)光模，更具體地分別起到光脊波 導(dǎo)的脊和板的作用，該光脊波導(dǎo)支持一半以上光能限制在由空芯5和與其直接相 鄰的徑向定向槽13部分確定的區(qū)域內(nèi)的至少一個(gè)光模的傳播。在此情況下的板沒(méi) 有終止于護(hù)套9的外表面處和長(zhǎng)形側(cè)面開口 11的末端，而是繼續(xù)進(jìn)入周圍大氣， 由此形成.-個(gè)"半無(wú)限"的板。選擇光束19 (例如激光)的中心頻率以便可被周圍空氣15中的目標(biāo)氣體、液體或顆粒物質(zhì)所吸收或改性。例如，如果光波導(dǎo)傳感 器正用作火災(zāi)檢測(cè)器，可選擇光束19的中心頻率以便被二氧化碳吸收。光傳感
器21可以是光電晶體管，其接收離開光子帶隙光纖3相反端的激光光束19，并產(chǎn) 生振幅依賴于離開光子帶隙光纖3的相反端的激光光束19振幅的電信號(hào)。光傳感 器21又與數(shù)字處理器電路23連接，該電路連續(xù)監(jiān)測(cè)光傳感器21產(chǎn)生的電信號(hào)的 振幅。將處理器電路23編程，使得當(dāng)由光傳感器21接收的信號(hào)的振幅值低于所 選擇的閾值時(shí)，觸發(fā)報(bào)警電路(未示出)。
另外，可以利用更完善的檢測(cè)方法強(qiáng)化傳感器的靈敏度、選擇性或增加其功 能。這些方案包括但不限于差分檢測(cè)(包括多波長(zhǎng)或多光學(xué)路徑)、非線性光譜 學(xué)(包括拉曼、相干反斯托克斯拉曼散射、布里淵散射)干涉儀檢測(cè)、基于偏振 的檢測(cè)、模態(tài)檢測(cè)、分布式感測(cè)(利用非線性效應(yīng)、散射或光學(xué)時(shí)域反射)、多波 長(zhǎng)檢測(cè)或這些方案的組合。
因?yàn)楣庾訋豆饫w3中的長(zhǎng)形側(cè)面開口 11幾乎立即讓周圍氣體15進(jìn)入光纖 3的空芯5，光波導(dǎo)感測(cè)器1的響應(yīng)時(shí)間幾乎是即時(shí)的。并且，因?yàn)榕c由空芯5和 槽13形成的光脊波導(dǎo)相關(guān)的損耗相當(dāng)?shù)?，光纖3可以是10米或更長(zhǎng)的量級(jí)，這 又導(dǎo)致高的靈敏度并允許光纖3對(duì)特定區(qū)域中存在的周圍大氣進(jìn)行廣泛采樣，由 此降低誤報(bào)的幾率從而增強(qiáng)感測(cè)器1的整體可靠性。
圖2A-2G是本發(fā)明光子帶隙光纖傳感器3的不同實(shí)施方式的橫向截面圖，其 中空芯5在構(gòu)成微結(jié)構(gòu)的包層7的中心，而長(zhǎng)形側(cè)面開口 11的形式為沿著點(diǎn)陣X 軸的半徑槽、半弦槽、直徑槽和弦槽。
圖2G中，光子帶隙光纖3有沿其長(zhǎng)度的軸和垂直于該軸的橫切面。槽13 有與所述光纖軸共線的第一軸和第二軸即橫軸，該橫軸垂直于第一軸，從空芯5 延仲到長(zhǎng)形側(cè)面開口 11。在有點(diǎn)陣的情況下，槽13可具有可變寬度12wW，其 與槽13的徑向尺寸r垂直。這就是圖2A-2G中的情況，是由在點(diǎn)陣中的氣孔8造成的。槽的寬度12由垂直于徑向尺寸(稱為橫軸)測(cè)得的最小橫向?qū)挾却_定。
可通過(guò)計(jì)算作為徑向尺寸的函數(shù)的槽寬度的導(dǎo)數(shù)使得dw(7yc/r = 0以及相對(duì)于r所 述寬度的二階導(dǎo)數(shù)是正的來(lái)計(jì)算局部最小寬度的位置?？招? (將其質(zhì)心視為 r=0)通過(guò)在沒(méi)有槽13的情況下所存在的周期點(diǎn)陣內(nèi)的空隙給定。因?yàn)榭招?和 槽13至少部分重疊，我們定義空芯5延伸到包括槽13具有其第一最小寬度14處 (從fO開始計(jì)數(shù))的重疊區(qū)域。在多個(gè)槽(諸如圖2C中槽28a和28b)的情 況下，空芯5沿每個(gè)槽延伸到第一個(gè)最小寬度?？招?—般具有不規(guī)則形狀，其 特征可由最小橫向尺寸D、質(zhì)心位置、包圍的橫向面積A和周長(zhǎng)p描述。
在圖2A所示的光纖傳感器3中，包層7由氣孔8的點(diǎn)陣形成。點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)和 材料經(jīng)選擇使包層7在目標(biāo)波長(zhǎng)范圍上有光子帶隙。結(jié)構(gòu)的標(biāo)度被給予一個(gè)間距 (pitch)A，間距被定義為周期結(jié)構(gòu)中的單位元之間的距離。在圖2A中，該間距由 相鄰氣孔中心之間的距離給出。光子帶隙的波長(zhǎng)范圍可以通過(guò)改變間距A 、折射 率n、點(diǎn)陣類型和點(diǎn)陣中單位元圖案(包括形狀)而變化。光纖傳感器3可設(shè)計(jì) 成在從紫外線(100-400納米)到紅外線(20微米)的光譜范圍內(nèi)工作。雖然單 種玻璃不會(huì)覆蓋這樣寬的沒(méi)有吸收的波長(zhǎng)范圍，但在光譜的每個(gè)部分均存在具有低 光吸收的玻璃。這些玻璃的例子是熔凝二氧化硅、硅酸鹽、硼硅酸鹽、磷酸鹽、 鍺酸鹽、硫族化合物、離子玻璃(諸如鹵化物、硝酸鹽、硫酸鹽和碳酸鹽)和玻 璃陶瓷。此外，包括聚丙烯酸酯如PMMA和全氟聚合物(perfluorinated polymer) 的光學(xué)聚合物提供足夠用于本發(fā)明實(shí)施方式中的光學(xué)透明度。
操作波長(zhǎng)同點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)的間距A有關(guān)。對(duì)二氧化硅中的氣孔點(diǎn)陣，帶隙集中在
由空氣填充分?jǐn)?shù)(空隙體積同實(shí)體體積之比)小的;^a到空氣分?jǐn)?shù)大的;^3.5a所
給定的波長(zhǎng)處。例如，對(duì)于在近紅外(800-2000納米)操作的設(shè)備，可以點(diǎn)陣間 距設(shè)計(jì)在八=800-7000納米的范圍內(nèi)。芯5 —般具有在D:0.7A禾卩D:50A之間的 尺寸D，而槽13具有大于0.5A的最小寬度。所述結(jié)構(gòu)包括具有A間隔的多排 孔，并且有外面護(hù)套9提供強(qiáng)度。最后的光纖或波導(dǎo)的總直徑將在50微米到 500微米之間。在圖2A所示的光纖傳感器3中，槽13是具有平行、相對(duì)側(cè)壁的單側(cè)槽。槽 13最好沿光纖傳感器3的長(zhǎng)度延伸，以便將空芯5最大程度地暴露于周圍大氣 中。槽13相對(duì)于光纖傳感器3的圓形橫截面是徑向定向的。該單側(cè)槽13的優(yōu)點(diǎn) 是波長(zhǎng)在包層7的"禁區(qū)"內(nèi)的激光束通過(guò)空芯5時(shí)的損耗較低，同時(shí)槽13的徑 向定向會(huì)使對(duì)進(jìn)入空芯5的外面氣體或液體的流體阻力最小化。就針對(duì)下文討論 的本發(fā)明圖10實(shí)施方式給出的各種原因，通過(guò)盤巻光纖傳感器使槽13面對(duì)產(chǎn)生 的盤管或螺巻管內(nèi)徑可進(jìn)--步降低任何損耗。在圖2B所示的光纖傳感器25中， 也使用單側(cè)槽26。然而，槽26以半弦方向偏離空芯5的中心，如圖所示與空芯 5底部相交，以便最小化傳導(dǎo)光的"芯"和"槽"模式之間的重疊所產(chǎn)生的損耗。
在圖2C和2D所示的光纖傳感器27和29中，使用雙側(cè)直徑槽28a， b和 30a, b。 該雙側(cè)槽28a, b和30a, b的優(yōu)點(diǎn)是與參照?qǐng)D2A和2B討論的單側(cè)槽11 和26相比降低了流體阻力，這又增加了靈敏性和降低了響應(yīng)時(shí)間。然而，這些優(yōu) 點(diǎn)伴隨著光通過(guò)光纖傳感器27和29時(shí)的稍大損耗。此外，雙側(cè)槽28a, b和30a， b無(wú)法沿光纖傳感器3的總長(zhǎng)度延伸，因?yàn)楸仨氈芷谛缘刂袛嗨霾垡员愎饫w傳感 器27和29的兩半部分經(jīng)過(guò)護(hù)套9的周期性腹板(web)保持彼此相連。光纖傳 感器27的直徑槽28a， b的中心定向使空芯5中流體流量最大化，而光纖傳感器 29的弦槽30a， 30b的偏置定向提供了相同的優(yōu)點(diǎn)，即減少了圖2B所示的光纖傳 感器25中所討論的重疊模式，并降低了流體流動(dòng)。
圖2E和2F所示的光纖傳感器32和36具有圖2B和2D所示的相同的槽定 向，但分別具有更寬的槽34和37a， b，以改善流體流動(dòng)，但可能增加所傳輸?shù)墓?信號(hào)的衰減。
圖3A-F示出了本發(fā)明光纖傳感器的六個(gè)其他實(shí)施方式38, 42, 45， 48， 52和 55，它們與圖2A-F中的實(shí)施方式3， 25， 27， 29， 32和36結(jié)構(gòu)相同，唯一不同是 這些實(shí)施方式的槽40, 44， 47a， b, 50a， b, 53和57a, b沿包層7的點(diǎn)陣Y軸延伸。槽相對(duì)于包層7點(diǎn)陣的定向可影響圖3A-D實(shí)施方式中的光信號(hào)衰減量。參見(jiàn)圖 3A，注意如何以與水平軸X平行的行排列包層7的孔，但相對(duì)垂直軸Y將其交錯(cuò) 排列。因此，當(dāng)光纖傳感器3的槽40沿垂直軸Y切割時(shí)，在槽40與兩個(gè)相鄰孔 8的相對(duì)邊相交處形成小光腔41。這些光腔41的存在將以減少芯模和槽模之間重 疊的方式改變槽模。這將導(dǎo)致衰減降低，因?yàn)楣鈧鲗?dǎo)模之間的耦合由于沿光纖傳 感器3的結(jié)構(gòu)擾動(dòng)而降低。該同一原理適用于圖3B-D所示的實(shí)施方式，但不適用 于圖3E-F的實(shí)施方式，因?yàn)椴?3和57a， b更寬的寬度有效地將腔54打開到它 們不再有捕捉功能和更有力地約束槽模的點(diǎn)。然而，槽53和57a， b的垂直定向 將以其他方式影響光學(xué)衰減。
圖4A-C所示的光纖傳感器的實(shí)施方式60， 62和65為各向同性，而之前討論 的實(shí)施方式均為雙折射的。前面討論的實(shí)施方式的雙折射性是結(jié)構(gòu)中缺少三重對(duì) 稱性的結(jié)果。該雙折射的結(jié)果是具有不同電場(chǎng)偏振性的基本模將具有不同的傳 播常數(shù)，并因此沿著波導(dǎo)以不同相速的傳播。這種雙折射能將入射光束分為兩個(gè)正 交偏振的光束，所述正交偏振光束的相對(duì)強(qiáng)度取決于入射光束相對(duì)于光纖結(jié)構(gòu)的偏 振。雙折射會(huì)干擾某此受受控偏振性影響的光學(xué)檢測(cè)技術(shù)。因此，沒(méi)有這種雙折 射的光纖傳感器最適合上述用途。通過(guò)提供彼此以120度角均勻排列并相對(duì)于空 芯5和66d的中心以及包層7的六角形輪廓對(duì)稱定位的三個(gè)槽61a-c， 63a-c和 66a-c，消除圖4A-C實(shí)施方式中的雙折射。該設(shè)計(jì)產(chǎn)生了避免雙折射所需的大于 一-重回轉(zhuǎn)對(duì)稱性。與圖2A -4B所示的這些多模光纖傳感器實(shí)施方式相反，實(shí)施 方式4C是使用橫截面較小的空芯66d的單模光纖傳感器。雖然發(fā)明人預(yù)期本發(fā) 明的大多數(shù)應(yīng)用將要求多模傳輸能力，但圖4C的實(shí)施方式示出了在需要時(shí)如何使 本發(fā)明適用于單模傳輸。如果只有主要能量集中在波導(dǎo)脊部分的單光模(一個(gè)或 兩個(gè)可能的偏振狀態(tài))，則一個(gè)設(shè)備被視為單模的。在板中可存在其他模，但他 們不相關(guān)，因?yàn)樗鼈兣c脊區(qū)重疊小。 圖4D和4E示出本發(fā)明的實(shí)施方式67, 70，其中空芯69, 72位于包層7的側(cè)面以便于加工雙側(cè)槽68a， 68b和71 a， 7化。 芯69, 72相對(duì)于包層7的這種定位，降低了為形成槽68a, 68b和71 a, 71b而使 用化學(xué)蝕刻或激光加工所貫穿的孔8的數(shù)量。在空芯5位于包層7中心的本發(fā)明實(shí)施方式中，更難以精確聚焦激光束，因?yàn)閲@空芯的孔8散射激光束。因此，
雖然因在芯/包層交界的這個(gè)區(qū)域沒(méi)有點(diǎn)陣孔8而在該區(qū)域缺少"禁區(qū)"引起任何 損耗，預(yù)期該類損耗可通過(guò)減少圍繞空芯69, 72的點(diǎn)陣孔8的數(shù)量而降低散射而 得到更多補(bǔ)償。最后，圖4F示出本發(fā)明實(shí)施方式的前體74，其中空芯75位于包 層7的側(cè)面，以便于制造。
圖5A-5C是用于具有圖2D所示槽結(jié)構(gòu)的光纖傳感器、窄水平槽的光子帶隙 光纖、和具有圖3C所示槽結(jié)構(gòu)的光纖傳感器的基本光模的計(jì)算機(jī)模擬形狀。這些 圖中的每一個(gè)用限定傳輸模的峰值強(qiáng)度的10%, 30%， 50%， 70%和90%范圍的光 強(qiáng)度輪廓線表示各自的模。雖然這些模擬表明因槽的存在造成一些損耗，但它們 更普遍地表明由空芯和槽形成的脊型波導(dǎo)支持光模的有效性，即使包層7沒(méi)有完 全包圍空芯5。
圖6A-6D示出可用于液體環(huán)境71的本發(fā)明實(shí)施方式3， 27, 80和82。實(shí)施方 式3和27的具體結(jié)構(gòu)己經(jīng)討論過(guò)。但是，在液體環(huán)境中，這些實(shí)施方式3， 27不 會(huì)通過(guò)上述"禁區(qū)"現(xiàn)象傳導(dǎo)光，因?yàn)榘鼘?構(gòu)成低折射率空隙(這可以是實(shí)心 玻璃基體10中的氣孔8)的圖形。相反，光纖傳感器實(shí)施方式3， 27以與傳統(tǒng)光 纖傳導(dǎo)光大體相同的方式經(jīng)全部?jī)?nèi)反射通過(guò)空芯5傳導(dǎo)光。更準(zhǔn)確地說(shuō)，該傳導(dǎo) 機(jī)制是在現(xiàn)有技術(shù)中公知的固體-芯光子晶體光纖中發(fā)現(xiàn)的改進(jìn)型全內(nèi)部反射機(jī) 制。相反，實(shí)施方式80和82的包層7是由高折射率空隙83 (可由高折射率玻 璃、液體或塑料形成)的圖形形成。這種圖形能有效地產(chǎn)生"禁區(qū)"，這又允許光 纖傳感器80和82作為光子帶隙光纖傳導(dǎo)光。同樣，由于提供雙側(cè)槽28a， 28b而 不是單側(cè)槽13，光纖傳感器6B和6D具有比光纖傳感器6A和6C更好的響應(yīng)時(shí) 間和靈敏度。在該應(yīng)用中，低折射率是指包層結(jié)構(gòu)(孔加基體)的最低能量模的有 效折射率低于芯區(qū)域中材料的折射率。同樣，高折射率的定義是包層結(jié)構(gòu)(孔加
基體)的最低能量模的有效折射率高于芯區(qū)域中材料的折射率。無(wú)論芯折射率是 高于還是低于包層最低能量模的有效折射率，結(jié)構(gòu)可隨著光場(chǎng)波長(zhǎng)的改變而改變。圖7A和7B示出本發(fā)明的其他實(shí)施方式85， 88。圖7A所示實(shí)施方式85有 用聚焦激光束形成的楔形單側(cè)槽86。槽86的非平行側(cè)壁不會(huì)顯著地影響產(chǎn)生的 光纖傳感器的光學(xué)性能。圖7B所示的實(shí)施方式88可以是本發(fā)明光纖傳感器的前 體，或本發(fā)明的其他實(shí)施方式。本實(shí)施方式88包括沒(méi)有完全穿透光纖傳感器兩側(cè) 的雙側(cè)內(nèi)槽89a, 89b。該內(nèi)槽89a, 89b可在預(yù)制階段制成并且如果槽89a, 89b 中的壓力保持在'-定水平則在拉伸過(guò)程中保留在光纖中。當(dāng)作為前體使用時(shí)，實(shí) 施方式88可以在槽89a, 89b的外半徑端之間激光加工一個(gè)到光纖兩側(cè)的短距離以 使槽89a， 89b開放到外面環(huán)境。當(dāng)用于本發(fā)明其他實(shí)施方式時(shí)，可以打開光纖的 兩端，以使得周圍氣體流入槽89a, 89b并從那里進(jìn)入空芯5。
圖7C-7F示出為本發(fā)明光纖傳感器的四個(gè)不同前體。如圖7C所示的前體90 中，雙側(cè)槽92a， 92b既沒(méi)有穿透空芯5又沒(méi)有穿透光纖的側(cè)壁。然而，這樣的前 體可以容易地通過(guò)激光加工或蝕刻將空芯5與槽92a， 92b以及將槽92a, 92b與光 纖側(cè)壁分離的玻璃薄腹板轉(zhuǎn)化為本發(fā)明的光纖傳感器。在圖7D所示的實(shí)施方式 94中，光纖的側(cè)壁段96由與構(gòu)成包層其他部分的玻璃相比更容易蝕刻或激光加工 的玻璃組合物制成。這樣的設(shè)計(jì)容易在光纖制造的預(yù)制階段制造。如圖所示，段 96延伸到包層7的邊緣。雖然所示的芯5位于包層7中心，但可以修改該實(shí)施方 式使得空芯5位于鄰接玻璃段96的點(diǎn)陣一側(cè)，以使將芯5暴露于周圍環(huán)境所需的 蝕刻或加工量最小化。圖7E所示的實(shí)施方式98包括從包層7徑向延伸出的一行 孔100，以便于把槽從光纖側(cè)壁激光加工或蝕刻到空芯5。最后，在圖7F所示的 實(shí)施方式102中，護(hù)套9的側(cè)壁的段104已被移除，同樣便于把槽從光纖側(cè)壁激 光加工或蝕刻到空芯5。
圖8A和8B示出預(yù)制品106， 110，其可以有利地用于制造具有相同橫截面形 狀的本發(fā)明的光纖傳感器。在圖8A所示的預(yù)制品中，在光纖傳感器3的預(yù)制品周 圍設(shè)有額外的管狀包層108，并在槽13的相對(duì)面與光纖3的包層熔合。在由預(yù)制 棒106拉制光纖期間，中空區(qū)域107內(nèi)氣體壓力保持在選定的水平上使得預(yù)制棒 106的槽13不被壓癟。這樣，槽13就保持在產(chǎn)生的光纖中而無(wú)需激光加工或化學(xué)蝕刻。在制成的光纖中，可在額外的管狀包層108中刻槽(沒(méi)有示出)或其他
開口使得光纖槽13暴露于周圍大氣中。在圖8B所示的預(yù)制棒中，額外的管狀包 層112熔合在與雙惻槽28a， 28b相對(duì)的光纖預(yù)制品45的側(cè)面上。在用預(yù)制棒 110拉制光纖期間，中空空間113a, 113b內(nèi)氣體壓力保持在選定水平上使得槽 28a, 28b不被壓癟。在完成拉制步驟后，在額外的管狀包層112的側(cè)面中刻入槽 或其他開口 114，讓周圍大氣接觸槽28a, 28b并進(jìn)入光纖的空芯5中。同樣，該 設(shè)計(jì)的優(yōu)點(diǎn)是無(wú)需激光加工或化學(xué)蝕刻槽28a， 28b。雖然兩個(gè)實(shí)施方式106, 110 要求在外面包層108, 112中激光加工或化學(xué)蝕刻槽或其他開口，該槽或開口不必 穿入空芯，因此與制造通過(guò)微結(jié)構(gòu)包層7穿透空芯5的槽的難度相比，相對(duì)容易 制造。另外，在外面包層中沒(méi)有開口的情況下，該設(shè)計(jì)將有更快的響應(yīng)時(shí)間，因?yàn)?空隙107或113a和113b所含的較大體積將增加通過(guò)光纖的軸向流體流動(dòng)。
圖8C-8F示出具有雙空芯"7a， 117b; 121a， 121b; 126a， 126b和131a， 131b的光纖傳感器實(shí)施方式116， 120, 125和130。 有兩個(gè)或兩個(gè)以上的空芯通 過(guò)提供兩個(gè)或兩個(gè)以上傳導(dǎo)可比較的不同模的不同脊型光波導(dǎo)元件，可以提供許多 潛在有用的光學(xué)效果。例如，通過(guò)芯117a， 117b和121a， 12化傳導(dǎo)的模的相對(duì) 強(qiáng)度的比較可用來(lái)確定流經(jīng)光纖傳感器116, 120的側(cè)面目標(biāo)氣體或其他流體的流 動(dòng)方向。在圖8E所示的實(shí)施方式125中，可以分別比較芯126a, 126b中與周圍 環(huán)境接觸和隔離的模的相對(duì)強(qiáng)度。因此對(duì)通過(guò)芯126b的模強(qiáng)度的測(cè)量可以作為 經(jīng)槽128暴露于周圍環(huán)境的芯126a的基準(zhǔn)。在圖8F所示的實(shí)施方式130中，可 以分別比較把芯131a, 131b暴露于不同側(cè)面周圍環(huán)境時(shí)的模的相對(duì)強(qiáng)度，因?yàn)椴?133a， 133b將其各自的芯暴露于光纖傳感器相對(duì)側(cè)面的環(huán)境中。
圖9A-9C示出了光纖傳感器的實(shí)施方式135, 142和145，其中光纖的平側(cè)部分 己經(jīng)被除去，以便將一個(gè)以上的空芯137,139; 143a， 143b和146暴露于周圍環(huán)境 中，每條光纖均有"D"形橫截面。實(shí)施方式135中提供非暴露芯137為與以參照 圖8E描述的相同方式通過(guò)暴露的空芯139傳導(dǎo)的模建立參比基準(zhǔn)提供了機(jī)會(huì)。圖 9B所示實(shí)施方式中提供的兩個(gè)暴露的空芯143a， 143b也可以以參照?qǐng)D8C實(shí)施方式描述的方式使用。雖然實(shí)施方式135， 142和145均具有幾乎瞬時(shí)的響應(yīng)時(shí)間的優(yōu) 點(diǎn)，但移除這些光纖傳感器外壁的平側(cè)部分提供的無(wú)限寬的槽卻不幸地降低了光纖 施加于模上的耦合量，從而加劇信號(hào)損耗。然而，大部分的該信號(hào)損耗可通過(guò)圖 10中指明的方式盤巻這些光纖傳感器135, 142和145而得到補(bǔ)償使D形橫截面的 平側(cè)155a朝向盤管或螺旋157內(nèi)部、圓側(cè)155b朝向盤管或螺旋157外部。這種彎 曲通過(guò)使光路更多偏向空芯而更少偏向界定波導(dǎo)的板的平側(cè)面，更嚴(yán)密地將光模限 制到由空芯界定的波導(dǎo)的脊。然而，為使該彎曲有效，彎曲半徑必須低于一定值 才能大大地改善光模的限制。
圖11A-11C是在彎曲半徑分別為1000毫米、10毫米和5毫米和基本模的強(qiáng) 度分布為10%, 30%， 50%, 70%和90。/。時(shí)的計(jì)算機(jī)模擬光學(xué)輪廓線，--般性地圖 解說(shuō)明模限制如何隨著彎曲半徑減少而改善。盡管圖11A-11C中所示的結(jié)構(gòu)160 是由不連接的三角形單元161組成，但該種結(jié)構(gòu)與有著很高的填氣分?jǐn)?shù)的真實(shí)結(jié) 構(gòu)非常近似。這些模擬表明，很大-一部分損耗可通過(guò)用至少約10毫米的彎曲半徑 并且更優(yōu)選地5毫米的彎曲半徑盤巻該D形光纖而得到補(bǔ)償。當(dāng)然彎曲半徑受到 光纖傳感器直徑的限制，因?yàn)橹睆捷^大的光纖在彎曲小于一定臨界半徑時(shí)容易斷 裂。相應(yīng)地，光纖直徑一般在50-150微米較好，在70-80微米之間的光纖直徑最 好。該直徑半徑范圍的選擇是以下分析的結(jié)果
最小機(jī)械彎曲半徑-彎曲引起的應(yīng)力導(dǎo)致在給定應(yīng)用中光纖少于可接受壽命的 時(shí)間而出故障的閾值彎曲半徑。當(dāng)彎曲光纖時(shí)，彎曲外側(cè)受到的是張應(yīng)力而內(nèi)側(cè) 受到的是壓應(yīng)力。彎曲應(yīng)力可計(jì)算如下
o彎曲二EOv/R)
其中E =楊氏模量=10440 kpsi (72GPa)
=光纖半徑 R二彎曲半徑
在該應(yīng)力下，然后使用簡(jiǎn)單的功率定律模型大致計(jì)算出出故障的時(shí)間
T產(chǎn)(ap/(Ja)m其中T/=出故障的時(shí)間(秒) CJp =驗(yàn)證試驗(yàn)應(yīng)力
03 =施加應(yīng)力=彎曲應(yīng)力或o彎曲
m:^疲勞系數(shù)(標(biāo)準(zhǔn)光纖--般為20)
在本申請(qǐng)中實(shí)施的光纖中我們預(yù)期/T7將由于復(fù)雜的表面幾何形狀而顯著減 少。改善出故障時(shí)間的一種方法是減少光纖半徑I7從而減少?gòu)澢鷳?yīng)力。
在圖11A-11C中使用的結(jié)構(gòu)160是多模芯162的例子。對(duì)某些應(yīng)用(包括干涉 測(cè)量檢測(cè))，在脊波導(dǎo)的空芯中有單模傳播可能有利。但是，為了實(shí)現(xiàn)快速的響 應(yīng)時(shí)間和高靈敏度，有支持很多光模的大的芯(如圖11A所示)可能有利。
圖12A和12B示出本發(fā)明光纖傳感器的光模與傳統(tǒng)光子帶隙光纖的光模。如 前面所述，光子帶隙光纖側(cè)壁中的一個(gè)或多個(gè)槽提供脊型光子波導(dǎo)的板。與傳統(tǒng) 光子帶隙光纖相關(guān)的模比較，該空氣板又將很多新的板模B引入帶隙，正如通過(guò)圖 12A和12B的比較所看到的。然而，圖12B的圖形還顯示這些模沒(méi)有橫穿芯導(dǎo)向 模C，這又表明新模和芯導(dǎo)向模C之間的耦合將最小，并且將不嚴(yán)重衰減或失真本 發(fā)明光纖傳感器產(chǎn)生的任何信號(hào)。
最后，圖13A-13F示出本發(fā)明的同一個(gè)實(shí)施方式的不同導(dǎo)向 模。圖13A和 13B示出只在芯中導(dǎo)向的模，而圖13C和13D示出既在芯中又在板中導(dǎo)向的模。 圖13E和13F示出僅在板中導(dǎo)向的模。
除了圖13A-13F所示的光模外，還有沿著結(jié)構(gòu)內(nèi)表面邊界存在的其他光模。 這些其他模稱為表面模，它們只在選定適當(dāng)表面終止時(shí)存在。在圖13A中可以看 到可以在周期點(diǎn)陣中切出一個(gè)完美的圓形材料而形成芯。因?yàn)橛薪缍ńY(jié)構(gòu)的現(xiàn)有 空氣孔，移除材料會(huì)留下凹槽形狀。同樣可以在周期點(diǎn)陣中切出矩形槽留下凹槽 氣道而形成板。上述圓和矩形與點(diǎn)陣的相對(duì)位置周期地界定芯和板區(qū)域的表面終 止。
表面終止在這些區(qū)域可能不同，這樣表面?？芍淮嬖谟诓糠旨共▽?dǎo)中。表面模與結(jié)構(gòu)表面具有較大的相互作用，于是可以有利于例如通過(guò)化學(xué)粘合用材料涂 覆脊波導(dǎo)表面以檢測(cè)目標(biāo)樣本的存在。
圖1-13的實(shí)施方式可以利用在半導(dǎo)體器件制造中見(jiàn)到的光纖拉伸工藝、擠壓 工藝、直接加工(諸如鉆或銑)或平面處理技術(shù)制造?？梢孕薷膫鞲衅?的設(shè) 計(jì)，以在保留本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)的同時(shí)適應(yīng)加工要求。在平面幾何學(xué)中，該器件可以 在最終預(yù)期規(guī)模上制造。在光纖幾何中，該結(jié)構(gòu)可以在宏觀預(yù)制棒中制造，這可 以降低尺寸以達(dá)到預(yù)想的規(guī)模，實(shí)現(xiàn)本發(fā)明要求的特性。
雖然已經(jīng)參照多個(gè)具體實(shí)例描述了本發(fā)明，但對(duì)于本領(lǐng)域技術(shù)人員來(lái)說(shuō)，對(duì) 本發(fā)明的很多變化、修改和增加都是顯而易見(jiàn)的。所有這些變化、修改和增加包括 在本發(fā)明中，只受所附權(quán)利要求及其等效形式的限制。
權(quán)利要求
1.一種光波導(dǎo)環(huán)境傳感器，包括至少部分包圍空芯部分的包層，該空芯部分沿著或平行于所述包層的縱向中心軸延伸并界定通過(guò)所述波導(dǎo)的光傳輸路徑，和在所述包層中的至少一個(gè)長(zhǎng)形側(cè)開口，其平行于所述縱向中心軸并將所述空芯部分暴露于周圍環(huán)境，其中，所述空芯部分和長(zhǎng)形開口共同支持至少一個(gè)束縛限制光模。
2. 如權(quán)利要求1所述的光波導(dǎo)環(huán)境傳感器，其中所述的空芯部分、所述長(zhǎng)形 開口和所述的包層形成光脊波導(dǎo)。
3. 如權(quán)利要求1所述的光波導(dǎo)環(huán)境傳感器，其中所述的包層包括部分包圍所 述空芯部分的光子帶隙結(jié)構(gòu)。
4. 如權(quán)利要求3所述的光波導(dǎo)環(huán)境傳感器，其中所述的包層包括折射率周期 性變化的微結(jié)構(gòu)材料。
5. 如權(quán)利要求3所述的光波導(dǎo)環(huán)境傳感器，其中所述的包層包括布拉格反射 器，該布拉格反射器包括部分包圍所述空芯部分的具有不同折射率的材料的交替
6.如權(quán)利要求1所述的光波導(dǎo)環(huán)境傳感器，其中所述的包層包括多個(gè)長(zhǎng)形開 口，每個(gè)長(zhǎng)形開口都在與所述縱向軸垂直的方向上穿過(guò)所述包層并將所述空芯部分 暴露于所述周圍環(huán)境。
7. 如權(quán)利要求1所述的光波導(dǎo)環(huán)境傳感器，其中所述的多個(gè)長(zhǎng)形開口對(duì)稱地 設(shè)置在周圍包層中，以消除雙折射。
8. 如權(quán)利要求1所述的光波導(dǎo)環(huán)境傳感器，其中所述的長(zhǎng)形開口是僅沿著包層的一個(gè)側(cè)面延伸到所述空芯部分的溝形槽。
9. 如權(quán)利要求1所述的光波導(dǎo)環(huán)境傳感器，其中所述的長(zhǎng)形開口是通過(guò)包層 的兩個(gè)側(cè)面和所述空芯部分延伸的溝形槽。
10. 如權(quán)利要求3所述的光波導(dǎo)環(huán)境傳感器，其中當(dāng)從橫截面觀看所述波導(dǎo) 時(shí)，所述空芯部分設(shè)置于所述光子帶隙結(jié)構(gòu)的中心。
11. 如權(quán)利要求3所述的光波導(dǎo)環(huán)境傳感器，其中當(dāng)從橫截面觀看所述波導(dǎo) 時(shí)，所述空芯部分位于所述光子帶隙結(jié)構(gòu)中偏離中心的位置。
12. 如權(quán)利要求3所述的光波導(dǎo)環(huán)境傳感器，其中當(dāng)從橫截面觀看所述波導(dǎo) 時(shí)，所述光子帶隙結(jié)構(gòu)相對(duì)于所述包層設(shè)置于中心。
13. 如權(quán)利要求3所述的光波導(dǎo)環(huán)境傳感器，其中當(dāng)從橫截面觀看所述波導(dǎo) 時(shí)，所述光子帶隙結(jié)構(gòu)相對(duì)于所述包層設(shè)置于偏離中心。
14. 如權(quán)利要求1所述的光波導(dǎo)環(huán)境傳感器，其中所述長(zhǎng)形開口的橫軸與所述 空芯部分的中心排成直線。
15. 如權(quán)利要求1所述的光波導(dǎo)環(huán)境傳感器，其中所述長(zhǎng)形開口的橫軸偏離所 述空芯部分的中心。
16. 如權(quán)利要求1所述的光波導(dǎo)環(huán)境傳感器，其中所述長(zhǎng)形開口由所述包層中 除去的楔形部分限定，以使當(dāng)從橫截面觀看所述波導(dǎo)時(shí)，所述長(zhǎng)形開口的側(cè)壁相互 之間以一個(gè)角度設(shè)置。
17. 如權(quán)利要求1所述的光波導(dǎo)環(huán)境傳感器，其中所述長(zhǎng)形開口由所述包層中除去的平側(cè)部分限定，以使當(dāng)從橫截面觀看所述波導(dǎo)時(shí)，所述長(zhǎng)形開口的側(cè)壁是共 平面的。
18. 如權(quán)利要求17所述的光波導(dǎo)環(huán)境傳感器，其中所述光波導(dǎo)就內(nèi)側(cè)的長(zhǎng)形 開口和外側(cè)的包層而言是繞半徑彎曲的，從而顯著地降低光子損耗。
19. 如權(quán)利要求17所述的光波導(dǎo)環(huán)境傳感器，其中所述的光波導(dǎo)是繞螺旋形 繞半徑彎曲的。
20. 如權(quán)利要求1所述的光波導(dǎo)環(huán)境傳感器，其中所述的包層包括多個(gè)相互光 耦合的空芯部分，且所述包層中的長(zhǎng)形開口把至少一個(gè)所述的空芯部分暴露于周圍 環(huán)境。
21. 如權(quán)利要求20所述的光波導(dǎo)環(huán)境傳感器，其中所述的包層包括多個(gè)長(zhǎng)形 開口，每個(gè)長(zhǎng)形開口沿垂直于縱向軸的方向穿透所述包層，并把不同的所述空芯部 分暴露給周圍環(huán)境。
22. 如權(quán)利要求1所述的光波導(dǎo)環(huán)境傳感器，其中所述的長(zhǎng)形開口基本上沿所 述波導(dǎo)的長(zhǎng)度延伸。
23. —種光纖環(huán)境傳感器，它包括包層，該包層具有外表面和其內(nèi)部的光子帶隙結(jié)構(gòu)，所述的光子帶隙 結(jié)構(gòu)部分包圍沿著或平行于所述包層的縱向中心軸延伸并界定通過(guò)所述光纖 中光傳輸路徑的空芯部分，和在所述包層中的至少一個(gè)長(zhǎng)形側(cè)開口，其平行于所述縱向中心軸延 伸，沿垂直于所述縱向中心軸的方向穿透所述包層，并將所述空芯部分暴露 于周圍環(huán)境，其中，所述空芯部分和長(zhǎng)形開口共同支持至少一個(gè)束縛限制光模。
24. 如權(quán)利要求23所述的光纖環(huán)境傳感器，其中所述空芯部分和長(zhǎng)形開口中 的環(huán)境氣體或液體分別形成傳導(dǎo)至少一個(gè)束縛限制光模的光脊波導(dǎo)傳感器的脊和板。
25. 如權(quán)利要求23所述的光纖環(huán)境傳感器，其中所述光子帶隙結(jié)構(gòu)包括折射 率周期性變化的微結(jié)構(gòu)材料。
26. 如權(quán)利要求23所述的光纖環(huán)境傳感器，其中所述的包層包括布拉格反射 器，該布拉格反射器包括部分包圍所述空芯部分的具有不同折射率的材料的交替層。
27. 如權(quán)利要求27所述的光纖環(huán)境傳感器，其中所述的包層包括多個(gè)長(zhǎng)形開 口，每個(gè)長(zhǎng)形開口都在與所述縱向軸垂直的方向上穿過(guò)所述包層并將所述空芯部分 暴露于所述周圍環(huán)境。
28. 如權(quán)利要求23所述的光纖環(huán)境傳感器，其中所述的多個(gè)長(zhǎng)形開口對(duì)稱地 設(shè)置在周圍包層中，以消除雙折射。
29. 如權(quán)利要求23所述的光纖環(huán)境傳感器，其中所述長(zhǎng)形開口由所述包層中 除去的楔形部分限定，以使當(dāng)從橫截面觀看所述光纖時(shí)，所述長(zhǎng)形開口的側(cè)壁相互 之間以一個(gè)角度設(shè)置。
30. 如權(quán)利要求23所述的光纖環(huán)境傳感器，其中所述長(zhǎng)形開口由所述包層中 除去的平側(cè)部分限定，以使當(dāng)從橫截面觀看所述光纖時(shí)，所述長(zhǎng)形開口的側(cè)壁是共 平面的。
31. 如權(quán)利要求30所述的光纖環(huán)境傳感器，其中所述光纖就內(nèi)側(cè)的長(zhǎng)形開口 和外側(cè)的包層而言是繞半徑彎曲的，從而顯著地降低光子損耗。
32. 如權(quán)利要求31所述的光纖環(huán)境傳感器，其中所述的光波導(dǎo)繞小于10毫 米的半徑螺旋形彎曲的。
33. 如權(quán)利要求31所述的光纖環(huán)境傳感器，其中所述的光波導(dǎo)繞小于10毫 米的半徑螺旋形彎曲的。
34. 如權(quán)利要求23所述的光纖環(huán)境傳感器，其中所述的包層具有基本上為圓 柱形的外表面。
35. 如權(quán)利要求25所述的光纖環(huán)境傳感器，其中所述的微結(jié)構(gòu)包括光傳導(dǎo)材 料中孔的圖形，且當(dāng)從橫截面觀看時(shí)，所述空芯部分的寬度明顯大于孔圖形間的間 隙。
36. —種光波導(dǎo)環(huán)境傳感器的制造方法，其包括如下步驟 由光傳導(dǎo)材料形成包含由光子帶隙結(jié)構(gòu)包圍的空芯部分的長(zhǎng)形光波導(dǎo)，并且 在所述波導(dǎo)側(cè)面形成與所述波導(dǎo)的縱軸平行的長(zhǎng)形開口，該長(zhǎng)形開口將所述空芯部分暴露于周圍環(huán)境中。
37. 如權(quán)利要求36所述的光波導(dǎo)環(huán)境傳感器的制造方法，其中所述形成長(zhǎng)形 光波導(dǎo)的步驟包括拉制由光傳導(dǎo)材料制成的空氣芯光子帶隙光纖。
38. 如權(quán)利要求37所述的光波導(dǎo)環(huán)境傳感器的制造方法，其中所述形成長(zhǎng)形 光波導(dǎo)的步驟包括在所述光纖的側(cè)壁化學(xué)蝕刻所述開口的步驟。
39. 如權(quán)利要求38所述的光波導(dǎo)環(huán)境傳感器的制造方法，其中所述形成長(zhǎng)形 光波導(dǎo)的步驟包括在所述光纖的一側(cè)中提供具有高蝕刻率的一段材料的步驟，以便 于在所述光纖的側(cè)壁中化學(xué)蝕刻所述開口。
40. 如權(quán)利要求37所述的光波導(dǎo)環(huán)境傳感器的制造方法，其中所述形成長(zhǎng)形 光波導(dǎo)的步驟包括在所述光纖的側(cè)壁中激光加工所述開口的步驟。
41. 如權(quán)利要求1所述的光波導(dǎo)環(huán)境傳感器，其中所述的包層包括多個(gè)相互非 光耦合的空芯部分，且所述包層中的長(zhǎng)形開口把至少一個(gè)所述的空芯部分暴露于周 圍環(huán)境。
42. 如權(quán)利要求1所述的環(huán)境傳感器，其中它還包括光源和光檢驗(yàn)器。
43. 如權(quán)利要求1所述的光波導(dǎo)環(huán)境傳感器，其中所述的長(zhǎng)形開口由包層中除 去的平側(cè)部分限制。
全文摘要
提供了一種光波導(dǎo)環(huán)境傳感器，其能夠在有利短的時(shí)間內(nèi)檢測(cè)出周圍環(huán)境中的目標(biāo)氣體或液體。所述波導(dǎo)采用的形式最好是具有包含光子帶隙結(jié)構(gòu)的包層而該結(jié)構(gòu)又包住傳導(dǎo)光的空芯部分的光纖。所述包層進(jìn)一步包括至少一個(gè)最好沿著光纖整個(gè)長(zhǎng)度延伸并使得所述空芯部分暴露于周圍環(huán)境的長(zhǎng)形開口，使空芯部分廣泛和幾乎即時(shí)地接觸周圍環(huán)境中的氣體和液體，從而使傳感器的響應(yīng)時(shí)間最小。周圍氣體或液體填充分別作為有效支持至少一個(gè)受約束光模的光脊波導(dǎo)的脊和板的空芯部分和長(zhǎng)形開口。
文檔編號(hào)G01N21/17GK101617210SQ200880005960
公開日2009年12月30日 申請(qǐng)日期2008年2月12日 優(yōu)先權(quán)日2007年2月27日
發(fā)明者E·M·考斯克-威廉姆斯, J·A·韋斯特, K·W·科奇三世, M·T·加拉赫 申請(qǐng)人:康寧股份有限公司