一種具有高靈敏度和大測量范圍的納米光纖折射率傳感器的制造方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種具有高靈敏度和大測量范圍的納米光纖折射率傳感器，包括光源、第一單模光纖、第二單模光纖、第一納米光纖、第二納米光纖、探測器；光源與第一單模光纖相連，第一單模光纖分別與第一納米光纖和第二納米光纖耦合相連，形成第一耦合區(qū)；第一納米光纖由第一納米光纖第一段、第一納米光纖第二段、第一納米光纖第三段組成；第一納米光纖第一段、第一納米光纖第二段、第一納米光纖第三段相交處形成第三耦合區(qū)；第一納米光纖和第二納米光纖再與第二單模光纖耦合相連，形成第二耦合區(qū)；第二單模光纖與探測器相連。本發(fā)明通過納米光纖環(huán)形諧振腔保證高的折射率測量靈敏度，通過M-Z干涉調(diào)制包絡(luò)提高折射率的測量動態(tài)范圍。
【專利說明】一種具有高靈敏度和大測量范圍的納米光纖折射率傳感器
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種納米光纖折射率傳感器，尤其涉及一種具有高靈敏度和大動態(tài)測量范圍的納米光纖折射率傳感器。
【背景技術(shù)】
[0002]納米技術(shù)是當今科技的一個研究熱點。在光電子領(lǐng)域，隨著對微納尺度上的材料和結(jié)構(gòu)的深入研究，人們發(fā)現(xiàn)了很多奇特而又有趣的新的光學(xué)現(xiàn)象，并基于這些現(xiàn)象研究具有各種功能的微納光子器件。其中，納米光纖以其特有的性能成為研究熱點。光在納米光纖中傳輸時，與普通光纖相比一個突出特點就是纖芯周圍有很強的倏逝場，光場有很大一部分能量是以倏逝場的形式在分布在光纖表面，這部分處在光纖表面的倏逝場與環(huán)境發(fā)生相互作用時，便可以得到高靈敏度的傳感器?；诩{米光纖的折射率傳感器便是利用納米光纖倏逝場與環(huán)境折射率的相互作用而提高探測靈敏度的一類傳感器?；诩{米光纖環(huán)形諧振腔的折射率傳感器具有較高的靈敏度，這類器件依靠很高的Q值有效的減小器件尺寸以及探測所需的分析物量，但是折射率測量的動態(tài)范圍是受到限制的，因為納米光纖環(huán)形諧振腔折射率傳感器是基于諧振峰值波長的移動來測量折射率的，折射率變化導(dǎo)致的諧振峰值波長的移動必須在一個自由光譜范圍(FSR)內(nèi)，否則便不可區(qū)分，這樣必然導(dǎo)致折射率測量范圍的受限。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003]本發(fā)明的目的在于針對現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種具有高靈敏度和大測量范圍的納米光纖折射率傳感器。
[0004]本發(fā)明的目的是通過以下技術(shù)方案來實現(xiàn)的:一種具有高靈敏度和大測量范圍的納米光纖折射率傳感器，包括:光源、第一單模光纖、第二單模光纖、第一納米光纖、第二納米光纖、探測器；其中，所述光源與第一單模光纖相連，第一單模光纖分別與第一納米光纖和第二納米光纖耦合相連，形成第一耦合區(qū)；所述第一納米光纖由第一納米光纖第一段、第一納米光纖第二段、第一納米光纖第三段組成，繞成環(huán)狀形成納米光纖環(huán)形諧振腔；第一納米光纖第一段、第一納米光纖第二段、第一納米光纖第三段相交處形成第三耦合區(qū)；第一納米光纖和第二納米光纖再與第二單模光纖耦合相連，形成第二耦合區(qū)；第二單模光纖與探測器相連；由光源發(fā)出的光經(jīng)過第一單模光纖進入第一耦合區(qū)后分為兩路光，第一路光經(jīng)過納米光纖環(huán)形諧振腔后進入第二耦合區(qū)，第二路光直接經(jīng)過第二納米光纖后進入第二耦合區(qū)，兩路光之間具有相位差，構(gòu)成M-Z干涉儀，兩路光共同經(jīng)過第二耦合區(qū)耦合進第二單模光纖后，輸出經(jīng)過干涉包絡(luò)調(diào)制的諧振透射光譜進入探測器。
[0005]本發(fā)明的有益效果:通過納米光纖環(huán)形諧振腔保證高的折射率測量靈敏度，通過M-Z干涉調(diào)制包絡(luò)提高折射率的測量動態(tài)范圍。裝置結(jié)構(gòu)簡單，測量方便，且易于小型化集成?！緦＠綀D】

【附圖說明】
[0006]圖1為本發(fā)明的折射率傳感器結(jié)構(gòu)示意圖；
圖2為納米光纖與普通單模光纖錐形耦合示意圖；
圖3為本發(fā)明的折射率傳感器具有干涉調(diào)制包絡(luò)的諧振透射光譜圖；
圖4為折射率變化導(dǎo)致傳感器諧振峰值波長移動在一個自由光譜范圍內(nèi)的示意圖；
圖5為折射率變化導(dǎo)致傳感器諧振峰值波長移動超過一個自由光譜范圍的示意圖；圖中，光源1、第一單模光纖2、第一耦合區(qū)3、第一納米光纖第一段4、第三耦合區(qū)5、第一納米光纖第二段7、第一納米光纖第三段6、第二納米光纖8、第二耦合區(qū)9、第二單模光纖
10、探測器11。
【具體實施方式】
[0007]本發(fā)明的工作原理如下:
傳感器的輸出光譜為經(jīng)過M-Z干涉包絡(luò)調(diào)制的諧振透射譜，兩根納米光纖均為折射率傳感元，將分析物附著于納米光纖傳感元上，此時納米光纖包層環(huán)境折射率將變化，輸出諧振光譜會發(fā)生諧振峰值波長的移動，當諧振峰值移動在一個自由光譜范圍(FSR)內(nèi)時，探測諧振峰值波長的移動量便可以測得分析物折射率值；當諧振峰值波長移動超過一個自由光譜范圍(FSR)但仍處于一個M-Z干涉調(diào)制包絡(luò)內(nèi)時，我們可以通過光強變化來輔助確定諧振峰值波長的偏移量，進而探測到變化的分析物折射率值。
[0008]下面參照附圖并結(jié)合具體實施例對本發(fā)明作進一步的詳細說明。
[0009]本發(fā)明一種具有高靈敏度和大測量范圍的納米光纖折射率傳感器，該傳感器包括:光源1、第一單模光纖2、第二單模光纖10、第一納米光纖、第二納米光纖8、探測器11 ；其中，所述光源I與第一單模光纖2相連，第一單模光纖2分別與第一納米光纖和第二納米光纖8耦合相連，形成第一耦合區(qū)3 ;所述第一納米光纖由第一納米光纖第一段4、第一納米光纖第二段7、第一納米光纖第三段6組成，繞成環(huán)狀形成納米光纖環(huán)形諧振腔；第一納米光纖第一段4、第一納米光纖第二段7、第一納米光纖第三段6相交處形成第三耦合區(qū)5 ;第一納米光纖和第二納米光纖8再與第二單模光纖10耦合相連，形成第二耦合區(qū)9 ;第二單模光纖10與探測器11相連。
[0010]由光源I發(fā)出的光經(jīng)過第一單模光纖2進入第一耦合區(qū)3后分為兩路光，第一路光經(jīng)過納米光纖環(huán)形諧振腔后進入第二耦合區(qū)9，第二路光直接經(jīng)過第二納米光纖8后進入第二耦合區(qū)9，兩路光之間具有相位差，構(gòu)成M-Z干涉儀，兩路光共同經(jīng)過第二耦合區(qū)9耦合進第二單模光纖10后，輸出經(jīng)過干涉包絡(luò)調(diào)制的諧振透射光譜進入探測器11。
[0011]第二耦合區(qū)5可以利用納米光纖的倏逝場形成，通過第二耦合區(qū)5的納米光纖進行近距離靠近或者打成環(huán)結(jié)來形成耦合；第一耦合區(qū)3和第二耦合區(qū)9是通過普通單模光纖錐形端與兩根納米光纖進行耦合形成的。
[0012]如圖2所示，普通單模光纖通過熔融拉錐形成錐形端，兩根納米光纖近距離靠近光纖錐形區(qū)域，便可以形成耦合；耦合系數(shù)由錐形端形狀、納米光纖直徑以及光纖與錐形端靠近距離有關(guān)，通過選取適當?shù)膮?shù)便可得到需要的耦合系數(shù)。
[0013]光源可為1550nm范圍內(nèi)的寬帶光源，或者可調(diào)諧激光光源；探測器可為掃描光譜分析儀。[0014]與傳統(tǒng)的納米光纖環(huán)形諧振腔折射率傳感器相比，本發(fā)明傳感器通過增加一根納米光纖作為傳感元，引入M-Z干涉儀，這樣得到的結(jié)果是經(jīng)過M-Z干涉包絡(luò)調(diào)制的環(huán)形諧振腔諧振透射光譜，如圖3所示為本發(fā)明傳感器的一種輸出光譜，傳感器參數(shù)如下:第一納米光纖和第二納米光纖8的直徑均為1.6 μ m，第一納米光纖第一段4和第一納米光纖第二段7的長度均為1000 μ m,第一納米光纖第三段6的長度為800 μ m,第二納米光纖8的長度為2160 μ m，第三耦合區(qū)5的耦合系數(shù)為0.8，納米光纖外部分析物折射率為1.33。圖3中自由光譜范圍(FSR)為2.27nm，一個M-Z干涉包絡(luò)內(nèi)包含5個自由光譜范圍(FSR)。示意圖1中的傳感器的第一稱合區(qū)3、第二稱合區(qū)9和第三稱合區(qū)5的稱合系數(shù)、稱合損耗、第一納米光纖第三段7的長度、第一納米光纖第一段4、第一納米光纖第二段6和第二納米光纖8的長度對輸出光譜都有影響，我們可以通過調(diào)節(jié)這些參數(shù)來得到適合折射率傳感的透射光
-1'TfeP曰。
[0015]當納米光纖外部分析物折射率改變時，輸出諧振透射光譜便會移動，圖4為分析物折射率由1.33變化到1.3302時所導(dǎo)致的傳感器輸出光譜的移動示意圖，其余傳感器參數(shù)不變，由圖4可見此時諧振峰值波長的移動在一個自由光譜范圍內(nèi)，最大光強左側(cè)的諧振峰值波長由1549.32nm移動到1549.55nm，折射率靈敏度為1150nm/RIU(單位折射率)。圖5為分析物折射率由1.33變化到1.3325時所導(dǎo)致的傳感器輸出光譜的移動示意圖，由圖可見此時諧振峰值波長的移動已經(jīng)越過一個自由光譜范圍，但仍在一個干涉包絡(luò)內(nèi)，此時我們通過最大光強的移動來進行光譜移動的定位，可知最大光強左側(cè)的諧振峰值波長由1549.32nm移動到1552.23nm。當折射率的變化導(dǎo)致諧振峰值移動在五個自由光譜范圍內(nèi)時(也即一個干涉包絡(luò)內(nèi))，我們都是可以進行區(qū)分的。但當諧振峰值波長的移動超過五個自由光譜范圍后(也即超過一個干涉包絡(luò))，我們將對此無法區(qū)分。由此可知，本發(fā)明在上述參數(shù)設(shè)置下的折射率測量靈敏度非常高，而且可以橫跨5個自由光譜范圍進行折射率測量，明顯提高了折射率測量的動態(tài)范圍。
[0016]本發(fā)明不僅僅限于上述實施例，我們可以通過改變傳感器參數(shù)來改變一個M-Z干涉包絡(luò)內(nèi)可以橫跨的自由光譜范圍數(shù)，以便得到所需的折射率測量靈敏度以及測量動態(tài)范圍。
【權(quán)利要求】
1.一種具有高靈敏度和大測量范圍的納米光纖折射率傳感器，其特征在于，包括:光源(I)、第一單模光纖(2)、第二單模光纖(10)、第一納米光纖、第二納米光纖(8)和探測器(11);其中，所述光源(I)與第一單模光纖(2)相連，第一單模光纖(2)分別與第一納米光纖和第二納米光纖(8)耦合相連，形成第一耦合區(qū)(3);所述第一納米光纖由第一納米光纖第一段(4)、第一納米光纖第二段(7)、第一納米光纖第三段(6)組成，繞成環(huán)狀形成納米光纖環(huán)形諧振腔；第一納米光纖第一段(4)、第一納米光纖第二段(7)、第一納米光纖第三段(6)相交處形成第三耦合區(qū)(5);第一納米光纖和第二納米光纖(8)再與第二單模光纖(10)耦合相連，形成第二耦合區(qū)(9);第二單模光纖(10)與探測器(11)相連；由光源(I)發(fā)出的光經(jīng)過第一單模光纖(2)進入第一耦合區(qū)(3)后分為兩路光，第一路光經(jīng)過納米光纖環(huán)形諧振腔后進入第二耦合區(qū)(9)，第二路光直接經(jīng)過第二納米光纖(8)后進入第二耦合區(qū)(9)，兩路光之間具有相位差，構(gòu)成M-Z干涉儀，兩路光共同經(jīng)過第二耦合區(qū)(9)耦合進第二單模光纖(10)后，輸出經(jīng)過干涉包絡(luò)調(diào)制的諧振透射光譜進入探測器(11 )。
【文檔編號】G01N21/45GK104034696SQ201410208702
【公開日】2014年9月10日 申請日期:2014年5月16日 優(yōu)先權(quán)日:2014年5月16日
【發(fā)明者】賀青, 黃騰超, 龐斌, 劉承, 舒曉武 申請人:浙江大學(xué)