專利名稱：一種基于可變耦合器的光纖傳感探頭的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于光纖傳感領(lǐng)域，特別涉及溫度傳感、電場、磁場、應(yīng)力應(yīng)變傳感等領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
熔融拉錐工藝(Fused Biconical TaperFBT)是目前光纖耦合器的主要制作方法，它采用專門的設(shè)備將兩根光纖在氫氧氣或丙烷氣的高溫下燒熔，再按照產(chǎn)品所需的工作波長、帶寬、分光比等光學特性，按所設(shè)定的參數(shù)將其向外拉，即完成所需光學特性的光分路器燒結(jié)過程。完成燒結(jié)過程后的光纖絲先在石英基板(substrate)上固定，以保持燒結(jié)后光纖絲的光學特性，再將光纖及基板裝入外包裝材料，以保護光纖絲及基板，并能滿足商業(yè)使用方便性的要求。光纖耦合器的工作原理是，當傳導模進入融錐區(qū)時，隨著纖芯不斷變細，越來越多的光功率滲入光纖包層中，實際上光功率是在由包層作為芯，纖外介質(zhì)(例如空氣)作為新包層的復合波導中傳輸?shù)?；在輸出端，隨著纖芯的不斷變粗，光功率被兩根纖芯以特定的比例“捕獲”。因此，光纖耦合器對耦合區(qū)包層折射率的變化是敏感的，對耦合區(qū)應(yīng)力變化更敏感。
目前光纖耦合器主要用于光功率分配，因此必須采取措施保證其光功率分配的環(huán)境穩(wěn)定性，特別是環(huán)境溫度穩(wěn)定性。其中使用石英基板是必不可少的措施。
目前出現(xiàn)了一種新的制作光纖耦合器的方法，“無拉錐區(qū)熔融擴散法”，其特點是只熔融，不拉錐。其基本原理是在熔融區(qū)域內(nèi)，光纖纖芯里固有的Ge2+的熱擴散現(xiàn)象，導致模場直徑增大，實現(xiàn)光纖間的光耦合。通過控制擴散時間和溫度可以制造預定耦合比的不同產(chǎn)品。這種方法的優(yōu)點是沒有變細的拉錐區(qū)，因而大大改善了耦合區(qū)的應(yīng)力狀態(tài)，不易產(chǎn)生耦合區(qū)的斷裂，從而提高了產(chǎn)品的可靠性。這種耦合器的耦合區(qū)外包層仍是原來光纖的部分包層，只是兩纖芯距離靠得很近，導致光纖間光能量的耦合。但這種耦合器分光比對耦合長度的變化就很敏感了。
綜上所述，光纖耦合器的耦合分光比，都對耦合區(qū)的應(yīng)力較敏感。根據(jù)這個現(xiàn)象，人為的給耦合區(qū)加載一些隨外界環(huán)境變化的應(yīng)力，就可以制作出高可靠性高靈敏度的光纖傳感探頭。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于設(shè)計出一種成本更低、可靠性更好、結(jié)構(gòu)更簡單、適合于批量生產(chǎn)的光纖傳感器，主要應(yīng)用于溫度、應(yīng)力、應(yīng)變、電場、磁場等領(lǐng)域的測量。
本發(fā)明的目的是這樣實現(xiàn)的請見圖1(a)，1與2均為光纖耦合器輸入光纖，5與6均為光纖耦合器輸出光纖，3為光纖耦合器的錐形耦合區(qū)，10為熱膨脹系數(shù)與光纖有差別的基板，該基板甚至具有電致伸縮或磁致伸縮效應(yīng)。
光纖所用基材為高純度石英玻璃，其熱膨脹系數(shù)為0.55×10-6/℃，對電磁場不敏感。石英玻璃延伸率達到5％，一般耦合區(qū)長度為20毫米，其最大伸長量可達1毫米，即1000微米，因此，錐形耦合區(qū)長度變化±50微米時還處于彈性形變范圍，而不會被拉斷。根據(jù)熔融拉錐制作工藝，一定分光比的1×2光纖耦合器，若耦合區(qū)長度的改變量在0～100微米變化時，其輸出光纖的耦合比可以在0～100％內(nèi)單調(diào)線性變化。
可見，按圖1(a)方案，將耦合器兩端與基板10綁定在一起(可加預拉應(yīng)力)，由于10的熱膨脹系數(shù)與光纖有差別，耦合器的耦合區(qū)長度將隨基板伸縮而伸縮，因而耦合器輸出端光功率隨之線性變化，探測輸出端光功率的變化，就知道環(huán)境溫度的變化。
如果基板10具有電致伸縮或磁致伸縮效，只需要進行溫度補償，就可以進行電場或磁場的探測了。
另請見圖1(b)，7為石英基板，熱膨脹系數(shù)與與光纖一樣。石英基板7上有一個熱膨脹系數(shù)與光纖有差別的凸臺4，該凸臺甚至具有電致伸縮或磁致伸縮效應(yīng)。其原理是光纖耦合器耦合比(分光比)對于耦合區(qū)的彎曲非常敏感。當凸臺4在溫度場變化時進行伸縮時，光纖耦合區(qū)的曲率隨之變化，因此輸出端耦合比隨之變化，探測輸出端光功率的變化，就知道環(huán)境溫度的變化。
如果凸臺4具有電致伸縮或磁致伸縮效，則只需要進行溫度補償，就可以進行電場或磁場的探測了。
上述光纖耦合器輸入輸出光纖都可以有兩根以上的光纖。并且可以應(yīng)用于需要測量應(yīng)變的地方，此時將基板10或凸臺4換成需要測量的對象，將輸入輸出光纖固定在測量對象上即可，必要時進行溫度補償。
本發(fā)明，一種基于可變耦合器的光纖傳感探頭，由于采用了上述的技術(shù)方案，使之與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有以下的優(yōu)點和積極效果1.本發(fā)明采取與傳統(tǒng)光纖耦合器封裝背道而馳的方法，有意擴大光纖耦合器對外界因素的靈敏程度，使得光纖耦合器耦合比(或輸出端光功率)隨外界因素(溫度、電場、磁場、應(yīng)力應(yīng)變等)的變化而變化，其線性度非常好，且探頭成本較低，結(jié)構(gòu)簡單，適合于規(guī)?；a(chǎn)。
2.本發(fā)明的可變耦合器采取傳統(tǒng)的熔融拉錐或無拉錐區(qū)熔融擴散法，工藝成熟，投入少，回報高。


通過以下對本發(fā)明一種基于可變耦合器的光纖傳感探頭若干實施例結(jié)合其附圖的描述，可以進一步理解本發(fā)明的目的、具體結(jié)構(gòu)特征和優(yōu)點。其中，附圖為圖1發(fā)明方案圖2實施例一是光纖耦合器錐形耦合區(qū)進行金屬化處理進行溫度檢測的情形；圖3實施例二是光纖耦合器固定在純鋁基板上進行溫度檢測的情形；圖4實施例三是光纖耦合器固定在被測對象上進行應(yīng)力應(yīng)變檢測的情形；圖5實施例4是改變光纖耦合器耦合區(qū)彎曲狀態(tài)進行光纖傳感的情形。
具體實施例方式
請參見圖2所示，這是本發(fā)明一種基于可變耦合器的光纖傳感探頭的一種實施例。其中11為光纖耦合區(qū)金屬化層，包括厚度10微米鎳層，外套純鋁管(內(nèi)表面也鍍鎳，壁厚1毫米)，中間用焊錫填充。純鋁的熱膨脹系數(shù)為23×10-6/℃，長度30毫米的純鋁基板，溫度變化200攝氏度，自由狀態(tài)下其長度變化138微米，由于光纖的擠壓，其變化長度實際上稍小于138微米。光纖1、2、5、6均采取普通單模光纖。50攝氏度時該耦合器分光比為50∶50，當溫度在-50～150攝氏度之間變化時，耦合區(qū)長度將隨之改變，耦合比在0～100％之間變化。探測輸出端5或6的光功率變化，可以測量耦合區(qū)的溫度變化。
請參見圖3所示，這是本發(fā)明一種基于可變耦合器的光纖傳感探頭的另一種實施例。其原理與實施例一相同，只是光纖耦合區(qū)不再采取金屬化的方法，如圖，17為純鋁基板，耐高溫環(huán)氧膠8與9將耦合區(qū)兩端固定在17上，在-50攝氏度時，耦合器分光比為5∶95，隨著17的熱膨脹，錐形耦合區(qū)3的長度將線性增加，耦合器分光比將線性單調(diào)地變化，探測輸出端5或6的光功率變化，可以測量耦合區(qū)的溫度變化。
請參見圖4所示，這是本發(fā)明一種基于可變耦合器的光纖傳感探頭的又一實施例。21為被測量對象，固定銷22與23將耦合器固定在21上，當21發(fā)生應(yīng)變時，耦合區(qū)3的長度隨之改變，光纖耦合器耦合比隨之發(fā)生改變，探測輸出端5或6的光功率變化，可以測量21的應(yīng)變量的大小。
請參見圖5所示，這是本發(fā)明一種基于可變耦合器的光纖傳感探頭的又一實施例。其中24為石英基板，石英柱12、13與純鋁柱14將耦合器固定在石英基板24上。12、13、14的高度均為2毫米，每增加1攝氏度，14的高度將比12和13的高度多增加49納米，因此耦合區(qū)曲率半徑將增加，引起耦合比相應(yīng)的變化。探測輸出端5或6的光功率變化，可以測量耦合區(qū)的溫度變化。
上述實施例中的熱膨脹驅(qū)動元件都可以換成電致伸縮元件，以測量電場強度大??；或者換成磁致伸縮元件，以測量磁場強度大小。
上述實施例只是對這種光纖耦合器分光比增敏的一種應(yīng)用，實際上其應(yīng)用遠不只上面所述情形。例如，該結(jié)構(gòu)還可以應(yīng)用于加速度傳感，在對耦合器耦合區(qū)進行保護處理后，還可以埋入混凝土中檢測建筑、橋梁、大壩的應(yīng)變與溫度分布。
總之，本發(fā)明提出了與傳統(tǒng)光纖耦合器相反的封裝方法，大大增加耦合器耦合分光比對環(huán)境因素的靈敏度，利用該方法做成的光纖溫度傳感探頭，具有可靠性高，成本低，重復性與穩(wěn)定性好等特點。
權(quán)利要求
1.一種基于可變光纖耦合器的光纖傳感探頭，其特征在于光纖耦合器的耦合區(qū)或耦合區(qū)兩端與其他載體綁定在一起，耦合區(qū)在載體的作用下發(fā)生軸向或徑向應(yīng)變，從而導致耦合器耦合比發(fā)生變化，所述載體包括熱膨脹材料、電致伸縮材料、磁致伸縮材料、受力應(yīng)變物體等。
2.如權(quán)利要求1所述的一種裝置，其特征在于光纖耦合器的耦合區(qū)或耦合區(qū)兩端所綁定的載體，在熱場或電場或磁場或力的作用下沿耦合區(qū)軸向發(fā)生伸長或收縮，強制耦合區(qū)沿軸向發(fā)生相應(yīng)的應(yīng)變，導致耦合器耦合比率發(fā)生變化。
3.如權(quán)利要求1所述的一種裝置，其特征在于耦合區(qū)所綁定的載體，在熱場或電場或磁場或力的作用下沿耦合區(qū)徑向發(fā)生伸長或收縮，迫使耦合區(qū)發(fā)生彎曲應(yīng)變，導致耦合器耦合比率發(fā)生變化。
4.如權(quán)利要求2或3所述的一種裝置，其特征在于耦合器輸出光纖為兩根或兩根以上。
5.如權(quán)利要求2或3所述的一種裝置，其特征在于所綁定載體的熱膨脹系數(shù)不等于光纖材料的熱膨脹系數(shù)。
6.如權(quán)利要求2或3所述的一種裝置，其特征在于所綁定的載體具有電致伸縮效應(yīng)。
7.如權(quán)利要求2或3所述的一種裝置，其特征在于所綁定的載體具有磁致伸縮效應(yīng)。
8.如權(quán)利要求2或3所述的一種裝置，其特征在于所綁定的載體因受內(nèi)力或外力作用發(fā)生應(yīng)變。
全文摘要
本發(fā)明屬于光纖傳感領(lǐng)域，是一種基于可變耦合器的光纖傳感探頭。由于采取與傳統(tǒng)光纖耦合器封裝背道而馳的方法，有意擴大光纖耦合器對外界因素的靈敏程度，使得光纖耦合器耦合比(或輸出端光功率)隨外界因素(溫度、電場、磁場、應(yīng)力應(yīng)變等)的變化而變化，其線性度非常好，且可變耦合器仍采取傳統(tǒng)的熔融拉錐或無拉錐區(qū)熔融擴散法，使得探頭成本較低，結(jié)構(gòu)簡單可靠，適合于規(guī)模化生產(chǎn)。
文檔編號G02B6/26GK1657992SQ200410012730
公開日2005年8月24日 申請日期2004年2月18日 優(yōu)先權(quán)日2004年2月18日
發(fā)明者張立國 申請人:張立國