專利名稱：一種基于實(shí)芯光子晶體光纖的法布里-珀羅干涉?zhèn)鞲衅骷捌渲谱鞣椒?br> 技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于光纖傳感技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及到基于實(shí)芯光子晶體光纖的非本征型光纖法布里-珀羅干涉?zhèn)鞲衅骷捌渲谱鞣椒ā?br> 背景技術(shù)：
光纖法布里-珀羅(F-P)干涉?zhèn)鞲衅?，憑借其抗電磁干擾能力強(qiáng)、精度高、穩(wěn)定性好可靠性好、分辨率高等優(yōu)勢，在應(yīng)變、壓力、振動、加速度、溫度、折射率測量等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。非本征型光纖法珀干涉?zhèn)鞲衅魇菓?yīng)用最為廣泛的一種光纖法珀干涉儀，其干涉腔由空氣或其它非光纖的固體介質(zhì)(如中空的石英玻璃管)構(gòu)成，光纖僅起到光傳輸介質(zhì)的作用。它不僅具有光纖傳感器的所有優(yōu)點(diǎn)，而且能克服本征型光纖法珀傳感器對各方向應(yīng)變敏感和受溫度影響較大的缺點(diǎn)。目前非本征型光纖法珀干涉?zhèn)鞲衅饔卸喾N制作方法在毛細(xì)管中對接兩根光纖，兩端面形成F-P腔，該方法制作簡單，但腔長難以精確控制；通過熔接多層單模光纖和多模光纖制成的F-P傳感器，方法也很簡單，但是多層光纖膜結(jié)構(gòu)形成的多重F-P干涉，會影響信號的解調(diào)；直接用多模光纖腐蝕出凹腔，然后熔接到單模光纖上形成F-P腔，該方法腔長難以精確控制；用飛秒激光器在單模光纖上刻腔制作F-P 腔，具有很好的效率和精度，但是加工系統(tǒng)的成本較高，且由于刻腔造成應(yīng)力集中影響了機(jī)械性能；在兩根單模光纖中間熔接一段空心光纖或空芯光子晶體光纖形成F-P腔，但是制作工藝復(fù)雜、機(jī)械強(qiáng)度低并且需要專門的切割程序來控制腔長，這些缺點(diǎn)影響了干涉儀的性能和魯棒性。由于非本征型光纖法珀干涉?zhèn)鞲衅鞯难苌鋼p耗，要獲得高精細(xì)度和高對比度必須嚴(yán)格限制法珀腔的腔長(一般小于10 μ m)或采用復(fù)雜工藝制作成平-凹或凹-凹腔結(jié)構(gòu)。所以上述傳統(tǒng)方法制作的一般都是低精細(xì)度的EFPI或菲索干涉儀。這種干涉儀光源利用效率低，探測信號弱，在利用波長解調(diào)時(shí)測量精度低。專利號200710078515. 3“基于空芯光子晶體光纖的法-珀干涉?zhèn)鞲衅骷捌渲谱鞣椒ā敝欣靡桓招竟庾泳w光纖和兩根單模光纖構(gòu)成法-珀干涉?zhèn)鞲衅鳌５侵谱鞴に噺?fù)雜，不適合批量生產(chǎn)。專利號200710179458. 8 “微透鏡光纖法布里-珀羅干涉儀”中，利用兩根端面鍍高反射模的光纖，其中一個(gè)或兩個(gè)鍍膜光纖端面上制作有微透鏡，鍍膜光纖端面相互對準(zhǔn)、 平行構(gòu)成法-珀干涉儀。實(shí)芯光子晶體光纖(Photonic Crystal Fiber, PCF)又稱折射率引導(dǎo)型光子晶體光纖，通常由純SiO2制作而成，其包層存在周期性排列的空氣孔。由于實(shí)芯光子晶體光纖具有獨(dú)特的光學(xué)特性如極寬單模傳輸、高非線性、大模場面積、可控色散等，已被廣泛的用于溫度、應(yīng)變、微彎、折射率等的傳感測量。2009年Joel Villatoro報(bào)道了利用實(shí)芯 PCF制作的球形空氣腔F-P干涉儀，腔長20 μ m到50 μ m,具有低溫度靈敏度和高機(jī)械強(qiáng)度。 但是由于球形腔中的較高衍射損耗，F(xiàn)-P干涉條紋接近雙光束干涉條紋，條紋對比度只有 8-12dB，精細(xì)度也只有5。因此這種干涉儀制成的傳感器測量信號弱，在利用波長解調(diào)時(shí)測量精度低，不適用于大容量、準(zhǔn)分布式的傳感系統(tǒng)。為了克服上述非本征型光纖法珀干涉?zhèn)鞲衅鞔嬖诘娜秉c(diǎn)，制作高精細(xì)度、高對比度的非本征型光纖法珀干涉?zhèn)鞲衅?，本專利提出了一種新穎的基于實(shí)芯光子晶體光纖的微小型非本征型光纖法布里-珀羅干涉?zhèn)鞲薪Y(jié)構(gòu)。

發(fā)明內(nèi)容
發(fā)明目的
本發(fā)明的目的在于提供了一種新型的非本征型光纖法布里-珀羅干涉?zhèn)鞲衅骷捌渲谱鞣椒?；該傳感器由?shí)芯光子晶體光纖與普通單模光纖用光纖熔接機(jī)熔接，適當(dāng)?shù)娜劢訁?shù)使得光子晶體光纖中的空氣孔塌陷，兩根光纖間的空氣腔形成微橢球型光纖法布里-珀羅干涉腔。技術(shù)方案
一種基于實(shí)芯光子晶體光纖的法布里-珀羅干涉?zhèn)鞲衅?，該傳感器由一根普通通信單模光纖和一根實(shí)芯光子晶體光纖構(gòu)成，兩者的一端用光纖熔接機(jī)熔接連接，使得光子晶體光纖中的空氣孔塌陷，兩根光纖間的空氣腔形成微型光纖法布里-珀羅干涉腔，光子晶體光纖和單模光纖的兩個(gè)端面即空氣腔的前后表面為微型法布里-珀羅干涉腔的兩個(gè)反射面，其干涉腔為橢球腔，腔長8 μ m-20 μ m,反射凹面曲率半徑和腔長接近相等。作為一種優(yōu)化方式所述的普通通信單模光纖為SMF，實(shí)芯光子晶體光纖為 SM-7. 0。作為進(jìn)一步優(yōu)化方式所述的法布里-珀羅干涉?zhèn)鞲衅鞯膸挒?. lnm，精細(xì)度為 47，對比度為30dB。一種基于實(shí)芯光子晶體光纖的法布里-珀羅干涉?zhèn)鞲衅鞯闹谱鞣椒ǎ涮卣髟谟谠摲椒òㄒ?br> 下步驟
(1)首先將待切割的實(shí)芯光子晶體光纖和單模光纖的一端部分浸入丙酮中，一分鐘后用試鏡紙除去這部分的涂覆層；
(2)用光纖切割刀切割普通通信單模光纖和實(shí)芯光子晶體光纖，保護(hù)好切割端面；
(3)用光纖熔接機(jī)將已切割好端面的一端進(jìn)行熔接，熔接時(shí)光子晶體光纖應(yīng)稍遠(yuǎn)離電極；第一次放電后，熔接點(diǎn)處邊緣首先熔接上，而中心由于光子晶體光纖包層空氣孔的塌陷排出的空氣被捕獲形成空氣腔；
(4)實(shí)時(shí)監(jiān)測反射譜，多次追加放電，使反射條紋的精細(xì)度和對比度最大，這時(shí)腔長與反射面曲率半徑接近相等；
(5)將光子晶體光纖未熔接的一端置于匹配液中或繞成環(huán)狀，防止產(chǎn)生多重法布里-珀羅干涉干涉。作為一種優(yōu)選方式所述的普通通信單模光纖為SMF，實(shí)芯光子晶體光纖為SM-7. 0 作為進(jìn)一步優(yōu)選方式所述的步驟(3)和(4)中放電的熔接參數(shù)預(yù)熔時(shí)間0.2s，預(yù)
熔電流5mA，間隙50 μ m，熔接電流7mA，熔接時(shí)間650ms，ζ軸推進(jìn)量15 μ m ；追加放電電流 7mA,追加放電時(shí)間650ms。進(jìn)一步優(yōu)選方式所述的步驟(4)中多次追加放電的次數(shù)為4次。
有益效果
1、光子晶體光纖法布里-珀羅干涉?zhèn)鞲衅鞯慕Y(jié)構(gòu)如圖2所示。利用光纖熔接機(jī)將實(shí)芯光子晶體光纖和普通通信單模光纖熔接起來，由于PCF包層空氣孔塌陷，兩根光纖間形成空氣腔構(gòu)成F-P腔，實(shí)芯光子晶體光纖和普通單模光纖的兩個(gè)端面即空氣腔的前后表面為 F-P腔的兩個(gè)反射面，其干涉腔為橢球腔，腔長8 μ m-20 μ m,反射凹面曲率半徑和腔長接近相等。由于衍射效應(yīng)，光從單模光纖端面以一定的發(fā)散角出射到光子晶體光纖端面。當(dāng)反射面曲率半徑剛好等于空氣腔腔長時(shí)(如圖2中所示)，以一定發(fā)散角出射的光剛好被光子晶體光纖端面按原路徑反射回單模光纖端面。此時(shí)腔中衍射造成的損耗因子最小，可以得到高精細(xì)度和高對比度的干涉條紋。當(dāng)空氣腔變成球形腔時(shí)，由于有很大一部分光在空氣腔中被反射到包層中損耗掉，腔中衍射造成的損耗因子較大，這時(shí)返回單模光纖的光強(qiáng)明顯減弱，條紋的精細(xì)度和對比度會明顯降低。已有的光纖法布里-珀羅腔多為平行腔，由于衍射損耗，對比度很低，為了提高其對比度，需要在反射面鍍高反射率膜，制作工藝復(fù)雜，且腔長無法做的很短，因此其機(jī)械強(qiáng)度遠(yuǎn)低于本發(fā)明。而由于橢球腔的凹面聚光效果，不需要鍍反射膜對比度也能達(dá)到30，超過鍍膜的平行腔，制作工藝最簡化，只包含切割和熔接過程， 腔長僅為8 μ m-20 μ m,機(jī)械魯棒性很好，單點(diǎn)測量更精確，動態(tài)測量范圍可達(dá)到已有光纖法布里-珀羅腔傳感器的6-7倍。因此橢球腔要優(yōu)于鍍膜平行腔。2、本發(fā)明采用光纖熔接機(jī)放電熔接普通通信單模光纖和一根實(shí)芯光子晶體光纖， 其放電的熔接參數(shù)預(yù)熔時(shí)間0.2s，預(yù)熔電流5mA，間隙50μπι，熔接電流7mA，熔接時(shí)間 650ms, ζ軸推進(jìn)量15 μ m ；追加放電電流7mA，追加放電時(shí)間650ms。本發(fā)明針對光子晶體光纖SM-7. 0采用的熔接參數(shù)為最佳選擇，其他熔接參數(shù)下兩根光纖間會形成球型空氣腔或無空氣腔形成。3、本光子晶體光纖法布里-珀羅干涉?zhèn)鞲衅骶哂幸话愎饫w傳感器的優(yōu)越性，不易受電磁干擾，傳感器結(jié)構(gòu)簡單、尺寸小，適用于易燃易爆等惡劣環(huán)境。除此之外，本傳感器還有很多獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)。所用的實(shí)芯光子晶體光纖由單一材料構(gòu)成，溫度變化時(shí)不會引起材料熱膨脹系數(shù)之間的失配，因此這種干涉儀受溫度變化影響?。?br> 4、制作過程僅用到光纖切割和熔接工藝，制備工藝簡單；干涉腔體即F-P腔僅為 8 μ m-20 μ m,并可通過選擇不同結(jié)構(gòu)的實(shí)芯光子晶體光纖和調(diào)節(jié)熔接參數(shù)以及放電次數(shù)可以改變F-P腔反射凹面曲率半徑和腔長，從而獲得高精細(xì)度、高對比度的干涉條紋，在大容量、準(zhǔn)分布式傳感系統(tǒng)中將具有極大的應(yīng)用潛力；
5、體積小、全光纖結(jié)構(gòu)、魯棒性好、成本低。


圖1是本傳感器使用的光子晶體光纖SM-7. 0端面圖。圖2是光子晶體光纖法布里-珀羅干涉?zhèn)鞲衅鞯慕Y(jié)構(gòu)圖。圖3是光子晶體光纖法布里-珀羅干涉?zhèn)鞲衅鞯姆ú祭?珀羅腔顯微4是光子晶體光纖法布里-珀羅干涉?zhèn)鞲衅鞯臍w一化反射光譜圖
圖5是光子晶體光纖法布里-珀羅干涉?zhèn)鞲衅鞯撵o態(tài)軸向拉伸響應(yīng)圖6是用光子晶體光纖法布里-珀羅干涉?zhèn)鞲衅鞯臏囟软憫?yīng)附圖中，2-1是信號入射光，2-2是普通通信單模光纖，2-3是實(shí)芯光子晶體光纖，2-4是光纖之間的熔接點(diǎn)，2-5是實(shí)芯光子晶體光纖空氣孔塌陷區(qū)，2-6是法布里-珀羅干涉腔。
具體實(shí)施例方式SM-7. 0，具體參數(shù)
材料純石英
折射率1.45
芯徑7. 0 μ m
包層直徑125 ± 3 μ m
涂敷層直徑245 ± 5 μ m
模場直徑(MDF) @1550nm: 3.4 ± 0.2 μm
衰減 @ 1550 nm < 2. 2 dB/km
SMF具體參數(shù)
芯徑8. 2 μ m
包層直徑125 士 1 μ m
涂敷層直徑250 士 1 μ m
模場直徑(MDF) il550nm: 3. 9 μ m
實(shí)施例1
參見圖2，光子晶體光纖法布里-珀羅干涉?zhèn)鞲衅饔梢桓胀ㄍㄐ艈文９饫w(SMF)和一根實(shí)芯光子晶體光纖(SM-7. 0)構(gòu)成，兩根光纖的一端用光纖熔接機(jī)以一定參數(shù)熔接連接。 熔接參數(shù)為間隙50 μ m，預(yù)熔時(shí)間0.2s，預(yù)熔電流5mA，熔接電流7mA，熔接時(shí)間650ms，ζ 軸推進(jìn)量15 μ m，追加放電電流7mA，追加放電時(shí)間650ms。由于實(shí)芯光子晶體光纖包層空氣孔塌陷，兩根光纖間形成空氣腔構(gòu)成F-P腔，實(shí)芯光子晶體光纖和普通通信單模光纖的兩個(gè)端面即空氣腔的前后表面為F-P腔的兩個(gè)反射面。圖3為SMF與SM-7. 0型實(shí)芯光子晶體光纖在前文所述的熔接條件下經(jīng)過電弧放電四次后形成的微型非本征光纖法布里-珀羅干涉腔顯微照片。這種光子晶體光纖法布里-珀羅干涉?zhèn)鞲衅鞯闹谱鞣椒òㄒ韵虏襟E
(1)首先將待切割的光子晶體光纖和單模光纖的一端部分浸入丙酮中，一分鐘后用試鏡紙除去這部分的涂覆層。之所以不用光纖涂覆層剝離鉗是為了避免由于光纖表面的小損傷造成應(yīng)力集中而降低干涉儀的機(jī)械性能；
(2)用光纖切割刀切割普通單模光纖和實(shí)芯光子晶體光纖，本實(shí)驗(yàn)中用到的實(shí)芯光子晶體光纖為長飛光纖光纜有限公司提供的光子晶體光纖SM-7. 0型，其端面如圖1所示，纖芯直徑為7. 0 μ m，保護(hù)好切割端面；
(3)用光纖熔接機(jī)(古河FITELS176)將已切割好端面的一端進(jìn)行熔接，熔接時(shí)光子晶體光纖應(yīng)稍遠(yuǎn)離電極。熔接參數(shù)預(yù)熔時(shí)間0.2s，預(yù)熔電流5mA，間隙50μπι，熔接電流 7mA，熔接時(shí)間650ms，ζ軸推進(jìn)量15 μπι;追加放電電流7mA，追加放電時(shí)間650ms。放電后熔接點(diǎn)邊緣處首先熔接上，而中心由于光子晶體光纖包層空氣孔的塌陷排出的空氣形成空氣腔，如圖3中所示，多次放電調(diào)整凹腔曲率半徑；
(4)將光子晶體光纖未熔接的一端置于匹配液中或繞成環(huán)狀，防止產(chǎn)生多重F-P干涉。
圖4是光子晶體光纖法布里-珀羅干涉?zhèn)鞲衅鞯臍w一化反射光譜圖，從圖中可以看出，所制作的F-P干涉?zhèn)鞲衅鞯膸挒?. lnm，精細(xì)度為47，對比度為30dB。利用本發(fā)明方法制作的光子晶體光纖法布里-珀羅干涉?zhèn)鞲衅饔捎谒玫膶?shí)芯光子晶體光纖由單一材料構(gòu)成，溫度變化時(shí)不會引起材料熱膨脹系數(shù)之間的失配，因此這種干涉儀受溫度變化影響??；制作過程僅用到光纖切割和熔接工藝，制備工藝簡單；干涉腔體即F-P腔腔長僅為8 μ m-20 μ m,獲得高精細(xì)度、高對比度的干涉條紋，在大容量、準(zhǔn)分布式傳感系統(tǒng)中將具有極大的應(yīng)用潛力；體積小、全光纖結(jié)構(gòu)、魯棒性好、成本低。具體實(shí)驗(yàn)中所制成的光子晶體光纖法布里-珀羅干涉?zhèn)鞲衅髑婚L為9. 823 μ m,初始波長為1511. 2nm。將所制作的光纖F-P干涉?zhèn)鞲衅髦糜诤銣叵淅焙髮⑵鋬啥朔謩e固定在光纖夾持器上，且保持整個(gè)光纖光纖F-P干涉儀呈水平放置，光纖夾持器間距10cm。 當(dāng)傳感器受到軸向拉伸時(shí)，F(xiàn)-P腔的腔長將發(fā)生變化。圖5為在溫度為25°C時(shí)的靜態(tài)軸向拉伸響應(yīng)測試結(jié)果。波谷對應(yīng)波長漂移約為12. 3nm，相應(yīng)的位移-谷值波長漂移度約為 30. 75pm/ μ m,曲線的線性度約為98. 91%。實(shí)驗(yàn)過程中，保持軸向位移不變，改變恒溫箱的溫度使其從25°C逐漸升到95°C， 通過光譜儀實(shí)時(shí)監(jiān)測干涉條紋的變化，并每隔10°c記錄一次數(shù)據(jù)，結(jié)果如圖6所示。該光子晶體光纖法布里-珀羅干涉?zhèn)鞲衅髟?5°C到95°C常溫范圍內(nèi)波谷對應(yīng)波長漂移僅為44pm， 溫度系數(shù)經(jīng)擬合約為0. 634pm/0C，可見該干涉儀對溫度不敏感，而普通非本征型光纖F-P 干涉儀在100°C的范圍內(nèi)其腔長變化就可達(dá)數(shù)十微米。其原因在于這種新型非本征型光纖法布里-珀羅干涉儀的整個(gè)制作過程只用到光纖切割和光纖熔接，F(xiàn)-P腔為空氣腔而且光子晶體光纖材料單一，溫度變化時(shí)不會引起材料熱膨脹系數(shù)之間的失配。
權(quán)利要求
1.一種基于實(shí)芯光子晶體光纖的法布里-珀羅干涉?zhèn)鞲衅?，其特征在于該傳感器由一根普通通信單模光纖和一根實(shí)芯光子晶體光纖構(gòu)成，兩者的一端用光纖熔接機(jī)熔接連接，使得光子晶體光纖中的空氣孔塌陷，兩根光纖間的空氣腔形成微型光纖法布里-珀羅干涉腔，光子晶體光纖和單模光纖的兩個(gè)端面即空氣腔的前后表面為微型法布里-珀羅干涉腔的兩個(gè)反射面，其干涉腔為橢球腔，腔長8 μ m-20 μ m,反射凹面曲率半徑和腔長接近相寸。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于實(shí)芯光子晶體光纖的法布里-珀羅干涉?zhèn)鞲衅?，其特征在于所述的普通通信單模光纖為SMF，實(shí)芯光子晶體光纖為SM-7. 0。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種基于實(shí)芯光子晶體光纖的法布里-珀羅干涉?zhèn)鞲衅鳎涮卣髟谟谒龅姆ú祭?珀羅干涉?zhèn)鞲衅鞯膸挒?. lnm，精細(xì)度為47，對比度為30dB。
4.一種基于實(shí)芯光子晶體光纖的法布里-珀羅干涉?zhèn)鞲衅鞯闹谱鞣椒?，其特征在?該方法包括以下步驟(1)首先將待切割的實(shí)芯光子晶體光纖和普通通信單模光纖的一端部分浸入丙酮中， 一分鐘后用試鏡紙除去這部分的涂覆層；(2)用光纖切割刀切割普通通信單模光纖和實(shí)芯光子晶體光纖，保護(hù)好切割端面；(3)用光纖熔接機(jī)將已切割好端面的一端進(jìn)行熔接，熔接時(shí)光子晶體光纖應(yīng)稍遠(yuǎn)離電極；第一次放電后，熔接點(diǎn)處邊緣首先熔接上，而中心由于光子晶體光纖包層空氣孔的塌陷排出的空氣被捕獲形成空氣腔；(4)實(shí)時(shí)監(jiān)測反射譜，多次追加放電，使反射條紋的精細(xì)度和對比度最大，這時(shí)腔長與反射面曲率半徑接近相等；(5)將光子晶體光纖未熔接的一端置于匹配液中或繞成環(huán)狀，防止產(chǎn)生多重法布里-珀羅干涉干涉。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的一種基于實(shí)芯光子晶體光纖的法布里-珀羅干涉?zhèn)鞲衅鞯闹谱鞣椒?，其特征在于所述的普通通信單模光纖為SMF，實(shí)芯光子晶體光纖為SM-7. 0。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的一種基于實(shí)芯光子晶體光纖的法布里-珀羅干涉?zhèn)鞲衅鞯闹谱鞣椒?，其特征在于所述的步驟(3)放電的熔接參數(shù)預(yù)熔時(shí)間0. 2s,預(yù)熔電流5mA，間隙50 μ m，熔接電流7mA，熔接時(shí)間650ms，ζ軸推進(jìn)量15 μ m。
7.根據(jù)權(quán)利要求5所述的一種基于實(shí)芯光子晶體光纖的法布里-珀羅干涉?zhèn)鞲衅鞯闹谱鞣椒?，其特征在于步驟(4)中追加放電的熔接參數(shù)電流7mA，追加放電時(shí)間650ms。
8.根據(jù)權(quán)利要求5所述的一種基于實(shí)芯光子晶體光纖的法布里-珀羅干涉?zhèn)鞲衅鞯闹谱鞣椒?，其特征在于步驟(4)中多次追加放電的次數(shù)為4次。
全文摘要
本發(fā)明提供了一種光子晶體光纖法布里-珀羅干涉?zhèn)鞲衅骷捌渲谱鞣椒?。該傳感器由一根普通通信單模光纖和一根實(shí)芯光子晶體光纖利用一定的熔接方法熔接起來構(gòu)成。由于光子晶體光纖包層空氣孔塌陷，兩根光纖間形成空氣腔構(gòu)成F-P腔，光子晶體光纖和單模光纖的兩個(gè)端面即空氣腔的前后表面為F-P腔的兩個(gè)反射面。所用的實(shí)芯光子晶體光纖由單一材料構(gòu)成，溫度變化時(shí)不會引起材料熱膨脹系數(shù)之間的失配，因此這種干涉儀受溫度變化影響??；制作過程僅用到光纖切割和熔接工藝，制備工藝簡單；該傳感器可獲得高精細(xì)度、高對比度的干涉條紋，在大容量、準(zhǔn)分布式傳感系統(tǒng)中將具有極大的應(yīng)用潛力；體積小、全光纖結(jié)構(gòu)、魯棒性好、成本低。
文檔編號G01D5/26GK102261924SQ201110103949
公開日2011年11月30日 申請日期2011年4月26日 優(yōu)先權(quán)日2011年4月26日
發(fā)明者柯煒, 王婷婷, 葛益嫻 申請人:南京信息工程大學(xué)