专利名称：一种基于部分灌注型HiBi-PCF-FLM的高灵敏温度传感器的制作方法
技术领域：
本实用新型属于光纤传感技术领域，具体涉及一种基于部分灌注型高双折射 光子晶体光纤环镜(Highly Birefringent Photonic CrystalFiber Loop Mirror, HiBi-PCF-FLM)的高灵敏温度传感器。
背景技术：
对温度进行测量在我们日常生活中随处可见，温度计就是其中最普通的一种简易 温度传感器。随着社会的发展和科技的进步，其他一些基于电信号的温度传感器如热电偶、 热敏电阻等也已逐渐进入人们的视线，并广泛应用于温度检测的各个领域。它们的测温原 理及结构都比较简单，但由于是以电信号作为工作媒介，很容易受到电磁干扰，且存在着易 腐蚀，灵敏度较低，难以实现分布式传感等缺点。光纤传感器有许多独特的优点，如对电磁干扰不敏感，灵敏度高，体积小，抗腐蚀， 可应用于各种不同的环境中。用光纤作为温度测量媒介的机理多种多样，而基于布拉格光 纤光栅或长周期光纤光栅的温度传感器以其较简单的原理一采用温度变化引起的波长漂 移量或强度变化进行解调即可得到温度信息，而受到人们的重视。然而，布拉格光纤光栅温 度传感器的灵敏度比较低(只有 10pm/°C )，无法应用于高灵敏测温领域；长周期光纤光 栅温度传感器由于其对弯曲的极度敏感性，在测温过程中极易引入无法预见的干扰，因此 对测量条件要求非常高。光子晶体光纤是一种新型光纤，其包层中沿轴向周期性排列着波长量级的空气 孔，具有二维光子晶体结构。通过对这些空气孔的大小、分布或折射率的灵活设计，可以实 现不同的功能。本实用新型就是在光子晶体光纤包层的部分空气孔中灌注温度敏感型溶液 来实现温度传感。
发明内容本实用新型目的就是针对现有光纤温度传感器存在的灵敏度不高的特点，提出了 一种简单、紧凑、灵敏度高的基于部分灌注型的高双折射光子晶体光纤与光纤环镜结合的 高灵敏温度传感器。本实用新型为解决技术问题所采取的技术方案是一种基于部分灌注型HiBi-PCF-FLM的高灵敏温度传感器，包括光子晶体光纤、光 纤耦合器和温度敏感型溶液。在5cm长的光子晶体光纤包层的空气孔中灌入温度敏感型溶液，从而形成高 双折射效果，具体灌注方法可参考文献:Y. Y. Huang, Y. Xu, Amnon Yariv, "Fabrication of functional microstructured optical fibersthrough a selective-filling technique, "Applied Physics Letters, Vol. 85, No. 22，2004。光纤耦合器一边的两个端 口分别与灌注温度敏感型溶液后的光子晶体光纤的两端相连接，另一边的两个端口分别与 宽带光源和波长测量装置相连。光子晶体光纤与光纤耦合器组成光纤环镜结构。
3[0009]本实用新型所具有的优点为光纤环镜内两束相向传输的光的相位差对温度变化 非常敏感，在经过光纤环镜输出端的干涉作用下，外界环境温度的极小变化就能引起光纤 环镜输出谱的较大漂移，通过监测干涉光谱中某一损耗峰的漂移量，就可以解调出温度信 息，从而大大提高了温度传感的灵敏度，可以达到1. 8nm/°c，相比于布拉格光纤光栅温度传 感器高出两个数量级；用于传感部分的光子晶体光纤长度仅为5cm，相比于其他光纤环镜 结构的温度传感器大大缩小，因此该器件结构紧凑，体积小，可广泛应用于各种温度监测领 域。
图1为本实用新型的结构图，图2为本实用新型中光子晶体光纤及其包层小空气 孔中灌注温度敏感型后的端面示意图。
具体实施方式
以下结合附图对本实用新型进一步描述。如图1所示，一种基于部分灌注型HiBi-PCF-FLM的高灵敏温度传感器，包括光子 晶体光纤1、光纤耦合器2和温度敏感型溶液3。取5cm长的光子晶体光纤1，在该光子晶体 光纤包层的小空气孔中灌入温度敏感型溶液3，形成高双折射光子晶体光纤；将其两端分 别与光纤耦合器2 —边的两个端口相连接，光纤耦合器另一边的两个端口分别与宽带光源 与波长测量装置相连接。光子晶体光纤1与光纤耦合器2组成光纤环镜结构。当宽带光源 的光经过光纤环镜后在其输出端口就能产生干涉，形成多个损耗峰，损耗峰的偏振消光比 可以达到20-30dB。本实用新型的工作方式为光纤耦合器将由宽带光源发出的光分成两束相向传 输的光进入光纤环镜，在光纤环镜中传播一周后通过光纤耦合器从光纤环镜的输出端口射 出。由于光子晶体光纤在灌注温度敏感型后能达到较高的双折射效果，因此两束相反方向 传播的光会产生相位差，其值为
φ = 2nlS.nL I λ其中Δη为光纤环镜中两相向传输的光的折射率差，L为光子晶体光纤的长度， λ为入射光波波长。本实用新型中，Δ η可达到5.7 X 10_4，L为5cm，λ为1550 μ m。具有相位差的两束光在光纤环镜的输出端相遇后会产生干涉，形成具有多个损耗 峰的干涉谱，干涉谱与相位差的关系如下
Γ = (1 一 cos φ) Il当外界温度变化时，会引起光子晶体光纤小孔中的溶液折射率发生微小改变，继 而引起光纤环镜中两相向传输的光的折射率差值产生变化，即引起两者的相位差变化，根 据上述公式可知，干涉谱会发生漂移，通过监测某个损耗峰随温度变化产生的漂移量，就可 以解调出温度信息。本实用新型能够实现高灵敏度测温的关键技术为所使用的光子晶体光纤在灌注 温度敏感型后能达到较高的双折射效果；光纤环镜中两束相向传输的光的相位差对温度变
4化比较敏感，经过光纤环镜输出谱的干涉作用，能带来损耗峰的较大漂移，从而提高测温时 的灵敏度。 本实施例中，选用的光子晶体光纤其包层中两个大空气孔的直径为4. 5 μ m，其余 小空气孔的直径为2. 2 μ m，光纤长度5cm。温度敏感型液体为去离子水，室温下的折射率为 1.333，折射率随温度的变化率为6. 24X IO-V0C ；传感器温度灵敏度达到1.8nm/°C。
权利要求一种基于部分灌注型HiBi PCF FLM的高灵敏温度传感器，包括光子晶体光纤(1)、光纤耦合器(2)和折射率溶液(3)，其特征在于该发明装置的光纤耦合器一边的两个端口与灌注折射率溶液后的光子晶体光纤两端相连接，另一边的两个端口分别与宽带光源和波长测量装置相连接，光子晶体光纤与光纤耦合器组成光纤环镜结构。
2.如权利1所述的光子晶体光纤，其特征在于包层中两个大空气孔的直径为4.5μπι， 其余小空气孔的直径为2. 2 μ m，在包层的小空气孔中灌注折射率溶液后能达到较高的双折 射效果。
3.如权利1所述的光纤耦合器，其特征在于其分光比为1 1。
4.如权利1所述的折射率溶液，其特征在于其折射率对温度较敏感，可以是水溶液或 液晶。
专利摘要本实用新型涉及一种基于部分灌注型HiBi-PCF-FLM的高灵敏温度传感器，以极其紧凑的结构解决了一般光纤温度传感器存在的温度灵敏度低的缺点。本实用新型中光子晶体光纤包层的小空气孔中灌注一种温度敏感型溶液，形成高双折射光子晶体光纤。该光子晶体光纤两端分别与光纤耦合器一边的两个端口相连接形成光纤环镜结构，光纤耦合器另一边的两个端口分别与宽带光源和波长测量装置相连接。光纤耦合器将由宽带光源发出的光分成两束相向传输的光，两束光的相位差对温度变化非常敏感，在经过光纤环镜输出端的干涉作用下，外界环境温度的极小变化就能引起光纤环镜输出谱的较大漂移，通过监测输出谱中某个损耗峰的漂移就可以解调出温度信息。本实用新型传感器的体积小，结构简单，测温灵敏度高，可广泛应用于需高灵敏温度监测领域。
文档编号G02B6/02GK201697728SQ201020211760
公开日2011年1月5日 申请日期2010年6月2日 优先权日2010年6月2日
发明者何少灵, 倪凯, 董新永, 赵春柳 申请人:中国计量学院