侧边抛磨光纤及其制备方法及传感器的制造方法
【技术领域】
[0001]本发明属于光纤应用技术领域，尤其涉及一种侧边抛磨光纤及其制备方法及传感器。
【背景技术】
[0002]侧边抛磨光纤是在普通通信光纤上，利用光学微加工技术，将光纤的部分侧边包层去掉所制成的光纤。侧边抛磨光纤器件是利用侧抛光纤中光通过倏势场泄露到光纤外部的性能，在其抛磨面上制作各种光学结构或淀积不同的薄膜材料而制作的各种光纤传感器及光纤通信器件。
[0003]现有的光纤侧边抛磨工艺包括槽式侧抛工艺和轮式侧抛工艺两种。槽式侧抛工艺是将光纤放置在预先制作好的V型槽中，用环氧树脂固定好，再采用不同粒径的研磨料对光纤进行研磨和抛光。由这种方法制作得到的侧抛光纤的剩余厚度由V型槽的尺寸来控制。因此提前根据光纤尺寸、抛磨剩余厚度的要求来制作高精度的V型槽是槽式侧抛工艺的关键，也是该工艺复杂、耗时的原因之一。另一种轮式侧抛工艺，采用固定有研磨料或抛磨砂纸的旋转磨轮对水平放置的光纤进行抛磨，光纤的剩余厚度通过液滴法来测算。这种方法不需要提前制作高精度的V型槽，可通过抛磨进程中光功率的变化来计算出剩余厚度，大大地提高了侧边抛磨光纤的制作效率。然而，无论是槽式侧抛工艺还是轮式侧抛工艺，通常侧抛光纤的制作都包括粗磨、细磨以及抛光工序，在光纤抛磨过程中需要更换不同粗细程度的研磨料或砂纸，最后再进行长时间的抛光来得到抛磨面细腻光滑的侧抛光纤。上述传统的抛磨工艺较复杂、耗时较长，而且光纤很容易在加工过程断裂导致成品率低下。此外，制作侧抛光纤器件通常还需要在侧抛光纤表面再制作其它光学结构或淀积不同材料的薄膜来实现一定的传感或通信器件功能，这进一步增加了侧抛光纤器件的制作难度和成本。因此，侧抛光纤工艺复杂、耗时，侧抛光纤器件制作难、成品率低下等问题已成为侧抛光纤器件在光纤传感和光纤通信领域应用的瓶颈。
【发明内容】
[0004]本发明所要解决的技术问题是，提供了一种简便的侧边抛磨光纤及其制备方法及传感器，以克服现有侧边抛磨光纤制备工艺复杂的缺陷。本发明是这样实现的:
[0005]一种侧边抛磨光纤的制备方法，包括如下步骤:
[0006]将单模光纤无扭曲地自然拉直，并将其两端固定；
[0007]利用粗研磨料在所述单模光纤的一侧沿所述光纤的长度方向对所述光纤进行来回研磨，使研磨区的表面沿所述光纤的长度方向形成若干划痕；
[0008]在研磨过程中，实时监测所述单模光纤的传输光谱；当所述传输光谱形成高对比度MZI干涉光谱时停止研磨。
[0009]进一步地，各划痕沿所述光纤的长度方向有间断。
[0010]进一步地，所述粗研磨料为粗砂纸或粗粒径研磨料。
[0011]进一步地，所述研磨区的长度为20mm至40mm。
[0012]进一步地，所述研磨区有一平坦区，所述单模光纤在所述平坦区各处的厚度一致；所述制备方法还包括如下步骤:
[0013]在研磨过程中，实时监测所述平坦区的表面距所述单模光纤的纤芯表面的距离。
[0014]—种侧边抛磨光纤，所述光纤的一侧有一研磨区，所述研磨区的表面沿所述光纤的长度方向形成有若干划痕；所述研磨区的表面与所述光纤的纤芯形成MZI干涉结构。
[0015]进一步地，各划痕沿所述光纤的长度方向有间断。
[0016]进一步地，所述研磨区的长度为20mm至40mm。
[0017]进一步地，所述研磨区有一平坦区，所述单模光纤在所述平坦区各处的厚度一致；所述平坦区的表面距所述单模光纤的纤芯表面的距离小于2um。
[0018]一种传感器，所述传感器包括敏感部；
[0019]所述敏感部为一侧边抛磨光纤；
[0020]所述光纤的一侧有一研磨区，所述研磨区的表面沿所述光纤的长度方向形成有若干不连续划痕；所述研磨区的表面与所述光纤的纤芯形成MZI干涉结构；
[0021]所述研磨区的长度为20mm至40mm ；
[0022]所述研磨区有一平坦区，所述单模光纤在所述平坦区各处的厚度一致；所述平坦区的表面距所述单模光纤的纤芯表面的距离小于2um。
[0023]本发明利用粗研磨料在单模光纤的侧面沿光纤长度方向进行研磨，使研磨区的表面沿光纤的长度方向自然形成若干划痕，在研磨过程中实时监测单模光纤的传输光谱，当检测到传输光谱形成高对比度MZI干涉光谱时停止研磨即可制成具有MZI干涉结构的侧边抛磨光纤。与现有技术相比，本发明简化了传统的光纤侧边研磨工艺，可与现有设备兼容，同时，不需要细磨、抛光工序，缩短了侧边抛磨光纤的制备时间。制备的侧边抛磨光纤的传输光谱中可形成高对比度的干涉光谱，无需其它后续光学结构，可直接作为传感器的敏感部应用于众多测试领域，具有结构简单、灵敏度高、响应速度快、使用便捷等优点。
【附图说明】
[0024]图1:本发明实施例提供的侧边抛磨光纤的制备方法流程示意图；
[0025]图2:通过上述方法制备完成的侧边抛磨光纤的研磨区侧面形状示意图；
[0026]图3:通过上述方法制备完成的侧边抛磨光纤的研磨区中平坦区的截面形状示意图；
[0027]图4:通过上述方法制备完成的侧边抛磨光纤的研磨区的俯视图；
[0028]图5:通过上述方法制备完成的侧边抛磨光纤的研磨区中平坦区与单模光纤纤芯构成的MZI干涉结构示意图；
[0029]图6:制备侧边抛磨光纤的过程中，单模光纤传输光谱随光纤在平坦区的厚度的减小而改变的过程示意图；
[0030]图7:采用800目粗砂纸研磨，研磨区长度为30mm，研磨至光纤在平坦区的厚度为68.1um时该光纤的传输光谱不意图；
[0031]图8a:将图7中的侧边抛磨光纤应用于温度测试时干涉峰Dipl、Dip2的位置随外界温度升高而逐渐向长波方向漂移的测试谱图；
[0032]图8b:将图7中的侧边抛磨光纤应用于温度测试时干涉峰的波长漂移量与温度之间的关系图；
[0033]图9a:将图7中的侧边抛磨光纤应用于应力测试时干涉峰Dipl、Dip2的位置随外界应力升高而逐渐向短波方向漂移的测试谱图；
[0034]图9b:将图7中的侧边抛磨光纤应用于应力测试时干涉峰的波长漂移量与轴向应力之间的关系图；
[0035]图1Oa:将图7中的侧边抛磨光纤应用于应力测试时干涉峰Dipl、Dip2的位置随酒精气体浓度升高而逐渐向长波方向漂移的测试谱图；
[0036]图1Ob:将图7中的侧边抛磨光纤应用于应力测试时干涉峰的波长漂移量与酒精气体浓度之间的关系图。
[0037]图11:侧边抛磨光纤的制备装置结构示意图。
【具体实施方式】
[0038]为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。
[0039]如图1所示，本发明实施例提供的侧边粗研磨单模光纤的制备方法包括如下步骤:
[0040]步骤S1:将单模光纤无扭曲地自然拉直，并将其两端固定；
[0041]步骤S2:利用粗研磨料在单模光纤的一侧沿单模光纤的长度方向对单模光纤进行来回研磨，使研磨区的表面沿单模光纤的长度方向形成若干划痕；
[0042]步骤S3:在研磨过程中，实时监测单模光纤的传输光谱；当传输光谱形成高对比度MZI (马赫-曾德尔)干涉光谱时停止研磨。
[0043]步骤SI中，可将单模光纤固定在支架上，通过安装在支架上的两个夹具将单模光纤两端夹持固定住，使单模光纤水平无扭曲地自然拉直。如果单模光纤上的涂覆层未剥去，可先将单模光纤上待抛磨部位的涂覆层剥去，使纤芯裸露出来，再执行步骤2。步骤S2中，可采用为粗砂纸或粗粒径研磨料作为粗研磨材料，同时，可在粗研磨材料上涂覆液体石蜡油等润滑剂起到润滑作用。粗砂纸或粗粒径研磨料的粒径需大于5um。如选用粗砂纸，可采用800目或1500目粗砂纸，采用800目或1500目粗砂纸研磨得到的单模光纤的研磨区的表面划痕尺寸较大较深、划痕数量相对较少、平行排列分布较为整齐，发生MZI干涉的光学成分相对简单，可以获得对比度超过1dB的类似于正弦形状的干涉光谱。研磨时，需在单模光纤的一侧进行研磨，比如，将粗研磨材料固定在单模光纤的正上方，然后使粗研磨材料下压一定深度，使粗研磨材料正向下压在单模光纤上，然后沿单模光纤的长度方向进行来回研磨。在研磨过程中，研磨区的表面将形成若干划痕，这些表面划痕在肉眼条件下无法发现，但通过高倍显微放大后可观测到，研磨区的表面沿单模光纤的长度方向自然形成若干不连续的划痕，且各划痕间相互平行。在步骤S3中，研磨过程中，研磨区中将会形成一个平坦区，单模光纤在该平坦区各处的厚度是一致的，随着的研磨的进行，单模光纤在该平坦区的厚度将逐渐变小，单模光纤的传输光谱也将随之发生改变。在研磨过程中需要实时监测单模光纤的传输光谱，可将单模光纤两端分别耦合连接宽带光源和光谱仪，通过光谱仪对单模光纤的传输光谱进行监测。光谱仪的量程需要大于宽带光源的带宽。单模光纤在平坦区各处的厚度是一致的，随着的研磨的进行，单模光纤在该平坦区的厚度将逐渐变小，如图6所示，当单模光纤在平坦区的厚度减小到一定程度后，由于研磨区的表面沿单模光纤的长度方向形成有若干不连续划痕，这种特殊的光波导结构将使研磨区的表面与单模光纤的纤芯形成MZI干涉结构，MZI干涉结构将导致单模光纤的传输光谱形成MZI干涉光谱。当研磨至MZI干涉光谱的对比度大于1dB时，可认为获得了高对比度MZI干涉光谱，此时即可停止研磨，制备完成。
[0044]制备完成的侧边粗研磨单模光纤的一侧有一研磨区，该研磨区的侧面形状如图2所示，从图中可以看出，该研磨区具有一个平坦区I及两个厚度渐变区2，其中研磨区的长度大约8.5mm，此时平坦区I的长度大约4mm，两侧各厚度渐变区长度大约2_2.5mm，单模光纤在平坦区I的厚度约为66-68um，且在平坦区I各处厚度一致。单模光纤的平坦区I通常是设计单模光纤传感器、光通信器件或其他单模光纤器件的有效区域，因此平坦区I的厚度需要精确控制。图3即为该平坦区I的截面示意图，其截面类似“D”字形。图3中，d为平坦区I表面距单模光纤纤芯表面的距离，D为单模光纤在平坦区I的厚度。一般而言，对普通单模光纤(纤芯直径8.lum，包层直径125um)，当研磨至单