专利名称：一种基于实芯光子晶体光纤的法布里-珀罗干涉传感器及其制作方法
技术领域：
本发明属于光纤传感技术领域，具体涉及到基于实芯光子晶体光纤的非本征型光纤法布里-珀罗干涉传感器及其制作方法。
背景技术：
光纤法布里-珀罗(F-P)干涉传感器，凭借其抗电磁干扰能力强、精度高、稳定性好可靠性好、分辨率高等优势，在应变、压力、振动、加速度、温度、折射率测量等领域得到广泛应用。非本征型光纤法珀干涉传感器是应用最为广泛的一种光纤法珀干涉仪，其干涉腔由空气或其它非光纤的固体介质(如中空的石英玻璃管)构成，光纤仅起到光传输介质的作用。它不仅具有光纤传感器的所有优点，而且能克服本征型光纤法珀传感器对各方向应变敏感和受温度影响较大的缺点。目前非本征型光纤法珀干涉传感器有多种制作方法在毛细管中对接两根光纤，两端面形成F-P腔，该方法制作简单，但腔长难以精确控制；通过熔接多层单模光纤和多模光纤制成的F-P传感器，方法也很简单，但是多层光纤膜结构形成的多重F-P干涉，会影响信号的解调；直接用多模光纤腐蚀出凹腔，然后熔接到单模光纤上形成F-P腔，该方法腔长难以精确控制；用飞秒激光器在单模光纤上刻腔制作F-P 腔，具有很好的效率和精度，但是加工系统的成本较高，且由于刻腔造成应力集中影响了机械性能；在两根单模光纤中间熔接一段空心光纤或空芯光子晶体光纤形成F-P腔，但是制作工艺复杂、机械强度低并且需要专门的切割程序来控制腔长，这些缺点影响了干涉仪的性能和鲁棒性。由于非本征型光纤法珀干涉传感器的衍射损耗，要获得高精细度和高对比度必须严格限制法珀腔的腔长(一般小于10 μ m)或采用复杂工艺制作成平-凹或凹-凹腔结构。所以上述传统方法制作的一般都是低精细度的EFPI或菲索干涉仪。这种干涉仪光源利用效率低，探测信号弱，在利用波长解调时测量精度低。专利号200710078515. 3“基于空芯光子晶体光纤的法-珀干涉传感器及其制作方法”中利用一根空芯光子晶体光纤和两根单模光纤构成法-珀干涉传感器。但是制作工艺复杂，不适合批量生产。专利号200710179458. 8 “微透镜光纤法布里-珀罗干涉仪”中，利用两根端面镀高反射模的光纤，其中一个或两个镀膜光纤端面上制作有微透镜，镀膜光纤端面相互对准、 平行构成法-珀干涉仪。实芯光子晶体光纤(Photonic Crystal Fiber, PCF)又称折射率引导型光子晶体光纤，通常由纯SiO2制作而成，其包层存在周期性排列的空气孔。由于实芯光子晶体光纤具有独特的光学特性如极宽单模传输、高非线性、大模场面积、可控色散等，已被广泛的用于温度、应变、微弯、折射率等的传感测量。2009年Joel Villatoro报道了利用实芯 PCF制作的球形空气腔F-P干涉仪，腔长20 μ m到50 μ m,具有低温度灵敏度和高机械强度。 但是由于球形腔中的较高衍射损耗，F-P干涉条纹接近双光束干涉条纹，条纹对比度只有 8-12dB，精细度也只有5。因此这种干涉仪制成的传感器测量信号弱，在利用波长解调时测量精度低，不适用于大容量、准分布式的传感系统。为了克服上述非本征型光纤法珀干涉传感器存在的缺点，制作高精细度、高对比度的非本征型光纤法珀干涉传感器，本专利提出了一种新颖的基于实芯光子晶体光纤的微小型非本征型光纤法布里-珀罗干涉传感结构。
发明内容
发明目的
本发明的目的在于提供了一种新型的非本征型光纤法布里-珀罗干涉传感器及其制作方法；该传感器由实芯光子晶体光纤与普通单模光纤用光纤熔接机熔接，适当的熔接参数使得光子晶体光纤中的空气孔塌陷，两根光纤间的空气腔形成微椭球型光纤法布里-珀罗干涉腔。技术方案
一种基于实芯光子晶体光纤的法布里-珀罗干涉传感器，该传感器由一根普通通信单模光纤和一根实芯光子晶体光纤构成，两者的一端用光纤熔接机熔接连接，使得光子晶体光纤中的空气孔塌陷，两根光纤间的空气腔形成微型光纤法布里-珀罗干涉腔，光子晶体光纤和单模光纤的两个端面即空气腔的前后表面为微型法布里-珀罗干涉腔的两个反射面，其干涉腔为椭球腔，腔长8 μ m-20 μ m,反射凹面曲率半径和腔长接近相等。作为一种优化方式所述的普通通信单模光纤为SMF，实芯光子晶体光纤为 SM-7. 0。作为进一步优化方式所述的法布里-珀罗干涉传感器的带宽为2. lnm，精细度为 47，对比度为30dB。一种基于实芯光子晶体光纤的法布里-珀罗干涉传感器的制作方法，其特征在于该方法包括以
下步骤
(1)首先将待切割的实芯光子晶体光纤和单模光纤的一端部分浸入丙酮中，一分钟后用试镜纸除去这部分的涂覆层；
(2)用光纤切割刀切割普通通信单模光纤和实芯光子晶体光纤，保护好切割端面；
(3)用光纤熔接机将已切割好端面的一端进行熔接，熔接时光子晶体光纤应稍远离电极；第一次放电后，熔接点处边缘首先熔接上，而中心由于光子晶体光纤包层空气孔的塌陷排出的空气被捕获形成空气腔；
(4)实时监测反射谱，多次追加放电，使反射条纹的精细度和对比度最大，这时腔长与反射面曲率半径接近相等；
(5)将光子晶体光纤未熔接的一端置于匹配液中或绕成环状，防止产生多重法布里-珀罗干涉干涉。作为一种优选方式所述的普通通信单模光纤为SMF，实芯光子晶体光纤为SM-7. 0 作为进一步优选方式所述的步骤(3)和(4)中放电的熔接参数预熔时间0.2s，预
熔电流5mA，间隙50 μ m，熔接电流7mA，熔接时间650ms，ζ轴推进量15 μ m ；追加放电电流 7mA,追加放电时间650ms。进一步优选方式所述的步骤(4)中多次追加放电的次数为4次。
有益效果
1、光子晶体光纤法布里-珀罗干涉传感器的结构如图2所示。利用光纤熔接机将实芯光子晶体光纤和普通通信单模光纤熔接起来，由于PCF包层空气孔塌陷，两根光纤间形成空气腔构成F-P腔，实芯光子晶体光纤和普通单模光纤的两个端面即空气腔的前后表面为 F-P腔的两个反射面，其干涉腔为椭球腔，腔长8 μ m-20 μ m,反射凹面曲率半径和腔长接近相等。由于衍射效应，光从单模光纤端面以一定的发散角出射到光子晶体光纤端面。当反射面曲率半径刚好等于空气腔腔长时(如图2中所示)，以一定发散角出射的光刚好被光子晶体光纤端面按原路径反射回单模光纤端面。此时腔中衍射造成的损耗因子最小，可以得到高精细度和高对比度的干涉条纹。当空气腔变成球形腔时，由于有很大一部分光在空气腔中被反射到包层中损耗掉，腔中衍射造成的损耗因子较大，这时返回单模光纤的光强明显减弱，条纹的精细度和对比度会明显降低。已有的光纤法布里-珀罗腔多为平行腔，由于衍射损耗，对比度很低，为了提高其对比度，需要在反射面镀高反射率膜，制作工艺复杂，且腔长无法做的很短，因此其机械强度远低于本发明。而由于椭球腔的凹面聚光效果，不需要镀反射膜对比度也能达到30，超过镀膜的平行腔，制作工艺最简化，只包含切割和熔接过程， 腔长仅为8 μ m-20 μ m,机械鲁棒性很好，单点测量更精确，动态测量范围可达到已有光纤法布里-珀罗腔传感器的6-7倍。因此椭球腔要优于镀膜平行腔。2、本发明采用光纤熔接机放电熔接普通通信单模光纤和一根实芯光子晶体光纤， 其放电的熔接参数预熔时间0.2s，预熔电流5mA，间隙50μπι，熔接电流7mA，熔接时间 650ms, ζ轴推进量15 μ m ；追加放电电流7mA，追加放电时间650ms。本发明针对光子晶体光纤SM-7. 0采用的熔接参数为最佳选择，其他熔接参数下两根光纤间会形成球型空气腔或无空气腔形成。3、本光子晶体光纤法布里-珀罗干涉传感器具有一般光纤传感器的优越性，不易受电磁干扰，传感器结构简单、尺寸小，适用于易燃易爆等恶劣环境。除此之外，本传感器还有很多独特的优点。所用的实芯光子晶体光纤由单一材料构成，温度变化时不会引起材料热膨胀系数之间的失配，因此这种干涉仪受温度变化影响小；
4、制作过程仅用到光纤切割和熔接工艺，制备工艺简单；干涉腔体即F-P腔仅为 8 μ m-20 μ m,并可通过选择不同结构的实芯光子晶体光纤和调节熔接参数以及放电次数可以改变F-P腔反射凹面曲率半径和腔长，从而获得高精细度、高对比度的干涉条纹，在大容量、准分布式传感系统中将具有极大的应用潜力；
5、体积小、全光纤结构、鲁棒性好、成本低。
图1是本传感器使用的光子晶体光纤SM-7. 0端面图。图2是光子晶体光纤法布里-珀罗干涉传感器的结构图。图3是光子晶体光纤法布里-珀罗干涉传感器的法布里-珀罗腔显微4是光子晶体光纤法布里-珀罗干涉传感器的归一化反射光谱图
图5是光子晶体光纤法布里-珀罗干涉传感器的静态轴向拉伸响应图6是用光子晶体光纤法布里-珀罗干涉传感器的温度响应附图中，2-1是信号入射光，2-2是普通通信单模光纤，2-3是实芯光子晶体光纤，2-4是光纤之间的熔接点，2-5是实芯光子晶体光纤空气孔塌陷区，2-6是法布里-珀罗干涉腔。
具体实施例方式SM-7. 0，具体参数
材料纯石英
折射率1.45
芯径7. 0 μ m
包层直径125 ± 3 μ m
涂敷层直径245 ± 5 μ m
模场直径(MDF) @1550nm: 3.4 ± 0.2 μm
衰减 @ 1550 nm < 2. 2 dB/km
SMF具体参数
芯径8. 2 μ m
包层直径125 士 1 μ m
涂敷层直径250 士 1 μ m
模场直径(MDF) il550nm: 3. 9 μ m
实施例1
参见图2，光子晶体光纤法布里-珀罗干涉传感器由一根普通通信单模光纤(SMF)和一根实芯光子晶体光纤(SM-7. 0)构成，两根光纤的一端用光纤熔接机以一定参数熔接连接。 熔接参数为间隙50 μ m，预熔时间0.2s，预熔电流5mA，熔接电流7mA，熔接时间650ms，ζ 轴推进量15 μ m，追加放电电流7mA，追加放电时间650ms。由于实芯光子晶体光纤包层空气孔塌陷，两根光纤间形成空气腔构成F-P腔，实芯光子晶体光纤和普通通信单模光纤的两个端面即空气腔的前后表面为F-P腔的两个反射面。图3为SMF与SM-7. 0型实芯光子晶体光纤在前文所述的熔接条件下经过电弧放电四次后形成的微型非本征光纤法布里-珀罗干涉腔显微照片。这种光子晶体光纤法布里-珀罗干涉传感器的制作方法包括以下步骤
(1)首先将待切割的光子晶体光纤和单模光纤的一端部分浸入丙酮中，一分钟后用试镜纸除去这部分的涂覆层。之所以不用光纤涂覆层剥离钳是为了避免由于光纤表面的小损伤造成应力集中而降低干涉仪的机械性能；
(2)用光纤切割刀切割普通单模光纤和实芯光子晶体光纤，本实验中用到的实芯光子晶体光纤为长飞光纤光缆有限公司提供的光子晶体光纤SM-7. 0型，其端面如图1所示，纤芯直径为7. 0 μ m，保护好切割端面；
(3)用光纤熔接机(古河FITELS176)将已切割好端面的一端进行熔接，熔接时光子晶体光纤应稍远离电极。熔接参数预熔时间0.2s，预熔电流5mA，间隙50μπι，熔接电流 7mA，熔接时间650ms，ζ轴推进量15 μπι;追加放电电流7mA，追加放电时间650ms。放电后熔接点边缘处首先熔接上，而中心由于光子晶体光纤包层空气孔的塌陷排出的空气形成空气腔，如图3中所示，多次放电调整凹腔曲率半径；
(4)将光子晶体光纤未熔接的一端置于匹配液中或绕成环状，防止产生多重F-P干涉。
图4是光子晶体光纤法布里-珀罗干涉传感器的归一化反射光谱图，从图中可以看出，所制作的F-P干涉传感器的带宽为2. lnm，精细度为47，对比度为30dB。利用本发明方法制作的光子晶体光纤法布里-珀罗干涉传感器由于所用的实芯光子晶体光纤由单一材料构成，温度变化时不会引起材料热膨胀系数之间的失配，因此这种干涉仪受温度变化影响小；制作过程仅用到光纤切割和熔接工艺，制备工艺简单；干涉腔体即F-P腔腔长仅为8 μ m-20 μ m,获得高精细度、高对比度的干涉条纹，在大容量、准分布式传感系统中将具有极大的应用潜力；体积小、全光纤结构、鲁棒性好、成本低。具体实验中所制成的光子晶体光纤法布里-珀罗干涉传感器腔长为9. 823 μ m,初始波长为1511. 2nm。将所制作的光纤F-P干涉传感器置于恒温箱拉直后将其两端分别固定在光纤夹持器上，且保持整个光纤光纤F-P干涉仪呈水平放置，光纤夹持器间距10cm。 当传感器受到轴向拉伸时，F-P腔的腔长将发生变化。图5为在温度为25°C时的静态轴向拉伸响应测试结果。波谷对应波长漂移约为12. 3nm，相应的位移-谷值波长漂移度约为 30. 75pm/ μ m,曲线的线性度约为98. 91%。实验过程中，保持轴向位移不变，改变恒温箱的温度使其从25°C逐渐升到95°C， 通过光谱仪实时监测干涉条纹的变化，并每隔10°c记录一次数据，结果如图6所示。该光子晶体光纤法布里-珀罗干涉传感器在25°C到95°C常温范围内波谷对应波长漂移仅为44pm， 温度系数经拟合约为0. 634pm/0C，可见该干涉仪对温度不敏感，而普通非本征型光纤F-P 干涉仪在100°C的范围内其腔长变化就可达数十微米。其原因在于这种新型非本征型光纤法布里-珀罗干涉仪的整个制作过程只用到光纤切割和光纤熔接，F-P腔为空气腔而且光子晶体光纤材料单一，温度变化时不会引起材料热膨胀系数之间的失配。
权利要求
1.一种基于实芯光子晶体光纤的法布里-珀罗干涉传感器，其特征在于该传感器由一根普通通信单模光纤和一根实芯光子晶体光纤构成，两者的一端用光纤熔接机熔接连接，使得光子晶体光纤中的空气孔塌陷，两根光纤间的空气腔形成微型光纤法布里-珀罗干涉腔，光子晶体光纤和单模光纤的两个端面即空气腔的前后表面为微型法布里-珀罗干涉腔的两个反射面，其干涉腔为椭球腔，腔长8 μ m-20 μ m,反射凹面曲率半径和腔长接近相寸。
2.根据权利要求1所述的一种基于实芯光子晶体光纤的法布里-珀罗干涉传感器，其特征在于所述的普通通信单模光纤为SMF，实芯光子晶体光纤为SM-7. 0。
3.根据权利要求2所述的一种基于实芯光子晶体光纤的法布里-珀罗干涉传感器，其特征在于所述的法布里-珀罗干涉传感器的带宽为2. lnm，精细度为47，对比度为30dB。
4.一种基于实芯光子晶体光纤的法布里-珀罗干涉传感器的制作方法，其特征在于 该方法包括以下步骤(1)首先将待切割的实芯光子晶体光纤和普通通信单模光纤的一端部分浸入丙酮中， 一分钟后用试镜纸除去这部分的涂覆层；(2)用光纤切割刀切割普通通信单模光纤和实芯光子晶体光纤，保护好切割端面；(3)用光纤熔接机将已切割好端面的一端进行熔接，熔接时光子晶体光纤应稍远离电极；第一次放电后，熔接点处边缘首先熔接上，而中心由于光子晶体光纤包层空气孔的塌陷排出的空气被捕获形成空气腔；(4)实时监测反射谱，多次追加放电，使反射条纹的精细度和对比度最大，这时腔长与反射面曲率半径接近相等；(5)将光子晶体光纤未熔接的一端置于匹配液中或绕成环状，防止产生多重法布里-珀罗干涉干涉。
5.根据权利要求4所述的一种基于实芯光子晶体光纤的法布里-珀罗干涉传感器的制作方法，其特征在于所述的普通通信单模光纤为SMF，实芯光子晶体光纤为SM-7. 0。
6.根据权利要求5所述的一种基于实芯光子晶体光纤的法布里-珀罗干涉传感器的制作方法，其特征在于所述的步骤(3)放电的熔接参数预熔时间0. 2s,预熔电流5mA，间隙50 μ m，熔接电流7mA，熔接时间650ms，ζ轴推进量15 μ m。
7.根据权利要求5所述的一种基于实芯光子晶体光纤的法布里-珀罗干涉传感器的制作方法，其特征在于步骤(4)中追加放电的熔接参数电流7mA，追加放电时间650ms。
8.根据权利要求5所述的一种基于实芯光子晶体光纤的法布里-珀罗干涉传感器的制作方法，其特征在于步骤(4)中多次追加放电的次数为4次。
全文摘要
本发明提供了一种光子晶体光纤法布里-珀罗干涉传感器及其制作方法。该传感器由一根普通通信单模光纤和一根实芯光子晶体光纤利用一定的熔接方法熔接起来构成。由于光子晶体光纤包层空气孔塌陷，两根光纤间形成空气腔构成F-P腔，光子晶体光纤和单模光纤的两个端面即空气腔的前后表面为F-P腔的两个反射面。所用的实芯光子晶体光纤由单一材料构成，温度变化时不会引起材料热膨胀系数之间的失配，因此这种干涉仪受温度变化影响小；制作过程仅用到光纤切割和熔接工艺，制备工艺简单；该传感器可获得高精细度、高对比度的干涉条纹，在大容量、准分布式传感系统中将具有极大的应用潜力；体积小、全光纤结构、鲁棒性好、成本低。
文档编号G01D5/26GK102261924SQ201110103949
公开日2011年11月30日 申请日期2011年4月26日 优先权日2011年4月26日
发明者柯炜, 王婷婷, 葛益娴 申请人:南京信息工程大学