一種具有高靈敏度和大測(cè)量范圍的納米光纖折射率傳感器的制造方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種具有高靈敏度和大測(cè)量范圍的納米光纖折射率傳感器，包括光源、第一單模光纖、第二單模光纖、第一納米光纖、第二納米光纖、探測(cè)器；光源與第一單模光纖相連，第一單模光纖分別與第一納米光纖和第二納米光纖耦合相連，形成第一耦合區(qū)；第一納米光纖由第一納米光纖第一段、第一納米光纖第二段、第一納米光纖第三段組成；第一納米光纖第一段、第一納米光纖第二段、第一納米光纖第三段相交處形成第三耦合區(qū)；第一納米光纖和第二納米光纖再與第二單模光纖耦合相連，形成第二耦合區(qū)；第二單模光纖與探測(cè)器相連。本發(fā)明通過(guò)納米光纖環(huán)形諧振腔保證高的折射率測(cè)量靈敏度，通過(guò)M-Z干涉調(diào)制包絡(luò)提高折射率的測(cè)量動(dòng)態(tài)范圍。
【專利說(shuō)明】一種具有高靈敏度和大測(cè)量范圍的納米光纖折射率傳感器
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種納米光纖折射率傳感器，尤其涉及一種具有高靈敏度和大動(dòng)態(tài)測(cè)量范圍的納米光纖折射率傳感器。
【背景技術(shù)】
[0002]納米技術(shù)是當(dāng)今科技的一個(gè)研究熱點(diǎn)。在光電子領(lǐng)域，隨著對(duì)微納尺度上的材料和結(jié)構(gòu)的深入研究，人們發(fā)現(xiàn)了很多奇特而又有趣的新的光學(xué)現(xiàn)象，并基于這些現(xiàn)象研究具有各種功能的微納光子器件。其中，納米光纖以其特有的性能成為研究熱點(diǎn)。光在納米光纖中傳輸時(shí)，與普通光纖相比一個(gè)突出特點(diǎn)就是纖芯周圍有很強(qiáng)的倏逝場(chǎng)，光場(chǎng)有很大一部分能量是以倏逝場(chǎng)的形式在分布在光纖表面，這部分處在光纖表面的倏逝場(chǎng)與環(huán)境發(fā)生相互作用時(shí)，便可以得到高靈敏度的傳感器?；诩{米光纖的折射率傳感器便是利用納米光纖倏逝場(chǎng)與環(huán)境折射率的相互作用而提高探測(cè)靈敏度的一類傳感器?；诩{米光纖環(huán)形諧振腔的折射率傳感器具有較高的靈敏度，這類器件依靠很高的Q值有效的減小器件尺寸以及探測(cè)所需的分析物量，但是折射率測(cè)量的動(dòng)態(tài)范圍是受到限制的，因?yàn)榧{米光纖環(huán)形諧振腔折射率傳感器是基于諧振峰值波長(zhǎng)的移動(dòng)來(lái)測(cè)量折射率的，折射率變化導(dǎo)致的諧振峰值波長(zhǎng)的移動(dòng)必須在一個(gè)自由光譜范圍(FSR)內(nèi)，否則便不可區(qū)分，這樣必然導(dǎo)致折射率測(cè)量范圍的受限。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003]本發(fā)明的目的在于針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種具有高靈敏度和大測(cè)量范圍的納米光纖折射率傳感器。
[0004]本發(fā)明的目的是通過(guò)以下技術(shù)方案來(lái)實(shí)現(xiàn)的:一種具有高靈敏度和大測(cè)量范圍的納米光纖折射率傳感器，包括:光源、第一單模光纖、第二單模光纖、第一納米光纖、第二納米光纖、探測(cè)器；其中，所述光源與第一單模光纖相連，第一單模光纖分別與第一納米光纖和第二納米光纖耦合相連，形成第一耦合區(qū)；所述第一納米光纖由第一納米光纖第一段、第一納米光纖第二段、第一納米光纖第三段組成，繞成環(huán)狀形成納米光纖環(huán)形諧振腔；第一納米光纖第一段、第一納米光纖第二段、第一納米光纖第三段相交處形成第三耦合區(qū)；第一納米光纖和第二納米光纖再與第二單模光纖耦合相連，形成第二耦合區(qū)；第二單模光纖與探測(cè)器相連；由光源發(fā)出的光經(jīng)過(guò)第一單模光纖進(jìn)入第一耦合區(qū)后分為兩路光，第一路光經(jīng)過(guò)納米光纖環(huán)形諧振腔后進(jìn)入第二耦合區(qū)，第二路光直接經(jīng)過(guò)第二納米光纖后進(jìn)入第二耦合區(qū)，兩路光之間具有相位差，構(gòu)成M-Z干涉儀，兩路光共同經(jīng)過(guò)第二耦合區(qū)耦合進(jìn)第二單模光纖后，輸出經(jīng)過(guò)干涉包絡(luò)調(diào)制的諧振透射光譜進(jìn)入探測(cè)器。
[0005]本發(fā)明的有益效果:通過(guò)納米光纖環(huán)形諧振腔保證高的折射率測(cè)量靈敏度，通過(guò)M-Z干涉調(diào)制包絡(luò)提高折射率的測(cè)量動(dòng)態(tài)范圍。裝置結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，測(cè)量方便，且易于小型化集成?！緦＠綀D】

【附圖說(shuō)明】
[0006]圖1為本發(fā)明的折射率傳感器結(jié)構(gòu)示意圖；
圖2為納米光纖與普通單模光纖錐形耦合示意圖；
圖3為本發(fā)明的折射率傳感器具有干涉調(diào)制包絡(luò)的諧振透射光譜圖；
圖4為折射率變化導(dǎo)致傳感器諧振峰值波長(zhǎng)移動(dòng)在一個(gè)自由光譜范圍內(nèi)的示意圖；
圖5為折射率變化導(dǎo)致傳感器諧振峰值波長(zhǎng)移動(dòng)超過(guò)一個(gè)自由光譜范圍的示意圖；圖中，光源1、第一單模光纖2、第一耦合區(qū)3、第一納米光纖第一段4、第三耦合區(qū)5、第一納米光纖第二段7、第一納米光纖第三段6、第二納米光纖8、第二耦合區(qū)9、第二單模光纖
10、探測(cè)器11。
【具體實(shí)施方式】
[0007]本發(fā)明的工作原理如下:
傳感器的輸出光譜為經(jīng)過(guò)M-Z干涉包絡(luò)調(diào)制的諧振透射譜，兩根納米光纖均為折射率傳感元，將分析物附著于納米光纖傳感元上，此時(shí)納米光纖包層環(huán)境折射率將變化，輸出諧振光譜會(huì)發(fā)生諧振峰值波長(zhǎng)的移動(dòng)，當(dāng)諧振峰值移動(dòng)在一個(gè)自由光譜范圍(FSR)內(nèi)時(shí)，探測(cè)諧振峰值波長(zhǎng)的移動(dòng)量便可以測(cè)得分析物折射率值；當(dāng)諧振峰值波長(zhǎng)移動(dòng)超過(guò)一個(gè)自由光譜范圍(FSR)但仍處于一個(gè)M-Z干涉調(diào)制包絡(luò)內(nèi)時(shí)，我們可以通過(guò)光強(qiáng)變化來(lái)輔助確定諧振峰值波長(zhǎng)的偏移量，進(jìn)而探測(cè)到變化的分析物折射率值。
[0008]下面參照附圖并結(jié)合具體實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步的詳細(xì)說(shuō)明。
[0009]本發(fā)明一種具有高靈敏度和大測(cè)量范圍的納米光纖折射率傳感器，該傳感器包括:光源1、第一單模光纖2、第二單模光纖10、第一納米光纖、第二納米光纖8、探測(cè)器11 ；其中，所述光源I與第一單模光纖2相連，第一單模光纖2分別與第一納米光纖和第二納米光纖8耦合相連，形成第一耦合區(qū)3 ;所述第一納米光纖由第一納米光纖第一段4、第一納米光纖第二段7、第一納米光纖第三段6組成，繞成環(huán)狀形成納米光纖環(huán)形諧振腔；第一納米光纖第一段4、第一納米光纖第二段7、第一納米光纖第三段6相交處形成第三耦合區(qū)5 ;第一納米光纖和第二納米光纖8再與第二單模光纖10耦合相連，形成第二耦合區(qū)9 ;第二單模光纖10與探測(cè)器11相連。
[0010]由光源I發(fā)出的光經(jīng)過(guò)第一單模光纖2進(jìn)入第一耦合區(qū)3后分為兩路光，第一路光經(jīng)過(guò)納米光纖環(huán)形諧振腔后進(jìn)入第二耦合區(qū)9，第二路光直接經(jīng)過(guò)第二納米光纖8后進(jìn)入第二耦合區(qū)9，兩路光之間具有相位差，構(gòu)成M-Z干涉儀，兩路光共同經(jīng)過(guò)第二耦合區(qū)9耦合進(jìn)第二單模光纖10后，輸出經(jīng)過(guò)干涉包絡(luò)調(diào)制的諧振透射光譜進(jìn)入探測(cè)器11。
[0011]第二耦合區(qū)5可以利用納米光纖的倏逝場(chǎng)形成，通過(guò)第二耦合區(qū)5的納米光纖進(jìn)行近距離靠近或者打成環(huán)結(jié)來(lái)形成耦合；第一耦合區(qū)3和第二耦合區(qū)9是通過(guò)普通單模光纖錐形端與兩根納米光纖進(jìn)行耦合形成的。
[0012]如圖2所示，普通單模光纖通過(guò)熔融拉錐形成錐形端，兩根納米光纖近距離靠近光纖錐形區(qū)域，便可以形成耦合；耦合系數(shù)由錐形端形狀、納米光纖直徑以及光纖與錐形端靠近距離有關(guān)，通過(guò)選取適當(dāng)?shù)膮?shù)便可得到需要的耦合系數(shù)。
[0013]光源可為1550nm范圍內(nèi)的寬帶光源，或者可調(diào)諧激光光源；探測(cè)器可為掃描光譜分析儀。[0014]與傳統(tǒng)的納米光纖環(huán)形諧振腔折射率傳感器相比，本發(fā)明傳感器通過(guò)增加一根納米光纖作為傳感元，引入M-Z干涉儀，這樣得到的結(jié)果是經(jīng)過(guò)M-Z干涉包絡(luò)調(diào)制的環(huán)形諧振腔諧振透射光譜，如圖3所示為本發(fā)明傳感器的一種輸出光譜，傳感器參數(shù)如下:第一納米光纖和第二納米光纖8的直徑均為1.6 μ m，第一納米光纖第一段4和第一納米光纖第二段7的長(zhǎng)度均為1000 μ m,第一納米光纖第三段6的長(zhǎng)度為800 μ m,第二納米光纖8的長(zhǎng)度為2160 μ m，第三耦合區(qū)5的耦合系數(shù)為0.8，納米光纖外部分析物折射率為1.33。圖3中自由光譜范圍(FSR)為2.27nm，一個(gè)M-Z干涉包絡(luò)內(nèi)包含5個(gè)自由光譜范圍(FSR)。示意圖1中的傳感器的第一稱合區(qū)3、第二稱合區(qū)9和第三稱合區(qū)5的稱合系數(shù)、稱合損耗、第一納米光纖第三段7的長(zhǎng)度、第一納米光纖第一段4、第一納米光纖第二段6和第二納米光纖8的長(zhǎng)度對(duì)輸出光譜都有影響，我們可以通過(guò)調(diào)節(jié)這些參數(shù)來(lái)得到適合折射率傳感的透射光
-1'TfeP曰。
[0015]當(dāng)納米光纖外部分析物折射率改變時(shí)，輸出諧振透射光譜便會(huì)移動(dòng)，圖4為分析物折射率由1.33變化到1.3302時(shí)所導(dǎo)致的傳感器輸出光譜的移動(dòng)示意圖，其余傳感器參數(shù)不變，由圖4可見此時(shí)諧振峰值波長(zhǎng)的移動(dòng)在一個(gè)自由光譜范圍內(nèi)，最大光強(qiáng)左側(cè)的諧振峰值波長(zhǎng)由1549.32nm移動(dòng)到1549.55nm，折射率靈敏度為1150nm/RIU(單位折射率)。圖5為分析物折射率由1.33變化到1.3325時(shí)所導(dǎo)致的傳感器輸出光譜的移動(dòng)示意圖，由圖可見此時(shí)諧振峰值波長(zhǎng)的移動(dòng)已經(jīng)越過(guò)一個(gè)自由光譜范圍，但仍在一個(gè)干涉包絡(luò)內(nèi)，此時(shí)我們通過(guò)最大光強(qiáng)的移動(dòng)來(lái)進(jìn)行光譜移動(dòng)的定位，可知最大光強(qiáng)左側(cè)的諧振峰值波長(zhǎng)由1549.32nm移動(dòng)到1552.23nm。當(dāng)折射率的變化導(dǎo)致諧振峰值移動(dòng)在五個(gè)自由光譜范圍內(nèi)時(shí)(也即一個(gè)干涉包絡(luò)內(nèi))，我們都是可以進(jìn)行區(qū)分的。但當(dāng)諧振峰值波長(zhǎng)的移動(dòng)超過(guò)五個(gè)自由光譜范圍后(也即超過(guò)一個(gè)干涉包絡(luò))，我們將對(duì)此無(wú)法區(qū)分。由此可知，本發(fā)明在上述參數(shù)設(shè)置下的折射率測(cè)量靈敏度非常高，而且可以橫跨5個(gè)自由光譜范圍進(jìn)行折射率測(cè)量，明顯提高了折射率測(cè)量的動(dòng)態(tài)范圍。
[0016]本發(fā)明不僅僅限于上述實(shí)施例，我們可以通過(guò)改變傳感器參數(shù)來(lái)改變一個(gè)M-Z干涉包絡(luò)內(nèi)可以橫跨的自由光譜范圍數(shù)，以便得到所需的折射率測(cè)量靈敏度以及測(cè)量動(dòng)態(tài)范圍。
【權(quán)利要求】
1.一種具有高靈敏度和大測(cè)量范圍的納米光纖折射率傳感器，其特征在于，包括:光源(I)、第一單模光纖(2)、第二單模光纖(10)、第一納米光纖、第二納米光纖(8)和探測(cè)器(11);其中，所述光源(I)與第一單模光纖(2)相連，第一單模光纖(2)分別與第一納米光纖和第二納米光纖(8)耦合相連，形成第一耦合區(qū)(3);所述第一納米光纖由第一納米光纖第一段(4)、第一納米光纖第二段(7)、第一納米光纖第三段(6)組成，繞成環(huán)狀形成納米光纖環(huán)形諧振腔；第一納米光纖第一段(4)、第一納米光纖第二段(7)、第一納米光纖第三段(6)相交處形成第三耦合區(qū)(5);第一納米光纖和第二納米光纖(8)再與第二單模光纖(10)耦合相連，形成第二耦合區(qū)(9);第二單模光纖(10)與探測(cè)器(11)相連；由光源(I)發(fā)出的光經(jīng)過(guò)第一單模光纖(2)進(jìn)入第一耦合區(qū)(3)后分為兩路光，第一路光經(jīng)過(guò)納米光纖環(huán)形諧振腔后進(jìn)入第二耦合區(qū)(9)，第二路光直接經(jīng)過(guò)第二納米光纖(8)后進(jìn)入第二耦合區(qū)(9)，兩路光之間具有相位差，構(gòu)成M-Z干涉儀，兩路光共同經(jīng)過(guò)第二耦合區(qū)(9)耦合進(jìn)第二單模光纖(10)后，輸出經(jīng)過(guò)干涉包絡(luò)調(diào)制的諧振透射光譜進(jìn)入探測(cè)器(11 )。
【文檔編號(hào)】G01N21/45GK104034696SQ201410208702
【公開日】2014年9月10日 申請(qǐng)日期:2014年5月16日 優(yōu)先權(quán)日:2014年5月16日
【發(fā)明者】賀青, 黃騰超, 龐斌, 劉承, 舒曉武 申請(qǐng)人:浙江大學(xué)