CN114279965A - 马赫曾德尔干涉仪光子晶体光纤折射率传感器及制备方法 - Google Patents
马赫曾德尔干涉仪光子晶体光纤折射率传感器及制备方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明提供了一种马赫曾德尔干涉仪光子晶体光纤折射率传感器，包括依次耦合的第一单模光纤、细芯光纤、光子晶体光纤以及第二单模光纤，相邻两段光纤通过熔接方式耦合，传输光经过第一单模光纤进入细芯光纤以及光子晶体光纤，最后从第二单模光纤射出。本发明利用直接熔接的方式，将一段细芯光纤和一段光子晶体光纤熔接在两段单模光纤之间，形成复合型MZI器件，可以通过细芯光纤和光子晶体光纤的长度来获得高质量的干涉光谱，操作简便，加工效率高，成本低，适用于不同类型的光纤折射率器件，本方案相比于传统PCF器件具有更高的折射率灵敏度及更高的条纹分辨率，可用于生物医药和食品等领域。
Description
技术领域
本发明涉及边坡工程安全性评估技术领域，特别涉及一种马赫曾德尔干涉仪光子晶体光纤折射率传感器及制备方法。
背景技术
折射率测量在生物、物理、化学等领域有着广泛应用。光子晶体光纤(PCF)由于其包层区域是由一系列孔阵列组成，相较于普通单模光纤具有更低的温度交叉灵敏度，且具有更强的双折射效应，在光纤传感中具有重要应用。马赫曾德尔(MZI)干涉仪具有制造简单、灵敏度高等优点在折射率传感中受到广泛关注。
现阶段基于MZI的PCF的光纤折射率传感器，主要有锥形PCF-MZI(图1，引自Wu D,Zhao Y,Li J.PCF taper-based Mach–Zehnder interferometer for refractive indexsensing in a PDMS detection cell[J].Sensors and Actuators B:Chemical,2015,213:1-4.)、熔接点锥形的PCF-MZI(图2，引自Zhao Y,Xia F,Hu H,et al.A novelphotonic crystal fiber Mach–Zehnder interferometer for enhancing refractiveindex measurement sensitivity[J].Optics Communications,2017,402:368-374.)和纳米涂层PCF-MZI(图3，引自Melo L,Burton G,Kubik P,et al.Refractive index sensorbased on inline Mach-Zehnder interferometer coated with hafnium oxide byatomic layer deposition[J].Sensors and Actuators B:Chemical,2016,236:537-545.)，以及基于不同光纤类型的PCF-MZI(图4，引自Haifeng D U,Sun X,Youwang H U,etal.High Sensitive Refractive Index Sensor Based on Cladding Etched PhotonicCrystal Fiber Mach-Zehnder Interferometer[J].Photonics Sensors：2019,9(2):9.)，如偏振PCF、非线性PCF、大模场PCF等锥形和熔接点锥形PCF-MZI器件，虽然也是通过控制熔接机放电得到，但是和直接熔接比较而言，参数的控制更加复杂。且器件的性能和锥形的形状控制密切相关，PCF变细使得其机械强度也会降低。纳米涂层PCF器件需要专门的设备实现纳米涂层在PCF表面的沉积，一般还需要特殊的化学处理，制备更加复杂。直接熔接不同类型PCF器件，方便简单，但是器件的折射率灵敏度一般较小，光谱质量也有待提高，器件设计灵活性不够，限制了其应用。
应该注意，上面对技术背景的介绍只是为了方便对本申请的技术方案进行清楚、完整的说明，并方便本领域技术人员的理解而阐述的。不能仅仅因为这些方案在本申请的背景技术部分进行了阐述而认为上述技术方案为本领域技术人员所公知。
发明内容
本发明的目的是提供一种新的高灵敏度PCF-MZI光纤折射率传感器及制备方法，将一段TCF(细芯光纤)和一段PCF直接熔接获得的复合器件，操作简单可控，成本低，光谱质量高，且器件的光谱特性可以通过TCF和PCF的长度调节。
为了达到上述目的，本发明提供了一种马赫曾德尔干涉仪光子晶体光纤折射率传感器，包括依次耦合的第一单模光纤、细芯光纤、光子晶体光纤以及第二单模光纤，相邻两段光纤通过熔接方式耦合，传输光经过第一单模光纤进入细芯光纤以及光子晶体光纤，最后从第二单模光纤射出。
进一步地，所述第一单模光纤、所述第二单模光纤的芯层和包层直径分别为8.2μm和125μm。
进一步地，所述芯层和包层直径分别为2.5μm和125μm。
进一步地，所述光子晶体光纤的包层由六层空气孔阵列组成，包层直径125μm，空气孔和芯层直径分别为2.88μm和10.1μm。
进一步地，器件灵敏度能够达到307.25nm/RIU。
进一步地，所述细芯光纤的芯层和包层折射率是阶跃型变化的。
进一步地，所述细芯光纤以及所述光子晶体光纤的长度能够准确控制，以得到最优折射率灵敏度和最佳光谱质量。
本发明还提供了一种马赫曾德尔干涉仪光子晶体光纤折射率传感器的制备方法，先将一段细芯光纤和第一单模光纤使用熔接机熔接在一起；采用熔接机将一段光子晶体光纤和第二单模光纤熔接在一起；再将两段细芯光纤和光子晶体光纤的端部熔接在一起而完成制备；熔接过程中第一单模光纤、第二单模光纤、细芯光纤以及光子晶体光纤均去掉光纤涂覆层。
其中，细芯光纤与光子晶体光纤的熔接塌陷区长度约235μm，宽度约104μm。
其中，所述细芯光纤和所述光子晶体光纤的长度能够控制。
本发明的上述方案有如下的有益效果：
本发明利用直接熔接的方式，将一段细芯光纤和一段光子晶体光纤熔接在两段单模光纤之间，形成复合型MZI器件，可以通过细芯光纤和光子晶体光纤的长度来获得高质量的干涉光谱，操作简便，加工效率高，成本低，适用于不同类型的光纤折射率器件，本方案相比于传统PCF器件具有更高的折射率灵敏度及更高的条纹分辨率，可用于生物医药和食品等领域；
本发明的其它有益效果将在随后的具体实施方式部分予以详细说明。
附图说明
图1为锥形PCF-MZI示意图；
图2为熔接点锥形的PCF-MZI示意图；
图3为纳米涂层PCF-MZI示意图；
图4为基于不同光纤类型的PCF-MZI示意图；
图5为本发明的示意图；
图6为本发明中TCF和PCF长度分别为40mm时，器件的波长随外界折射率变化图以及波长随折射率变化关系图；
图7为本发明中光子晶体光纤的包层截面示意图。
【附图标记说明】
1-第一单模光纤；2-细芯光纤；3-光子晶体光纤；4-第二单模光纤。
具体实施方式
为使本发明要解决的技术问题、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图及具体实施例进行详细描述。显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。此外，下面所描述的本发明不同实施方式中所涉及的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互结合。
在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是锁定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
如图5所示，本发明的实施例提供了一种马赫曾德尔干涉仪光子晶体光纤折射率传感器，包括依次耦合的第一单模光纤1(SMF)、细芯光纤2(TCF)、光子晶体光纤3(PCF)以及第二单模光纤4(SMF)。当光从左端作为入射光纤的第一单模光纤1芯层中传输到TCF中时，由于TCF的纤芯直径比SMF更小，在SMF-TCF的熔接区域会有更多的光耦合进入TCF的包层区域。TCF包层的光传输进PCF中时，在TCF和PCF的熔接塌陷区中，会有更多的光能量在塌陷区与外界折射率匹配液作用形成更强的折射，从而提高器件的灵敏度。此外，TCF的引入也可以减少PCF长度的使用，从而降低器件成本。
相对于单个PCF(即两段SMF中间耦合一段PCF)的折射率灵敏度大约为167.6nm/RIU(J.N.Wang and J.L.Tang.Photonic crystal fiber Mach-Zehnder interferometerfor refractive index sensing.Sens 2012；12(3):2983-95.)，本实施例提供的器件灵敏度可达到307.25nm/RIU，如图6所示。
本实施例中TCF的芯层和包层折射率是阶跃型变化的，相对于渐变折射率多模光纤来说光传输的差异很大，且成本明显低于渐变折射率多模光纤。另外，TCF芯层直径比SMF小，而渐变折射率多模光纤的纤芯直径比SMF大，难以做到熔接区域更多的光耦合进入TCF的包层区域。
作为优选的实施方式，本实施例中第一单模光纤1、第二单模光纤4的芯层和包层直径分别为8.2μm和125μm，细芯光纤2的芯层和包层直径分别为2.5μm和125μm。光子晶体光纤3的包层截面如图7所示，由六层空气孔阵列组成，包层直径125μm，空气孔和芯层直径分别为2.88μm和10.1μm。
本实施例中折射率传感器的折射率灵敏度和条纹分辨率与TCF和PCF长度密切相关，通过控制两者的长度可以得到最优折射率灵敏度和最佳光谱质量。
实验中TCF和PCF的长度相同，分别采用35mm、40mm和45mm三组数据。实验发现长度越长，光谱窗口中波长越集中，在空气中L大约等于35mm时，MZI的条纹可见度最好。考虑到对于传感器而言，尺寸越紧凑，外界的弯曲等干扰相对越小；但是尺寸越小，二个波长的FSR越大，由于实验使用的光源带宽只有74nm(1548～1602nm)，当长度大于45mm时，在可视窗口中可观察的光谱波长很少，所以实际的实验中没有尝试大于45mm的长度。由于使用的切割刀是藤仓CT40，因此设定长度为35、40和45也是为了操作方便。
实施例2：
本发明的实施例2提供了一种马赫曾德尔干涉仪光子晶体光纤折射率传感器的制备方法，该方法是将一段TCF和一段PCF直接熔接获得的复合器件。先将一段TCF和作为入射光纤的第一单模光纤SMF使用熔接机熔接在一起；采用直接熔接方法将一段PCF和作为出射光纤的第二单模光纤SMF熔接在一起；再将两段TCF和PCF的端部熔接在一起而完成制备。熔接过程中第一单模光纤1、第二单模光纤2、细芯光纤3以及光子晶体光纤4均去掉光纤涂覆层。制备中可以通过控制TCF和PCF的长度控制干涉仪的长度，从而控制MZI的光谱干涉峰的调制深度。
本发明中将一段TCF和PCF熔接，由于光纤结构的不同，在熔接处会形成塌陷区，塌陷区可以通过放电时间和强度来控制。优选地，TCF与PCF的熔接塌陷区长度约235μm，宽度约104μm。
以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明所述原理的前提下，还可以作出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
Claims (10)
1.一种马赫曾德尔干涉仪光子晶体光纤折射率传感器，其特征在于，包括依次耦合的第一单模光纤、细芯光纤、光子晶体光纤以及第二单模光纤，相邻两段光纤通过熔接方式耦合，传输光经过第一单模光纤进入细芯光纤以及光子晶体光纤，最后从第二单模光纤射出。
2.根据权利要求1所述的一种马赫曾德尔干涉仪光子晶体光纤折射率传感器，其特征在于，所述第一单模光纤、所述第二单模光纤的芯层和包层直径分别为8.2μm和125μm。
3.根据权利要求1所述的一种马赫曾德尔干涉仪光子晶体光纤折射率传感器，其特征在于，所述细芯光纤的芯层和包层直径分别为2.5μm和125μm。
4.根据权利要求1所述的一种马赫曾德尔干涉仪光子晶体光纤折射率传感器，其特征在于，所述光子晶体光纤的包层由六层空气孔阵列组成，包层直径125μm，空气孔和芯层直径分别为2.88μm和10.1μm。
5.根据权利要求1所述的一种马赫曾德尔干涉仪光子晶体光纤折射率传感器，其特征在于，器件灵敏度能够达到307.25nm/RIU。
6.根据权利要求1所述的一种马赫曾德尔干涉仪光子晶体光纤折射率传感器，其特征在于，所述细芯光纤的芯层和包层折射率是阶跃型变化的。
7.根据权利要求1所述的一种马赫曾德尔干涉仪光子晶体光纤折射率传感器，其特征在于，所述细芯光纤以及所述光子晶体光纤的长度能够准确控制，以得到最优折射率灵敏度和最佳光谱质量。
8.一种制备如权利要求1-7任意一项所述的马赫曾德尔干涉仪光子晶体光纤折射率传感器的制备方法，其特征在于，先将一段细芯光纤和第一单模光纤使用熔接机熔接在一起；采用熔接机将一段光子晶体光纤和第二单模光纤熔接在一起；再将两段细芯光纤和光子晶体光纤的端部熔接在一起而完成制备；熔接过程中第一单模光纤、第二单模光纤、细芯光纤以及光子晶体光纤均去掉光纤涂覆层。
9.根据权利要求8所述的一种马赫曾德尔干涉仪光子晶体光纤折射率传感器的制备方法，其特征在于，细芯光纤与光子晶体光纤的熔接塌陷区长度约235μm，宽度约104μm。
10.根据权利要求8所述的马赫曾德尔干涉仪光子晶体光纤折射率传感器的制备方法，其特征在于，所述细芯光纤和所述光子晶体光纤的长度能够控制。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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