專利名稱：基于空芯光子晶體光纖的法－珀干涉?zhèn)鞲衅骷捌渲谱鞣椒?br> 技術領域：
本發(fā)明屬于光纖傳感技術領域，具體涉及到基于空芯光子晶體光纖的非本征型光纖法-珀(EFPI)干涉?zhèn)鞲衅骷捌渲谱鞣椒ā?br> 背景技術：
光纖傳感器由于具有結構簡單、分辨率高、精度高、體積小、測量范圍廣、不怕電磁干擾等優(yōu)點，近幾年得到了國內外學者的廣泛關注，已被大量應用于復合材料、軍民用大型建筑結構、宇航飛行器、飛機等的結構狀態(tài)監(jiān)測，以實現(xiàn)所謂的智能結構。EFPI干涉?zhèn)鞲衅魇枪饫w傳感器的重要一類，它具有光纖傳感器的所有優(yōu)點，但在實際應用過程中，存在的一些問題影響了它的進一步廣泛應用(1).傳統(tǒng)EFPI的測量會受溫度變化的影響，這將導致傳感器被測參量之間的交叉影響，從而影響測量精度；(2).傳統(tǒng)EFPI腔長不能太長，太長的腔長會嚴重影響干涉條紋的對比度，不利于傳感信號的提取，這就會極大地影響EFPI的大規(guī)模復用。如何克服傳統(tǒng)EFPI存在的這兩個弱點，就成了目前學者研究開發(fā)的重點。

發(fā)明內容
本發(fā)明提供了一種新型的非本征型光纖法-珀干涉?zhèn)鞲衅骷捌渲谱鞣椒āＴ搨鞲衅饔蓛筛胀ㄍㄐ艈文９饫w2-2和一根空芯光子晶體光纖2-3構成，空芯光子晶體光纖2-3的兩端分別與兩根普通通信單模光纖2-2的一端熔接連接。
在其中一根普通通信單模光纖2-2熔接端的端面鍍有反射膜，反射膜分布于普通通信單模光纖2-2的纖芯及周圍20μm-30μm范圍內，反射膜使用Ti2O3膜。
這種新型的非本征型光纖法-珀干涉?zhèn)鞲衅鞯闹谱鞣椒?，包括以下步驟1)用光纖切割刀切割兩根普通通信單模光纖，保護好切割端面；2)切割好一段空芯光子晶體光纖的一個端面，并用普通光纖熔接機將一根普通通信單模光纖和空芯光子晶體光纖已切割好端面的一端進行熔接；3)利用光纖切割刀切去多余的空芯光子晶體光纖，保留設計腔體長度的光纖長度；4)將空芯光子晶體光纖未熔接一端與準備好的另一根普通通信單膜光纖熔接，從而形成了一個完整的溫度不敏感的EFPI干涉?zhèn)鞲衅鳌?br> 為提高EFPI傳感器的信號強度，在步驟3)和步驟4)之間增加以下步驟將另一根普通通信單模光纖端面的纖芯及周圍20μm-30μm范圍內鍍上Ti2O3膜。
本發(fā)明的有益技術效果是本發(fā)明所提供的EFPI傳感器溫度變化系數(shù)比較小，并可以在高達600℃的溫度下正常工作；特別的是，當該法-珀傳感器的腔長延長至數(shù)厘米時，其條紋對比度仍然比較高，這就為在大容量、準分布式傳感系統(tǒng)中應用奠定了基礎。


圖1是用于制作新型EFPI干涉腔的光子晶體光纖的橫截面照片；圖2是新型EFPI傳感器的結構圖；圖3為未鍍Ti2O3膜時新型EFPI傳感器的反射譜；圖4為鍍有Ti2O3膜時新型EFPI傳感器的反射譜；圖5是新型EFPI傳感器與應變計測出的應變對比圖；圖6是新型EFPI傳感器的溫度響應特性。
附圖中，2-1是信號入射光，2-2是普通通信單模光纖，2-3是空芯PCF光纖，2-4是Ti2O3膜，2-5是光纖之間的熔接點，2-6是干涉腔PCF光纖的長度。
具體實施例方式
參見圖2，新型EFPI干涉?zhèn)鞲衅?，該傳感器由兩根普通通信單模光纖2-2和一根空芯PCF光纖2-3構成，空芯PCF光纖2-3的兩端分別與兩根普通通信單模光纖2-2的一端熔接連接?？招綪CF光纖2-3形成傳感器的法-珀干涉腔體，與空芯PCF光纖2-3熔接處的普通通信單模光纖2-2的端面分別形成法-珀腔的兩個反射面。
為了進一步提高EFPI傳感器的信號強度，在右端普通通信單模光纖2-2熔接端的端面鍍有Ti2O3膜或其它反射膜。為了保證鍍膜后熔接點的機械強度，Ti2O3膜或其它反射膜可以只鍍在普通通信單模光纖2-2的纖芯及周圍20μm-30μm范圍內。
圖3是干涉腔長度為2.1mm，兩根普通通信單模光纖2-2的端面沒有作任何處理，制作出的EFPI傳感器的反射譜，從圖中可見其干涉條紋的對比度比較低，只有3dB左右。圖4為鍍有Ti2O3膜后，相同腔長EFPI傳感器的反射譜圖，從圖中可見其干涉條紋對比度比未鍍膜時提高了約5倍。
這種新型EFPI干涉?zhèn)鞲衅鞯闹谱鞣椒?，包括以下步驟1)用光纖切割刀切割兩根普通通信單模光纖，保護好切割端面；2)切割好一段空芯PCF光纖的一個端面(在保證光纖單模傳輸?shù)那闆r下，纖芯直徑越大越好)，并用普通光纖熔接機將一根普通通信單模光纖和空芯PCF光纖已切割好端面的一端進行熔接；3)利用光纖切割刀切去多余的空芯PCF光纖，保留設計腔體長度的光纖長度，保留腔體長度在1mm以上時可以直接切割，在1mm以下時可以在顯微鏡下切割，切割保留的最小尺寸可達100μm；4)將空芯PCF光纖未熔接一端與準備好的另一根普通通信單膜光纖熔接，從而形成了一個完整的溫度不敏感的EFPI干涉?zhèn)鞲衅?。在進行熔接時，降低光纖熔接機的放電能量，延長放電時間，可以降低熔接損耗。為了提高EFPI傳感器的信號強度，在將空芯PCF光纖與第二根普通通信單模光纖熔接之前，在該普通通信單模光纖需熔接一端的端面的纖芯及周圍20μm-30μm范圍內鍍上Ti2O3膜。
利用本發(fā)明方法制作EFPI傳感器，由于整個制作過程只有光纖切割和光纖熔接過程，沒有引入任何化學過程，PCF光纖材料只有一種，溫度變化時不會引起材料熱膨脹系數(shù)之間的失配。因此這種傳感器幾乎不受溫度變化的影響，并可以在高達600℃的溫度下正常工作。另外，這種傳感器的干涉腔體就是空芯PCF的纖芯，干涉過程的損耗只有光纖的傳輸損耗，它的干涉腔體可長至數(shù)厘米。因此，這類傳感器將在大容量、準分布式傳感系統(tǒng)中具有極大的應用潛力。
具體實驗中所使用的光纖分別是康寧公司生產(chǎn)的SMF-28普通通信單模光纖和Blaze Photonics公司生產(chǎn)的HC-1500-02空芯PCF光纖，纖芯直徑為10.9μm。制作出的EFPI傳感器腔長為2.1mm。該傳感器封裝后埋入或表面粘附于被測物，受到應變作用時，PCF光纖構成的Fizeau腔的長度將發(fā)生變化。用光譜儀接收到EFPI的干涉譜后，通過Pisarenko正弦波恢復的解調方法(其它解調方法如DGT、FFT等都可以)，可解調出EFPI傳感器所受的應變大小。為了將EFPI的實際應變與測量應變進行比較，實驗中，我們采用電應變計作為參考對象，兩個傳感器測量的應變對比如圖5所示。可見兩者的線性度非常好，可達99.35％。理論分析和實驗結果表明，這種EFPI傳感器的應變分辨率可達±10με。
圖6為新型EFPI傳感器在-20℃～100℃的溫度變化范圍內的腔長變化曲線，從圖中可見在100℃的溫度范圍內，其腔長變化只有約0.2μm，而普通EFPI傳感器在100℃的范圍內其腔長變化就可達數(shù)微米。其原因在于這種新型EFPI傳感器的整個制作過程只有光纖切割和光纖熔接，沒有引入任何化學過程，PCF光纖材料又單一，溫度變化時不會引起材料熱膨脹系數(shù)之間的失配，因此這種傳感器幾乎不受溫度變化的影響，這與實驗研究非常吻合。我們將這種結構的EFPI置于高溫爐中，實驗表明，這種類型的EFPI可在高達600℃的環(huán)境下正常工作，這是由PCF光纖本身的單一性材料特性決定的。
對于用空芯PCF光纖作干涉腔體的EFPI傳感器，由于干涉腔的損耗主要取決于PCF光纖的傳輸損耗，在進一步降低普通通信單模光纖與空芯PCF光纖的熔接損耗的前提下，其干涉腔長度可以長至數(shù)厘米。在前面的實驗中，我們將鍍反射膜和沒有鍍反射膜的兩種EFPI傳感器分別延長PCF光纖的長度至1cm和2cm，其干涉譜的對比度相比2.1mm變化不大。因此這種類型的傳感器其反射信號的條紋對比度和干涉強度主要取決于兩個熔接點的熔接損耗和兩個反射面的反射率大小，在干涉腔體不是很長的情況下，其干涉腔長對它的影響反而比較小，這跟普通EFPI傳感器存在極大的區(qū)別。正是這種區(qū)別使得新型EFPI傳感器可應用于大容量、準分布式傳感系統(tǒng)中。
權利要求
1.一種基于空芯光子晶體光纖的法-珀干涉?zhèn)鞲衅?，其特征在于該傳感器由兩根普通通信單模光纖2-2和一根空芯光子晶體光纖2-3構成，空芯光子晶體光纖2-3的兩端分別與兩根普通通信單模光纖2-2的一端熔接連接。
2.根據(jù)權利要求1所述的基于空芯光子晶體光纖的法-珀干涉?zhèn)鞲衅?，其特征在于在其中一根普通通信單模光纖2-2熔接端的端面鍍有反射膜。
3.根據(jù)權利要求2所述的基于空芯光子晶體光纖的法-珀干涉?zhèn)鞲衅?，其特征在于反射膜分布于普通通信單模光纖2-2的纖芯及周圍20μm-30μm范圍內。
4.根據(jù)權利要求2或3所述的基于空芯光子晶體光纖的法-珀干涉?zhèn)鞲衅?，其特征在于所述的反射膜為Ti2O3膜。
5.一種基于空芯光子晶體光纖的法-珀干涉?zhèn)鞲衅鞯闹谱鞣椒?，其特征在于該方法包括以下步驟1)用光纖切割刀切割兩根普通通信單模光纖，保護好切割端面；2)切割好一段空芯光子晶體光纖的一個端面，并用普通光纖熔接機將一根普通通信單模光纖和空芯光子晶體光纖已切割好端面的一端進行熔接；3)利用光纖切割刀切去多余的空芯光子晶體光纖，保留設計腔體長度的光纖長度；4)將空芯光子晶體光纖未熔接一端與準備好的另一根普通通信單膜光纖熔接，從而形成了一個完整的溫度不敏感的非本征型光纖法布干涉?zhèn)鞲衅鳌?br> 6.根據(jù)權利要求5所述的基于空芯光子晶體光纖的法-珀干涉?zhèn)鞲衅鞯闹谱鞣椒?，其特征在于在步驟3)和步驟4)之間增加以下步驟將另一根普通通信單模光纖端面的纖芯及周圍20μm-30μm范圍內鍍上Ti2O3膜。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種基于空芯光子晶體光纖的非本征型光纖法－珀干涉?zhèn)鞲衅?，該傳感器由兩根普通通信單模光纖2－2和一根空芯光子晶體光纖2－3構成，空芯光子晶體光纖2－3的兩端分別與兩根普通通信單模光纖2－2的一端熔接連接，此外，在其中一根普通通信單模光纖2－2熔接端的端面鍍有直徑約為20μm－30μm的Ti
文檔編號G02B6/02GK101055196SQ20071007851
公開日2007年10月17日 申請日期2007年5月28日 優(yōu)先權日2007年5月28日
發(fā)明者朱濤, 饒云江, 楊曉辰, 段德穩(wěn) 申請人:重慶大學