一种基于偏芯结构的干涉型光纤传感器及其制作方法

摘要

本发明公开了一种基于偏芯结构的干涉型光纤传感器，包括依次连接的引入单模光纤、传感单模光纤、多模光纤、引出单模光纤和光谱仪，其中引入单模光纤用于接收及传输来自光源的光束，并将其输出至传感单模光纤；传感单模光纤相对于引入单模光纤偏芯熔接，用于产生干涉并将干涉后模式耦合至多模光纤；多模光纤将干涉后的模式耦合至引出单模光纤予以输出；光谱仪对引出单模光纤所输出的干涉模式执行透射光谱检测，并根据检测结果相应获得传感数据。本发明还公开了相应的制作方法。通过本发明，在有效避免偏移方向引起的不确定性的同时，能够显著提高整个传感系统的消光比，同时获得灵敏度高、制作方便、便于封装的光纤传感器产品。

说明书

技术领域

本发明属于光纤传感器技术领域，更具体地，涉及一种基于偏芯结构 的干涉型光纤传感器及其制作方法。

背景技术

用于外界环境折射率和温度之类参数的光纤传感在生物、化学等多个 技术领域中获得了广泛的应用，正成为现今热门的测量技术之一。基于多 模干涉理论的光纤干涉型传感器因其体积小、灵敏度高、抗电磁干扰以及 耐高温、腐蚀的优点一直备受欢迎。然而，对于目前的基于两端偏芯结构 的干涉型传感器而言，其对两端偏芯结构的偏移方向具有严格的要求，否 则该结构的光谱消光比几乎接近于零，难以用于传感测量；此外，判断两 个偏芯方向是否一致也非常困难，因此传感器需要多次制作才能满足传感 测量的要求。

针对上述问题，田赵彬等（参见“Refractive index sensor based on an  abrupt taper Michelson interferometer in a single-mode fiber”，Optics Letters， Vol.33，Issue10，1105-1107(2008)）提出了一种基于偏芯结构的单模光纤 传感器，即在传感光纤末端镀上一层500nm厚的金属膜，构成迈克尔逊结 构的传感器，以此方式来避免两个偏芯方向对光谱消光比的影响；该结构 在偏移量为6μm时透射光谱的消光比在9db以上，此时的光谱足以用于传 感检测，灵敏度也较高；但该结构需要对光纤端面镀膜，使用的金属材料 为金，不仅制作困难，而且制作成本也较高。尹国陆等（参见“Refractve index  sensor with asymmetrical fiber Mach-Zehnder interfrometer based on  concatenating single-mode abrupt taper ad core-offset section”，Optics&Laser  Technology，45(2013)294-300）提出了在偏芯结构的前端增加一锥形结构 的解决方案，所获得的光纤传感器的折射率灵敏度最高能达到51.2nm/RIU， 但是在提高折射率灵敏度的同时，由于增加了一锥形结构，相应会造成整 个系统的机械结构不稳定的缺陷，而且在加工过程中难以封装。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种基于偏芯结 构的干涉型光纤传感器及其制作方法，其目的在于通过对光纤干涉机理的 研究并相应对其关键组件进行设计，由此在有效避免偏移方向引起的不确 定性的同时，能够显著提高整个传感系统的消光比，同时获得灵敏度高、 制作方便、便于封装的光纤传感器产品，并尤其适用于折射率和温度之类 参数的检测用途。

按照本发明的一个方面，提供了一种基于偏芯结构的干涉型光纤传感 器，其特征在于，该传感器包括依次连接的引入单模光纤、传感单模光纤、 多模光纤、引出单模光纤和光谱仪，其中：

所述引入单模光纤用于接收及传输来自宽光谱光源的光束，并将其输 出至传感单模光纤；

所述传感单模光纤相对于引入单模光纤偏芯熔接，用于产生干涉并将 干涉后的模式耦合至多模光纤；

所述多模光纤的两端分别与传感单模光纤和引出单模光纤相对准熔 接，并将所述干涉后的模式耦合至引出单模光纤予以输出；

所述光谱仪对引出单模光纤所输出的干涉模式执行透射光谱检测，并 根据检测结果相应获得传感数据。

作为进一步优选地，所述传感单模光纤相对于引入单模光纤在径向方 向上以2μm到4μm的相对偏移量执行偏芯熔接。

作为进一步优选地，所述多模光纤的长度被设定为0.5mm～2mm。

作为进一步优选地，所述光谱仪用于对被测对象执行温度及折射率等 参数的检测。

按照本发明的另一方面，还提供了相应的干涉型光纤传感器的制作方 法，其特征在于，该方法包括下列步骤：

（a）采用光纤熔接机的衰减模式，将两段单模光纤各自的一端以沿其 径向方向发生相对偏移的方式执行偏芯熔接，并将其中一段单模光纤作为 引入单模光纤，另外一段单模光纤作为传感单模光纤；

（b）继续采用光纤熔接机在传感单模光纤的另外一端以纤芯对准的方 式熔接一段多模光纤；然后在该多模光纤的另外一端继续以纤芯对准的方 式熔接一段单模光纤并将其作为引出单模光纤；

（c）将完成上述熔接后的光纤元件与光谱仪相连，由此完成整个干涉 型光纤传感器的制作过程。

作为进一步优选地，在步骤（a）中，所述引入单模光纤和传感单模光 纤之间以2μm到4μm的相对偏移量执行偏芯熔接。

作为进一步优选地，在步骤（b）中，与所述传感单模光纤对准熔接的 多模光纤的长度被设定为0.5mm～2mm。

作为进一步优选地，在整个制作过程中，仅执行一次偏芯熔接操作， 而且在偏移量一定的情况下，所述引入单模光纤和传感单模光纤之间的偏 芯熔接对偏移方向无要求。

总体而言，按照本发明的基于偏芯结构的干涉型光纤传感器及其制作 方法与现有技术相比，主要具备以下的技术优点：

1、通过在传感器元件中的传感单模光纤与引出单模光纤之间增设多模 光纤，能够以简单易行、便于封装的方式来有效避免由于偏移方向所引起 的不确定性，显著提高整个传感系统的消光比；

2、通过对传感单模光纤的相对偏移量进行设定，测试表明可以在保证 光束能量顺利传输的同时，较好地执行干涉过程；此外，通过对多模光纤 长度这一重要特征参数进行具体限定，测试表明能够改善多模光纤和引出 单模光纤界面上的能量分布，进一步提高耦合强度；

3、按照本发明所构造的光纤传感器可以仅采用常规的熔接机即可完成 整个制作过程，可重复性强、便于操控、成本低，而且成品测试表明仅仅 设置很小的偏移量即可获得很好的透射光谱，因而尤其适用于工业化的大 批量生产用途。

附图说明

图1是按照本发明的基于偏芯结构的干涉型光纤传感器的整体构造示 意图；

图2是用于进一步具体显示按照本发明的引入单模光纤与传感单模光 纤、传感单模光纤与引出单模光纤执行对准熔接的示意图；

在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或结构，其中：

1-宽光谱光源  2-引入单模光纤  3-传感单模光纤  4-多模光纤  5- 引出单模光纤  6-光谱仪  7-偏移点  8-熔接点  9-熔接点

具体实施方式

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。应当理解，此处所描述的具体 实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

图1是按照本发明的基于偏芯结构的干涉型光纤传感器的整体构造示 意图。如图1中所示，按照本发明所构建的基于偏芯结构的干涉型光纤传 感器主要包括依次连接的引入单模光纤2、传感单模光纤3、多模光纤4、 引出单模光纤5和光谱仪6，其中引入单模光纤2用于接收及传输来自宽光 谱光源1的光束，并将其输出至传感单模光纤3；传感单模光纤3相对于引 入单模光纤2偏芯熔接，用于产生干涉并将干涉后的模式耦合至多模光纤4； 多模光纤4的两端分别与传感单模光纤3和引出单模光纤5相对准，并将 所述干涉后的模式耦合至引出单模光纤5予以输出；光谱仪6对引出单模 光纤5所输出的干涉模式执行透射光谱检测，并根据检测结果相应获得传 感数据。

具体而言，按照本发明的干涉型光纤传感器中以供包括三段单模光纤， 分别是引入单模光纤2、传感单模光纤3和引出单模光纤5，此外还增设有 一段多模光纤4。光谱光源1发出的光束经过引入单模光纤2，激发了引入 单模光纤2中的线芯模和包层模，所激发的线芯模和包层模再进入到与引 入单模光纤2偏芯熔接的传感单模光纤3，偏芯（纤芯偏移）熔接的主要目 的是为了激发除了基模以外的其他引导模式，同时也为了提高透射光谱的 消光比；多模光纤4与传感单模光纤3和引出单模光纤5均为纤芯对准熔 接；传感单模光纤3的纤芯光和包层光在进入多模光纤4时会发生干涉， 而且由于通过多模光纤将干涉后的模式耦合出去，相应可以在提高整个传 感器消光比的同时，还有效避免偏芯熔接偏移方向的不确定性；引出单模 光纤5和光谱仪6相连，光谱仪6检测干涉后的透射光谱并通过分析透射 光谱的变化可得知被测参数变化，例如外界环境折射率和温度的变化等。

按照本发明的一个优选实施方式，所述传感单模光纤相对于引入单模 光纤在径向方向上以2μm到4μm的相对偏移量执行偏芯熔接。之所以将偏 移量按照以上具体范围进行设定，是因为现有的常规单模光纤自身的线芯 半径通常处在3μm-10μm的范围之内，通过考虑现有加工工艺的条件和实 际需求，上述数值范围既能够保证部分的光束能量继续得以传输，同时还 能提供必要的偏移量，由此顺利执行干涉并使得干涉后的模式至下一功能 单元。

按照本发明的另一优选实施方式，所述多模光纤的长度被设定为 0.5mm～2mm。较多的测试表明，多模光纤4的长度对于光谱的性能存在较 大的影响，它直接影响到多模光纤和引出单模光纤界面上的能量分布，并 决定了多模光纤纤芯模到引出单模光纤纤芯模的耦合强度；另外，进入多 模光纤的光可以激发多个不同能量的多模光纤引导模式，由此减少发生干 涉的纤芯模能量，在很大程度上提高干涉谱的消光比，同时还能有效避免 偏移方向引起的不确定性。

下面将具体描述按照本发明的干涉型光纤传感器的制作过程。

首先，优选采用目前市面上常用的光纤熔接机的衰减模式，将两段单 模光纤各自的一端以沿其径向方向发生相对偏移的方式、譬如2μm到4μm 的相对偏移量执行偏芯熔接，并将其中一段单模光纤作为引入单模光纤， 另外一段单模光纤作为传感单模光纤；

接着，继续采用光纤熔接机在传感单模光纤的另外一端以纤芯对准的 方式熔接一段多模光纤；然后在该多模光纤的另外一端继续以纤芯对准的 方式熔接一段单模光纤并将其作为引出单模光纤；

最后，将完成上述熔接后的光纤元件与光谱仪相连，由此完成整个干 涉型光纤传感器的制作过程。

通过以上描述可见，对于按照本发明的干涉型光纤传感器可以仅采用 常规的熔接机即可完成整个制作过程，可重复性强、便于操控、成本低， 而且成品测试表明仅仅设置很小的偏移量即可获得很好的透射光谱。此外 应当指出的是，在整个制作过程中，仅执行一次偏芯熔接操作，而且在偏 移量一定的情况下，所述引入单模光纤和传感单模光纤之间的偏芯熔接对 偏移方向无要求，该操作上的便利性同样也是本发明相对于现有技术的贡 献之一。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已， 并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等 同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。