一种高灵敏度微纳光纤折射率传感器及其制备方法

摘要

本发明公开了一种高灵敏度微纳光纤折射率传感器及其制备方法，该传感器包括沿光传输路径顺序连接的宽带光源、光纤环形镜和光谱分析仪，其中光纤环形镜包括沿光传输路径连接的光纤耦合器、双折射微纳光纤和偏振控制器；由宽带光源发出的光进入光纤环形镜后，所形成的两个相反方向传播的光经双折射微纳光纤产生偏振相位差，经偏振控制器后形成偏振干涉，最后由光谱分析仪检测输出。本发明采用双折射微纳光纤进行传感，该光纤具有矩形或类矩形的二重对称结构，利用其独特的双折射及双折射散射效应，得到的偏振干涉谱图随周围折射率的变化而变化，获得超高传感灵敏度。

说明书

技术领域

本发明涉及光纤折射率传感器技术领域，特别涉及一种高灵敏度微纳光纤 折射率传感器及其制备方法。

背景技术

折射率传感用于探测外界环境的折射率的变化，由于折射率是物质的基本 属性，它在物理、生物、化学等学科领域是一个重要的参数，因此折射率传感 对环境监测、食品安全、医药开发、临床检验等相关领域有重要的意义和用途。 光纤折射率传感器以其灵敏度高、抗电磁干扰能力强、响应速度快、抗生化腐 蚀、体积小、重量轻、无毒、操控灵活方便以及低能量损耗的远距离传输能力 等优点，克服了传统方法包括掠入射法、衍射光栅法、宽带吸收光谱法等不足， 其发展一直受到人们的关注。许多光纤型折射率传感器应运而生，其实现原理 包括表面等离子体、长周期光栅、模间干涉、微流控多孔光纤等多种类型。

近年来微纳光纤吸引了人们的研究兴趣，由于微纳光纤具有强消逝场效应， 对折射率传感有着先天的优势，提出的实现方法包括微纳光纤环形结、布拉格 光栅、长周期光栅、传输能量检测等，然而这些方法的传感灵敏度目前仍受到 很大的局限，例如文献“Fei Xu，Valerio Pruneri，Vittoria Finazzi，Gilberto Brambilla. An embedded optical nanowire loop resonator refractometric sensor.Optics Express， 2008，16(2)：1062-1067.”提出将微纳光纤打成环形结并用聚合物封装，这种方 法制作工艺较复杂，理论获得灵敏度为700nm/RIU(单位折射率)。又如文献“X. Fang，C.R.Liao，D.N.Wang.Femtosecond laser fabricated fiber Bragg grating in  microfiber for refractive index sensing.Optics Letters，2010，35(7)：1007-1009.”利 用飞秒激光器在微纳光纤上刻写布拉格光栅制作折射率传感器，测量获得的灵 敏度最大为234.1nm/RIU。再如文献“Haifeng Xuan，Wei Jin，and Shujing Liu. Long-period gratings in wavelength-scale microfibers.Optics Letters，2010，35(1)： 85-87.”利用飞秒激光刻写技术在微纳光纤中写入长周期光栅，测量的灵敏度达 到1900nm/RIU，灵敏度稍低且飞秒激光昂贵，另外飞秒激光刻写技术对光纤结 构有破坏作用。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的缺点与不足，提供一种高灵敏度微纳光 纤折射率传感器，利用双折射微纳光纤的独特的双折射及其色散效应，获得现 有方法中所无法达到的超高灵敏度。

本发明的另一目的在于，提供一种高灵敏度微纳光纤折射率传感器的制备 方法，使之具有更高的折射率传感灵敏度，可以实现对外界环境折射率微变量 的实时传感和快速检测。

为了达到上述目的，本发明采用以下技术方案：

本发明高灵敏度微纳光纤折射率传感器，包括沿光传输路径顺序连接的宽 带光源、光纤环形镜和光谱分析仪，其中光纤环形镜包括沿光传输路径连接的 光纤耦合器、双折射微纳光纤和第一偏振控制器；由宽带光源发出的光经光纤 耦合器进入光纤环形镜后，形成两个相反方向传播的光束，其中一束依次经过 第一偏振控制器和双折射微纳光纤，另一束则依次经过双折射微纳光纤和第一 偏振控制器，这两束光产生偏振相位差，经光纤耦合器合波后形成偏振干涉光 谱，最后由光谱分析仪检测输出。

所述双折射微纳光纤通常在具有矩形或类矩形的二重对称结构包层的光纤 上，采用传统光纤熔拉技术，对光纤进行高温加热和熔融拉锥，使横截面的最 长边尺寸小于10μm，两端熔接标准光纤，连接各种光纤仪器。

优选的，所述光纤环形镜还包括第二偏振控制器和保偏光纤，所述光纤耦 合器、第一偏振控制器、双折射微纳光纤、第二偏振控制器及保偏光纤沿光传 输路径顺序连接，所述第二偏振控制器用于调节干涉光谱的疏密程度，所述保 偏光纤作为参考光纤，可以提高传感器的灵敏度。

优选的，所述保偏光纤是双折射微纳光纤、熊猫型保偏光纤、领结型保偏 光纤、椭圆型保偏光纤或保偏光子晶体光纤。

优选的，所述光纤耦合器分光比通常为50％∶50％。

优选的，所述双折射微纳光纤的横截面为矩形或类矩形的二重对称结构。

所述双折射微纳光纤包括光纤纤芯和将所述光纤纤芯包围的光纤包层。

所述光纤纤芯折射率高于光纤包层折射率。

为了达到上述另一目的，本发明采用以下技术方案：一种高灵敏度微纳光 纤折射率传感器的制备方法，包括以下步骤：

(1)、选取双折射微纳光纤，所述双折射微纳光纤的横截面结构为矩形或 类矩形的二重对称结构；

(2)、采用光纤耦合器，将光纤耦合器同侧的两个端口分别连接宽带光源 和光谱分析仪；

(3)、所述光纤耦合器另一侧的两个端口间连接双折射微纳光纤和偏振控 制器后组成闭合光路，从而构成包含微纳光纤的光纤环形镜。

本发明相对于现有技术具有如下的优点及效果：

1、本发明提出了一种高灵敏度微纳光纤折射率传感器，采用二重对称结构 的双折射微纳光纤，利用其独特的双折射及双折射色散特性，实现了超高灵敏 度的折射率传感，本发明突破了现有方案对灵敏性的限制，其灵敏度可达 5000～100000nm/RIU。

2、本发明与传统光学折射率传感方法相比，具有体积小、重量轻、可与光 纤系统兼容、可远距离监测等优点。

3、本发明与其它光纤型折射率传感方法相比，具有尺寸更小、结构简单、 便于集成、反应速度快等优点。

4、本发明与现有微纳光纤型折射率传感技术相比，具有更高的灵敏度(灵 敏度可提高一个数量级以上)，且测量稳定性好。

5、本发明避免了将待测物质装进光纤微孔结构之中，而直接将传感光纤置 于待测物质之中传感，实现了快速、准确传感，因此具有巨大的应用潜力。

附图说明

图1是基于偏振干涉的微纳光纤折射率传感器；

图2是双折射微纳光纤横截面示意图；

图3是传感光纤与待测物质分界面的示意图；

图4是应用本发明的传感器进行折射率溶液的测量数据与理论计算曲线；

图5是改进后的微纳光纤折射率传感器；

图6是不同参考光纤长度的透射谱对应的波长与折射率的关系。

具体实施方式

下面结合实施例及附图对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方 式不限于此。

实施例1

如图1所示，一种高灵敏度微纳光纤折射率传感器包括沿光传输路径顺序 相连的宽带光源1、分光比为50％∶50％的光纤耦合器2、双折射微纳光纤3、 第一偏振控制器4和光谱分析仪5，其中光纤耦合器2、双折射微纳光纤3和第 一偏振控制器4构成光纤环形镜；由宽带光源1发出的光经光纤耦合器2进入 光纤环形镜后，形成两个相反方向传播的光束，其中一束依次经过第一偏振控 制器4和双折射微纳光纤3，另一束则依次经过双折射微纳光纤3和第一偏振控 制器4，这两束光产生偏振相位差，通过调节第一偏振控制器4，经光纤耦合器 2合波后形成偏振干涉光谱，出射光谱经光谱分析仪5检测输出，改变双折射微 纳光纤3周围待测物质的折射率，计算干涉光谱的波长漂移量，进而推断出待 测物质折射率的变化。

图2是本发明的双折射微纳光纤3的横截面示意图，它包括掺锗光纤纤芯6 和由二氧化硅材料制成的光纤包层7，光纤纤芯6为圆形结构，光纤包层7为矩 形结构，它设置在光纤纤芯6的四周，将光纤纤芯6包围；典型光纤包层的最 长边尺寸不超过10μm。光纤纤芯折射率高于光纤包层折射率。

在图3中，示意了传感光纤与待测物质的分界面，8表示微纳光纤传感段， 9表示待测物质，10表示待测物质与外界环境的分界面，11表示光纤封装位置。

图4表示实验测量得到出射光谱的波谷位置对应的波长与折射率的关系， 在本实例中，将微纳光纤置于蔗糖溶液当中，通过调整蔗糖浓度以改变溶液的 折射率，在图4中，圆圈表示实例测量数据点，实线表示由下述方程(1)得到 的数值拟合曲线，可见测量值能很好地与理论值相符合；在测量中，波长随着 折射率增大而增大，在水溶液附近即折射率1.333左右，实验获得的灵敏度分别 为12511nm/RIU，13441nm/RIU，18987nm/RIU，18677nm/RIU，最大灵敏度 达到18987nm/RIU。

实施例2

上述实施例1的高灵敏度微纳光纤折射率传感器可做如下改进，如图5所 示为改进后的折射率传感器，与图1不同的是，在微纳光纤的一侧通过标准光 纤依次连接一个第二偏振控制器12和保偏光纤13，该保偏光纤13作为参考光 纤，在本实例中为领结型保偏光纤，通过调节第二偏振控制器12可调节干涉光 谱的疏密程度，我们将干涉光谱调成疏的状态，对应两个双折射光纤引起偏振 相位差相减的情况，如下文方程(3)所示，同时调节第一偏振控制器4以增强 干涉谱图的消光比便于测量。

图6给出了不同领结光纤长度测得的出射谱波谷位置对应的波长与折射率 的关系，其中离散点表示测量的结果，实线则表示采用二次方程拟合的结果， 图中分别给出了有参考光纤和无参考光纤时的数据测量和理论拟合，结果表明： 在波长1550附近，无参考光纤时传感器的折射率灵敏度为7151nm/RIU，而在 保偏光纤长度为4.7cm和10.8cm时，对应折射率灵敏度分别为26065nm/RIU和 -16196nm/RIU，可见加入参考光纤后其绝对灵敏度得到大幅提高，与理论预测 相符。

本发明高灵敏度微纳光纤折射率传感器的制备方法，包括下述步骤：

(一)、选取微纳光纤，所述微纳光纤横截面结构为矩形或类矩形的二重对 称结构的双折射微纳光纤，经过光纤横截面中心的最长边和最短边的长度比值 为1.05～5.0，它们的尺寸为10nm～10μm；该微纳光纤是在具有矩形或类矩形的 二重对称结构包层的光纤上，利用常规光纤熔拉技术，对光纤进行高温加热和 熔融拉锥制作而成；所述微纳光纤的两端熔接标准光纤，连接各种光纤仪器。

(二)、将步骤(一)的双折射微纳光纤熔接到光纤环形镜上，具体是：采 用光纤耦合器(分光比通常为50％∶50％)，光纤耦合器同侧的两个端口分别连 接宽带光源和光谱分析仪，另一侧的两个端口之间依次连接双折射微纳光纤和 偏振控制器后组成闭合光路，从而构成包含微纳光纤的光纤环形镜，即为微纳 光纤折射率传感器，由于双折射微纳光纤的双折射效应，在光纤中传输光波的 两个偏振态产生光程差，调整偏振控制器的状态，即可在光谱分析仪得到偏振 干涉谱图。

在上述光纤环形镜中，由于双折射效应引起偏振干涉的透射谱表示为 T＝sin²(Φ/2)，其中Φ是偏振相位差，表示为：

Φ＝(2π/λ)BL        (1)

其中，λ是光波长，B＝n_i-n_j是微纳光纤双折射，n_i、n_j分别是波导两个偏 振模式的有效折射率，L是微纳光纤的长度。为理论计算波长随折射率的变化率， 在方程(1)中，假设相位差Φ不变，折射率的微变量Δn将引起双折射改变，从 而波长发生漂移，同时考虑光纤的双折射色散效应对方程(1)进行微 分操作，得到灵敏度公式为：

$S=\frac{\mathrm{\Delta \lambda }}{\mathrm{\Delta n}}=\frac{\lambda ·\partial B/\partial n}{B-\lambda \partial B/\partial \lambda }=\frac{\lambda }{G}\frac{\partial B}{\partial n}---\left(2\right)$

其中，是折射率导致的双折射变化率，G是光纤的群双折射，由方程 (2)可知灵敏度的大小除了与波长λ和双折射变化率相关外，还与群双折 射G的大小相关，而G的大小与双折射色散值相关，当G趋近于零时， 器件灵敏度将变得非常大。

(三)、将上述传感器的双折射微纳光纤置于待测物质中，由于物质的折射 率变化引起器件的干涉谱图发生漂移，测量其波长漂移量从而可探知物质折射 率的变化。

在上述方案的基础上，为进一步提高传感灵敏度，可对微纳光纤折射率传 感器做如下改进，在双折射微纳光纤的一侧通过标准光纤依次连接一个偏振控 制器和一段普通保偏光纤作为参考光纤，该参考光纤本身不参与传感，它起的 作用是调制器件的折射率传感灵敏度，参考光纤可以是高双折射微纳光纤，或 是传统的熊猫型保偏光纤、领结型保偏光纤或椭圆型保偏光纤等，也可以是保 偏光子晶体光纤。由于干涉系统中有两个双折射光纤，其相位差表达式(1)变 为：

Φ＝(2π/λ)(B₁L₁±B₂L₂)        (3)

其中，“+”和“-”分别表示两个双折射光纤引起偏振相位差相增和相减两 个状态，可通过调节光纤间的偏振控制器实现，B₁和L₁对应第一个双折射微纳 光纤，B₂和L₂对应第二个保偏光纤。由于外界折射率变化引起第一个光纤的B1发 生变化，从而由方程(3)可知波长发生改变，波长的改变又引起第二个光纤的 B₂发生改变，同样地，对方程(3)进行微分操作，可得到折射率灵敏度公式为：

$S=\frac{\mathrm{\Delta \lambda }}{\mathrm{\Delta n}}=\frac{{\mathrm{\lambda L}}_1·\partial B_1/\partial n}{G_1{L}_1\pm G_2{L}_2}---\left(4\right)$

其中，G₁和G₂分别表示第一个双折射微纳光纤和第二个保偏光纤的群双折 射，只要通过选择两个光纤的双折射参数和调节光纤长度使|G₁L₁±G₂L₂|趋近于 零，可大幅提高器件的传感灵敏度。

上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实 施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、 替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。