專利名稱：一種基于可變耦合器的光纖傳感探頭的制作方法
技術領域：
本發明屬于光纖傳感領域，特別涉及溫度傳感、電場、磁場、應力應變傳感等領域。
背景技術：
熔融拉錐工藝(Fused Biconical TaperFBT)是目前光纖耦合器的主要制作方法，它采用專門的設備將兩根光纖在氫氧氣或丙烷氣的高溫下燒熔，再按照產品所需的工作波長、帶寬、分光比等光學特性，按所設定的參數將其向外拉，即完成所需光學特性的光分路器燒結過程。完成燒結過程后的光纖絲先在石英基板(substrate)上固定，以保持燒結后光纖絲的光學特性，再將光纖及基板裝入外包裝材料，以保護光纖絲及基板，并能滿足商業使用方便性的要求。光纖耦合器的工作原理是，當傳導模進入融錐區時，隨著纖芯不斷變細，越來越多的光功率滲入光纖包層中，實際上光功率是在由包層作為芯，纖外介質(例如空氣)作為新包層的復合波導中傳輸的；在輸出端，隨著纖芯的不斷變粗，光功率被兩根纖芯以特定的比例“捕獲”。因此，光纖耦合器對耦合區包層折射率的變化是敏感的，對耦合區應力變化更敏感。
目前光纖耦合器主要用于光功率分配，因此必須采取措施保證其光功率分配的環境穩定性，特別是環境溫度穩定性。其中使用石英基板是必不可少的措施。
目前出現了一種新的制作光纖耦合器的方法，“無拉錐區熔融擴散法”，其特點是只熔融，不拉錐。其基本原理是在熔融區域內，光纖纖芯里固有的Ge2+的熱擴散現象，導致模場直徑增大，實現光纖間的光耦合。通過控制擴散時間和溫度可以制造預定耦合比的不同產品。這種方法的優點是沒有變細的拉錐區，因而大大改善了耦合區的應力狀態，不易產生耦合區的斷裂，從而提高了產品的可靠性。這種耦合器的耦合區外包層仍是原來光纖的部分包層，只是兩纖芯距離靠得很近，導致光纖間光能量的耦合。但這種耦合器分光比對耦合長度的變化就很敏感了。
綜上所述，光纖耦合器的耦合分光比，都對耦合區的應力較敏感。根據這個現象，人為的給耦合區加載一些隨外界環境變化的應力，就可以制作出高可靠性高靈敏度的光纖傳感探頭。
發明內容
本發明的目的在于設計出一種成本更低、可靠性更好、結構更簡單、適合于批量生產的光纖傳感器，主要應用于溫度、應力、應變、電場、磁場等領域的測量。
本發明的目的是這樣實現的請見圖1(a)，1與2均為光纖耦合器輸入光纖，5與6均為光纖耦合器輸出光纖，3為光纖耦合器的錐形耦合區，10為熱膨脹系數與光纖有差別的基板，該基板甚至具有電致伸縮或磁致伸縮效應。
光纖所用基材為高純度石英玻璃，其熱膨脹系數為0.55×10-6/℃，對電磁場不敏感。石英玻璃延伸率達到5％，一般耦合區長度為20毫米，其最大伸長量可達1毫米，即1000微米，因此，錐形耦合區長度變化±50微米時還處于彈性形變范圍，而不會被拉斷。根據熔融拉錐制作工藝，一定分光比的1×2光纖耦合器，若耦合區長度的改變量在0～100微米變化時，其輸出光纖的耦合比可以在0～100％內單調線性變化。
可見，按圖1(a)方案，將耦合器兩端與基板10綁定在一起(可加預拉應力)，由于10的熱膨脹系數與光纖有差別，耦合器的耦合區長度將隨基板伸縮而伸縮，因而耦合器輸出端光功率隨之線性變化，探測輸出端光功率的變化，就知道環境溫度的變化。
如果基板10具有電致伸縮或磁致伸縮效，只需要進行溫度補償，就可以進行電場或磁場的探測了。
另請見圖1(b)，7為石英基板，熱膨脹系數與與光纖一樣。石英基板7上有一個熱膨脹系數與光纖有差別的凸臺4，該凸臺甚至具有電致伸縮或磁致伸縮效應。其原理是光纖耦合器耦合比(分光比)對于耦合區的彎曲非常敏感。當凸臺4在溫度場變化時進行伸縮時，光纖耦合區的曲率隨之變化，因此輸出端耦合比隨之變化，探測輸出端光功率的變化，就知道環境溫度的變化。
如果凸臺4具有電致伸縮或磁致伸縮效，則只需要進行溫度補償，就可以進行電場或磁場的探測了。
上述光纖耦合器輸入輸出光纖都可以有兩根以上的光纖。并且可以應用于需要測量應變的地方，此時將基板10或凸臺4換成需要測量的對象，將輸入輸出光纖固定在測量對象上即可，必要時進行溫度補償。
本發明，一種基于可變耦合器的光纖傳感探頭，由于采用了上述的技術方案，使之與現有技術相比，具有以下的優點和積極效果1.本發明采取與傳統光纖耦合器封裝背道而馳的方法，有意擴大光纖耦合器對外界因素的靈敏程度，使得光纖耦合器耦合比(或輸出端光功率)隨外界因素(溫度、電場、磁場、應力應變等)的變化而變化，其線性度非常好，且探頭成本較低，結構簡單，適合于規模化生產。
2.本發明的可變耦合器采取傳統的熔融拉錐或無拉錐區熔融擴散法，工藝成熟，投入少，回報高。
通過以下對本發明一種基于可變耦合器的光纖傳感探頭若干實施例結合其附圖的描述，可以進一步理解本發明的目的、具體結構特征和優點。其中，附圖為圖1發明方案圖2實施例一是光纖耦合器錐形耦合區進行金屬化處理進行溫度檢測的情形；圖3實施例二是光纖耦合器固定在純鋁基板上進行溫度檢測的情形；圖4實施例三是光纖耦合器固定在被測對象上進行應力應變檢測的情形；圖5實施例4是改變光纖耦合器耦合區彎曲狀態進行光纖傳感的情形。
具體實施例方式
請參見圖2所示，這是本發明一種基于可變耦合器的光纖傳感探頭的一種實施例。其中11為光纖耦合區金屬化層，包括厚度10微米鎳層，外套純鋁管(內表面也鍍鎳，壁厚1毫米)，中間用焊錫填充。純鋁的熱膨脹系數為23×10-6/℃，長度30毫米的純鋁基板，溫度變化200攝氏度，自由狀態下其長度變化138微米，由于光纖的擠壓，其變化長度實際上稍小于138微米。光纖1、2、5、6均采取普通單模光纖。50攝氏度時該耦合器分光比為50∶50，當溫度在-50～150攝氏度之間變化時，耦合區長度將隨之改變，耦合比在0～100％之間變化。探測輸出端5或6的光功率變化，可以測量耦合區的溫度變化。
請參見圖3所示，這是本發明一種基于可變耦合器的光纖傳感探頭的另一種實施例。其原理與實施例一相同，只是光纖耦合區不再采取金屬化的方法，如圖，17為純鋁基板，耐高溫環氧膠8與9將耦合區兩端固定在17上，在-50攝氏度時，耦合器分光比為5∶95，隨著17的熱膨脹，錐形耦合區3的長度將線性增加，耦合器分光比將線性單調地變化，探測輸出端5或6的光功率變化，可以測量耦合區的溫度變化。
請參見圖4所示，這是本發明一種基于可變耦合器的光纖傳感探頭的又一實施例。21為被測量對象，固定銷22與23將耦合器固定在21上，當21發生應變時，耦合區3的長度隨之改變，光纖耦合器耦合比隨之發生改變，探測輸出端5或6的光功率變化，可以測量21的應變量的大小。
請參見圖5所示，這是本發明一種基于可變耦合器的光纖傳感探頭的又一實施例。其中24為石英基板，石英柱12、13與純鋁柱14將耦合器固定在石英基板24上。12、13、14的高度均為2毫米，每增加1攝氏度，14的高度將比12和13的高度多增加49納米，因此耦合區曲率半徑將增加，引起耦合比相應的變化。探測輸出端5或6的光功率變化，可以測量耦合區的溫度變化。
上述實施例中的熱膨脹驅動元件都可以換成電致伸縮元件，以測量電場強度大小；或者換成磁致伸縮元件，以測量磁場強度大小。
上述實施例只是對這種光纖耦合器分光比增敏的一種應用，實際上其應用遠不只上面所述情形。例如，該結構還可以應用于加速度傳感，在對耦合器耦合區進行保護處理后，還可以埋入混凝土中檢測建筑、橋梁、大壩的應變與溫度分布。
總之，本發明提出了與傳統光纖耦合器相反的封裝方法，大大增加耦合器耦合分光比對環境因素的靈敏度，利用該方法做成的光纖溫度傳感探頭，具有可靠性高，成本低，重復性與穩定性好等特點。
權利要求
1.一種基于可變光纖耦合器的光纖傳感探頭，其特征在于光纖耦合器的耦合區或耦合區兩端與其他載體綁定在一起，耦合區在載體的作用下發生軸向或徑向應變，從而導致耦合器耦合比發生變化，所述載體包括熱膨脹材料、電致伸縮材料、磁致伸縮材料、受力應變物體等。
2.如權利要求1所述的一種裝置，其特征在于光纖耦合器的耦合區或耦合區兩端所綁定的載體，在熱場或電場或磁場或力的作用下沿耦合區軸向發生伸長或收縮，強制耦合區沿軸向發生相應的應變，導致耦合器耦合比率發生變化。
3.如權利要求1所述的一種裝置，其特征在于耦合區所綁定的載體，在熱場或電場或磁場或力的作用下沿耦合區徑向發生伸長或收縮，迫使耦合區發生彎曲應變，導致耦合器耦合比率發生變化。
4.如權利要求2或3所述的一種裝置，其特征在于耦合器輸出光纖為兩根或兩根以上。
5.如權利要求2或3所述的一種裝置，其特征在于所綁定載體的熱膨脹系數不等于光纖材料的熱膨脹系數。
6.如權利要求2或3所述的一種裝置，其特征在于所綁定的載體具有電致伸縮效應。
7.如權利要求2或3所述的一種裝置，其特征在于所綁定的載體具有磁致伸縮效應。
8.如權利要求2或3所述的一種裝置，其特征在于所綁定的載體因受內力或外力作用發生應變。
全文摘要
本發明屬于光纖傳感領域，是一種基于可變耦合器的光纖傳感探頭。由于采取與傳統光纖耦合器封裝背道而馳的方法，有意擴大光纖耦合器對外界因素的靈敏程度，使得光纖耦合器耦合比(或輸出端光功率)隨外界因素(溫度、電場、磁場、應力應變等)的變化而變化，其線性度非常好，且可變耦合器仍采取傳統的熔融拉錐或無拉錐區熔融擴散法，使得探頭成本較低，結構簡單可靠，適合于規模化生產。
文檔編號G02B6/26GK1657992SQ200410012730
公開日2005年8月24日 申請日期2004年2月18日 優先權日2004年2月18日
發明者張立國 申請人:張立國