一种基于D型光纤与微球耦合的温度传感器及其制作方法

摘要

本发明提供了一种基于D型光纤与微球耦合的温度传感器及其制作方法，所述传感器包括宽带光源、第一连接光纤、D型光纤、微球、第二连接光纤和光谱分析仪；所述宽带光源、所述第一连接光纤、所述D型光纤、所述第二连接光纤和所述光谱分析仪依次连接，所述微球与所述D型光纤接触；所述D型光纤是通过将光纤沿轴向切除包层形成截面为D型抛磨面的光纤结构，所述微球与所述D型抛磨面的平坦区域接触。本发明提供的温度传感器，采用D型光纤作为外部耦合器件来激发WGM，D型结构比较稳定，更容易引出倏逝波，将光耦合到微球中，形成WGM共振，当微球周围相对温度变化时，引起WGM频谱偏移，从而实现对周围温度的检测。

权利要求

1.一种基于D型光纤与微球耦合的温度传感器，其特征在于：所述传感器包括宽带光源、第一连接光纤、D型光纤、微球、第二连接光纤和光谱分析仪；所述宽带光源、所述第一连接光纤、所述D型光纤、所述第二连接光纤和所述光谱分析仪依次连接，所述微球与所述D型光纤接触；所述D型光纤是通过将光纤沿轴向切除包层形成截面为D型抛磨面的光纤结构，所述微球与所述D型抛磨面的平坦区域接触；所述微球通过电弧在光纤剥离涂覆层的切割端连续放电，使光纤尖端呈球形制备得到；所述D型光纤中，D型抛磨面与纤芯的最短垂直距离为0～0.5μm；所述微球的直径为170～200μm；当微球周围的温度发生变化时，微球的直径和折射率也随之变化，导致WGM微腔共振频谱的位置变化显著，从而实现对温度的检测。

2.根据权利要求1所述的一种基于D型光纤与微球耦合的温度传感器，其特征在于：所述第一连接光纤和所述第二连接光纤为单模光纤。

3.根据权利要求1所述的一种基于D型光纤与微球耦合的温度传感器，其特征在于：所述D型光纤为单模光纤。

4.根据权利要求1所述的一种基于D型光纤与微球耦合的温度传感器，其特征在于：所述微球为单模光纤。

5.一种基于D型光纤与微球耦合的温度传感器的制作方法，其特征在于，包括以下步骤：

A、首先在单模光纤中间位置沿轴向切除包层形成截面为D型抛磨面的光纤结构，制备得到D型光纤，所述D型光纤两端分别为第一连接光纤和第二连接光纤，在单模光纤剥离涂覆层的切割端通过电弧连续放电，使光纤尖端呈球形制备得到微球；所述微球的直径为170～200μm；所述D型光纤中，D型抛磨面与纤芯的最短垂直距离为0～0.5μm；

B、再将所述D型光纤悬空固定在载玻片表面，在所述D型抛磨面平坦区域放置所述微球，通过定位台控制所述D型光纤抛磨面平坦区域与所述微球接触，直到在D型光纤的透射光谱中清楚观察到光学回音壁共振，以达到最大的光耦合效率；

C、最后将所述第一连接光纤与宽带光源连接，所述第二连接光纤与光谱分析仪连接，使所述宽带光源发出的光依次通过所述第一连接光纤、与所述微球接触的所述D型光纤和所述第二连接光纤，入射到所述光谱分析仪上。

说明书

一种基于D型光纤与微球耦合的温度传感器及其制作方法

技术领域

[0001] 本发明涉及光纤传感技术领域，尤其涉及一种基于D型光纤与微球耦合的温度传感器及其制作方法。

背景技术

[0002] 光纤测温是20世纪70年代发展起来的一门新兴测温技术，与传统的温度传感器相比，光纤温度传感器具有动态范围大、灵敏度高、响应快、抗电磁干扰强、易被各种光探测器
件接收，可方便地进行光电或电光转换，易于高度发展的现代电子装置和计算机相匹配，是
一种低损耗传输线。光纤本身不带电、体积小、质量轻、易弯曲、抗辐射性能好，特别适合在
易燃、易爆、空间受严格限制及强电磁干扰等恶劣环境下使用，因而受到了广泛的重视。目
前光纤温度传感器的研究分为传光型和传感型，其调制方式可以是强度调制、相位调制、频
率调制和波长调制，根据调制原理有相干型和非相干型。

[0003] 公告号为CN103175628B的中国专利公开了一种光纤温度传感器，包括宽带光源、第一单模光纤、第二单模光纤及多芯光纤，所述宽带光源依次通过所述第一单模光纤、多芯
光纤与第二单模光纤连接，所述第一单模光纤、第二单模光纤与所述多芯光纤的连接处均
为电弧放电而形成的坍塌结构。

[0004] 公告号为CN103335741B的中国专利公开了一种基于石墨烯的光纤温度传感器及其制作方法，所述传感器是在一段圆形普通光纤上，其中一段长度为1 3cm的区域设为光纤
~
传感区，光纤传感区的部分包层被去除，光纤包层与纤芯界面的最短距离为1 3μm，在光纤
~
传感区上沉积了还原氧化石墨烯薄膜，还原氧化石墨烯薄膜的厚度为10 30μm。
~

发明内容

[0005] 为解决上述技术问题，本发明第一方面提供了一种基于D型光纤与微球耦合的温度传感器，所述传感器包括宽带光源、第一连接光纤、D型光纤、微球、第二连接光纤和光谱
分析仪；所述宽带光源、所述第一连接光纤、所述D型光纤、所述第二连接光纤和所述光谱分
析仪依次连接，所述微球与所述D型光纤接触。

[0006] 其中，所述D型光纤是通过将光纤沿轴向切除包层形成截面为D型抛磨面的光纤结构，所述微球与所述D型抛磨面的平坦区域接触。

[0007] 其中，所述D型光纤中，D型抛磨面与纤芯的最短垂直距离为0 2μm。~

[0008] 其中，所述微球的直径为100 200μm。~

[0009] 优选地，所述微球的直径为110μm, 130μm, 150μm, 170μm，190μm。

[0010] 其中，所述第一连接光纤和所述第二连接光纤为单模光纤。

[0011] 其中，所述D型光纤为单模光纤。

[0012] 其中，所述微球为单模光纤。

[0013] 其中，所述微球通过电弧在光纤剥离涂覆层的切割端连续放电，使光纤尖端呈球形制备得到。

[0014] 本发明第二方面提供了一种基于D型光纤与微球耦合的温度传感器的制作方法，包括以下步骤：

[0015] A、首先在单模光纤中间位置沿轴向切除包层形成截面为D型抛磨面的光纤结构，制备得到D型光纤，所述D型光纤两端分别为第一连接光纤和第二连接光纤，在单模光纤剥
离涂覆层的切割端通过电弧连续放电，使光纤尖端呈球形制备得到微球；

[0016] B、再将所述D型光纤悬空固定在载玻片表面，在所述D型抛磨面平坦区域放置所述微球，通过定位台控制所述D型光纤抛磨面平坦区域与所述微球接触，直到在D型光纤的透
射光谱中清楚观察到光学回音壁共振，以达到最大的光耦合效率；

[0017] C、最后将所述第一连接光纤与宽带光源连接，所述第二连接光纤与光谱分析仪连接，使所述宽带光源发出的光依次通过所述第一连接光纤、与所述微球接触的所述D型光纤
和所述第二连接光纤，入射到所述光谱分析仪上。

[0018] 其中，所述D型光纤中，D型抛磨面与纤芯的最短垂直距离为0 2μm。~

[0019] 倏逝波是指当一束光从光密介质入射到光疏介质时，在满足全反射的条件下，光能全部返回到光密介质中，但入射光在光疏介质中产生的电磁波并不完全消失，而是要穿
透一个波长的深度，再沿着界面继续传播大约有半个波长的距离再返回光密介质，我们称
进入光疏介质的波为倏逝波（消逝波或衰逝波）。

[0020] 回音壁模式（以下简称WGM）指的是特定波长（一系列）的光在环形腔，或者类环形腔（比如多边形）内，在闭合腔体的边界内，通过边界连续的全反射，将光子长时间的局域在
腔内保持稳定的行波传输模式。几种比较常见的玻璃材料的回音壁模式微腔包括微球腔
(Microsphere)，微盘腔(Microdisk)和微环芯腔(Microtoroid)。

[0021] 本发明的有益效果：

[0022] 本发明提供的D型光纤与微球耦合的温度传感器，微球与D型光纤接触，微球作为一种独特的WGM微腔，能够以超高品质因子Q因素来承载谐振模式，当微球周围的温度发生
变化时，微球的直径和折射率也随之变化，导致WGM微腔共振频谱的位置变化显著，从而实
现对温度的检测。本发明采用微球作为WGM微腔，由于微球与D型光纤的纤芯很近，D型光纤
抛磨面表面的倏逝波更容易耦合到微球中来，形成WGM共振，通过透射谱可以观测到WGM共
振峰。利用微球的超高品质因子Q，当微球所在的外部环境温度发生变化时，微球的直径也
随之变化，从而引起WGM的频谱偏移，通过光谱分析仪在D型光纤输出处观察到相应的透射
谱，实现对周围温度的高灵敏度检测。

[0023] 本发明提供的温度传感器，取材方便，价格低廉，采用D型光纤作为外部耦合器件来激发WGM，D型结构比较稳定，更容易引出倏逝波，将光耦合到微球中，形成WGM共振，当微
球周围相对温度变化时，引起WGM频谱偏移，从而实现对周围温度的检测。相比其他温度传
感器，本发明提供的温度传感器对周围温度的变化非常敏感，结构简单且稳定，成本低，在
光纤温度传感领域具有巨大的应用价值。

附图说明

[0024] 为了更清楚地说明本发明的技术方案，下面将对实施方式中需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施方式，对应本领域的普
通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

[0025] 图1为本发明实施例提供的温度传感器的整体结构示意图；

[0026] 图2为本发明实施例1提供的温度传感器中D型光纤与普通光纤耦合的结构示意图；

[0027] 图3为本发明实施例2 5提供的温度传感器中D型光纤与普通光纤耦合的结构示意~
图；

[0028] 图中附图标记所对应的名称为：1‑ 宽带光源，2‑第一连接光纤，3‑D型光纤，301‑包层，302‑纤芯，303‑D型抛磨面，4‑微球，5‑第二连接光纤，6‑光谱分析仪，7‑载玻片。

具体实施方式

[0029] 以下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，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也视为本发
明的保护范围。

[0030] 实施例1

[0031] 本发明提供了一种基于D型光纤与微球耦合的温度传感器，如图1和图2所示，所述传感器包括宽带光源1、第一连接光纤2、D型光纤3、微球4、第二连接光纤5和光谱分析仪6；
所述宽带光源1、所述第一连接光纤2、所述D型光纤3、所述第二连接光纤5和所述光谱分析
仪6依次连接，所述微球4与所述D型光纤3接触，所述微球4通过电弧在光纤剥离涂覆层的切
割端连续放电，使光纤尖端呈球形制备得到，直径为110μm；所述第一连接光纤2、D型光纤3、
微球4和第二连接光纤5均采用单模光纤。

[0032] 所述温度传感器通过以下方法制备得到：

[0033] A、首先在单模光纤中间位置沿轴向切除包层301形成截面为D型抛磨面303的光纤结构，制备得到D型光纤3，所述D型抛磨面303平坦区域的包层301完全切除，使纤芯302裸
露，所述D型光纤3两端分别为第一连接光纤2和第二连接光纤5；在单模光纤剥离涂覆层的
切割端通过电弧连续放电，使光纤尖端呈球形制备得到微球4，所述微球4的直径为110μm；

[0034] B、再将所述D型光纤3悬空固定在载玻片7表面，在所述D型抛磨面303平坦区域放置所述微球4，通过定位台控制所述D型光纤3抛磨面平坦区域与所述微球4接触，直到在D型
光纤3的透射光谱中清楚观察到光学回音壁共振，以达到最大的光耦合效率；

[0035] C、最后将所述第一连接光纤2与宽带光源1连接，所述第二连接光纤5与光谱分析仪6连接，使所述宽带光源1发出的光依次通过所述第一连接光纤2、与所述微球4接触的所
述D型光纤3和所述第二连接光纤5，入射到所述光谱分析仪上6。

[0036] 实施例2

[0037] 本发明提供了一种基于D型光纤与微球耦合的温度传感器，如图1和图3所示，所述传感器包括宽带光源1、第一连接光纤2、D型光纤3、微球4、第二连接光纤5和光谱分析仪6；
所述宽带光源1、所述第一连接光纤2、所述D型光纤3、所述第二连接光纤5和所述光谱分析
仪6依次连接，所述微球4与所述D型光纤3接触，所述微球4通过电弧在光纤剥离涂覆层的切
割端连续放电，使光纤尖端呈球形制备得到，直径为130μm；所述第一连接光纤2、D型光纤3、
微球4和第二连接光纤5均采用单模光纤。

[0038] 所述温度传感器通过以下方法制备得到：

[0039] A、首先在单模光纤中间位置沿轴向切除包层301形成截面为D型抛磨面303的光纤结构，制备得到D型光纤3，所述D型抛磨面303与纤芯302的最短垂直距离d=1.5μm，所述D型
光纤3两端分别为第一连接光纤2和第二连接光纤5；在单模光纤剥离涂覆层的切割端通过
电弧连续放电，使光纤尖端呈球形制备得到微球4，所述微球4的直径为130μm；

[0040] B、再将所述D型光纤3悬空固定在载玻片7表面，在所述D型抛磨面303平坦区域放置所述微球4，通过定位台控制所述D型光纤3抛磨面平坦区域与所述微球4接触，直到在D型
光纤3的透射光谱中清楚观察到光学回音壁共振，以达到最大的光耦合效率；

[0041] C、最后将所述第一连接光纤2与宽带光源1连接，所述第二连接光纤5与光谱分析仪6连接，使所述宽带光源1发出的光依次通过所述第一连接光纤2、与所述微球4接触的所
述D型光纤3和所述第二连接光纤5，入射到所述光谱分析仪上6。

[0042] 实施例3

[0043] 本发明提供了一种基于D型光纤与微球耦合的温度传感器，如图1和图3所示，所述传感器包括宽带光源1、第一连接光纤2、D型光纤3、微球4、第二连接光纤5和光谱分析仪6；
所述宽带光源1、所述第一连接光纤2、所述D型光纤3、所述第二连接光纤5和所述光谱分析
仪6依次连接，所述微球4与所述D型光纤3接触，所述微球4通过电弧在光纤剥离涂覆层的切
割端连续放电，使光纤尖端呈球形制备得到，直径为150μm；所述第一连接光纤2、D型光纤3、
微球4和第二连接光纤5均采用单模光纤。

[0044] 所述温度传感器通过以下方法制备得到：

[0045] A、首先在单模光纤中间位置沿轴向切除包层301形成截面为D型抛磨面303的光纤结构，制备得到D型光纤3，所述D型抛磨面303与纤芯302的最短垂直距离d=0.5μm，所述D型
光纤3两端分别为第一连接光纤2和第二连接光纤5；在单模光纤剥离涂覆层的切割端通过
电弧连续放电，使光纤尖端呈球形制备得到微球4，所述微球4的直径为150μm；

[0046] B、再将所述D型光纤3悬空固定在载玻片7表面，在所述D型抛磨面303平坦区域放置所述微球4，通过定位台控制所述D型光纤3抛磨面平坦区域与所述微球4接触，直到在D型
光纤3的透射光谱中清楚观察到光学回音壁共振，以达到最大的光耦合效率；

[0047] C、最后将所述第一连接光纤2与宽带光源1连接，所述第二连接光纤5与光谱分析仪6连接，使所述宽带光源1发出的光依次通过所述第一连接光纤2、与所述微球4接触的所
述D型光纤3和所述第二连接光纤5，入射到所述光谱分析仪上6。

[0048] 实施例4

[0049] 本发明提供了一种基于D型光纤与微球耦合的温度传感器，如图1和图3所示，所述传感器包括宽带光源1、第一连接光纤2、D型光纤3、微球4、第二连接光纤5和光谱分析仪6；
所述宽带光源1、所述第一连接光纤2、所述D型光纤3、所述第二连接光纤5和所述光谱分析
仪6依次连接，所述微球4与所述D型光纤3接触，所述微球4通过电弧在光纤剥离涂覆层的切
割端连续放电，使光纤尖端呈球形制备得到，直径为170μm；所述第一连接光纤2、D型光纤3、
微球4和第二连接光纤5均采用单模光纤。

[0050] 所述温度传感器通过以下方法制备得到：

[0051] A、首先在单模光纤中间位置沿轴向切除包层301形成截面为D型抛磨面303的光纤结构，制备得到D型光纤3，所述D型抛磨面303与纤芯302的最短垂直距离d=2μm，所述D型光
纤3两端分别为第一连接光纤2和第二连接光纤5；在单模光纤剥离涂覆层的切割端通过电
弧连续放电，使光纤尖端呈球形制备得到微球4，所述微球4的直径为170μm；

[0052] B、再将所述D型光纤3悬空固定在载玻片7表面，在所述D型抛磨面303平坦区域放置所述微球4，通过定位台控制所述D型光纤3抛磨面平坦区域与所述微球4接触，直到在D型
光纤3的透射光谱中清楚观察到光学回音壁共振，以达到最大的光耦合效率；

[0053] C、最后将所述第一连接光纤2与宽带光源1连接，所述第二连接光纤5与光谱分析仪6连接，使所述宽带光源1发出的光依次通过所述第一连接光纤2、与所述微球4接触的所
述D型光纤3和所述第二连接光纤5，入射到所述光谱分析仪上6。

[0054] 实施例5

[0055] 本发明提供了一种基于D型光纤与微球耦合的温度传感器，如图1和图3所示，所述传感器包括宽带光源1、第一连接光纤2、D型光纤3、微球4、第二连接光纤5和光谱分析仪6；
所述宽带光源1、所述第一连接光纤2、所述D型光纤3、所述第二连接光纤5和所述光谱分析
仪6依次连接，所述微球4与所述D型光纤3接触，所述微球4通过电弧在光纤剥离涂覆层的切
割端连续放电，使光纤尖端呈球形制备得到，直径为190μm；所述第一连接光纤2、D型光纤3、
微球4和第二连接光纤5均采用单模光纤。

[0056] 所述温度传感器通过以下方法制备得到：

[0057] A、首先在单模光纤中间位置沿轴向切除包层301形成截面为D型抛磨面303的光纤结构，制备得到D型光纤3，所述D型抛磨面303与纤芯302的最短垂直距离d=1μm，所述D型光
纤3两端分别为第一连接光纤2和第二连接光纤5；在单模光纤剥离涂覆层的切割端通过电
弧连续放电，使光纤尖端呈球形制备得到微球4，所述微球4的直径为190μm；

[0058] B、再将所述D型光纤3悬空固定在载玻片7表面，在所述D型抛磨面303平坦区域放置所述微球4，通过定位台控制所述D型光纤3抛磨面平坦区域与所述微球4接触，直到在D型
光纤3的透射光谱中清楚观察到光学回音壁共振，以达到最大的光耦合效率；

[0059] C、最后将所述第一连接光纤2与宽带光源1连接，所述第二连接光纤5与光谱分析仪6连接，使所述宽带光源1发出的光依次通过所述第一连接光纤2、与所述微球4接触的所
述D型光纤3和所述第二连接光纤5，入射到所述光谱分析仪上6。

[0060] 以上实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，
在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都是属于本发明的保护
范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。