单模蓝宝石光纤光栅和传感器的制作方法

本实用新型涉及光纤传感及通信技术领域，特别是涉及一种单模蓝宝石光纤光栅及传感器。

背景技术：

光纤光栅具有反射带宽范围大、附加损耗小、体积小、易与光纤耦合、可与其它光器件兼容成一体及不受环境尘埃影响等一系列优异性能，在光纤通信和传感领域中都是十分重要的器件。随着科学与技术的发展，为了满足各个领域的不同需求，各种具有优异性能的光纤光栅被研制出来。

石英光纤是通过掺杂拉制的方式制备，能够获得低折射率的包层和高折射率的纤芯，从而形成可进行单模传输的波导。单晶蓝宝石光纤是一种晶体材料，熔点达到2000℃，因而具有优异的耐高温性能，但是单晶蓝宝石光纤只能通过晶体生长的方式制备，无法通过掺杂来获得高折射率纤芯和低折射率包层的结构分布，也就无法形成进行单模传输的波导，十分不利于高质量光纤光栅的制备。此外，即使蓝宝石光纤通过掺杂，获得折射率较低的包层，但是会降低蓝宝石光纤的耐高温能力。

现有蓝宝石光纤光栅只能进行多模传输，插入损耗大，获得的光谱质量较差，光谱带宽较宽，光谱在温度变化的环境中会发生变形，十分不利于信号解调，妨碍蓝宝石光纤在通信和传感领域中的使用。

技术实现要素：

基于此，有必要针对多模蓝宝石光纤光栅的光谱质量差、光谱带宽大、光谱在温度变化的环境中会发生变形的问题，提供一种单模蓝宝石光纤光栅和传感器。

一种单模蓝宝石光纤光栅，包括蓝宝石光纤，所述蓝宝石光纤中形成有波导和爆点层，所述爆点层包裹所述波导，所述波导沿蓝宝石光纤径向的尺寸为1μm～10μm，所述波导中形成有光栅。

上述单模蓝宝石光纤光栅，采用蓝宝石光纤作为基体，蓝宝石的熔点高，使得该单模蓝宝石光纤光栅能够在高温环境中使用。此外，在蓝宝石光纤中写制尺寸为1μm～10μm的波导，实现单模传输，稳定性更佳，且窄带宽的单模谐振能提供更佳的探测精度。

在其中一个实施例中，所述蓝宝石光纤的直径为50μm～150μm。

在其中一个实施例中，所述光栅包括布拉格光栅。

在其中一个实施例中，所述光栅的个数为至少两个，每个光栅具有不同周期，且间隔设于所述波导上。

在其中一个实施例中，所述光栅的长度为1mm～1500mm。

在其中一个实施例中，所述光栅的周期为0.4μm～5μm。

在其中一个实施例中，所述波导位于所述蓝宝石光纤的中心。

一种传感器，设于待测设备和测量设备之间，包括传输光纤和所述的单模蓝宝石光纤光栅，所述单模蓝宝石光纤光栅通过传输光纤与测量设备连接。

在其中一个实施例中，所述传输光纤为单模光纤。

在其中一个实施例中，所述测量设备包括光纤耦合器、宽带光源及光谱分析仪，所述光纤耦合器分别连接于所述宽带光源和所述光谱分析仪。

附图说明

图1为一实施例中传感器的结构示意图；

图2为一实施例中单模蓝宝石光纤光栅的结构示意图；

图3为图2所示单模蓝宝石光纤光栅的横截面的结构示意图。

具体实施方式

为了便于理解本实用新型，下面将参照相关附图对本实用新型进行更全面的描述。附图中给出了本实用新型的较佳实施方式。但是，本实用新型可以以许多不同的形式来实现，并不限于本文所描述的实施方式。相反地，提供这些实施方式的目的是使对本实用新型的公开内容理解的更加透彻全面。

需要说明的是，当元件被称为“固定于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者也可以存在居中的元件。当一个元件被认为是“连接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或者可能同时存在居中元件。本文所使用的术语“内”、“外”、“左”、“右”以及类似的表述只是为了说明的目的，并不表示是唯一的实施方式。

除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本实用新型的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本实用新型的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施方式的目的，不是旨在于限制本实用新型。本文所使用的术语“及/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。

请参阅图1，一种传感器100，设于待测设备和测量设备200之间，包括传输光纤20和单模蓝宝石光纤光栅10，单模蓝宝石光纤光栅10通过传输光纤20与测量设备200连接。上述传感器100，采用单模蓝宝石光纤光栅10，能够在高温环境中使用。此外，由于单模蓝宝石光纤光栅10能够实现单模传输，稳定性更佳，且窄带宽的单模谐振能提供更佳的探测精度。

传输光纤20为单模光纤。具体的，该单模光纤可为能进行单模传输的石英光纤或玻璃光纤，确保光信号在传感器100内部进行单模传输，稳定性强，有利于提高传感器100的探测精度。

测量设备200包括光纤耦合器210、宽带光源220及光谱分析仪230，光纤耦合器210分别连接于宽带光源220和光谱分析仪230。

请参阅图2和图3，单模蓝宝石光纤光栅10，包括蓝宝石光纤11，蓝宝石光纤11中形成有波导12和爆点层13，爆点层13包裹波导12，波导12沿蓝宝石光纤径向的尺寸为1μm～10μm，波导12中形成有光栅121。上述单模蓝宝石光纤光栅10，采用蓝宝石光纤11作为基体，蓝宝石的熔点高，使得该单模蓝宝石光纤光栅10能够在高温环境中使用。此外，在蓝宝石光纤11中写制尺寸为1μm～10μm的波导12，实现单模传输，稳定性更佳，且窄带宽的单模谐振能提供更佳的探测精度。需要说明的是，爆点层13为激光照射后形成的空洞，爆点层13的密度较小，且爆点层13的折射率小于波导12的折射率。

单模蓝宝石光纤光栅10的制备方法之一包括以下步骤：将蓝宝石光纤夹持并固定于位移平台上；调整位移平台，使得飞秒激光器发射的激光垂直射向蓝宝石光纤；调节飞秒激光器，使得激光分别于蓝宝石光纤中心的两侧形成聚焦光斑，位移平台带动蓝宝石光纤沿轴线方向匀速移动，制得单模蓝宝石光纤；在单模蓝宝石光纤中制备光纤光栅，得到单模蓝宝石光纤光栅。

上述单模蓝宝石光纤光栅的制备方法，通过位移平台带动蓝宝石光纤沿轴线方向匀速移动，激光在蓝宝石光纤中心左右两侧照射并形成轨迹，蓝宝石光纤内被激光照射过的地方会形成内爆破(即爆点层13)，材料密度下降从而折射率下降，同时对蓝宝石光纤中心形成挤压致密作用，使得蓝宝石光纤中心的折射率增加，形成类似于石英单模光纤的内部纤芯高和外部包层低的折射率分布，从而在蓝宝石光纤内形成能实现单模传输的波导，而后在波导中写制光纤光栅。由于本发明单模蓝宝石光纤光栅采用熔点较高的蓝宝石制成，能够应用于超高温环境的信号传感与传输；通过先在蓝宝石光纤中制备波导而后写制光纤光栅，能够获得低损耗及窄带宽的单模蓝宝石光纤光栅。

蓝宝石光纤11的直径为50μm～150μm。蓝宝石光纤11与波导12横截面积的差别越大，则模场重叠越小，波导12对蓝宝石光纤11模的耦合越低。

光栅121包括布拉格光栅。当单模蓝宝石光纤光栅10作为传感器100放置于待测设备中，如高温区，单模蓝宝石光纤光栅10通过传输光纤20与光纤耦合器210连接，光纤耦合器210的另外两个端口分别与宽带光源220和光谱分析仪230连接，宽带光源220的光信号通过光纤耦合器210进入单模蓝宝石光纤光栅10中，单模蓝宝石光纤光栅10中的布拉格光栅将部分满足布拉格谐波波长的光反射回来，并通过光耦合器到达光谱分析仪230中，当环境温度发生变化，单模蓝宝石光纤光栅10的布拉格谐波波长相应发生变化，据此测得待测设备中的温度。

光栅121的个数为至少两个，每个光栅121具有不同周期，且间隔设于波导12上。具有不同周期的光栅121刻蚀于波导12的不同位置处，形成分布式的测量系统，能够同时进行多个位置处相应物理量的测量，有效提高测量效率和精度。

光栅121的长度为1mm～1500mm。根据不同应用场景，光栅121需要设计为不同长度值。

光栅121的周期为0.4μm～5μm。光栅121的周期小于1μm时，则光栅121为布拉格光栅，根据布拉格谐波波长条件，适当增加光栅121周期的长度以降低单模蓝宝石光纤光栅10的生产难度；光栅121的周期大于1μm时，则为长周期光栅，波长满足谐波波长条件时，被耦合到蓝宝石光纤11中，其余波长的光依然在波导11中传播，当环境温度发生变化，折射率发生漂移或光栅121的周期发生变化，使谐波波长发生漂移，通过测量谐波波长的漂移，可以测量出温度的变化值。

波导12位于蓝宝石光纤11的中心。

传感器100的工作原理如下：宽带光源220发出的光经由光纤耦合器210射入单模蓝宝石光纤光栅10中，光谱中以光栅10的布拉格波长为中心的窄光谱在光栅10处被反射，其他部分透射并沿原方向传输，当温度发生变化时或产生应变时，使得波导12的折射率变化，并引起中心波长的改变，由于光栅中心波长的改变与光栅温度变化(应变)具有线性关系，测得光栅10的中心波长的改变量，即可计算温度(应变)。

以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。

以上所述实施例仅表达了本实用新型的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对实用新型专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本实用新型的保护范围。因此，本实用新型专利的保护范围应以所附权利要求为准。