低温光纤传感器设备制造技术

一种包括光纤的光纤传感器设备具有在所述光纤上、至少在光纤的光纤截面内的多层涂层。多层涂层包括位于光纤上的铬层、位于铬层上的诸如铜层之类的金属层以及位于金属层上的铟层或铅层。铟层或铅层具有比铬层及金属层的厚度大的厚度，优选地具有约等于光纤半径的厚度。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】低温光纤传感器设备
本专利技术涉及在低温温度下可操作的诸如光纤布拉格光栅(FBG)传感器设备之类的光纤传感器设备，并涉及一种制造光纤传感器的方法。
技术介绍
2012年的IEEE传感器期刊第12卷第1期第13-16页的T.Habisreuther等的标题为“处于低温温度的覆有ORMOCER的光纤布拉格光栅传感器”的文章中描述了一种低温FBG传感器设备。FBG设备包括光纤，其中光纤的截面充当光栅，其中光纤的折射率作为沿光纤轴向方向的位置的函数，周期地发生变化。光栅使得光波长依赖于光纤中的光反射，一般在与周期变化的光周期长度相对应的波长具有峰值。FBG传感器设备利用光周期长度对外部参数、诸如施加于光纤的压力或其温度之类的依赖性。光纤中光周期长度对外部影响的敏感性随温度降低而下降。这限制了用于低温温度的温度测量、例如用于监控超导磁系统、空间应用、量子计算/通信等的FBG传感器设备的可用性。其它光纤传感器设备，诸如其中光纤为干涉仪或光频域反射仪的一部分的设备，遭遇类似问题。Habisreuther等公开了，使用ORMOCER涂层使得可能在40K的温度、实现约1pm/K的周期长度的温度敏感性。然而，低于20K的敏感性很小。
技术实现思路
除了别的之外，还有目标是提供一种在低温温度具有较高敏感性的光纤传感器设备。一种包括光纤的光纤传感器设备包括在光纤上、至少在光纤的光纤截面内的多层涂层，多层涂层包括位于光纤上的诸如铬层之类的粘结层、位于粘结层上的诸如铜层之类的金属层、位于金属层上的铟层或铅层，铟层或铅层具有比粘结层和金属层的厚度大的厚度。可以使用包括光纤布拉格光栅的光纤截面，其可以是其中光纤的折射率作为沿光纤轴向方向的位置的函数而周期地发生变化的光纤截面。类似地，当光纤截面为干涉仪或反射仪的一部分时，提供低温温度下的敏感性。在一个实施例中，铟层具有光纤本身半径的至少四分之一、优选为该半径的至少一半的厚度。这确保铟随温度降低的收缩对光纤有显著影响，例如影响光纤布拉格光栅的反射峰值波长。铜层可以具有在10纳米至500纳米范围内的厚度。这可以用于支持应力从铟层到光纤的压力传送以及制造过程期间铟的均匀厚度的制造。铬层具有在1纳米至10纳米范围内的厚度。一种制造光纤传感器设备的方法，该方法包括：在光纤上气相沉积铬层，光纤包括包含光纤布拉格光栅的光纤截面；在铬层上气相沉积铜层；用铟层对铜层进行电镀，铟层具有比铬层及铜层的厚度大的厚度。当光纤截面包括光纤布拉格光栅时，此方法使得可能在添加涂层期间使光纤温度保持得如此之低、以致不会明显影响光纤布拉格光栅的反射性。附图说明根据下面参考附图对示例性实施例的描述，这些及其它目标和优点将显而易见。图1示出了光纤传感器设备的横截面。图2示出了光纤传感器设备的横截面。图3图示了光纤传感器设备的敏感性。图4示出了解调器系统。具体实施方式图1示出了包括光纤10的光纤传感器设备的横截面(未按比例)，在光纤10的截面12a内具有光纤布拉格光栅(FBG)12。用阴影象征性地指示FBG12。光纤10可以例如为石英光纤或聚合物光纤。优选地，使用石英光纤，因为这使得可能使用较长的光纤，而无明显的振幅损耗。在光纤10上、光纤截面12a内提供多层涂层。在图示的实施例中，多层涂层包括直接在光纤10上的铬层18、直接在铬层18上的铜层16和直接在铜层16上的铟层14。光纤10可以在其轴向方向(图中x向)具有任意长度。尽管示出了其中仅光纤10的光纤截面12a被多层涂层覆盖的实施例，但应该理解光纤10全都可以以此方式覆盖。图2示出了光纤传感器设备以与轴向方向垂直的yz平面的横截面(未按比例)，其中在光纤截面内存在多层涂层。光纤10在此截面中可以具有环形周长。如图2所示，多层涂层可以覆盖光纤10的整个周长。铟层14具有比铬层18和铜层16的厚度大的厚度。在一个实施例中，铬层具有在2纳米至10纳米范围内的厚度。铜层可以具有在100纳米和500纳米范围内的厚度。铟层可以具有约等于光纤10的半径(即，在没有多层涂层情况下的半径)的厚度，或在包括所述半径的范围内，例如至少为光纤10的半径的四分之一、更优选地为至少一半。这确保铟层的膨胀收缩显著地影响光纤。影响光纤的需求未对厚度范围施加上限，但出于避免过度使用材料的原因，可以将厚度范围限于不超过光纤半径的4倍，优选为不超过2倍。因此例如，假如光纤10的半径为60微米(直径120微米)，则铟层的厚度可以为60微米，且假如光纤半径为20微米，则铟层厚度可以为20微米。在一个实施例中，仅光纤10的一部分被多层涂层覆盖，例如仅覆盖了包括光纤布拉格光栅的位置的轴向位置的范围。可替代地，光纤10整个可以被多层涂层覆盖。优选地，多层涂层于优选的轴向位置，沿周长方向完全地覆盖光纤。可替代地，可以使用部分覆盖，例如以在轴向方向平行地延伸的带。包括FBG的光纤在商业上是可用的，并且制造具有FBG的光纤的方法本身是公知的，例如包括在光纤的光材料中以作为位置的函数而周期地发生变化的浓度进行掺杂。在一个示例中，通过曝露于具有空间可变的光功率分布的光，引起浓度变化。光纤可以具有石英，掺杂可以是锗掺杂。本身众所周知的，在FBG中，光纤的折射率作为轴向方向的位置的函数，周期地发生变化。在图1中，用阴影象征性地指示其中发生此类变化的部分光纤。该变化导致在光纤内作为波长函数的光反射在一个或多个波长下的峰值，其中在该一个或多个波长下，来自不同的折射率变化周期的反射相干干涉。尽管示出了具有单个FBG的示例，但应该理解可以存在多个FBG，可选地具有不同的折射率变化周期，可能有周期变化的叠加模式。可以从包含FBG的未覆盖的光纤开始，通过连续沉积铬、铜及铟层，制造如图1和图2所示的光纤传感器设备。优选地，沉积期间，光纤的温度未升高到300摄氏度以上，以避免抑制或减少构成FBG的光纤的折射率的空间周期变化。在满足此温度需求的过程中，可以在第一步骤中，通过真空沉积(例如通过化学气相沉积CVD或物理气相沉积PVD)对铬层进行沉积。铬层的厚度可以至少为2纳米，优选地少于10纳米。可以通过真空沉积对铜层进行沉积。可以通过电镀步骤利用铜层作为电极对铟层进行沉积。铜层可以具有至少100纳米的厚度，优选地小于500纳米。铟层可以具有至少10微米、优选地约60至100微米或更大的厚度。铟用于在低至低温温度下提供热敏感性。铟层的厚度大于铬层及铜层的厚度。这有助于生成改变光纤的长度和其它功能涂层的长度的机械力。铟层对温度依赖的膨胀/收缩生成了机械应力，机械应力经铜层及铬层被传送给FBG。铟层的较大厚度确保了铟层的热膨胀/收缩影响最终FBG的应力。FBG的应力导致FBG的反射峰值的波长偏移。铟的使用具有双重有利影响，即它在低温温度下提供高敏感性，且即使不接近300摄氏度，也可能沉积。可以用铅代替铟，铅也在低温温度下提供高敏感性。铜层用来实现电镀、粘结到铟层以及来自铟层的应力传送。可以用其它金属代替铜来提供铟的充分粘结、并确保铟与光纤之间的机械力传送。例如，可以使用银、金、铂或钯。铬层为提供光纤至铜层的粘结的粘结层的示例。而且，铬层对应力进行传送。可以代替使用铬。代替于铬层，可以使用将诸如铜层之类的金属层粘结到光纤的任何其它层。图3图示了光纤传感本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种光纤传感器设备，包括光纤，所述光纤传感器设备包括：在所述光纤上、至少在所述光纤的光纤截面内的多层涂层，所述多层涂层包括位于所述光纤上的粘结层、位于所述粘结层上的金属层以及位于所述金属层上的铟层或铅层，所述铟层或铅层具有比所述粘结层和所述金属层的厚度大的厚度。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2015.11.25 EP 15196360.01.一种光纤传感器设备，包括光纤，所述光纤传感器设备包括：在所述光纤上、至少在所述光纤的光纤截面内的多层涂层，所述多层涂层包括位于所述光纤上的粘结层、位于所述粘结层上的金属层以及位于所述金属层上的铟层或铅层，所述铟层或铅层具有比所述粘结层和所述金属层的厚度大的厚度。2.根据权利要求1所述的光纤传感器设备，其中所述铟层或铅层具有所述光纤半径的至少四分之一、更优选为一半的厚度。3.根据前述权利要求中任一项所述的光纤传感器设备，其中所述金属层为铜层、银层、金层、铂层或钯层。4.根据权利要求3所述的光纤传感器设备，其中所述金属层具有在10纳米至500纳米范围内的厚度。5.根据前述权利要求中任一项所述的光纤传感器设备，其中所述粘结层为铬层。6.根据权利要求5所述的光纤传感器设备，其中所述铬层具有在1纳米至10纳米范围内的厚度。7.根据前述权利...

【专利技术属性】
技术研发人员：L·K·程，H·伦德林，O·E·范·德·托格特，
申请(专利权)人：荷兰应用自然科学研究组织TNO，
类型：发明
国别省市：荷兰,NL