光纖光柵傳感器發展及應用

陳卓康

(華中師范大學第一附屬中學朝陽學校,北京 100025 )

1 引言

光纖光柵是一種使用曝光手段在光纖纖芯內部形成折射率周期性調制的相位光柵，但是光纖光柵本質上是一個位于光纖內部的窄帶寬濾波器或者說是一個起透射或反射功能的反射鏡。光纖光柵作為光無源器件中的一類，在很多方面的應用都是基于它的透射光譜進行設計，從而達到我們想要的目標光譜，所以研究光纖光柵的光譜是很關鍵的一步。光纖光柵由于它的低成本、體積小、穩定性高，抗電磁干擾強，插入損耗低，便于與光纖耦合等諸多優點，不僅在光濾波器的設計方面光纖光柵取得了一系列突破，而且還在光通信領域得到了廣泛應用，各種基于光柵的光器件層出不窮，如光纖光柵激光器、光纖波分復用器、光柵濾波器、光柵色散補償器、光柵耦合器等。同時，光纖光柵傳感器運用廣泛，已經在航天、安防和大型橋梁的檢測領域廣泛使用，隨著人們日益增長的需求，可預見光纖光柵傳感器有著廣大的市場和巨大的發展空間。

2 光纖光柵發展歷史

1978年,加拿大渥太華通信研究中心的Hill[1]等人首次在摻鍺石英光纖中發現光纖的光敏性,采用488nm氬離子激光器用駐波法在石英光纖中成功制成了世界上第一只光纖光柵。

1989年,美國聯合技術研究中心的GMeltz[2]等人運用紫外光敏特性, 用兩束波長為244nm的紫外激光干涉條紋去照射摻鍺光纖的纖芯,這樣可以將光纖的纖芯中寫進任意工作波長的位相光柵,即形成布拉格光柵,使光纖光柵的制作技術得到進一步進展。

1993年，貝爾實驗室的Lemaire等人發現當氫分子擴散到普通通信光纖芯區后，光纖的光敏性倍增。

1997年，華南師范大學的杜衛沖[4]提出用鋁制材料去封裝光纖光柵，實驗驗證其方法可以使光纖光柵傳感器的靈敏度得到巨大提升。

2005年，清華大學的李營[5]在F-P可調諧濾波器的基礎上加入固定波長的參考光柵，達到削弱濾波器腔長變化影響的目的。

2015年，南京大學現代工程與應用科學學院的楊剛[6]提出基于頻譜分區的光纖光柵解調系統，穩定度高達0.97 pm,分辨率達到0.33pm。

2016年，美國儀器公司研制出無需儀器校準和信號處理的長距離光纖光柵應變測量傳感系統，傳輸距離達到10公里。

3 光纖光柵基本原理

在上世紀90年代，光纖光柵的發明給給光通信領域帶來了新曙光，它的突出特點在于靠性強，測量精密度高，抗電磁干擾原理，隨著研究的深入，它逐漸被人們應用到各個領域，結構如圖1所示。一根光纖上等間距分布著多個不同中心波長的布拉格光柵，實際上每一個布拉格光柵相當于一面反射鏡，它將各個點的信息反射回接收端，根據此獨特的傳感方式我們用它構建分布式傳感系統，達到一根光纜多點測量的目的。

光纖光柵的制作方法簡單，它是在光纖的基礎上，通過紫外光刻蝕方纖芯從而使纖芯中形成周期性折射率變化，光纖光柵這樣的結構對某一特定波長范圍的光譜進行反射，而對其他波長范圍的光譜進行投射，所反射的中心波長為：λb= 2neff∧，其中λb是被反射的波長，neff是光纖光柵的有效折射率，∧ 為光柵周期。

由于光纖芯區的折射率周期性變化,波導條件也隨之改變，模式耦合現象也發生在某一波長范圍內,使得光柵的在這波長附近出現奇異性的透射光譜和反射光譜,我們可以認為此時的光纖光柵就是一個透射（反射）型的窄帶濾波器。發生模式耦合時,光柵周期以及纖芯折射率neff決定了反射波的中心波長。當寬帶光進入光纖，只有某一波長范圍的光經過光柵反射回來，而光纖受外界溫度、應變的影響，會使光纖光柵的光柵周期和纖芯有效折射率neff改變,從而引起光纖光柵的反射波中心波長λb的變化, 通過測量光柵反射波長變化量，可以通過公式推導得到被測物體溫度/應變等物理變化量，這就是光纖光柵傳感器的機理。光纖光柵一般被用來直接測量物體的溫度和應變,而其他物理量的變化與溫度或應變有關，所以我們也可以用這兩個物理量來間接測量其它物理量。光柵的溫度特性為10pm/℃，應變特性為1.2pm/n?，通過系統采集一段時間光纖光柵的反射波中心波長值，然后計算出得到的應變變化速率從而間接測量得出外加擾動的頻率和幅度等信息。此外,將光纖光柵用特殊材料涂覆在磁致伸縮材料或壓電材料上,可以實現光纖光柵對壓強、流量、位移等其他物理量的精確實時測量。

4 光纖光柵傳感技術研究及應用現狀

4.1 研究現狀

作為一種新型的光纖無源器件，近年來光纖光柵的研究受到廣泛關注。目前，結合現在的技術，光纖光柵傳感器可以對這些物理量進行精確測量：溫度、應變、位移、壓力、扭角、壓強、加速度磁場、電場、頻率、熱膨脹系數等。通常，外界的溫度、應變和壓力等變化直接影響光纖光柵中心波長，如果需要得到更加精確的測量值，那么還需要對中心波長的變化量進行準確監測。

目前我們可以利用可調諧光源法、邊沿濾波法、M-Z 干涉儀解調法、匹配光柵法等方法去解調波長信息，雖然方法途徑很多，但是各個方法都有獨立的使用條件，同時不斷有新的高精度波長信息解調技術被各個科研機構提出。

4.2 應用現狀

相比于光纖傳感技術，光纖光柵傳感技術結合了靈敏度高、傳感距離長、能夠測量多點擾動和響應速度快等諸多優點，非常適用于多種場合下的微擾動監測。主要包括：大型建筑物的健康監測，如建筑物的開裂、橋梁的異常振動等；重要場所的安防，如銀行、監獄等外圍可鋪設傳感光纖光柵，對入侵或逃離進行預先報警；通信、輸電鏈路的保護，如通信光纜的竊聽預警，輸電線路在不良天氣下的舞動監測等。

5 討論及未來展望

科研人員們對光纖光柵傳感技術進行了廣泛而深入的研究，并取得了可喜的成果。但光纖光柵傳感技術仍然存在不少問題有待研究者解決，其中比較重要的三個問題是：

（1）需要帶寬更寬、功率更高的光源。有時候根據工程應用的需要，對不同的頻率做出響應，那么需要寬帶更寬的激光源，這樣光纖光柵就擴大了測量范圍；同時在長距離監測的情況下，我們希望光源的輸出功率更高，但是功率更高可能帶來的噪聲會更大，所以在光源的選擇問題上我們應予以深入的考慮。

（2）靈敏度更高的波長信息解調裝置。光纖光柵傳感器是以布拉格光柵為傳感單元的點分布式傳感系統，在某些工程應用中需要測量的是波長級別的位移，因此，為了得到更高精度的測量數據，需要靈敏度更高的波長信息解調裝置。研發出新穎的光敏材料，提高光檢測器的波長響應度，最終可以提高待測量精度。

（3）隨著工程應用的技術要求的不斷提升，現在需要對更多參量進行實時監測，但是由于光纖光柵交叉敏感問題，它成為了實現多參量測量的瓶頸，在未來研究中，可以在信息處理的算法上加以優化，在時域上有間隔有針對性地對不同參量進行測量。

6 總結

本文針對光纖光柵傳感進行了簡單介紹，歸納了光纖光柵的研究進展，詳細介紹了光纖光柵傳感器測量溫度、應變等物理量的基本原理，特別著重描述了光纖光柵在傳感領域的技術研究與發展現狀，最后分析了光纖光柵傳感所面臨的一些問題，并提出了自己的看法。正是因為光線光柵傳感器相對于傳統的電學傳感器可以更加靈活便捷地構建傳感網絡，而且成本更低，希望如上的問題得到盡快解決、光纖光柵得到更廣泛的應用。

[1]Hill K O,Fujii Y,Johnson D C,et al. Photosensitivity in optical fiber waveguides: Application to reflection filter fabrication[J].1978,32(10):647-649.

[2]Meltz G,Morey W W,Glenn W H.Formation of Bragg gratings in optical fibers by a transverse holographic method.[J].Optics Letters,1989,14(15):823-825.

[3]Lemaire P J,Atkins R M,Mizrahi V,et al.High pressure H 2,loading as a technique for achieving ultrahigh UV photosensitivity and thermal sensitivity in Ge O 2,doped optical fibres[J].Electronics Letters,1993,29(13):1191-1193.

[4]杜衛沖,譚華耀,戴務勤等.一種簡單的增強光纖 Bragg 光柵溫度靈敏度的方法[J].中國激光,1997,24(01):75-77.

[5]李營,張書練 .基于可調諧 F-P 濾波器的光纖光柵解調系統[J].激光技術,2005,29(03):237-240.

[6]楊剛,許國良,涂郭結等.基于頻譜分區的高精度光纖光柵波長解調系統[J].中國激光,2015,42(04):98-103.