1、長周期光纖光柵傳感器的研究ResearchofLong-termOpticalFiberGratingSensors王琦東華大學應用物理系摘要：介紹了長周期光纖光柵的原理、發展歷史和現狀，重點介紹了長周期光纖光柵的傳感原理和技術。詳細分析了濃度的變化對透射光譜的影響，以及不同彎曲曲率下，譜形和中心波長的變化，提出并分析了一種新的長周期光纖光柵傳感系統。Abstract:Themainprinciple,developingpandpresentstatusoflong-termopticalfibergratingareintroduced.Long-periodfibergratingsen

2、singprinciplesandtechniqueshavebeenanalyzed.TheimpactonthetransmissionspectrabychangeofConcentrationofSolutionhasbeenanalyzedandchangeoftransmissionspectraandCenterWavelengthofdifferentbendingcurvaturesdetailedly,especiallyforcross-sensitivityofstrainandotherparameter.Thediscriminationtechnologiesfo

3、rcross-sensitivityofstrainandtemperaturehavebeenmainlydiscussed.Theprincipalsolutionsofmulti-parametersensingheadconfigurationsinvolvingfiber-gratingdeviceshavebeenoverviewedandsorted.Themulti-functionalfibergratingsensingsystemhasbeenproposedandanalyzed.關鍵詞：長周期光纖光柵，傳感，透射光譜，彎曲曲率Keywords:longperiodfi

4、bergrating,sensing,transmissionspectra,bendingcurvature一.介紹光纖光柵是一種新型光學器件，它是基于光纖材料的光敏特性，在纖芯內形成的空間相位光柵。由于光纖光柵抗電磁干擾、尺寸小（標準裸光纖為125m）、重量輕、耐溫性好（工作溫度上限可達400600c）、復用能力強、傳輸距離遠（傳感器到解調端可達幾公里）、耐腐蝕、高靈敏度、被動器件、易形變等特點，而且，易于同光纖系統集成，在光纖通信，光纖傳感等領域得到了廣泛的應用。近年來，受到了國內外廣大相關領域學者的極大關注。光纖光柵在光纖傳感領域的研究和應用非常重要。根據光柵周期的長短，光纖光柵可以分

5、為兩大類：布拉格光纖光柵和長周期光纖光柵。根據光纖光柵周期的長短，通常把周期小于林的光纖光柵稱為短周期光纖光柵，又稱為光纖布喇格光柵或反射光柵，而把周期為幾十至幾百微米的光纖光柵稱為長周期光纖光柵。短周期光纖光柵的特點是傳輸方向相反的模式之間發生禍合，屬于反射型帶通濾波器，其反射譜如圖所示。長周期光纖光柵的特點是同向傳輸的纖芯基模和包層模之間的禍合，無后向反射，屬于透射型帶阻濾波器，其透射光譜如圖所示圖】光纖布則幡擾棚反射諳154g】訓1S1M11555總長加n-181500JS2015WLS6O1541100國2長周期光燈光擲透射通又葬為透射丸棚O246AnO246二二二:;4光纖布拉格光柵

6、出現的比較早，人們對它的研究也相對比較成熟，目前己經在得到了許多實際的應用。隨著光纖通信的發展，人們需要制作出具有低插入損耗、弱背向反射的光纖光柵，因此，長周期光纖光柵的問世得到了普遍的重視。長周期光纖光柵在傳感領域中也得到了廣泛應用，可測量溫度、橫向載重、應變、曲率、壓力、折射率等許多參量。長周期光纖光柵是一種透射型光柵，基本無后向反射，所以在傳感系統中不需要隔離器。長周期光纖光柵的諧振波長和諧振強度對外界環境的變化非常敏感，例如對外界溫度、應力、彎曲、扭轉、橫向負載和折射率都比較敏感，特別是長周期光纖光柵的溫度靈敏度系數更大更加適用于光纖傳感領域的應用。同時，利用這些敏感特性也可以對長周期

7、光纖光柵進行調諧。因此長周期光纖光柵有著比布喇格光纖光柵或是其他光纖傳感器件更多的優點，有著更好的應用發展潛力。自從vengsarkar等人于1996年采用振幅掩模法（AMPLITUDEMASKt次制作成長周期光纖光柵，并利用長周期光纖光柵制作帶阻濾波器以及增益均衡器以來，國內外對長周期光纖光柵的理論、光譜特性、制備技術以及傳感特性等各個方面進行了全面的研究，并應用于光纖通信和光纖傳感領域。與最早發展的布拉格光纖光柵相比，目前對長周期光纖光柵的理論研究還不是十分完善。目前通常采樣Edgron的色散方程或者是有的計算包層模有效折。在對相關文獻充分理解的基礎上，對長周期光纖光柵的禍合模理論進行系統

8、地研究，從矢量的亥姆霍茲方程出發，逐步推導，并與禍合模理論結合，實現一個對長周期光纖光柵的制作、光譜特性以及傳感特性進行詳細分析的模擬子系統，并對實際的工作予以指導。長周期光纖光柵的制作技術對制作出的光柵光譜特性和傳感特性的影響很大，Davis等人在1998年采用10.6unl的聚焦的cq激光通過逐點寫入法制作出長周期光纖光柵，此后的幾年，c仇激光脈沖寫入法由于制備方法簡單，溫度穩定性好等優點而得到了廣泛的應用和研究。目前國內外普遍采用cq激光單側寫入法，制作出的長周期光纖光柵在光柵橫截面折射率分布不均勻，偏振相關損耗大，并且具有彎曲的方向相關性。作為光纖通訊器件或者光纖傳感器件，一般需要所制

9、作的長周期光纖光柵具有較小的偏振相關損耗。為了解決這些問題，本文提出了一種新的制作方法，并對該系統制作出的長周期光纖光柵的偏振相關損耗、光譜特性進行分析；本文同時設計了一套制作長周期光纖光柵的溫度控制系統。長周期光纖光柵諧振波長和峰值損耗對外界物理量的敏感特性在不同的應用領域有不同的要求。比如利用這些敏感特性，可以制作高靈敏度的光纖傳感器，或者制作光纖通訊領域的調諧器件，另外一個方面，某些敏感特性會對光纖傳感系統的測量產生負面影響，即出現交叉敏感性，或者影響長周期光纖光柵通訊器件的穩定性。本文采用新的制作方法燒寫長周期光纖光柵，并對其溫度、應變、彎曲以及環境折射率等敏感特性進行理論和實驗研究，

10、同時討論了響應物理量的去敏、增敏問題。布拉格光纖光柵可以實現對振動的測量，其頻率響應受到解調方法速度的限制。匹配光柵法對匹配光柵的要求較高，且動態范圍小：而邊緣濾波法中邊帶的斜率、邊帶線性區域的大小以及布拉格光纖光柵在線性邊帶的初始位置都對測量的分辨率和測量范圍產生影響。本文利用高精度的溫度控制系統，結合制作的高穩定的長周期光纖光柵，制作溫度可調諧濾波器，并對布拉格光纖光柵振動和沖擊進行解調。二.長周期光纖光柵的傳感理論基礎原理長周期光纖光柵的耦合機理對于長周期光纖光柵，纖芯基模與各階包層模式之間的耦合滿足相位匹配條件：由相位匹配條件可知，此時其光柵周期A較大，要求co,cl值較小，即發生耦合

11、的是正向傳播的纖芯導模和同向傳播的包層模式。研究長周期光纖光柵隨外界某個參數值X變化引起的諧振波長的變化特性時，通常要將式2.63對X進行求導：將上式進行整理，可以得到下面的式子:式中的丫是長周期光纖光柵波導色散因子，從式2.65中可以看出，丫的符號決定著諧振波長變化的方向，它的絕對值大小決定著諧振波長變化幅值的大小100。丫的大小和光纖的參數、所涉及的包層模階次以及波長都有關系。通過設計和選擇適當的光纖參數和光柵周期就能夠得到諧振波長對外界參數變化十分敏感或是不敏感的諧振峰。這將大大地提高長周期光纖光柵的傳感性能。下面將分別就長周期光纖光柵對溫度、應力、折射率、彎曲、扭轉等外界因素的敏感特性

12、進行分析。（一）長周期光纖光柵的應變傳感性能將式2.63對軸向應變進行求導:式中fstrain是表征光纖應變特性的一個參量:從式2.67可以看出，當光纖產生軸向應變的時候，由于光彈效應，光纖纖芯和包層的材料折射率都會發生變化，引起纖芯摸和包層模有效折射率差的變化。光柵的周期也會由于光纖的應變而發生改變。以上的兩個因素導致光柵的諧振波長隨著光柵的應變而發生線性的變化。長周期光纖光柵的應變靈敏度可表示為：式中，Pc。，Pel分別為纖芯和包層有效彈光系數。（二）長周期光纖光柵的溫度傳感性能將式2.63對溫度T進行求導:噲二4八儀十1呼）al式中是光纖的熱膨脹系數,temp是表征光纖溫度特性的一個參量

13、從式2.70可以看出，當外界溫度變化的時候，由于熱光效應，光纖纖芯和包層的材料折射率都會發生相應的變化，引起纖芯模和包層模有效折射率差的變化。同時，光柵的周期也會由于光纖的熱脹冷縮而發生改變。由于石英材料的熱膨脹系數a約為5107C1遠遠小于temp的值，所以一般可以忽略不計。長周期光纖光柵的應變靈敏度可表示為：-（a+）注A-（cz+S熱膨脹系數，*。、M式中ac。為纖芯的分別為纖芯和包層的熱光系數。由上面的分析可知，長周期光纖光柵的諧振波長隨溫度呈線性變化。由于溫度的變化對光柵的折射率調制影響比較小，所以可以認為諧振強度幾乎不隨溫度產生變化，實驗也證實了這一點101。在溫度傳感方面，長周期

14、光纖光柵與布喇格光纖光柵相比具有更高的溫度靈敏性，而且其溫度靈敏性系數可以通過很多途徑進行改善或調節。長周期光纖光柵的溫度系數和很多的因素有關：光纖的材料、結構、光柵的周期、包層模的階次。通過適當地調節各種參數，可以制作出溫度系數很大，已有文獻報道可以達到2750Pm/C103o而且長周期光纖光柵的溫度靈敏系數可通過改變某種參數的辦法進行設計，使其達到所需要的系數。Y.GHan等人通過控制光纖中GeO2和B2O3的濃度來改變長周期光纖光柵的溫度特性，設計出一種由一根正溫度系數和一根負溫度系數的長周期光纖光柵串聯而成的傳感器，用于溫度和應力的同時傳感104。濾波特性LPFG發生耦合的是正向傳播的

15、纖芯導模和同向傳播的包層模式，光在包層中將由于包層/空氣界面的損耗而迅速衰減，滿足相位匹配條件的可以有多個模式，留下一串損耗帶或導模中的共振，一個獨立的LPFG可以在一個很寬的波長范圍上有許多的共振。由于LPFG可以有多個透射峰，可以根據需要制成不同波段的濾波器。再者，Bragg光柵是反射型帶通濾波器，帶寬較窄；而LPFG是透射型帶阻濾波器，與Bragg光柵相比，帶寬大，而且，是傳輸型的，幾乎沒有回波影響，因此，可以簡便地級聯多個具有不同諧振特性的LPFG以獲得所需的濾波特性。2005年，崔麗萍2等人研究發現當級聯LPFG中的級聯光纖長度與光柵周期相當時，具透射光譜等效于相移大小為2冗d/A的

16、相移光柵的透射光譜；級聯光纖長度較長時，透射光譜中具有多個線寬窄、高精細度的透射峰。傳感特性對LPFG而言，其發生共振的中心波長取決于纖芯和包層的折射率差和光柵周期A,外界條件包括環境溫度、對光纖施加的應力、環境折射率、光柵彎曲等的改變都會引起纖芯和包層折射率的變化以及光柵周期A的變化。這些將導致導模和包層模之間耦合的相位匹配波長及耦合系數的改變，并最終表現為光柵吸收峰中心波長和強度的變化。這些機制可用于傳感。另外，還可以看到，LPFG的中心波長不僅與纖芯的參數有關，而且，還與包層的折射率有關。可以通過選擇合適的包層參數，解決光纖光柵傳感器的交叉敏感問題。這些特性使得LPFG適用于多參數傳感器

17、。長周期光纖光柵在光纖傳感領域的應用長周期光纖光柵對溫度、應力、彎曲、環境折射率以及橫向負載都具有較高的敏感性，因此引起了眾多研究者的關注。舒學文等人州對導模與低階包層模產生禍合的諧振波長的溫度、應變以及環境折射率等特性進行了深入分析，發現諧振波長對這些參量的靈敏度與包層模模序有很大的關系，通過調整光纖的纖芯和包層的材料以及與導模產生禍合的包層模的階次，可以制作出存在對這些量最敏感和最不敏感的長周期光纖光柵，從而消除某些交叉敏感問題；通過長周期光纖光柵的多個諧振峰，可以方便的實現單個光柵的多參量傳感。利用長周期光纖光柵對溫度敏感的特性，可以制作出溫度傳感器。許多學者對長周期光纖光柵的溫度靈敏度

18、進行理論分析;kinm等人選擇纖芯和包層的熱光系數相差較大的特種光纖來增加溫度靈敏度;Khaliq等人采用熱光系數大的材料對長周期光纖光柵進行涂覆，在1.1C的范圍內獲得了19.Znnl/C的溫度靈敏度；何萬迅等人也采用熱光系數大的聚合物材料（硅樹脂）對腐蝕過的長周期光纖光柵進行涂覆，在一40c附近獲得了5.Znnl/C的高靈敏度。另外，將長周期光纖光柵采用熱膨脹系數大的金屬來封裝，也可以獲得較高的溫度靈敏度。Costantini等人對長周期光纖光柵鍍Ti-Pt薄膜，然后施加電壓控溫的方式進行調諧，獲得了11nm的可調諧范圍。Bhatia等人通過選擇纖芯與包層的熱光系數盡量接近的特殊光纖來制作

19、長周期光纖光柵，可減小其溫度系數，Chen等人采用同樣的方法得到溫度靈敏度只有.0.003nm/C的長周期光纖光柵。Joo-NyungJang等人在硼錯共摻的光纖上制作長周期光纖光柵，并在其外側涂覆一層具有負的熱光系數的聚合物，利用該材料的熱光系數和長周期光纖光柵對環境折射率的敏感性，可以消除該長周期光纖光柵原來的溫度敏感性，經過補償后的溫度靈敏度僅為0.07nm/C。L.A.wang等人利用化學腐蝕法制成長周期光纖光柵，利用其扭轉特性制成光纖扭轉角度傳感器。王義平等人利用高頻Cq激光脈沖單側寫入長周期光纖光柵，制作出能夠判斷扭曲方向的光纖扭曲傳感器。ShoahuaChen等人叫基于長周期光纖

20、光柵的彎曲特性，制作出對應變和溫度均不敏感的彎曲傳感器。Y.Liu對長，1一一1、周期光纖光柵的彎曲特性進行分析，并在m的范圍內得到了1.4nm/m的彎曲靈敏度。C.C.Ye和Young-GeunHan等人分別利用一個長周期光纖光柵，實現對彎曲和溫度的同時測量，后者在0.2m1,到1.3m1,的曲率范圍內得到了128.183nm/m的彎曲靈敏度。利用長周期光纖光柵的橫向壓力特性，可以制成橫向負載傳感器。RHou,ByeongHaLee,劉云啟，和童治等人采用禍合模理論對長周期光纖光柵的光譜特性隨著環境折射率的變化進行分析，并采用數值模擬進行驗證。HeatherJ.Patrikc等人通過選擇合適

21、的光柵周期來提高長周期光纖光柵外界折射率的敏感性。舒學文等人發現導模與高階包層模的能量禍合可以形成兩個損耗峰，利用這兩個損耗峰的諧振波長對環境折射率敏感度的不同，制作出高靈敏度的折射率傳感器。KinSengChiang等人對長周期光纖光柵諧振波長與光柵區包層半徑間的關系進行定量分析，并用實驗方法驗證了減小包層半徑調諧諧振波長和增強其環境折射率敏感特性的作用。YaheiKoyamada等人首次對環境折射率高于包層折射率的情況進行分析，并與實驗結果進行相互驗證。利用長周期光纖光柵諧振波長對環境折射率敏感的特性既可以制成折射率/濃度傳感器，也可以利用此特性對已經制作完成的長周期光纖光柵的光譜特性進行

22、調諧。為提高測量精度和增大光譜的調諧范圍，可以利用HF酸腐蝕包層的方法減小包層半徑。如果在長周期光纖光柵上鍍膜，可以實現對化學量的傳感。由于在較寬的光譜范圍內，長周期光纖光柵的導模可以與多個包層模產生能量耦合，從而形成多個損耗峰，因此可以實現應變、溫度、扭曲或者折射率/濃度的同時測量，從而利用單根長周期光纖光柵實現多參量傳感。結論本文主要總結了基于長周期光纖光柵的傳感技術，介紹了長周期光纖光柵的原理和相應的技術，包括傳感性能的研究。較為詳細的論述了溶液濃度和光纖彎曲曲率發生變化時，對透射譜形產生的影響。設計了相應的實驗裝置，論證了長周期光纖光柵的原理。光纖光柵傳感技術已得到了很大的發展，而長周

23、期光纖光柵相對于光纖布拉格光柵有更多的優勢，有更為廣闊的發展前景，已成為光纖通信和光纖傳感等領域發展的新動力。參考文獻1. 張偉剛，涂勤昌，孫磊，開桂云，袁樹忠，董孝義。光纖光柵傳感器的理論、設計及應用的最新進展J.物理學進展，2004,24(4):398-4232. FrazaoO,FerreiraLA,AraujoFM.Applicationsoffiberopticgratingtechnologytomulti-parametermeasurementJ.Fiberandintergratedoptics,2005,24:227-2443. 張偉剛，開桂云，董孝義。光纖光柵多點傳感的理

24、論與實驗研究J,光學學報，2004,24(3):3304. JonesJDC.Reviewoffibersensortechniquesfortemperature-straindiscriminationC.TwelfthInternationalConferenceonOpticalFiberSensors,1997,16:365. JimW.,W.CraigMichie,G.Thorsby,M.Konstantaki,andB.Culshaw.Simultaneousmeasurementofstrainandtemperature:ErroranalysisJ.OpticalEngin

25、eering,1997,36:5986. XuM.G.,ArchambaultJL,ReekieL,etal.Discriminationbetweenstrainandtemperatureeffectsusingdual-wavelengthfibergratingsensorsJ.ElectronicsLetters,1994,30(13):10857. JamesSW,DockneyML,andTatamRP.Simultaneousindependenttemperatureandstrainmeasurementusingin-fiberBragggratingsensorsJ.E

26、lectronicsLetters,1996,32(12):1133.8. CavaleiroPM,AratjoFM,FerreiraLAetal.SimultaneousmeasurementofstrainandtemperatureusingBragggratingswritteningermanosilicateandboron-codopedgermanosilicatefibersJ.IEEEPhotonicsTechnologyLetters,1999,11(12):16359. UddE,NelsonD,LawrenceC.1996.Threeaxisstrainandtemp

27、eraturesensor.EleventhInternationalConferenceOpticalFiberSensors,24410. HanWT,OhS,PaekUCetal.DiscriminationoftemperatureandstrainwithasingleFBGbasedonthebirefringenceeffectJ.OpticsExpress,2004,12(4):72411. Fraz?oO,RomeroR,RegoGetal.SampledfiberBragggratingsensorsforsimultaneousstrainandtemperatureme

28、asurementJ.ElectronicsLetters,2002,38(14):69312. Dong,X.,Y.Liu,Z.Liu,andX.Dong.2001.Simultaneousdisplacementandtemperaturemeasurementwithcantilever-basedfiberBragggratingsensor.OpticsCommunications192(3):21313. BhatiaV,CampbellD,ClausRO.Simultaneousstrainandtemperaturemeasurementwithlong-periodgratingJ.OpticsLetters,1997,22(9):64814. PatrickHJ,WilliamsGM,KerseyADetal.HybridfiberBragggrating/longperiodfibergratingsensorforstrain/temperaturediscriminationJ.IEEEPhotonicsTechnologyLetters,1996,8(9):122315. ZhangZ,Sirk