基于多模干涉结构和回音壁模式微腔的光纤传感器研究vol

1、指 导 教 师 ：舒学文教授答 辩 日 期 ：2018.5.23A Dissertation Submitted in Partial Fulfillment of the Requirements forthe Degree of Master of Philosophy in EngineeringResearch on Optical Fiber Sensors Based on Multimode Interference Structure andWhispering Gallery Mode MicroresonatorCandidate:Cao HaoranMajor:Optic

2、al EngineeringSupervisor:Prof. Shu XuewenHuazhong University of Science & TechnologyWuhan 430074, P. R.May, 2018独创性本人所呈交的是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，除文中已经标明的内容外，本不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全本的法律结果由本人承担。作者签名：日期：年月日使用书本作者完全了解学校有关保留、使用的规定，即：学校保留并向有关部门或机构送交的复印件和，被查

3、阅和借阅。本人华中科技大学可以将本的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等保存和汇编本。，在年后适用本书。本属于不。（请在以上方框内打“”）作者签名：指导教师签名：日期：年月日日期：年月日摘要物联网，作为 21 世纪通信技术的代表，它的崛起为传感器领域的发展注入了新鲜活力，但可靠性和准确也使得其对传感器性能提出了更高的发展要求。光纤传感技术由于具有抗射频干扰（RFI）和电磁干扰（EMI）、电绝缘性、可分布式传感设计、性高、抗腐蚀性等优势，一直以来备受科研工作者们的关注。在物联网技术发展的驱动下，光纤传感技术也将迎来更大的，设计研制高性能、可应用化的光纤传感系统成为科研

4、工作者们需要共同面对的研究目标。本的研究工作主要是基于多模结构和回音壁模式微腔结构，设计出多种光纤传感器，应用于温度、电流参量的传感，并结合设计不同结构的传感器，通过实验对其工作原理及传感性能进行了研究。本的具体内容可以分成以下几个方面：(1) 阐述了光纤传感技术的研究背景以及基本原理，通过文献调研对光纤温度传感器及光纤电流传感的研究现状进行概述。(2) 基于 Michelson原理，采用特殊的熔接方式制作出新颖的光纤偏芯结构（CMFJ）应用于高温传感，实现了最高灵敏度为 115.7pm/的全光纤高温传感器。(3) 将温度敏感材料与 Fabry-Perot 型结构相结合，制作出传感灵敏度最高达

5、-4.33nm/的光纤温度传感器，并讨论不同 Fabry-Perot 腔结构参数的温度传感特性。(4) 将回音壁模式（WGM）微腔与焦效应相结合，研制出光纤电流传感器，传感灵敏度最高达到了 25.5nm/A2，并研究了微腔与导线对其传感性能的影响。关键字：光纤传感器多模结构回音壁模式微腔温度传感电流传感AbstractAs the representative of Information and Communication Technology (ICT) in 21stcentury, the rise of Internet of Things has injected fresh vi

6、tality into the field of sensor. But the demands of reliability and accuracy for collecting sensing information put forward higher requirements for the development of sensor. Optical fiber sensing technology has always been the concern of researchers due to its fascinated advantages of immune to rad

7、iofrequency interference and electromagnetic interference, nonelectrical, distributed,reliability and corrosion. Driven by the development of Internet of Things, opticalfiber sensing technology will be confronted with greater challenges. Designing highperformance and applicable optical fiber sensing

8、 systems has become the main goal thatresearchers need to face together.The research work of this paper mainly lies in designing and manufacturing severaltypes of optical fiber sensors for temperature and current sensing, which are based onmultimode interference structure and whispering gallery mode

9、 microresonator. And the working principle and sensing performance are studied by experiments combined with designing different sizes of sensors. The specific content of this paper can be divided intothe following aspects:(1) The research background and basic principle of optical fiber sensing techn

10、ologyare expounded. And the research status of optical fiber temperature and currenclassified and summarized through literature research.sor is(2) Based on Michelson interferometer, a novel core-mismatching fiber joint structureis manufactured by special fusion splicing method and applied for optica

11、l fiber hightemperature sensing withum sensitivity of 115.7pm/.(3) Manufacturing an optical fiber temperature sensor withum sensitivity of -4.33nm/ by combining temperature-sensitive material and Fabry-Perot interferometer and discussing the temperature sensing properties of the sensor with differen

12、t Fabry-Perotparameters.um sensitivity of 25.5nm/A2(4) Designing an optical fiber currensor withby combing whispering gallery mode microresonator and Joule heating effect and studyingthe effect on sensing performance of different sizes of microresonator and copper wire.Key words: Optical fiber senso

13、rMultimode interference structureWhisper gallerymode microresonatorTemperature sensorCurrensor目录摘要IAbstractIII1 绪论1.1前言11.2光纤传感技术概述11.3基于多模结构及回音壁模式微腔的光纤传感器41.4光纤温度及电流传感器研究现状101.5本研究的主要内容及意义182 基于 Michelson的光纤高温传感器研究2.1传感器工作原理分析212.2传感器制作以及传感系统搭建232.3实验结果及分析292.4本章小结313 基于FP的光纤温度传感器研究3.1传感器工作原理分析323.

14、2传感器制作以及传感系统搭建343.3实验结果及分析393.4本章小结414 基于回音壁模式微腔的光纤电流传感器研究4.1 传感器工作原理分析424.2 传感器制作以及传感系统搭建444.3 实验结果及分析484.4 本章小结555 总结与展望5.1 总结575.2 展望58参考文献59华中科技大学1 绪论1.1 前言20 世纪下半叶，以互联网计算机为代表的第三次工业迅速席卷全球，世界进入了化。随着网络覆盖的普及，“万物”的物联网（Internet of things，IoT）概念被提出，通过构建传感网络，将任何物品与互联网进行连接，进行交换和通信，以实现智能化识别、定位、跟踪和管理。物联网的

15、未来应用前景非常广阔，将遍及智能交通、环境保护、工作、公共安全、平安家居、智能消防、工业检测、环境检测、水质检测等多个领域。物联网在基本框架结构上可以分为三层，感知层、传输层和应用层，其中，感知层是物联网系统对现实世界进行感知、识别和的基础性物理网络，为实现准确识别物体及，感知层重要的依托工具即各类传感器件，可以认为，传感器所的可靠性和准确性往往决定着物联网系统能否正常运行。目前，传统的电学传感器技术已经发展较为成熟，成为主流应用传感器，但是在某些应用场景下，比如强电磁辐射、易燃易爆等环境下，电学传感器容易失效或者潜在安全隐患，实际应用需求，而光纤传感器由于具有抗射频干扰（RFI）和电磁干扰（

16、EMI）、电绝缘性、可分布式设计等特性，成为学术和工业界的研究热点，光纤传感技术产业也已被国内外公认为最具有发展前途的高新技术产业之一。1.2 光纤传感技术概述光纤传感技术由 20 世纪中叶左右发展起来，最初应用于医学领域的光纤内窥镜，但是由于当时光纤制作工艺、等方面发展不够成熟，光纤的传输损耗很高，限制了光通信以及光纤传感技术的发展。1970 年，康宁（Corning）公司地研制出损耗为 17dB/km 乃至更低的低损耗石英光纤，使得光纤进行远距离通信信号传输成为可能，开辟了光纤通信领域发展的新，同时也推动了光纤传感技术的进步与 1华中科技大学发展。半个世纪以来，经过国内外科研工作者的辛勤研

17、究与创新，光纤传感技术已被逐渐开发应用于诸多传感场景，如环境温度1-3、应力4、电流强度5-7、气体压强8、磁场强度9、液体流速10、液位11等等。相比于传统电学类、机械类传感器，光纤传感技术虽然诞生时间比较短，但是具有前者无可比拟的优势，比如抗腐蚀性、高灵敏度、电绝缘性、抗射频干扰（RFI）和电磁干扰（EMI）、可分布式设计等等，而且可设计为传感探头进入一些狭窄区域，使得其在传感研究领域中具有特殊的吸引力。光纤传感技术在推广市场应用初期，着系统成本高昂的问题，但是随着光纤通信技术的发展逐渐成熟，各类光纤有源、无源器件的工艺优化及大规模生产，特别是光纤、光源（如 LED、激光光源）、各类探测器

18、、光纤分束器及其他器件，在器件性能得到提升的同时，器件价格得到大幅度降低，这也促使光纤传感系统的成本也随之得到降低，推动光纤传感器技术的发展与应用，在如今的物联网也将有更广阔的应用前景，全光物联网有望在将来成为新的物联网形式。光纤传感技术是以光波导技术为基础，外界环境参量诱纤结构参数发生改变，从而调制光纤内传输的光信号参数，如光强、偏振态、频率、相位等等，通过检测装置对输出光信号进行检测、解调，实现传感目的。光纤传感系统的基本结构是由光源、传感光纤结构或材料及检测装置组成，如图 1-1 所示，其中，光纤既可号传输介质又可作为传感介质。图 1-1 光纤传感系统基本结构 2华中科技大学根据传感系统

19、中光纤的功能作用可以将光纤传感器分为本征型（Intrinsic）光纤传感器以及非本征型（Extrinsic）光纤传感器12; 13，如图 1-2 所示。本征纤传感器是利用光纤本身的特性或者基于光纤设计制作的环境敏感结构进行环境参量传感，外界环境通常会影响光纤介质的折射率或者结构，而非本征纤传感器则仅利用光纤的低损耗光传输性能，外界环境参量则主要是通过影响其他非光纤类传感元件或者装置实现环境传感的目的，本征型和非本征纤传感器也可以通过合适的方式进行复合设计，实现传感参数的多样化以及提升传感系统性能。(a)(b)图 1-2 (a)本征纤传感器结构 (b)非本征纤传感器根据传感系统中光信号调制机制可

20、以将光纤传感器分为五种基本类型：强度调制型、波长调制型、散射信号调制型、偏振态调制型以及相位调制型，不同类型的光纤传感器具有不同的传感原理与特性。强度调制型是通过检测环境扰动对传输光信号光强影响实现传感的目的，透射式、反射式以及微弯式等传感结构，系统简单，如光纤荧光传感器14、光纤微弯传感器15等；波长调制型主要通过检测特殊光纤结构或特殊材料产生的特征波长对环境变量的响应实现传感目的，如各类光纤光栅16-18、表面等离子体谐振（SPR）19-21等；散射信号调制型主要基于入与光纤材料相互作用产生的各类散射信号会受到环境参量变化的影响，如散射强度受温度影响22，瑞利散射信号强度与光纤中损耗有关2

21、3; 24等；偏振调制型主要基于光纤中传输光的偏振特性受环境参量变化影响，如磁致旋光效应25、电光效应26; 27 3华中科技大学等；相位调制型主要基于环境参量变化导致光纤中传输光信号相位发生变化，常涉及到应变效应、光弹效应、泊松效应和热光效应等材料效应，是通过技术把光信号相位变化转换为光谱波长或者强度变化实现解调，相位调制纤传感器根据其结构设计可以分为 Mach-Zehnder型、Michelson型、Fabry-Perot 干型等28。涉型、Sagnac1.3 基于多模结构及回音壁模式微腔的光纤传感器1.3.1 Mach-Zehnder型与 Michelson纤传感器传统的Mach-Zeh

22、nder纤传感器需要引入两段传输光纤作为光信号传输路径，分别作为参考段和传感段，其基本的原理结构如图 1-3(a)所示。光源输出的相干光经过第一个 3dB 耦合器分束，分别传入传感光纤段和参考光纤段，由于传感光纤的有效折射率、有效传输长度等容易受到环境参量变化的影响，进而导致其输出光与参考光纤输出光之间的相位差发生改变，当在另一个 3dB 耦合器处重新汇聚时，两会发生，通过光束效应将相位差变化反应在光谱的波长漂移上，经由检测装置进行检测解调实现对环境变量的测量。传统的 Michelson纤传感器与 Mach-Zehnder型类似，可以看作是后者的反射形式，其结构如图 1-3(b)所示，光源输出

23、的相干光经过 3dB 耦合器分束，分别传入传感光纤段和参考光纤段，由于在光纤末端反射镜，将传入光信号反射传回 3dB 耦合器，两新汇聚时由于相位差而发生，同样经由检测装置进行检测解调实现对环境变量的测量。相比于 Mach-Zehnder型，Michelson纤传感器的优势在于减少了一个 3dB 耦合器，降低了传感系统的复杂度，更便于信号的处理，但是 Michelson 干涉型的反射信号会同时传入光源和检测装置，虽然可通过器进行消除，但是对于高性能系统来说，反射传入光源后会引入噪声，造成干扰。传统的 Mach-Zehnder型与 Michelson纤传感器由于就将整段光纤作为传感及参考臂，在实际

24、应用过容易受到环境不相关变量的干扰，如光纤抖 4华中科技大 学动、温度变化等，导致传感器工作不。光纤的波导结构由纤芯和包层，间接(a)(b)图 1-3 (a) 传统 Mach-Zehnder纤传感系统 (b) 传统 Michelson纤传感系统地为光信号传输提供了两种不同参数的介质，而且纤芯和包层材料具有不同的有效折射率、热光系数、热膨胀系数等29，可以在光传输过引入相位差或者受环境参量改变影响。基于光纤波导的结构特征，光纤传感器领域发展起一种集成化的Mach-Zehnder型与 Michelson纤传感器，通过光纤结构再设计与再加仪结构集成在光纤中，图 1-4 为两类集成工，设计出多模结构，

25、将传统化光纤传感器的系统结构示意图。光源发出的相干光输入多模结构，由于模式耦合结构，一部分纤芯光会被耦合进入包层中，激发出包层模向前传输，由于光纤纤芯和包层的有效折射率不同，纤芯模与包层模在向前传输过会产生相位差，当经过下一个耦合结构时（Mach-Zehnder型）或者经过端面反射重新经过第一个耦合结构时（Michelson者不同阶数包层模之间发生型），包层模会重新耦合回纤芯，与纤芯模发生或原理30，该类光纤传感器的输出光。基于强可以表示为：I = I1 + I2 + 2 I1I2 cosj(1-1)其中，I1 和 I2 分别代表两种不同传输模式的光强， 代表两类模式经过传输过程产生 5华中科

26、技 大学的相位差，可以表示为：j= 2p (n - n )L(1-2)l12其中，n1 和 n2 分别为两种模式的有效折射率，L为光传输长度，当模式相位差满足=(2k+1)（k=0, ±1, ±2,±3）时，将在出谱中产生凹陷峰。来说，相比于传统类纤传感器，纤芯充当参考光纤的作用，包层充当传感光纤的作用，依据热光效应、热膨胀效应等材料效应影响包层和纤芯中传输模式之间的相位差，可将环境变量的改变转化为输出光谱中谐振峰的波长或者强度的变化。经过科研工作者的广泛研究，集成化型结构中的模式耦合方式有很多种，比如特种光纤熔接结构31-33、激光刻写结构34-36、光纤熔接机

27、熔制结构37-40等等，不同结构的集成化传感器具有各自的优势，对各类环境变量也表现出不同的传感性能，应用广泛。(a)(b)图 1-4 (a) 集成化 Mach-Zehnder纤传感系统 (b) 集成化 Michelson纤传感系统1.3.2 Fabry-Perot纤传感器Fabry-Perot腔介质的区别可以将该较小的光纤传感器，根据 Fabry-Perot纤传感器是一类结构分为本征型 Fabry-Perot结构（IFPI）和非本征型 Fabry-Perot 腔涉腔由光纤本身结构（EFPI）。IFPI 的结构如图 1-5(a)所示，它的特点是其干，由于光信号始终在光纤内部传输，传输损耗较低，便

28、于光信号的调制与解调。IFPI 结构中腔两端的反射镜可以通过镀膜法41、不同类纤熔接法42-44等，也可通过刻写光纤光栅等半透光纤器件45; 46实现，由于光 6华中科技大学纤介质热光、热膨胀等效应，IFPI 多用于温度传感，但也可以应用于折射率、应变等物理量传感。EFPI 的腔由非光纤材料，比如空气、液体或其他性介质，图 1-5(b)展示了 EFPI 的一类基本结构，将两段光纤内径相当的空芯管中，两个光纤端面由于菲涅尔反射，可作为反射镜，因此中间空出的一段空气隙可作为 FP腔。EFPI 结构中的空腔为填充各种材料提供了结构支撑，可应用于各类特殊环境参量传感，如填充湿度敏感材料用于传感环境湿度

29、47; 48、填充热敏感材料用于温度传感49-51等等。EFPI 光纤传感器由于光信号不再是被限制在光纤内进行传输，光信号传输损耗比较大，腔长在几十到几百微米之间，但是相比于 IFPI 其温度灵敏度是可控的，同时制作据各种应用需求进行具体设计。在 Fabry-Perot和腔内介质的可选择范围大，可以依纤传感器，由于 FP腔的腔端面尔反射率较低（5%），可以将其腔内采波原理进行分析，型类似，其反射强度可以表示为52：与 Mach-ZehnderI = I + I + 2 I I cosæ 4p nL + jö1 2ç0 ÷(1-3)12lè

30、48;其中 I1、I2 为长， 为入腔两端面的反波，n 为腔内介质有效折射率，L 为腔的腔源信号的中心波长，0 为 FP腔引入的初始相位差。外界参量的变化，如温度、折射率、应力等可通过影响 FP 腔的腔体长度、端面反射率、腔内折射率等因素，导致其反射谱的波长或者强度变化，通过建立对应即可实现传感目的。 7华中科技大 学(a)(b)图 1-5 (a)本征型 Fabry-Perot结构 (b)非本征型 Fabry-Perot 腔结构1.3.3 Sagnac纤传感器Sagnac纤传感器的基本结构如图 1-6 所示，入通过 3dB 耦合器传入环形线圈的两端，分别沿着顺时针方向和逆时针方向进行传输，并在

31、 3dB 耦合器处重新汇聚传出进入检测装置，当光纤环着垂直于环面的轴转动时，顺时针和逆时针方向传输的两之间的光程差将发生改变，进而可通过检调输出的信号实现对环境参量的传感。此外，通过在光纤环中接入一定长度（通常为若干厘米）的折纤也可实现 Sagnac 环结构，其输出光谱可以表示为2; 53：T = (1- cosj)2其中 为不同偏振态之间的光程差，写作：(1-4)j = 2p BL = 2pn - nL(1-5)llfsB 为双折射系数，nf 和 ns 分别为折纤快轴和慢轴的有效折射率，L 为折纤的长度。在传感过，外界环境参量变化影响传感光纤的双折射系数或者长度，致使输出谱发生改变，进而检测

32、解调。经过研究，Sagnac型传感器可应用于传感磁场强度54、温度55; 56、应变53等等。 8华中 科技大 学图 1-6 Sagnac型传感器结构1.3.4 回音壁模式微腔纤传感器回音壁模式（WGM）是光学微腔中的一种重要光学现象，主要通过具有轴对称结构的介质材料微腔实现，微腔形状繁多，如微球腔腔腔、管状腔等等，其应用涉及理论物理研究、非线性光学、光器件以及高灵敏度传感器等领域。图1-7 展示了微球腔中激发 WGM 的基本原理示意图，实验中通常通过利用微纳光纤的倏逝场将光耦合进入微腔中，由于微腔与空气交接面处的全反波被限制在微腔中向前传输并最终形成的行波传输模式。WGM 谐振腔的谐振条件如

33、下所示57：2p rneff = mlres(1-6)式中，r 代表微球腔的半径，neff 为腔内有效折射率，res 为谐振波长，m 为正整数，即光波传输光对应波长的整数倍时，方可在微管腔中形成的模式场分布，产生谐振。 9华中科 技大学图 1-7 微球腔中激发 WGM 基本原理示意图微腔中的谐振现象往往取决于微腔的几何特征，如、形状以及微腔介质，故被称为形态依赖谐振，回音壁模式（WGM）也是一类形态依赖微腔谐振。当外界环境参量的变化，如温度、折射率等，引起微腔几何或者材料有效折射率变化，WGM 的谐振波长就会随之发生变化，而且，WGM 模式能量并不是完全限制在微腔中，而是由少部分能量在腔外，并

34、呈指数衰减，即倏逝场，这一部分能量是受环境变化所直接影响的，因此根据透谱的变化，如谐振波长的漂移，即可建立起与环境物理量变化的对应，实现传感探测。为了提高相关传感性能以及拓宽传感领域，经过研究，已经开发出了基于不同微腔材质58; 59、微腔结构60; 61的 WGM 微腔纤传感器，应用于气体检测57; 62、磁场强度60、气体压强63等参量传感。1.4 光纤温度及电流传感器研究现状1.4.1 光纤温度传感器适宜的环境温度一直是人类赖以生存的重要因素，温度的监测也充斥人类日常生活、工业生产以及科学研究等领域。17 世纪以来，温度传感器伴随着需求增加得到了快速的发展，目前市面上的温度传感器主要是电

35、相关传感器，如热电偶传感器、热敏电阻传感器、金属热电阻传感器以及温度测量等等，但是在某些环境中，如油气开发、核辐射环境，电相关温度传感器由于引入安全隐患或者性能失效 10华中科技大学而受到极大的应用限制，实际应用需求。光纤温度传感器相比于传统电相关温度传感器具有抗腐蚀性、电绝缘性、抗射频干扰（RFI）和电磁干扰（EMI）、可分布式设计等优势而得到广泛关注，目前在科研领域已经开发出众多光纤温度传感器，并逐渐，未来将有望应用于工业、医疗及国防等领域。光纤温度传感器种类繁多，基于不同传感原理设计，得到的温度传感器性能也各不相同，总体来说，根据光纤温度传感器的基本结构特征可分为全光纤温度传感器和复合光

36、纤温度传感器。1)全光纤温度传感器顾名思义，全光纤温度传感器是指传感器整体结构是由光纤组成，不其他非光纤类材料或结构参与传感设计。在全光纤温度传感器中，研究最的为各类干涉纤温度传感器，主要通过设计制作新纤结构或者采用特种光纤等的 Michelson型、Mach-Zehnder现，基本的传感结构上节所型、Fabry-Perot型和 Sagnac型四种结构以及光纤光栅型。全光纤温度传感器往往是利用光纤本身的热光效应或者热膨胀效应实现对谱的调制而达到温度传感的目的，因此其温度传感灵敏度特别出众，在 pm/量级左右。2014 年，JEnrique Antonio-Lopez 等人64利用七芯光纤设计了

37、一种基于 Mach-Zehnder结构的光纤高温传感器，传感结构如图 1-8 所示。将七芯光纤采用熔接操作接入单模光纤环路中，由于纤芯失配以及七芯光纤结构对称性，将只有两类模式被激发并相互之间产生，通过对光谱进行解调，在 1000范围内，温度灵敏度最高达到了 52pm/，并且该传感器结构具有较高的性，可应用于某些环境中，但是由于传感器测量透射式，限制了其无法被设计为温度传感器探针，应用相对受限。 11华中科技大学图 1-8 光纤温度传感器结构示意图2015 年，Yang Jingyi 等人65设计了一种基于 Michelson结构的光纤高温传感器，将掺锗光纤与单模光纤进行熔接，由于掺锗光纤与单

38、模光纤的纤芯失配，可将纤芯光耦合进包层激发出高阶包层模，受端面菲涅尔反射之后重新耦合回纤芯，并与纤芯基模之间发生，结构如图 1-9 所示。基于热光效应和热膨胀效应，在500范围内，该光纤温度传感器灵敏度达到了 89pm/，并且结构在单点温度测量方面具有潜在的应用。仅为 0.9mm，图 1-9 光纤温度传感器结构示意图2016 年，Zhang Xinpu 等人66提出了一种基于 Fabry-Perot结构的可控灵敏度光纤温度传感器，将锥形光纤末端半封闭的管中，在锥形光纤末端面与玻璃管端面之间形成 FP 腔结构，如图 1-10 所示，由于热膨胀效应温度变化将导致 FP锥形光纤末端的长度，在 501

39、50腔腔长变化，实现环境温度传感。通过 12华中科技大学图 1-10 光纤温度传感器结构示意图范围内，其温度灵敏度可在 01.97pm/范围进行，可应用于不同温度灵敏度需求场景，但是制作方式相对较为复杂，而且灵敏度较低，发展优势不够明显。2016 年，Shi Jia 等人55将 Sagnac结构与光纤环形激光器相结合，设计出一种高灵敏度的光纤温度传感器，结构如图 1-11 所示。在整体温度传感器中，Sagnac 结构主要起到光纤滤波器与传感器的作用，环境温度变化影响 Sagnac 环中保偏光纤的双折射率系数，进而导致出射激光的波长发生改变，通过监测波长随温度的变化，实现环境温度的传感。经过实验

40、测量，在 3040温度范围内，该传感器温度传感灵敏度达到了 1.739nm/，同时激光出的 3dB 带宽低于 0.05nm，可实现高精度的温度监测，此外在传感系统中也表现出远距离温度传感的潜能，如在海洋探测、农业生产等领域的潜在应用。图 1-11 光纤温度传感器结构示意图2)复合光纤温度传感器由于全光纤温度传感器灵敏度较低，因此科学家们提出了一种复合光纤温度传感器的结构设计，即将光纤传感结构与温度敏感材料相结合，或利用透光性温度 13华中科技大学敏感材料温度传感结构。温度敏感材料具有相比于光纤材料更高的热光系数或热膨胀系数，机聚合物 HR901 的热光系数为-1.3×10-4/，热膨

41、胀系数为 2.3×10- 4/，比光纤材料高出两个数量级49，通过材料与结构的适当结合，可以获得 1nm/量级的光纤温度传感器，极具有竞争力和应用前景。等人50利用2015 年，Yang Kai金属具有较高的热膨胀系数，将其注入空芯光纤中，并将端面采用紫外胶密封，结构如图 1-12 所示。由于部分空气被密封在空芯光纤中，会形成 FP腔，当外界环境温度发生变化时， 金属体积会由于热膨胀效应随之发生改变，从而影响 FP 腔腔长，实现对环境温度的传感，经过谱解调，该光纤温度传感器的灵敏度达到了-41.9nm/，但是由于物质，该传感器也表现出明显的弊端。图 1-12 光纤温度传感器结构示意图

42、2015 年，Wang Jian 等人67利用环氧树脂在光纤端面粘附，了对环境温度变化敏感的 Fabry-Perot腔结构，结构如图 1-13 所示。环氧树脂是一类具有较高热膨胀系数、热光系数、可耐高温的透明聚合物材料，将其粘附在光纤端面并经过固化处理之后可形成 FP腔结构。外界环境温度发生变化时将导致 FP 腔腔长以及折谱即可实现温度传感目的，经过试验，该温度传感器在 0射率发生改变，解调160范围内的灵敏度最高达到了 166.36pm/。 14华中科技大学图 1-13 光纤温度传感器结构示意图2016 年，Wang Qi 等人68将聚二甲基硅氧烷（PDMS）在刻写的长周期光纤光栅表面，结构

43、示意图如图 1-14 所示。长周期光纤光栅具有对环境折射率变化敏感的特性，而 PDMS 的热光系数达到-4.5×10-4/，将 PDMS在长周期光纤光栅表的目的，经过实验测量，在 20面可实现对长周期光纤光栅温度敏感特性进行80范围内，之后的温度灵敏度达到了 255.4pm/，是之前的 4 倍，并且测量的温度测量精度达到了 0.078。图 1-14 光纤温度传感器结构示意图1.4.2 光纤电流传感器电力系统一直是保证国防建设、居民生活的重要基础设施，电力也已经成为人类生活中不可或缺的一部分。近年来，随着电力行业的快速发展，电压等级及载荷不断提升，如何对电力系统安全准确地进行电流监测逐

44、渐成为当前行业所的问题。传统的电磁感应式电流传感器由于着磁饱和、绝缘难度大、易受电磁干扰问题逐渐当前需求，光纤电流传感器由于具有绝缘性高、抗电磁干扰能力强、安全性与可靠性高等优势逐渐成为电流监测领域的重要研究方向，并逐渐朝市场化、工程化方向发展。根据电流传感原理的不同，光纤电流传感器主要可以分为基于磁致 15华中科 技大学效应和热效应两类传感器。1)基于磁致效应光纤电流传感器基于磁致效应的光纤电流传感器依据磁致效应的区别可以细分为基于磁致旋光效应（效应）和磁致伸缩效应两类。磁致旋光效应光纤电流传感器是利用线偏振光在通过磁场中的磁光材料时，偏振方向会发生旋转，通过检测旋转角或者透强的变化可实现对

45、电流的检测。磁致伸缩效应光纤电流传感器则主要是利用磁性材料在外界磁场作用下会发生几何变化，进而可作用于光纤介质上，通过检测光谱信号的变化实现电流传感。2014 年，Shaoyi Xu 等人69利用磁致旋光效应设计了基于偏振复用（PDM）的光纤电流传感器，系统结构如图 1-15 所示。通过电生的磁场传感光纤中线偏振光的偏振方向，并利用反射镜对线偏振光双重的磁致旋光效应偏转角，随后利用偏振器对输出偏振光进行偏振态调整后，通过功率计测量输出的光功率用于解调电流强度。经过测量，该电流传感器的电流传感灵敏度达到了 0.0261/A，相对于传统的偏振分集（PD）测量方式灵敏度有了明显的提高。图 1-15

46、光纤电流传感器结构示意图2015 年，Marcelo M. Werneck 等人70将光纤光栅与磁致伸缩材料（Telfenol-D） 相结合，利用磁致伸缩效应设计出在线式光纤电流监测系统，传感器部分如图 1-16所示。Telfenol-D 在外界磁场作用下会发生磁致形变，进而对光纤施加轴向应力，导致光纤光栅周期以及中心波长发生改变，经过实验验证，当施加 60Hz 频率的正弦波 16华中科技大学电流信号时，该光纤传感器能够实现实时监测电流变化。图 1-16 光纤电流传感器结构示意图2)基于热效应光纤电流传感器基于热效应的光纤电流传感器主要是利用金属等导体材料在通电之后会由于焦效应向环境中出热量，

47、基于光纤介质热光效应以及热膨胀效应，电流强度会转化为光纤出信号的相位或强度变化，进而实现电流传感目的。2015 年，Yan Shaocheng 等人5利用单层石墨烯具有较高表面电阻的特性，将单层石墨烯沉积于棒的两块金电极之上，并将微纳光纤缠绕于石墨烯表面，结构如图 1-17 所示。当在金电极两端施加电流时，单层石墨烯材料会由于焦效应向外热量，改变微纳光纤附近的温度参量，进而影响微纳光纤的谐振条件，改变透射谱中谐振峰的位置，经过实验测试，该电流传感器的灵敏度达到了 67.297m/A2，并且具有良重复性以及较低的检测极限（0.5mA）。 17华中科技大学图 1-17 光纤电流传感器结构示意图20

48、15 年，Min-Seok Yoon 等人7将镍铬合金导线作电导体，在导线表面某种低折射率聚合物材料（PC-373，Luventixx）用于固定微纳光纤环形谐振器以及作为中间传感介质，结构如图 1-18 所示。当镍铬合金导线通电后会因为焦效应向外热量，而低折射率聚合物材料具有较高的热光系数，当紫外胶材料折射率发生改变时，微纳光纤谐振器中谐振匹配条件将发生变化，进而谐振波长发生飘移，达到电流传感的目的，经过理论与实验分析，该电流光纤传感器灵敏度达到了437.9pm/A2。图 1-18 光纤电流传感器结构示意图1.5 本研究的主要内容及意义随着物联网产业的快速发展，传感器作为物联网感知层的重要，已

49、经成为高新技术研究产业的重要领域。传统的电学传感器由于强电磁辐射、易燃 18华中科 技大学易爆等环境下容易失效或者潜在安全隐患等问题，实际应用需求，而光纤传感器具有抗射频干扰（RFI）和电磁干扰（EMI）、电绝缘性、可分布式设计等特性，逐渐成为学术和工业界的研究热点。本在该背景下，调研大量学术文献，基于 Michelson、Fabry-Perot及 WGM 微腔型基本传感结构，提出了光纤温度及电流传感器的设计方案，并且分别在理论和实验方面，对设计的光纤传感器传感性能进行研究，经过实验数据分析及对比，设计的光纤传感器表现出高灵敏度、结构简单、制作方便等优势，有利于推动新纤传感器的进一步研究和发展

50、。文章结构主要可以分为以下五个章节：第一章，绪论首先阐述了光纤传感技术的研究背景以及基本概念，然后对基于多模结构和回音壁模式微腔纤传感器的基本传感原理进行了，并综合近些年间发表的相关领域学术，对光纤温度传感器及光纤电流传感的研究现状进行概述总结，分析基本研究思路与原理，最后提出本文的研究内容和基本框架。第二章，当前光纤高温传感器工艺复杂、成本较高及灵敏度较小等问题，设计出一种基于 Michelson结构的光纤高温传感器，其主要的传感结构是采用光纤熔接机制作出的特殊光纤偏芯结构（Core-Mismathing Fiber Joint，CMFJ）。本章对该光纤高温传感器的制作工艺进行了，并通过与其

51、基本传感理论相结合，搭建高温传感测量系统对该光纤高温传感器的传感性能进行了研究。第三章，全光纤纤温度传感器灵敏度较低的问题，将紫外光固化胶材料与 Fabry-Perot 型结构相结合，设计出一种温度传感灵敏度较高的光纤温度传感器。章节中对该光纤温度传感器的传感原理进行了理论分析，并该传感器的制作，同时通过搭建温度灵敏度测试平台，研究了不同 Fabry-Perot 腔结构参数的温度传感特性。第四章，将回音壁（WGM）微腔与铜导线的焦效应相结合，设计出新纤电流传感器，章节中了该光纤电流传感器的工作原理及制作方式，并通过实验 19华中科 技大学研究了铜导线直径以及空芯管对该电流传感器传感灵敏度的影响

52、。第五章，本的工作进行了总结，分析了在实验操作以及实际应用中的问题和需要改进的地方，提出了解决这些问题的一些可能性方案和下一步计划。 20华中科技 大 学2 基于 Michelson的光纤高温传感器研究在传感器的发展历，光纤传感器由于具有抗腐蚀性、电绝缘性、抗射频干扰（RFI）和电磁干扰（EMI）、可分布式设计等优势逐渐成为不可或缺的一部分。经过科研工作者的努力，在阶段已经研究出各类应用于不同环境参量传感的光纤传感器，其中，光纤高温传感器由于高温监测在石油开采、工业生产、强辐射、强磁场环境等领域的重要性而逐渐成为科学家们的研究热点。2.1 传感器工作原理分析本章中设计的光纤高温传感器是基于 Michelson，利用光纤熔接机对光出新型的光纤偏芯结构（Core-Mismathing纤端面进行预放电操作引入微小弯曲Fiber Joint，CMFJ）实现模式，其基本结构如图 2-1 所示。宽谱光由单模光纤 A端（SMF A）通入该结构中，当传输至偏芯结构时，由于光纤纤芯错位导致的模场失配，会有一部分光耦合进入单模光纤 B（SMF B）的包层中，激发出高阶包层模向前进行传输，其余光则继续保持在纤芯中以基模的形式向前传输。当两行至SMF B 端面位置时，由于光纤与空气介质面处的菲涅尔