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光纤光栅化学浓度传感器和解调技术的研究 摘要 光纤光栅传感器通过光信号进行信息传递，比较传统传感器系 统，拥有抗电磁干扰、分布传感、精度高等突出特点。目前已经在通 信、建筑、军事、医疗和化工领域获得了广泛的应用。由于其优良的 特性，是近年来研究的一个热点。本论文主要作了以下三个方面的工 作： 1 阐述了长周期光纤光栅( l p f g ) 和布拉格光纤光栅( f b g ) 化学 浓度传感器的结构与传感原理，分别研究了基于l p f g 和f b g 的传 感器在化学溶液浓度测量中消除温度敏感对传感影响的机理。分析了 两种化学浓度传感器的灵敏度，其中双布拉格光纤光栅( f b g ) 化学浓 度传感器通过测量布拉格光栅的双峰偏移间距来实现传感，其灵敏度 可达到蔗糖溶液浓度每l 的变化，反射波长移动0 0 9 6 n m 。 2 提出了一种基于偏振光干涉原理的光纤光栅波长解调方法。 此方法采用一种新型保偏光纤环路，并在光纤环中加入偏振控制器， 通过调整偏振控制器可以改变传输光的偏振方向。与传统的非平衡 m a c h z e h n d e r 干涉仪不同，此偏振光干涉仪是利用折射率i l e 和1 1 0 的 差而不是利用光路长短的差来实现非平衡干涉的。本文用波导耦合理 论和光纤偏振光传输理论，推导了非平衡m a c h z e h n d e r 干涉仪输出 光强、可见度的表达式，分析了干涉仪可见度与干涉仪输入光偏振态 之间的关系。实验结果表明，该系统与非平衡m a c h z e h n d e r 方法相 比较，具有良好的静态性能，适合于精密测试中的静态信号的检测。 3 提出采用无线通信方式进行数据传输，构建了一个新型的光 纤光栅无线传感网络，并进行了传感头、无线收发的电路设计和实验 验证。 关键词：光纤光栅温度不敏感化学浓度传感器保偏光纤环路无 线传感 t h ei 己e s e a r c ho ft e 卫胛e r 棚】r r e i n s e n s i t i v e c h e m i c a lc o n c e n t r a t i o ns e n s o rb a s e do nt w n b r a g gg r a = r i n ga n df i b e rg r a t i n g d e m o d u l a t i n gt e c h n o l o g y a b s t r a c t f i b e rg r a t i n gs e n s o rc a nt r a n s f e ri n f o r m a t i o nt h r o u g ho p t i cs i g n a l c o m p a r e dw i t ht h et r a d i t i o n a ls e n s o rs y s t e m ，t h ef i b e rg r a t i n gs e n s o rh a s s o m es p e c i a lc h a r a c t e r i s t i c ss u c ha s i m m u n i t y t o e l e c t r o m a g n e t i c i n t e r f e r e n c e ，d i s t r i b u t e ds e n s o r i n g ，h i g hp r e c i s i o n ，e t c a n dn o wi th a s b e e nw i d e l ya p p l i e di no p t i c a lc o m m u n i c a t i o n s ，a r c h i t e c t u r e ，m i l i t a r y ， m e d i c i n ea n dc h e m i c a li n d u s t r ya n dm a n yo t h e rf i e l d s b e c a u s eo ft h e e x c e l l e n tp r o p e r t i e s ，o p t i c a lf i b e rg r a t i n gi sah o tr e s e a r c hs p o ti nr e c e n t y e a r s t h ep r e s e n tp a p e rh a sd o n et h ew o r ka sf o l l o w s ： 1 t h es t r u c t u r ea n d s e n s i n g m e c h a n i s mo fl o n g p e r i o df i b e r g r a t i n g ( l p f g ) a n d f i b e rb r a g gg r a t i n g ( f b g ) c h e m i c a ls e n s o ra r e i n t r o d u c e d t h ei n f l u e n c eo fr e d u c i n gt e m p e r a t u r es e n s i t i v i t yo fl p f g a n df b gc h e m i c a ls e n s o ri s f o c u s e d o n ，r e s p e c t i v e l y t h e t e m p e r a t u r e i n s e n s i t i v el p f ga n df b gc h e m i c a ls e n s o ri nc o n c e n t r a t i o n m e a s u r e m e n to fc h e m i c a ls o l u t i o n sa r ea n a l y s e d o n em e t h o db a s e dt w i n f b gi sd e s i g n e db ym e a s u r i n gt h ep e a kw a v e l e n g t hd i f f e r e n c eb e t w e e n t w i nf b gw h i c hh a st h e s e n s i t i v i t y o f0 0 9 6 n mf o rc h a n g e1 c o n c e n t r a t i o no fs u g a rs o l u t i o n s 2 ad e m o d u l a t i n gm e t h o db a s e do nt h ep r i n c i p l eo fp o l a r i z e d l i g h t i n t e r f e r o m e t e ri si n t r o d u c e di nt h i s p a p e r t h e n o v e l p o l a r i z a t i o n m a i n t a i n i n gf i b e rl o o pm e t h o d ，w h i c hi sf o r m e db yi n s e r t i n gaf i b e r p o l a r i z a t i o nc o n t r o l l e ri n t ot h el o o p i si n t r o d u c e di no u re x p e r i m e n t w e c a n v a r y t h e o p t i c s a x i so r i e n t a t i o n b ya d j u s t i n g t h e p o l a r i z a t i o n c o n t r o l l e r d i f f e r e n tf r o mt h ec o n v e n t i o n a lu n b a l a n c em a c h z e h n d e r i n t e r f e r o m e t e r , t h i sp o l a r i z a t i o ni n t e r f e r o m e t e ri sb a s e do nt h eu n e q u a l r e f r a c t i v ei n d e xd ea n dn o w i t ht h ec o u p l e rt h e o r ya n dt h eo p t i c a l w a v e g u i d et h e o r y , w eg o tt h eo u t p u te x p r e s s i o na n df r i n g ev i s i b i l i t y e x p r e s s i o no ft h eu n b a l a n c e df i b e rm a c h z e h n d e ri n t e r f e r o m e t e r t h e r e l a t i o n s h i p b e t w e e nt h e f r i n g ev i s i b i l i t y o fi n t e r f e r o m e t e ra n d p o l a r i z a t i o no fi n p u tl i g h ti st h e o r e t i c a l l yc o n f i r m e d t h ee x p e r i m e n t r e s u l t sd e m o n s t r a t et h a t t h i ss y s t e mh a sb e t t e rs t a t i cs t a t em e a s u r e m e n t p e r f o r m a n c et h a nm a c h z e h n d e ri n t e r f e r o m e t e ra n df i t sp r e c i s i o nt e s t i n g 3 an o v e lf i b e rg r a t i n gs e n s o rn e t w o r k si si n t r o d u c e d w h i c hi s b a s e do nw i r e l e s sd a t at r a n s m i s s i o n t h ec i r c u i t t o p o l o g yo fs e n s o rp r o b e a n dw i r e l e s sc h i pa r ed e s i g n e d ，w h i c ha led e m o n s t r a t e db y e x p e r i m e n t s k e yw o r d s ：f i b e r g r a t i n g ，t e m p e r a t u r e - i n s e n s i t i v e ，c h e m i c a l c o n c e n t r a t i o ns e n s o r , p o l a r i z a t i o nm a i n t a i n i n gf i b e rl o o p ，w i r e l e s s s e n s o r 独创性( 或创新性) 声明 本人声明所呈交的论文是本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，除了文中特别加以标注和致谢中所罗列 的内容以外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也 不包含为获得北京邮电大学或其他教育机构的学位或证书而使用过 的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中 作了明确的说明并表示了谢意。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任。 本人签名：盘j 塾：查，日期： 2 叠：墨：兰! 关于论文使用授权的说明 学位论文作者完全了解北京邮电大学有关保留和使用学位论文 的规定，即：研究生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属北 京邮电大学。学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印 件和磁盘，允许学位论文被查阅和借阅；学校可以公布学位论文的全 部或部分内容，可以允许采用影印、缩印或其它复制手段保存、汇编 学位论文。( 保密的学位论文在解密后遵守此规定) 保密论文注释：本学位论文属于保密在一年解密后适用本授权 书。非保密论文注释：本学位论文不属于保密范围，适用本授权书。 本人签名：盘! 塾：刍 日期：2 1 ：2 ：兰：2 导师签名： 圣茏墨 日期： 2 2 ：! ：z 2 北京邮电人学硕士学位论文 光纤光栅化学浓度传感器和解调技术的研究 第一章绪论 1 1 光纤光栅传感技术概述 自从1 9 7 8 年掺锗光纤的光敏性被发现，世界上第一根光纤光栅以来被制造 出以来【l 】，特别是1 9 8 9 年横向干涉制作技术的发明【2 】、1 9 9 3 年相位模板法制作 光纤光栅的出现和低温高压载氢敏化处理技术的发吲3 4 】，使得高性能光纤光栅 的批量生产成为了可能，光纤光栅技术正在逐步成熟。 光纤光栅是其纤芯内的介质折射率呈周期性调制的一种光纤无源器件，实质 上它是在纤芯内形成的一个窄带( 透射或反射) 滤光器或反射镜。光纤光栅主要 有b r a g g 光栅、长周期光栅、啁啾光栅等。由于它是直接制作在光纤纤芯上的， 因此可以方便地嵌入到光纤通信系统、激光器及传感器等器件中，构成许多具有 独特性能的光纤器件。随着光纤光栅制作方法的成熟，极大地推动了光纤光栅应 用技术的发展，使得光纤光栅已成为目前最有发展前途、最具代表的光纤无源器 件之一。 光纤光栅的反射或透射峰的波长与光栅的折射率调制周期以及纤芯折射率 有关，而温度和应变的变化影响到光纤光栅的折射率调制周期和纤芯折射率，从 而引起光纤光栅的反射或透射峰的变化，利用这个特性就形成了光纤光栅传感 器。温度和应变是光纤光栅能够直接传感测量的两个最基本的物理量，它们构成 了其它各种物理量传感的基础，其它各种物理量的传感都是以光纤光栅应变或温 度的传感为基础而衍生出来的。 与传统的光纤传感器相比，波长调制型的光纤光栅传感器具有许多独特的 优点： l 、抗干扰能力强：这一方面是因为普通光纤不会影响光波的频率特性( 忽 略光纤的非线性效应) ；另一方面光纤光栅传感系统从本质上排除了各种光强起 伏引起的干扰。 2 、可以测量物理量的绝对值( 在对光纤光栅进行定标后) ，因为光纤光栅传 感器是自参考的。 3 、传感探头结构简单、尺寸小，适于各种场合，尤其是智能材料和结构。 便于埋入复合材料构件及大型建筑物内部，对结构的完整性、安全性、载荷疲劳、 损伤程度等状态进行连续实时监测。 4 、便于构成各种形式的光纤传感网络，尤其是采用波分复用技术构成分立 式或分布式光纤光栅传感器阵列，进行大面积的、同时的多点测量。 5 、测量结果具有良好的重复性。 6 、光纤光栅的写入工艺已较成熟，便于形成规模生产( 商品化) 。 北京邮电大学硕士学位论文 光纤光栅化学浓度传感器和解调技术的研究 1 2 光纤光栅传感的应用 光纤光栅传感器由于具有上述诸多优点，因而广泛应用于各个领域，现主要 总结如下： 1 2 1 在地球动力学中的应用 在地震检测等地球动力学领域中，地表骤变等现象的原理及其危险性的估定 和预测是非常复杂的，而火山区的应力和温度变化是目前为止能够揭示火山活动 性及其关键活动范围演变的最有效手段。光纤光栅传感器在这一领域中的应用主 要是在岩石变形、垂直震波的检测以及作为地形检波器和光学地震仪使用等方面 1 5 j 。活动区的应变通常包含静态和动态两种，静态应变( 包括由火山产生的静态 变形等) 一般都定位于与地质变形源很近的距离；而以震源的震波为代表的动态 应变则能够在与震源较远的地球周边环境中检测到。为了得到相当准确的震源或 火山源的位置，更好地描述源区的几何形状和演变情况，需要使用密集排列的应 力应变测量仪。光纤光栅传感器是能实现远距离和密集排列复用传感的宽带、高 网络化传感器，符合地震检测等的要求，因此它在地球动力学领域中无疑具有较 大的潜在用途。 1 2 2 在航天器及船舶中的应用1 先进的复合材料抗疲劳、抗腐蚀性能较好，而且可以减轻船体或航天器的重 量，对于快速航运或飞行具有重要意义，因此复合材料越来越多地被用于制造航 空航海工具( 如飞机的机翼) 【5 l 。 为全面地衡量船体的健康状况，需要了解其不同部位的变形力矩、剪切压力、 甲板所受的抨击力，对于普通船体大约需要1 0 0 个传感器，因此波长复用能力极 强的光纤光栅传感器最适合于船体检测。光纤光栅传感系统可测量船体的弯曲应 力，而且可测量海浪对湿甲板的抨击力。最近，具有干涉探测性能的1 6 路光纤 光栅复用系统成功地实现了在带宽为5 k h z 范围内、分辨率小于1 01 7 月z 的 动态应变测量【5 j 。 另外，为了监测一架飞行器的应变、温度、振动、起落驾驶状态、超声波场 和加速度情况，通常需要1 0 0 多个传感器，故传感器的重量要尽量轻，尺寸尽量 小，因此最灵巧的光纤光栅传感器是最好的选择。另外，实际上飞机的复合材料 中存在两个方向的应变，嵌入材料中的光纤光栅传感器是实现多点多轴向应变和 温度测量的理想智能元件。美国和德国非常重视光纤光栅传感器在航空航天业的 应用，较早地研究了飞行器上的二维应变及测量。美国国家宇航局在其x 3 3 原 型机上安装了光纤光栅多方向应变和温度测量系统【5 】。 1 2 3 在民用工程结构中的应用 民用工程的结构监测是光纤光栅传感器最活跃的领域。力学参量的测量对于 北京邮电大学硕士学位论文光纤光栅化学浓度传感器和解调技术的研究 桥梁、矿井、隧道、大坝、建筑物等的维护和健康状况监测是非常重要的。通过 测量上述结构的应变分布，可以预知结构局部的载荷及健康状况。光纤光栅传感 器可以贴在结构的表面或预先埋入结构中，对结构同时进行健康检测、冲击检测、 形状控制和振动阻尼检测等，以监视结构的缺陷情况。另外，多个光纤光栅传感 器可以串接成一个传感网络，对结构进行准分布式检测，可以用计算机对传感信 号进行远程控制。 光纤光栅传感器可以检测的建筑结构之一为桥梁。应用时，一组光纤光栅被 粘于桥梁复合筋的表面，或在梁的表面开一个小凹槽，使光栅的裸纤芯部分嵌迸 凹槽得以保护。如果需要更加完善的保护，则最好是在建造桥时把光栅埋进复合 筋。由于需要修正温度效应引起的应变，可使用应力和温度分开的传感臂，并在 每一个梁上均安装这两个臂。1 9 9 9 年，在美国的新墨西哥州的一座钢结构桥梁 上，安装了1 2 0 个光纤光栅传感器，是当时在一座桥梁上复用最多光纤光栅传感 器的记录。两个具有相同中心波长的光纤光栅代替法布里一珀罗干涉仪( f f p i ) 的 反射镜，形成全光纤法布里珀罗干涉仪，利用低相干性使干涉的相位噪声最小 化，这一方法实现了高灵敏度的动态应变测量。用f f p i 结合另外两个f b g ，其 中一个光栅用来测应变，另一个被保护起来，免受应力影响。以测量和修正温度 效应，所以f f p i f b g 实现了同时测量三个量：温度、静态应变、瞬时动态应变。 这种方法兼有干涉仪的相干性和光纤布拉格光栅传感器的优点。已在5 m 的测 量范围内，实现了小于l _ f 的静态应变测量精度、0 1 的温度灵敏度和小于l 刀f 4 h z 的动态应变灵敏度【6 j 。 另外，由于从混凝土裂缝中辐射的声波可引起动态应变，这一应变可被f f p i 探测到，f f p i 对声波辐射引起的动态应变有较好的灵敏性，所以可用于检测混 凝土结构的健康状况，这在试验上已得到证实。初步的试验结果显示，在频率为 几万h z 的高频信号时，动态应变测量灵敏度可达到亚刀f 量级【7 】。 1 2 4 在电力工业中的应用嗍 光纤光栅传感器因不受电磁场干扰和可实现长距离低损耗传输，从而成为电 力工业应用的理想选择。电线的载重量、变压器绕线的温度、大电流等都可利用 光纤光栅传感器测量。 在电力工业中，电流转换器可把电流变化转化为电压变化，电压变化使压电 陶瓷( p z t ) 产生变形，而利用贴于p z t 上的光纤光栅的波长漂移，很容易得知其 变形，从而得知电流强度。目前已经在7 0 0 a 的范围内得到了0 7 a 4 h z 的电流 分辨率【9 】，且线性较好，这是一种较为廉价的方法，并且不需要复杂的电隔离。 另外，由大雪等对电线施加的过量的压力可能会引发危险事件，因此在线检 测电线压力非常重要，特别是对于那些不易检测到的山区电线。光纤光栅传感器 可测电线的载重量，其原理为把载重量的变化转化为紧贴电线的金属板所受应力 的变化，这一应力变化被粘于金属板上的光纤光栅探测到。这是利用光纤光栅传 感器实现远距离恶劣环境下测量的实例，在这种情况下，相邻光栅的间距较大， 故不需快速调制和解调。此外，最近还报道了由两个5 5 0 刀7 1 波段的光纤光栅和 解调用的光谱仪所组成的传感器，成功地测量了高压变压器的绕线温度，在较大 的温度范围内的测量精度为2 l l 。 北京邮电人学硕士学位论文光纤光栅化学浓度传感器和解调技术的研究 1 2 5 在医学中的应用 医学中用的传感器多为电子传感器，它对许多内科手术是不适用的，尤其是 在高微波( 辐射) 频率、超声波场或激光辐射的过高热治疗中，由于电子传感器 中的金属导体很容易受电流、电压等电磁场的干扰而引起传感头或肿瘤周围的热 效应，这样会导致错误读数。为测定高频辐射或微波场的安全性，需用超声波传 感器检测一系列医疗( 包括超声手术、过高热治疗、碎结石手术等) 中所用的超 声诊断仪器的性能。近年来，使用高频电流、微波辐射和激光进行热疗以代替外 科手术越来越受到医学界的关注。而且传感器的小尺寸在医学应用中是非常重要 的，因为小的尺寸对人体组织的伤害较小，光纤光栅传感器是目前为止能够做到 的最小的传感器。光纤光栅传感器能够通过最小限度的侵害方式测量人体组织内 部的温度、压力、声波场的精确局部信息。 到目前为止，光纤光栅传感系统已经成功地检测了病变组织的温度和超声波 场，在3 0 一6 0 的范围内，获得了分辨率为0 1 和精确度为o 2 的测量结 果，超声场的测量分辨率为1 0 一a t m x h z ，这为研究病变组织提供了有用的信息 【l l 】 o 光纤光栅传感器还可用来测量心脏的效率。在这种方法中，医生把嵌有光纤 光栅的热稀释导管插入病人心脏的右心房，并注射入一种冷溶液，可测量肺动脉 血液的温度，结合脉功率就可知道心脏的血液输出量，这对于心脏监测是非常重 要的。新加坡南洋理工大学已经为国家总医院研制了一种光纤光栅压力传感器， 帮助医生对病人进行外科校正。 1 2 6 在化学传感中的应用 光纤光栅传感器可用于化学传感，因为光栅的中心波长随折射率的变化而变 化，而光栅间倏失波的相互作用以及环境中的化学物质的浓度变化都会引起折射 率的变化，如图1 1 【l 列所示。利用写在侧面磨光的d 形光纤上的光栅，可实现了 一些化学量的测量，最近报道这种光纤光栅已经成功地测量了材料的折射率【1 2 】。 长周期光栅( l p f g ) 与布拉格光纤光栅一样，也是由光纤轴向上产生周期性的折射 率调制而形成，其周期一般大于1 0 0 口1 7 。它的耦合机理是：向前传输的纤芯基 模被耦合入几个特定波长的向前传输的包层模，包层模很快损失掉，所以l p f g 基本上没有后向反射，在其透射谱中有几个特定波长的吸收峰。l p f g 对光纤包 层材料折射率的变化比上述的光纤布拉格光栅更为敏感，包层材料折射率的任何 变化都会改变传输光谱的特性，使吸收峰发生改变，所以长周期光栅折射率测量 系统的分辨率可实现l o - 7 的灵敏度。目前已经用长周期光栅测出了许多化学物质 的浓度，包括蔗糖、乙醇、己醇、十六烷、c a c l ：、n a c l ：等，原则上，任何具 有吸收峰谱并且其折射率在1 3 和1 4 5 之间的化学物质都可用长周期光栅进行探 测。 北京邮电大学硕士学位论文光纤光栅化学浓度传感器和解调技术的研究 f ll 、) v w ，7 if 1 _ - ， l 啪j 【i 姐h l 蛐 i jl o 、- 厂iu 一一 输入光 、。 锫出光 嫠州 砧 x 一 九一 图i - il p f g 对外界折射率的响应 1 3 本论文的主要工作 本论文主要进行了三个方面的工作：对温度影响光纤光栅化学浓度传感器的 的波长漂移进行分析，得出光纤光栅波长漂移与温度之间的数值关系，并设计了 一种温度不敏感补偿方案；对非平衡m a c h - z e h n d e r 干涉仪进行理论研究、数值 分析工作，提出保偏光纤光栅解调方式，并进行了实验、数值分析；提出了光纤 光栅无线传感网络的概念，设计了高效的m a c 协议，对光纤光栅无线传感网络 的指标进行了仿真。 参考文献 1 】k o h i l l ，y f u j i i ，d c j o h n s o ne ta 1 ，p h o t o s e n s i t i v i t yi no p t i c a lf i b e rw a v e g u i d e s ： a p p l i c a t i o n t or e f l e c t i o nf i l t e rf a b r i c a t i o n a p p l p h y s l e t t19 7 8 ，3 2 ( 10 ) ：6 4 7 - 6 4 9 2 】g m e l t z ，w w m o r e y , h g l e n n ，f o r m a t i o no fb r a g gg r a t i n g si no p t i c a lf i b e r sb y at r a n s v e r s eh o l o g r a p h i cm e t h o d o p t l e t t ，19 8 9 ，14 ( 15 ) ：8 2 3 - - 8 2 5 【3 】k o h i l l ，b m a l o ，f b i l o d e a ue ta 1 ，b r a g gg r a t i n g sf a b r i c a t e di nm o n o m o d e p h o t o s e n s i t i v eo p t i c a lf i b e rb ye x p o s u r et h r o u g hap h a s em a s k a p p l p h y s ，l e t t ，1 9 9 3 ，6 2 ( 1 0 ) ：1 0 3 5 1 0 3 7 4 p j l e m a i r e ，r m a t k i n s ，v m i z r a h ie ta 1 ，h i g hp r e s s u r eh zl o a d i n ga sa t e c h n i q u e f o ra c h i e v i n gu l t r a h i g hu vp h o t o s e n s i t i v i t ya n d t h e r m a ls e n s i t i v i t yi n g e 0 2d o p e d o p t i c a lf i b e r s e l e c t r o n l e t ，1 9 9 3 ，2 9 ( 1 0 ) ：1 9 9 1 1 9 9 2 5 v o h r as t d a v i sm ad a n d r i d g ea e ta 1 p r o c e e d i n g so f t h e1 2 mi n t e r n a t i o n a l c o n f e r e n c eo no p t i c a lf i b e rs e n s o r s w i l l i a m sb u r g u s a ，19 9 7 5 北京邮电大学硕士学位论文光纤光栅化学浓度传感器和解调技术的研究 【6 】w o l f g a n ge ，s t e p h a ng i n e sle ta l ，s p i e ，2 0 0 1 ，4 3 2 8 ：1 6 0 【7 】r a oyj ，h e n d e r s o npj ，j a c k s o nd ae ta l ，e l e c t r o n l e t t ，19 9 7 ，3 3 ：2 0 6 3 【8 m h s u n ，k a w i c k e r s h e i m ，a n dj k i m ，f i b e r - o p t i ct e m p e r a t u r es e n s o r si n t h em e d i c a ls e t t i n g ，p r o c s p i e ，1 9 8 9 ，v 0 1 1 9 6 7 ：1 5 - 2 1 【9 】s e n n h a u s e ru ，b r o n n i m a n nr ，n e l l e npm ，p r o cs p i e ，1 9 9 6 ，2 8 3 9 ：6 4 【1 0 f e r d i n a n dp ，f e r r s g uo ，l e c h i e njl e ta l ，jl i g h t w a v et e c h n a i ，1 9 9 5 ，1 3 ：1 3 0 3 【11 h e n d e r s o npj ，f i s h e rne ，j a c k s o nda p r o c e e d i n go ft h e12 t hi n t e r n a t i o n a l c o n f e r e n c eo no p t i c a lf i b e rs e n s o r s w i l l i a m s b u r g , u s a ，19 9 7 ，18 6 【12 h e a t h e rj p a t r i c k ，m e m b e r , a l a nd k e r s e y e ta l ，a n a l y s i so ft h er e s p o n s eo f l o n gp e r i o df i b e rg r a t i n g st oe x t e r n a li n d e xo fr e f r a c t i o n j o u r n a lo f l i g h t w a v et e c h n o l o g y ，19 9 8 ，16 ( 9 ) ：16 0 6 1612 6 北京邮电大学硕士学位论文光纤光栅化学浓度传感器和解调技术的研究 第二章光纤光栅制作关键技术及其分类 2 1 光纤的光敏性 无光敏性的光纤则很难刻上光栅，因此光纤的光敏性是形成b r a g g 光栅的关 键。制取具有特殊性质的光纤光栅往往需要很大的光栅调制幅度，采用增敏技术， 可在几乎所有种类的光纤上写入不同程度的光栅，所以提高光纤的光敏性在光纤 光栅制作中非常重要。 目前光纤增敏方法主要有： 1 、掺杂目前硼锗( b g e ) 共掺光纤已成为现在国际上写入紫外光纤光栅 的首选光纤，其紫外光敏性是目前发现的不用载氢处理光纤中最高的，它的折射 率调制深度可达l o o 以上，远高于普通光纤中的1 0 - 5 。b 元素增加光敏性的机理 尚不能定论，但有一点是可以确定的，即光纤中掺入b 后紫外曝光会释放应力， 引起较大的调制折射率变化。 2 、刷火用温度高达1 7 0 0 的氢氧焰来回灼烧要写入光栅的区域。持续2 0 分钟，可使折射率增大1 0 倍以上。这种方法的优点是定位集中，可行性好。 3 、载氢普通光纤在高压氢气中放置一段时间后，氢分子逐渐扩散到光纤 的包层和纤芯中，当用紫外光对载氢光纤曝光时，纤芯被照部分中的氢分子会与 锗发生反应形成g e o h 和g e h 键，从而使该部分的折射率发生永久性的增加。 通常常温下载氢过程需要数百小时或数天。经过载氢处理的普通光纤，其纤芯折 射率变化幅度可从1 0 巧提高到l o 2 。但载氢后光纤的光敏性是暂时的，因此载氢 后的光纤应马上进行紫外曝光。 2 2 光栅的制作方案 随着光纤光栅技术的发展，其制作技术也在不断发展成熟，本小节主要介绍 光纤光栅的制作技术。 2 2 1 驻波法h 2 羽 1 9 7 8 年h i l l 用图2 一l 所示的实验装置制作了历史上第一个b r a g g 光纤光栅。 其实现方法是，将波长4 8 8 n m 的单模氩离子激光从一个端面耦合输入到锗掺杂 光纤中，其反射光经过分光器由光电探测器l 探测，透射光则由光电探测器2 接 收。在光敏光纤中，由于光纤中的入射和反射光相干涉可形成驻波，因此光纤的 折射率会受到调制，形成与干涉图案相一致的立体折射率光栅。此方法是要求在 特制锗掺杂光纤中进行，要求锗含量很高，且写入效率低，对光源的相干性有一 定的要求。 北京邮电大学硕士学位论文光纤光栅化学浓度传感器和解调技术的研究 2 2 2 全息法陉- 3 i 帕 图2 - 1 驻波法 全息干涉法又称外侧写入法，如图2 2 所示。m e l t z 等人用准分子激光干涉 实现横向侧面曝光制作了光纤光栅，他们用两束相干紫外光束在掺锗光纤的侧面 相互干涉，利用光纤材料的光敏性形成光纤光栅。光栅周期由人= 五2 s i n 矽给 出。可见，通过改变入射光波长或两相干光束之间的夹角，可以改变光栅周期， 获得所需波长的光纤光栅。这种光栅制造方法采用多脉冲重复曝光技术，光栅性 质可以精确控制，但是易受机械震动的影响。 2 2 3 干涉法5 町 图2 - 2 全息法 利用此技术制作光纤光栅的干涉装置可以用棱镜或者洛埃镜。图2 - 3 ( a ) 为使 用棱镜干涉法制作光纤光栅的示意图。在这个装置中，紫外光束在棱镜的输入面 上通过折射而横向展宽，展宽的光束一分为二，一半光束在棱镜表面上发生全内 反射，然后，与另一半光束在棱镜的输出面上产生干涉。放在此装置之前的柱状 透镜有助于沿着纤芯所形成的干涉图样在一条直线上。用洛埃镜干涉系统制作光 纤光栅的实验装置如图2 - 3 ( b ) 所示。 北京邮电大学硕士学位论文光纤光栅化学浓度传感器和解调技术的研究 ( a ) ( b ) 图2 - 3 干涉法( a ) 棱镜干涉法( b ) 洛埃镜干涉法 2 2 4 相位掩膜法叭8 1 图2 - 4 ( a ) 、( b ) 分别为相位掩膜法的模板衍射示意图和制作装置图，该方 法的具体操作是：将光敏光纤紧紧贴于相位模板的后表面，紫外光经模板后发生 衍射，它干涉条纹的周期是模板周期的一半，这种条纹写在光敏光纤上，即制成 了光纤光栅。这种方法的突出优点是：光栅周期与紫外光波长无关，仅由模板周 期决定，重复性好；与干涉法相比，大大简化了光纤光栅的制作过程，且降低了 对写入装置的稳定性要求以及紫外光源的要求；相位模板法易于实现批量生产。 这种方法的最大缺点就是不同周期的光纤光栅需要不同的相位模板，而模板的价 格很高，投入较大。 光环形器 ( b ) 图2 - 4 相位掩模法( a ) 相位模板衍射示意图( b ) 相位模板法实验装置图 2 2 5 逐点写入法- 蚰 光 对于工作波长在1 5 5 u m 的光纤光栅，它的周期约为0 5 u r n ，而2 4 4 n m 波长 的紫外光的衍射极限是0 2 5 u r n ，因此可用逐点写入法对光栅折射率进行周期性 调制。逐点写入法就是用极窄的激光束每隔一定的距离在光敏光纤上曝光一次， 从而在光纤上形成周期性的曝光点以形成光栅，这种方法的优点是制作的光栅波 长不受限制，缺点是要求控制精度高，工作量大，耗时长，因而不适宜进行批量 成产。 北京邮电大学硕士学位论文 光纤光栅化学浓度传感器和解调技术的研究 2 2 6 莫尔条纹振幅模版法 应用莫尔条纹模板制作光纤光栅的方法与相位模板法相同，装置图如图2 5 所示。它将两块透射光栅重叠在一起，其栅线之间存在一个微小角度时，在透射 光中可得到一组与刻线垂直的条纹就是莫尔条纹。当两光栅之间的夹角o c 发生变 化的时候，莫尔条纹的间隔也随之而变化。莫尔条纹的这种特性可以制作成振幅 膜版，实现用一块膜版制作不同周期的光栅。 准分干激光器发出的紫外兄 2 2 7 在线写入法眨1 1 1 光环形器 图2 - 5 莫尔条纹振幅膜板法 盘 u t - l e 测仪 干涉i 氓1 甘埚 慕 紫外灯 审斗 引盘 例 图2 - 6 直接写入法 南安普顿大学的ld o n g 等人采用脉冲单点激射的方法，首次实现了在光纤 拉制过程中写入光纤光栅的实验，如图2 - 6 所示。它是光纤拉制过程中在裸光纤 上直接写入光栅，接着进行涂覆，从而避免了光纤受到额外的损伤，保证了光栅 的良好强度和完整性，该方法可用于大批量的工业化生产。 2 3 光纤光栅的切趾技术 一般来说，实际应用的光栅是经过切趾的光栅，未经过切趾的光纤光栅会产 生非常大的的旁瓣，其时延振荡也非常明显。图2 - 7 ( a ) 、( b ) 分别是未经切趾的均 匀光栅和啁啾光栅的反射和时延特性。图2 - 8 ( a ) 、( b ) 分别是切趾交流成分后的均 匀光栅和啁啾光栅的反射和时延特性。从图2 7 和图2 8 可知，光纤光栅经切趾 北京邮电大学硕士学位论文光纤光栅化学浓度传感器和解调技术的研究 后可有效抑制反射谱的旁瓣和时延的抖动。因此，光纤光栅的切趾是一项非常重 要的技术。 ( a )( b ) 图2 - 7 ( a ) 未切趾均匀光栅( b ) 未切趾的啁啾光栅 ( a )( b ) 图2 - 8 ( a ) 切趾后的均匀光栅( b ) 切趾后的啁啾光栅 在实际的光栅制作中，光栅切趾是同时对光栅直流成分和交流成分的切趾， 而交流成分的切趾影响反射旁瓣和时延特性，直流成分的切趾往往改变光栅的啁 啾特性，因此实际制作中往往需要二次切趾技术。本节主要分析了直流切趾对光 栅特性影响，并介绍了几种常用切趾技术。 2 3 1 直流切趾对光栅的影响 考虑到直流切趾后，光纤光栅模耦合方程中的直流耦合系数为： 仃= 吒+ 乃 ( 2 1 ) 其中= 等磊万为光栅本身的直流耦合系数，磊谚为光栅折射率调制深度，乃为 引入的与光栅无关的直流耦合系数，该系数由直流切趾造成。为方便讨论，我们 假设直流切趾造成纤芯有效折射率变化为，( z ) ，且为缓变函数，则( 2 一1 ) 式 可变为： 北京邮电大学硕士学位论文光纤光栅化学浓度传感器和解调技术的研究 莎：等瓦矿+ 等( z ) ( 2 2 ) 一 将( 2 2 ) 式代入模耦合方程并整理得： 捌+ 等叫1 掣 陆3 ， 可见，直流切趾可等效为光栅啁啾，直流切趾对光栅特性的影响实际上就是纤芯 折射率微扰对光栅特性的影响。假设由直流切趾造成的光栅啁啾为死( z ) ，则有 九( z ) = 一晔( z ) 出 ( 2 4 ) 九( z ) = 一i 寻却够( z ) 出 ( 2 - ) 式( 2 - 4 ) 为光栅直流切趾与光栅啁啾之间的关系。 均匀周期f b g 有砂( z ) = o ，由( 2 3 ) 式可知，通过选取合适的切趾函数就可使 均匀光栅变为啁啾光栅；对于啁啾光栅而言，通过选取合适的直流切趾函数就可 使其具有所预期的啁啾特性。图2 - 9 为均匀周期f b g 经线性直流切趾后的反射 和时延特性的仿真图，其直流切趾函数为：( z ) = 9 2 9 1 x 1 0 z ，光栅参数为：光 栅长度l = 4 c m ，光栅周期人= 0 5 3 5 5 2 p m ，纤芯有效折射率= 1 4 4 7 ，折射率调制深 度历谚= l x l o 。，为抑制时延和旁瓣，我们采用升余弦函数对光栅交流分量进行了 切趾。如图2 - 9 所示，均匀周期的f b g 经线性直流切趾后有了线性啁啾f b g 的 时延特性。 ， 8 0 1 斛9 6 5 伯81 鳓01 5 5 0 2 w a v e l e n g t h ( n m ) 图2 - 9 线性直流切趾后的均匀周期f b g 的反射和时延特性 上述分析可见：直流变化影响光栅的啁啾特性，因此在啁啾光栅制作中应尽 量减少直流变化；线性直流切趾可使光栅具有线性啁啾。 2 3 2 光纤光栅二次切趾技术 在制作光纤光栅切趾中会引起直流变化，图2 1 0 分别为制作过程中光纤光 栅的折射率调制变化。从2 1 0 ( a ) 可见，不切趾时光栅的折射率调制系数万n 够无 变化。对光栅进行一次高斯切趾后如图2 - l o ( b ) 所示，其折射率调制系数万不 d童口口西万y(暑一 枷 蛳 抛 御 o o 一零一参i；oo写芷 北京邮电大学硕士学位论文光纤光栅化学浓度传感器和解调技术的研究 再为常数，而是一高斯函数万刀够( z ) ，这可看作在原来无变化的基础上引入额外 的直流变化。由以上讨论结果可知，这个直流的高斯变化会影响原有光栅的啁啾 特性，所以我们需要图2 一l o ( c ) 所示的二次直流切趾来补偿这个直流变化，使其 补偿后的折射率调制系数为一常数如图2 1 0 ( d ) 所示。这样我们就可以补偿制作 切趾时引入的直流变化，使光栅的啁啾特性与设计的啁啾特性保持一致。 ( a ) 不切趾时平均折射率调制系数无变化 ( b ) 高斯切趾后平均折射率调制系数变化为高斯函数 ( c ) 与高斯切趾互补的直流切趾 ( d ) 二次切趾后平均折射率调制系数无变化 图2 - 1 0 切趾时的光栅平均折射率调制系数变化 2 3 3 实际制作中的切趾技术t 1 删 2 3 3 1 相位模板切趾技术 图2 1