（微电子学与固体电子学专业论文）基于光纤光栅地震传感器的研究.pdf

摘要 随着地震勘探技术的发展，特别是高分辨率勘探的深入，对地震数据采集的 精度和质量要求也越来越高，即要求高分辨能力、高信噪比、高保真度、高清晰 度、高精确度和高可信度以便更好地识别岩性、流体、裂缝油藏，以及改进油藏 定位、储集特征、油藏连通性的描述和提高采收率等。本论文提出了一种新型的 双膜片结构的光纤光栅式地震传感器，为地震勘探“六高”要求提供了理想的技术 手段。 论文主要分为四个部分：地震检波器的发展背景、光纤光栅和d f b 光纤激 光器的基本原理及结构、光纤光栅和d f b 光纤激光器地震传感系统技术方案、 双膜片结构的光纤光栅地震传感器和d f b 光纤激光地震传感器。 从耦合波理论和传输矩阵法出发，分析了光纤光栅和d f b 光纤激光器的光 谱特性及其传感原理；介绍了基于光纤光栅和d f b 光纤激光器地震传感器的系 统方案及其组网技术；详细介绍了上述传感系统中关键部件一非平衡m i c h e l s o n 的光纤干涉仪的封装技术，由于光纤干涉仪容易受到外界温度、声音、振动的影 响，会引起远高于解调系统分辨率的相位噪声。本文从噪声控制理论和振动控制 理论出发，给出了光纤干涉仪的隔声隔振的封装方案，并对其进行了隔声和隔振 的实验。实验表明，该干涉仪封装结构隔声隔振效果明显，平均隔声量为3 0 d b ， 隔振效果为2 0 d b ，提高了光纤干涉仪抗环境干扰能力。提出了一种双膜片结构 的光纤光栅式地震传感器，该结构可以有效的限制传感器横向振动。从弹性力学 基本原理出发，建立了双膜片结构光纤光栅地震传感器的力学模型，分析了双膜 片结构光纤光栅地震传感器在外界振动信号下的加速度响应，同时给出了影响光 纤地震传感器灵敏度的因素。实验发现制作的光纤光栅地震传感器纵向加速度灵 敏度为2 4 5 p m g ，自振频率为8 9 0 h z ，横向加速度灵敏度约为纵向的1 0 。 关键词：地震检波器光纤光栅、双膜片结构 a b s t r a c t a l o n gw i t ht h ed e v e l o p m e n to fs e i s m i ce x p l o r a t i o nt e c h n o l o g y , e s p e c i a l l yt h e h i g h - r e s o l u t i o nd e p t he x p l o r a t i o n t h eh ig h e rr e q u i r e m e n ta b o u ta c c u r a c ya n dq u a l i t y h a sb e e np r o p o s e d i no r d e rt og e tb e t t e ri d e n t i f i c a t i o no fl i t h o l o g y , f l u i d ，f r a c t u r e d r e s e r v o i ra sw e l la si m p r o v e dr e s e r v o i rl o c a t i o n ，r e s e r v o i rc h a r a c t e r i s t i c s ，r e s e r v o i r c o n n e c t i v i t ya n de n h a n c e do i lr e c o v e r ya n ds oo n h i g h r e s o l u t i o nc a p a b i l i t y , h i g h s n r ，h i g h f i d e l i t y , h i g h d e f i n i t i o n ，h i g ha c c u r a c ya n dh i g hc o n f i d e n c ew i l lb e r e q u i r e d o nt h et h e s i s ，an e wt y p eo fd o u b l e d i a p h r a g ms t r u c t u r eo ff i b e r - o p t i c s e i s m i cs e n s o r sh a sb e e np r e s e n t e d t h es e i s m i ce x p l o r a t i o nf o rt h e ”s i xh i g h ” r e q u i r e m e n ta sa ni d e a lt e c h n i c a lm e a n si so r o v i d e d t h et h e s i si n c l u d e sf o u rs e c t i o n s ：t h ed e v e l o p m e n t a lb a c k g r o u n do fg e o p h o n e t h eb a s i cp r i n c i p l ea n ds t r u c t u r eo ff i b e rb r a g gg r a t i n g sa n dd f bf i b e rl a s e r , t h e t e c h n o l o g yp r o g r a mo ff i b e ro p t i cs e i s m i cs e n s i n gs y s t e m s ，d o u b l e d i a p h r a g m s t r u c t u r eo ff b g g e o p h o n ea n dd f b f i b e rl a s e rg e o p h o n e b a s e do nt h et h e o r yo ft h ec o u p l e dw a v ea n dt h et r a n s f e rm a t r i xm e t h o d ，t h e s p e c t r a lc h a r a c t e r i s t i c sa n ds e n s o rp r i n c i p l e so ft h ef i b e rb r a g gg r a t i n g sa n dd f b f i b e rl a s e rh a v eb e e na n a l y z e d t h es y s t e ms o l u t i o na n di t sn e t w o r kt e c h n o l o g yw h i c h i sb a s e do nt h es e i s m i cs e n s o r so ff i b e rb r a g gg r a t i n g sa n dt h es e i s m i cs e n s o r so f d f bf i b e rl a s e ri si n 仃o d u c e d i nt h es e n s o r s y s t e m t h ek e yc o m p o n e n t - - t h e p a c k a g i n gt e c h n o l o g y o fu n b a l a n c e dm i c h e l s o n f i b e r - o p t i c i n t e r f e r o m e t e ri s i n t r o d u c e di nd e t a i l t h eo p t i c a lf i b e ri n t e r f e r o m e t e ri sv u l n e r a b l et oo u t s i d e t e m p e r a t u r e ，s o u n da n dv i b r a t i o n ，s oam u c hh i g h e rp h a s en o i s et h a nt h er e s o l u t i o no f t h ed e m o d u l a t i o ns y s t e mi sc a u s e d b a s eo nt h et h e o r yo fn o i s ec o n t r o la n dt h et h e o r y o fv i b r a t i o nc o n t r 0 1 t h ep a c k a g ep r o g r a mo fs o u n di s o l a t i o na n dv i b r a t i o ni s o l a t i o ni n t h ef i b e r - o p t i ci n t e r f e r o m e t e ri sg i v e n a n da ne x p e r i m e n ta b o u ts o u n di s o l a t i o na n d v i b r a t i o ni s o l a t i o nh a sb e e nd o n e t h er e s u l to ft h ee x p e r i m e n ts h o w st h a tt h ee f f e c to f t h es o u n di s o l a t i o na n dv i b r a t i o ni s o l a t i o ni nt h ei n t e r f e r o m e t e rw i t hp a c k a g es t r u c t u r e i so b v i o u s t h ea v e r a g ev o l u m eo fn o i s ei s3 0 d b t h ee f f e c to fv i b r a t i o ni s o l a t i o ni s 2 0 d b t h ea n t i e n v i r o n m e n t a l i n t e r f e r e n c e c a p a b i l i t y i nt h e o p t i c a l f i b e r i n t e r f e r o m e t e rh a sb e e ni m p r o v e d ad o u b l em e m b r a n es t r u c t u r eo ff i b e r - o p t i cs e i s m i c s e n s o r si sp r o p o s e d ，w h o s es t r u c t u r ec a ne f f e c t i v e l yr e s t r i c tl a t e r a lv i b r a t i o ns e n s o r s b a s eo nt h ep r i n c i p l eo fe l a s t i c i t y , t h em e c h a n i c a lm o d e lo ff i b e r - o p t i cs e i s m i cs e n s o r s w i t hd o u b l e d i a p h r a g ms t r u c t u r eh a sb e e ne s t a b l i s h e d t h ee x t e r n a la c c e l e r a t i o n r e s p o n s eu n d e rv i b r a t i o ns i g n a li nt h ef i b e r - o p t i cs e i s m i cs e n s o r sw i t ht h ed o u b l e m e m b r a n es t r u c t u r eh a sb e e na n a l y z e d t h ef a c t o r st h a tt h es e n s i t i v i t yi se f f e c t e dh a s b e e np r e s e n t e d f r o mt h ee x p e r i m e n t i tw a sf o u n dt h a tt h el o n g i t u d i n a la c c e l e r a t i o n s e n s i t i v i t yi nt h ef i b e rg r a t i n gs e i s m i cs e n s o r si s2 4 5 p m g ，t h en a t u r a lf r e q u e n c yi s 8 9 0 h z ，a n dt h el a t e r a la c c e l e r a t i o ns e n s i t i v i t yi sa b o u t1o k e yw o r d s ：g e o p h o n e f i b e rb r a g g g r a t i n g sd o u b l e d i a p h r a g ms t r u c t u r e i i 原创性声明 本人郑重声明：本人所呈交的学位论文，是在导师的指导下 独立进行研究所取得的成果。学位论文中凡引用他人已经发表或 未发表的成果、数据、观点等，均已明确注明出处。除文中已经 注明引用的内容外，不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写 过的科研成果。对本文的研究成果做出重要贡献的个人和集体， 均已在文中以明确方式标明。 本声明的法律责任由本人承担。 论文作者签名：蚌。日 关于学位论文使用授权的声明 本人在导师指导下所完成的论文及相关的职务作品，知识产 权归属兰州大学。本人完全了解兰州大学有关保存、使用学位论 文的规定，同意学校保存或向国家有关部门或机构送交论文的纸 质版和电子版，允许论文被查阅和借阅；本人授权兰州大学可以 将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以 采用任何复制手段保存和汇编本学位论文。本人离校后发表、使 用学位论文或与该论文直接相关的学术论文或成果时，第一署名 单位仍然为兰州大学。 保密论文在解密后应遵守此规定。 论文作者签名：碑导师签名： 兰州人学硕上学位论文 第一章绪论 本章为绪论部分，主要包括以下内容：l 、地震检波器的发展概况，包括不 同种类地震检波器性能特点；2 、光纤地震传感器的特点；3 、光纤地震传感器研 究现状；4 、本课题研究意义和主要研究内容。 1 1 地震检波器概述 地震勘探是二战后发展变化最快的地球物理勘探方法之一。它的原理是利 用人工激发的地震波在弹性不同的地层内传播规律来勘探地下的地质情 况。在地面某处激发的地震波向地下传播时，遇到不同弹性的地层分界面 就会产生反射波或折射波返回地面，用专门的仪器可记录这些波，分析所 得记录的特点，如波的传播时间、振动形状等，通过专门的计算或仪器处 理，能较准确地测定这些界面的深度和形态，判断地层的岩性，其广泛应 用于石油、天然气、金属矿藏、煤炭、地质工程、水文地质和地热的勘探。 地震勘探基本工作包括激发地震波、地震信号拾取、地震信号传输、 地震信号采集和地震资料处理解释五方面。地震信号拾取是地震勘探中的 一环，而地震检波器作为野外采集资料的第一环，在地震勘探中起着至关 重要的作用，其性能的好坏直接影响采集资料质量和地震资料的解释工作。 地震勘探系统的主要组成部分工作流程图如图1 1 所示： 图1 1 地震勘探系统工作流程图 地震检波器是用于地震勘探和工程测量的专用传感器，是把人为激发 震源的直达波或各地层的反射波( 简称为地震信号) 转换为光电信号，然后输 入到地震信号采集仪器的一种装置。地震检波器的发展大致经历了3 个阶段： 1 9 7 8 年以前，地震检波器以窄频带( 1 4 6 0 h z ) 、低灵敏度( 3 0 r i b ) 为主，型号也比 较单一；8 0 年代中期，地震检波器实现了数字化，计算机数据处理能力也相继 发展，重要的是三维地震、高分辨率地震、v s p 地震测井新技术的出现，扩大了 地震勘探的领域( 山地、戈壁、沙漠、滩海及海上) ，地震检波器在性能及型号和 品种上在这一时期发生了本质的变化，一大批不同技术指标的高性能地震检波器 相继出现，地震检波器的灵敏度、自然频率、失真系数、假频系数等技术指标都 ! 州大学颈学位论立 得到很大改进，其性能及使用范围大大提高，井下检波器，海上压电检波器等相 继研制成功；8 0 年代中末期至现在，三维地麓、高分辨率地震日益成熟，出现 了四维地震、多波多分量勘探、井闻地震等新技术和新方法，与之相适应，检波 器的型号和品种也越来越丰富【l l 。目前地震检波器主要包括压电式、动圈式、涡 流式、m e m s 数字式、光纤式等地震检波器，下面将分别介绍这几种检波器。 iii 压电地震检波器i 卜3 l 压电地震检波器是利用压电材料的压电效应实现对地震信号的探测，在外力 的作用下，在压电材料表面产生电荷，其电荷与所收外力成正比，从而实现机械 能转化为电能的目的。目前常用的压电材料有锆钛酸铅( p z t ) 等。 垦勉煮乞煮 匿 熏泵 兰州大学硕士学位论文 图1 3 动圈检波器结构示意图 动圈地震检波器结构示意图如图1 3 所示，它有两个系统组成：弹簧、 质量块、线圈及外壳构成的机械振动系统；磁性材料构成的磁路系统。当 检波器感受到振动时，质量块将带动线圈与磁场作相对运动，线圈切割磁 感线产生感应电流，实现将振动信号的机械能转化为磁场中运动线圈的电 能来检测地震信号。 1 1 3 涡流地震检波器【5 】 涡流地震检波器最早于1 9 8 5 年由美国o y o 公司开发出来，1 9 8 6 年进入 市场。涡流检波器也是利用电磁感应原理制成的一种加速度型检波器。 图1 4 涡流检波器结构示意图 涡流地震检波器结构示意图如图1 4 所示。它也有两个系统那个组成， 铜套管、弹簧、外壳、线圈组成的机械振动系统；e 型永久磁性材料形成一 个闭合的磁路系统。当检波器感受到振动信号时，悬挂于检波器内磁场中 铜套管上下振动，切割磁感线，使其产生电涡流，该电涡流在固定线圈中 诱导出互感电动势。 1 1 4m e m s 数字地震检波器【6 j 二十一世纪初，法国的s e r c e l 公司、美国的u o 公司研发出一种新的电容式地 震勘探m e m s ( e 口微电子机械系统) 传感器。基于m e m s 技术的数字检波器的核心 是m e m s 传感器，它以硅材料为基底，采用微机械加工工艺和i c 工艺加工出差动 电容式微机械加速度计。这种加速度计是集微型传感器、执行器、信号处理器以 及控制电路、接口电路、通信电路和电源为一体的微型机电系统。 兰州大学硕士学位论文 图1 5m e m s 地震检波器结构示意图 m e m s 地震检波器结构示意图如图1 5 所示，m e m s 机械振动系统由质量体、 弹簧、端盖、框架构成，质量体的两面镀有金属导电物，在端盖与质量体相对面 上也就是顶盖和底盖上也镀有金属，这样就形成了一个差动电容器，加上相应的 电路就可以成为电容式加速度传感器。 1 1 5 光纤地震传感器 光纤地震传感器是一种建立在光纤技术和集成光电子技术基础上新型 的地震传感器。它一般通过高灵敏度的光纤干涉技术，将振动信号转化成 光信号，并通过光纤传至信号采集系统提取地震信息。 如表1 1 所示，根据信号在光纤中被调制的方式，目前常见的光纤地震 传感器有下面三种类型：强度调制型、相位调制型和波长调制型【7 1 。 表1 1 典型光纤地震传感器及特点 类 光强调制相位调制 波长调制 型 优 结构简单、原理简单灵敏度高、动态范围大组网简单、结构轻巧 点 灵敏度低、动态范围 缺较小、容易受光源影结构复杂、工艺复杂、 灵敏度低、动态范围小 点响，对光源稳定性要组网成本较高 求高、不方便组网 国内外研究机构、高校国内外研究机构、高校 现 几乎淘汰以及企业单位已有相以及企业单位已有相 状 关产品问世关产品问世 4 兰州大学硕士学位论文 由于强度调制型的光纤地震传感器无论灵敏度和动态范围都不能满足地震 勘探的使用需求，已经淡出人们的视线，而以干涉式为代表的相位调制型和光纤 光栅式为代表的波长调制型地震传感器得到了大力的发展和推广。 1 2 光纤地震传感器特点 ( 1 )低噪声探测特性 光纤地震传感器大多采用光纤干涉技术，灵敏度高，可检测最小信 号与自噪声之比比传统的地震检波器要高2 3 个数量级，这使探测更微 弱的信号成为可能。 ( 2 ) 低频探测特性 光纤地震传感器频响特性好，带宽宽，可以响应甚低频。在地震勘 探中，低频信号的传播损失远小于高频信号，而传统的地震检波器对低 频信号、甚低频信号的拾取能力较差。 ( 3 ) 动态范围大 传统的压电地震检波器的系统动态范围一般在8 0 d b 9 0 d b ，而采用 光纤地震传感器的系统动态范围可以到1 2 0 d b 1 4 0 d b 。 ( 4 ) 抗电磁干扰与抗信号串扰能力强 全光光纤地震传感器从传感器探头到信号传输均以光纤为载体，无 电磁干扰影响，各通道信号串扰小。 ( 5 ) 信号传感与传输一体化，适用于远距离传输 全光地震传感器光信号经过光纤传输至探头，拾取地震信号在经过 光纤传回采集设备。由于探头敏感元件由光纤制作而成，实际上光信号 至始至终在光纤中传输，实现了信号传感和传输的一体化，使系统结构 简单。而且光纤传输损耗小，适用于长距离传输。 ( 6 )稳定性和可靠性高 采用全光光纤地震传感器阵列，传感头无任何电子设备，而光纤耐 高温、抗腐蚀、抗老化等特性大大提高了系统的稳定性和可靠性。 ( 7 )适用于大规模组网 结合光通信中的波分、频分、时分和空分等技术进行多路复用，适 用于地面阵列的大规模组阵。 兰州大学硕士学位论文 ( 8 ) 体积小巧，便于工程应用 采用全光纤地震传感器的地震勘探系统，探测缆及传输缆皆为光 缆。光缆无铜。更加轻便，使系统的收放更加简单，降低了工程应用的 难度。 总之光纤地震传感器灵敏度高，带宽宽，低频特性好，传感头无任 何附加电子设备，稳定性高，结构小巧，抗腐蚀，传输距离远，动态范 围大，与现有的光纤通信网络兼容，可以依托现有光通信系统组成大规 模的传感阵列。基于这些特点的光纤传感地震勘探系统，实现了传感网 络和信息传输网络一体化，系统结构简单，工程应用要求降低，在减少 系统成本的同时，大幅提高了系统的性能。 1 3 光纤地震传感器研究现状 1 8 7 0 年，英国物理学家t y n d a l l 验证了光可以在弯曲水流中传播，证明了全 反射现象的存在。在1 9 5 3 年伦敦争家科学技术学院的k a p n y 开发出了用不同光 学玻璃作芯和包层的包层纤维，并首次给出了“光纤”这个名词。1 9 6 6 年华裔科 学家高锟博士发表了具有里程碑意义的论文，针对当时光纤传输损耗到达 1 0 0 0 d b k m 的情况明确指出，要解决的主要技术问题是通过改进光纤制备工艺 和原材料的成分，可以把损耗降至每千米几分贝以下。1 9 7 0 年康宁公司根据高 锟博士的思想，率先研制出衰减小于2 0 d b k m 的光纤，成为世界上公认的第一 根通信用光纤。在之后的几十年时间罩，光纤的损耗已下降到o 1 5 d b k m ，光纤 通信在全世界范围内形成了一个新兴而充满活力的产业，并且带动了半导体集成 光电子技术以及光纤器件的发展【8 1 。在此技术背景下，光纤传感技术应用而生， 并且迅速发展，应用领域不断扩大，光纤地震传感器便是其中一个重要的应用领 域。 1 3 。1 国外研究动态 美国是最早研究光纤传感技术的国家，在军事和民用领域均取得了广泛的应 用。在1 9 8 7 年美国海军实验室( n r l ) g a r r e t t t 9 1 等人在光纤水听器的研究基 础上开展了对光纤地震传感器的研究，该课题小组采用m i c h e l s o n 干涉方法，研 制出了灵敏度高达1 0 5 0 0r a d g ，分辨力为1n g 4 - h s z 的光纤地震传感器。从1 9 9 3 年开始了对光纤传感器的大规模应用研究，其中采用m a c h z e h n d e r 干涉方法的地 6 兰州大学硕士学位论文 震传感器相位分辨力高达1 0 - 6 r a d h z 。2 0 0 6 年美国p g s 石油勘探公司把光纤 地震传感器应用于海洋和陆上地震信号采集，并实现了大规模组网技术。光纤地 震传感器在日本也发展较早，1 9 8 8 年日本中央研究所研制出了光纤声音和振动传 感器。2 0 0 2 年日本海洋研究中心( j m s t ) 报道了大规模干涉式光纤地震传感器 阵列应用于海底地震勘探，分辨力达到3 0 n g h z 1 0 h z 。其它西欧国家也广 泛开展了光纤地震传感器的研究。随着光纤光栅制造技术和工艺的不断完善，光 纤光栅振动传感器成为光纤传感器又一个新的研究热点，在石油、航空、桥梁、 建筑等场合取得了广泛的应用。与此同时各研究单位也歹f ：始了对光纤光栅地震传 感器的研究。从1 9 9 8 年开始，美国s t e v e n s 理i 学院h o n g l i a n gc u i 教授【l o 】开展了 光纤光栅( f b g ) 地震传感器的研究，并最早应用于地震波的探测。 1 3 2 国内研究动态 国内光纤地震传感器的研究起步相对较晚，从上个世纪9 0 年代初开始，清华 大学、南开大掣12 1 、天津大学13 1 、哈尔滨工业大掣14 1 、北京理工大学等数十 家单位相继展开了光纤振动传感器的研究。1 9 9 9 年，南丌大学研制全光纤加速度 型地震传感器，采用m i c h e l s o n 干涉方案，制作了顺变柱体型的传感器和信号解 调系统。2 0 0 1 年北京理工大学的江毅开展了多通道光纤振动传感系统的研究，用 于大型电机安全的监测。 1 4 本课题的研究意义和主要研究内容 在地震勘探活动中，为了了解地下构造形态和沉积环境，勘探过程中激发的 地震信号是一个相对的频宽信号，而大地作为一个低通滤波器对高频信号的衰减 较强，从而使得非常重要的高频反射和折射信息非常的弱。因此地震勘探工作者 对地震数据采集的动态范围与信号保真性的要求是无止境的，同时也促进地震物 探装备技术的不断进步。随着数据记录系统动态范围的突破，地震检波器在整个 数据的采集环节中的作用与对数据采集品质的影响而受到各方面的极大关注，地 震采集数据的品质基本上取决于检波器本身的品质、埋置环境与记录数据系统的 性能，通常埋置条件是共性因素和可控因素，目前数据采集系统的动态范围可达 到1 2 0 d b ，因此检波器本身的动态范围也基本上决定了整个数据采集过程中最大 的有效动态范围。因此提高地震检波器的动态范围成为未来地球物理勘探技术对 地震检波器的首要技术要求。 7 兰州大学硕十学位论文 随着地球物理勘探技术的发展，特别是高分辨率勘探的深入，对地震数据采 集的精度和质量要求也越来越高，即要求高分辨能力、高信噪比、高保真度、高 清晰度、高精确度和高可信度以便更好地识别岩性、流体、裂缝油藏，以及改进 油藏定位、储集特征、油藏连通性的描述和提高采收率等。先进的光纤传感技术 为地震勘探六高要求提供了理想的技术手段，光纤光栅一经问世，即以其高精度 频繁应用于直径、缝隙、位移的测量，应用技术已相当成熟，光纤光栅器件经过 几十年的发展，制作工艺技术已趋于成熟，能够满足地震勘探的六高要求，利用 光纤光栅作为敏感元件检测地震波已成为地震检波器的研究热点。 本论文第二章介绍了光纤光栅地震传感器的基本原理，分析了作为光纤地震 传感器敏感元件光纤光栅( f b g ) 和d f b 光纤激光器的基本结构和工作原理， 以及f b g 的现有制作技术；第三章介绍了f b g 地震传感器和d f b 光纤激光地 震传感器的系统方案，第四章介绍了一种双膜片结构型f b g 地震传感器和d f b 光纤激光地震传感器，该章对双膜片结构进行了详细的理论分析，并通过实验验 证了此结构设计的合理性和实用性。第五章是对本论文工作的总结和后续工作的 展望。 兰州人学硕上学位论文 第二章光纤光栅传感原理 光纤传感的基本原理是将光源的光经光纤传送至光纤传感区，在传感区内， 外界待测参量与进入传感区内的光相互作用，使光的光学性质如光强、频率、波 长、相位、偏振态等发生变化成为被调制的信号光，然后经过传输光纤送入光电 探测器、调制器获得外界待测物参量。 光纤传感器按光纤和光的作用机理，可分为功能型传感器和非功能型传感 器。功能型传感器是利用光纤直接与外界环境的待测参量相互作用来调制光信 号，适用于测量转速、加速度、声源、压力和振动等。非功能型是将光纤作为传 播光的介质，对外界环境参量的“传感”功能是依靠其他物理性质的功能元件完成 的，适用于测量角度位置、温度、液位以及过程控制中的流量等。按照光纤内传 输模式数量，光纤传感器可分为单模传感器和多模传感器。单模传感器纤芯很细， 能大大的降低信号的失真和损失程度。多模传感器能传输更多的光，但由于具有 多个通道，并对入射光散射和存在模式色散，所以信号损失和失真比较严重。光 纤传感器还可以按照信号在光纤中被调制的方式不同，可分为强度调制型、相位 调制型、波长调制型、频率调制型和偏振态调制型。 本章主要介绍了作为光纤光栅式地震传感器敏感元件的f b g 和d f b 光纤激 光器的基本结构和工作原理，并对现有光纤光栅的制作工艺进行了介绍。 2 1光纤光栅( f b g ) 1 9 7 8 年加拿大渥太华通信研究中心的k o h i l l 等人首次在掺锗石英光 纤中发现了光敏效应，并采用驻波法制作了世界上第一支光纤光栅【l 引。1 9 8 9 年，美国联合技术研究中心的g m e l t z 等人【i6 】利用掺锗光纤的紫外光敏特 性，用2 4 4 n m 波长的紫外激光干涉条纹侧面照射掺锗光纤，将任意工作波 长的位相光栅写进纤芯，形成光纤内布拉格光栅，使光纤光栅的制作技术 有了突破性的进展。随后k o h i l l 等人【 1 在1 9 9 3 年提出的相位掩模制造法， 使光纤光栅制作技术取得巨大发展，使光纤光栅的大批量制作成为可能， 光纤光栅逐步走向实用化。光纤光栅优秀的性能，使其成为近几年发展最 快的光纤无源器件之一，它的出现在光纤技术以及众多相关领域中引起了 一场新的技术革命。 光纤光栅最初主要应用在光纤通信系统，作为波分复用系统的波长选 择元件。后来发现光纤光栅对应变和温度十分敏感，并其反射波长的漂移 9 兰州大学硕十学位论文 量和应变、温度呈线性关系，从而在光纤传感领域中引发了十分广泛的研 究兴趣。目前，以光纤光栅作为敏感元件封装后应用于温度【1 引、应力19 1 、 振动【20 1 、压力【2 1 1 、流量【2 2 1 、倾角【2 3 】以及化学量 2 4 】等很多参量的测量。 2 2 光纤光棚( f b g ) 原理分析及基本结构 光纤光栅是利用光纤材料的光敏性，在纤芯内形成空间的相位光栅，其 作用实质上是在光纤纤芯内形成一个窄带的滤波和反射镜。根据光栅周期 的长短通常将周期小于1 “m 的光纤光栅称为短周期的光纤光栅，又称布拉 格光栅( f b g ) 或反射光栅；而把周期为几十甚至几百微米的光栅成为长周 期光纤光栅，又称为透射光栅。短周期光栅的特点是传播方向相反的模式 之间发生耦合，属于反射型的带通滤波器；长周期光栅式同向传输的纤芯 基模和包层模之间的耦合，无后向反射是透射型的带阻滤波器。 目前分析布拉格光栅光谱特性最常采用的是耦合波理论，对于理想情况可以 得到解析解，对于非理想情况，解析求解十分繁琐，人们一般采用传输矩阵法， 进行数值求解。 2 2 1 耦合波理论【2 5 】 对于理想的单模光纤，采用弱波导近似来简化耦合波理论。光沿折射率非均 匀分布的z 轴传播，我们用正交模式来描述横向电场分布 一e t x ，y ，z ，t ) = ia j ( z ) e x p ( - i f l j z ) + b j ( z ) e x p ( i f l j z ) 旧( ) e x p ( i a ) t ) ( 2 1 ) ，一 其中，a j ( z ) 和b ，( z ) 分别是沿+ z 和z 方向传播的第j 阶模的电场强度，横向电 场互，用于表示归一化的导波模或辐射模。根据互易定理和正交条件，可以得到 i d b j = z 莩4 ( 磁一咖p + 纠 ( 2 3 ) + i z s , ( x ；+ k ；) e x p 她一乃) z 定义第j 阶模和第k 阶模的横向耦合系数磁为 k 台= 署儿( 扛万2 ) 气瓦弓蛐 ( 2 4 ) 1 0 亿 z 、j 1 j 谚卜 一7 旷 鸠 ，j- k 叫，一 一一一：一 钦 砷 、， e ：=、i， k h w k ，可 一 k 吖w n r k 么 女 迈。匹。 鸩i 兰州人学硕士学位论文 以及纵向耦合系数畅为 k 舌= 詈他( ，z 2 崭) m 2 兹弓蚴 ( 2 5 ) 其中，e z ) 为第j 阶模的纵i 司电场分布。式( 2 2 ) 和( 2 3 ) 就是祸合波万程，描述1 糸 统中任何一个导波模或辐射模沿传播方向的情况，通常根据实际需要，引入近似 来简化求解。经常用到的一个有用的近似就是假设只存在两个导波模，其他高阶 模式和辐射模忽略不计。另外一个常用的近似就是折射率为微扰，即 以2 一万2 兰2 n s n 。对于弱波导近似而言，弓弓，根据( 2 4 ) 和( 2 5 ) 可以得出电场 的纵向耦合系数要远小于横向耦合系数，因此通常可以忽略纵向耦合系数。对于 大多数光纤光栅来说，导波模的有效折射率被认为沿z 轴方向存在微扰，即 啪两以z ) 卜。s 罢州( z ) ) 亿6 ， 其中，磊为折射率的“直流”变化量( 在一个光栅周期内的平均值) ，v 是折射 率调制的可见度，a 为光栅周期，矽( z ) 用于描述光栅相位的附加变化。我们定 义两个新系数 = 孥瓦( z ) j j l 白瓦弓蛐 ( 2 7 ) h = i (28v) 其中，为“直流”耦合系数，为交流耦合系数，因此耦合波方程中的横向耦 合系数可以表示为 删= 叫铲s 罢州( z ) ( 2 9 ) 根据( 2 9 ) ，且只考虑反向两导波模之f n j 耦合情况，则耦合波方程可以简化为 i d a = - i o a - i x b e x p f ( 2 a , a z 一) ( 2 1 0 ) 口z 。 譬：舢楸触p h 2 筇z 一( z ) ) ( 2 1 1 ) d z l 。 。 其中，波矢失调量= 一尾= 一吴= 2 万 去一去 ，以= 2 人为无限弱波 兰州人学硕士学位论文 导光栅( 6 n 。矿专0 ) 的布拉格波长。对于增益型光纤光栅( 如：d f b 光纤激光 器) ，我们通过添加增益项来进行改进，其耦合波方程为 警= - i o a - i t c b e x p 心啦一矽( z ) ) h ( g 一口) 彳 ( 2 1 2 ) 警砌艿+ i l c a e x p 一心啦一矽例一圭( g 一口) 艿 ( 2 1 3 ) 其中，g 和口分别表示光纤的增益和损耗系数。该耦合波方程为一阶常系数微分 方程，电场强度彳和b 为待求解的量，根据折射率的调制函数和边界条件，可以 精确得到解析解。但当折射率调制函数较复杂时，需要用数值方法对方程进行多 次迭代积分，求解过程变得十分繁琐。其中在这种情况下，传输矩阵法就显得十 分简洁有效。 2 2 2 传输矩阵法【2 6 】 我们重新简化定义前向和后向电磁场为 e a ( z ) 2j l o 刖帆j ，) e x p ( 一z ) 蛐 ( 2 1 4 1 = 彳( z ) e x p ( 一i f l z ) ( z ) 。j 上8 ( z ) q ( 工，y ) e x p ( 肚) 出方 ( 2 1 5 ) = b ( z ) e x p ( i f l z ) ir e f r a c t i v ei n d e x 一八，八卜一旦 卜a 一 皿 叫i盐 图2 1 光纤光栅的电场方向的定义 对于一长度为l 的光栅( 见图2 1 ) ，前向波沿传播方向能量逐渐衰减，通过 耦合进入后向波。我们假定在光栅外没有其他反射，则后向波在z = l 处无能量， 由此可以得到一边界条件为：岛( ) = 0 。根据该边界条件和耦合波方程 ( 2 1 2 ) ( 2 1 3 ) 可以得到一个传输矩阵f 来描述e ( o ) ，( o ) ，只( ) 和e ( 三) 之间 的关系 e a ( o ) ，1 州黝 亿 兰州大学硕士学位论文 传输矩阵f 的各分量表示为 耻f c o s h ( y l l) + 等s i 蝴j k 舭)7 只z # 厂r s i n h ( y l ) e x p - i ( f l s l + 0 ) ( 2 1 7 ) 9 2 1 = 1 7 k s i n h ( 仲x 小侥三+ 纠 耻- c o s h ( y l l，一等s i 卜删 7 j 其中， c 。s h ( x ) 一e x p ( x ) + 2 e x p ( - x )s i n h ( x ) = 墅丛学为双曲线函数， a p ”和7 分别定义如下 筇”= 缈+ 圭( g 一口) 7 2 = 茁2 一a p 2 ( 2 1 8 ) ( 2 1 9 ) 其中矽卅2 碥( 去一护胪群厕嘞+ 历，以_ ( 1 + 等 f f = 2 9 r n 易- - ( 1 + 6 n c 矿) f l ，尾：孕：尾。 a n 四 人8 我们把光栅等分为n 个片段，并且定义第j 个片段后的电磁场强度为彰和 鹾，在每个片段中参数盯，盯，尾，g ，口都保持不变( 如图2 - 2 所示) 。因此， 我们通过所有子片段的乘积得到整个光栅的传输矩阵【f 】为： n 【f 】= 兀f 7 = f 1 ，2 f j = t ( 2 2 0 ) 兰州大学硕士学位论文 图2 - 2 光纤光栅分段结构的示意图 片段数n 的选择取决于精度的要求。对于大多数切趾和啁啾光栅来说，取n 在1 1 0 0 就可以。对于准周期的光栅来说，如相移光栅或者取样光栅，n 可以简 单的选取为所需均匀片段的数量。通过增加n 的取值来提高精度时，应当注意 近似条件的有效性，也就是a j ，因此n 的取值要满足 矢 ( 2 2 1 ) 通过总的传输矩阵 f 和一定的边界条件，我们可以获得光纤光栅的光谱特性。 由上述理论可知，当满足相位匹配条件是，光栅的布格波长为 九= 2 魄f r a ( 2 2 2 ) 式中，五为布拉格波长，疗e f f 为光纤传播模式的有效折射率，人为光栅周期。 布拉格波长的峰值反射率和透射率为 心柚2 ( 等刁 亿2 3 ， h o s n 之 等刁 亿2 4 ， 布拉格光纤光栅结构示意图如图2 - 3 所示，当一束宽带光源入射进入光纤后，经 过光纤光栅会有波长为a 的光反射，其他的光将透射。 1 4 兰州太学硕学位论文 射 _ _ 一 目2 - 3 光纤光栅结构和传光原理 反射的中心波长i ，跟纤芯的有效折射率n e f f 有关和光栅周期a ，所以当光 纤光栅所处环境的温度、应力、应变或其它物理量发生变化时，光栅的周期或纤 芯折射率将发生变化，从而使反射光的波长发生变化，通过测量外界环境参量变 化前后反射光波长的变化，就可以获得外界环境参量的变化。也就是说，光纤光 栅反射光中心波长的变化反映了外界被测信号的变化情况。由温度和应变所引起 的光纤光栅布拉格波长的漂移量由下式给出 = 【( 嘶) r + ( 1 一只) e 】x ( 22 5 ) 式中，g f 为光纤的热膨胀系数，f 为光纤材料的热光系数，只为光纤材料的弹光 系数，r 为温度改变量，缸为光纤应变变化量。 从式( 22 5 ) 町以看出，布拉格波长的漂移量与光纤光栅所处环境温度的变 化量以及光纤光栅轴向应变有关，通过对光纤光栅的增敏和换能封装，就可以检 测外界环境参量的变化情况。 光纤光栅地震传感器主要是用来探测振动信号，而振动信号的加速度可以通 过传感器的探头转变在光栅的应力。当光纤产生应变是光纤光栅的栅距和有效 折射率发生变化，引起反射光波长的偏移，波长漂移量出下式给出 a g - 傺+ 鲁l 仁z a ， 式中，a n e f t 是折射率的变化，a 是栅距的变化。 光纤产生应变时的折射率变化为 鲁2 一；2 卜讹一解- i 一 ( 22 7 ) 其中 p 一一。2 ( 1 一p ) e ：一朋l 】 ( 22 8 ) s 是轴向应变，口是泊松比。对于普通石英光纤，吼i f - 14 6 ，u - - 0 1 6 ，只l z 0 1 2 ， p 1 2 = 02 7 ，则户o2 2 。 个 兰州大学硕士学位论文 光纤产生应变时的栅距变化为 坐：丝：( 2 2 9 ) 一= 一= ， i 二二7 - al 故( 2 2 6 ) 式可以写为 竽：( 1 一p ) ：0 7 8 ( 2 3 0 ) 几 上式是光纤光栅应变测试的一般公式，可见光纤b r a g g 光栅中心波长的漂移量与 光纤轴向线应变成线性关系。 2 3 布拉格光纤光栅的制作方法 自从1 9 7 8 年k o h i l l 等人采用驻波法制成了世界上第一支光纤光栅， 人们对光纤光栅制作的技术不断突破。到目前为止，光纤光栅的写入方法 大体有以下几种，驻波写入法【15 1 、横向干涉法【27 1 、分波面干涉法【28 1 、相位 掩模法 29 1 、直接写入法【30 1 、在线成栅法【3 1 1 、聚焦离子束写入法【3 2 1 以及逐点写入 法等。 2 3 1 驻波写入发 驻波法是k o h i l l 等人在1 9 7 8 年提出，并在如图2 4 所示的实验装置制作 了历史上第一支布拉格光