长周期光纤光栅传感器的研究

长周期光纤光栅传感器的研究

Research of Long-term Optical Fiber Grating Sensors

王琦

东华大学应用物理系

摘要：介绍了长周期光纤光栅的原理、发展历史和现状，重点介绍了长周期光纤光栅的传感原理和技术。详细分析了浓度的变化对透射光谱的影响，以及不同弯曲曲率下，谱形和中心波长的变化，提出并分析了一种新的长周期光纤光栅传感系统。 Abstract:The main principle, developing pand present status of long-term optical fiber grating are introduced.. Long-period fiber grating sensing principles and techniques have been analyzed.The impact on the transmission spectra by change of Concentration of Solution has been analyzed and change of transmission spectra and Center Wavelength of different bending curvatures detailedly

, especially for cross-sensitivity of strain and other parameter. The discrimination technologies for cross-sensitivity of strain and temperature have been mainly discussed. The principal solutions of multi-parameter sensing head configurations involving fiber-grating devices have been overviewed and sorted. The multi-functional fiber grating sensing system has been proposed and analyzed.

关键词：长周期光纤光栅，传感，透射光谱，弯曲曲率

Key words: long period fiber grating, sensing, transmission spectra,bending curvature

一．介绍

光纤光栅是一种新型光学器件, 它是基于光纤材料的光敏特性, 在纤芯内形成的空间相位光栅。由于光纤光栅抗电磁干扰、尺寸小(标准裸光纤为125μm) 、重量轻、耐温性好(工作温度上限可达400～600℃) 、复用能力强、传输距离远(传感器到解调端可达几公里) 、耐腐蚀、高灵敏度、被动器件、易形变等特点, 而且, 易于同光纤系统集成, 在光纤通信, 光纤传感等领域得到了广泛的应用。近年来, 受到了国内外广大相关领域学者的极大关注。

光纤光栅在光纤传感领域的研究和应用非常重要。根据光栅周期的长短，光纤光栅可以分为两大类:布拉格光纤光栅和长周期光纤光栅。根据光纤光栅周期的长短, 通常把周期小于林的光纤光栅称为短周期光纤光栅, 又称为光纤布喇格光栅或反射光栅，而把周期为几十至几百微米的光纤光栅称为长周期光纤光栅。短周期光纤光栅的特点是传输方向相反的模式之间发生祸合, 属于反射型带通

滤波器, 其反射谱如图所示。长周期光纤光栅的特点是同向传输的纤芯基模和包层模之间的祸合, 无后向反射, 属于透射型带阻滤波器,

其透射光谱如图所示。

光纤布拉格光栅出现的比较早，人们对它的研究也相对比较成熟，目前己经在得到了许多实际的应用。随着光纤通信的发展，人们需要制作出具有低插入损耗、弱背向反射的光纤光栅，因此，长周期光纤光栅的问世得到了普遍的重视。长周期光纤光栅在传感领域中也得到了广泛应用，可测量温度、横向载重、应变、曲率、压力、折射率等许多参量。

长周期光纤光栅是一种透射型光栅，基本无后向反射，所以在传感系统中不需要隔离器。长周期光纤光栅的谐振波长和谐振强度对外界环境的变化非常敏感，例如对外界温度、应力、弯曲、扭转、横向负载和折射率都比较敏感，特别是长周期光纤光栅的温度灵敏度系数更大更加适用于光纤传感领域的应用。同时，利用这些敏感特性也可以对长周期光纤光栅进行调谐。因此长周期光纤光栅有着比布喇格光纤光栅或是其他光纤传感器件更多的优点，有着更好的应用发展潜力。

自从vengsarkar 等人于1996年采用振幅掩模法(AMPLITUDE MASK)首次制作成长周期光纤光栅，并利用长周期光纤光栅制作带阻滤波器以及增益均衡器以来，国内外对长周期光纤光栅的理论、光谱特性、制备技术以及传感特性等各个方面进行了全面的研究，并应用于光纤通信和光纤传感领域。

与最早发展的布拉格光纤光栅相比，目前对长周期光纤光栅的理论研究还不是十分 完善。目前通常采样Edgron 的色散方程或者是有的计算包层模有效折。在对相关文献充 分理解的基础上，对长周期光纤光栅的祸合模理论进行系统地研究，从矢量的亥姆霍兹 方程出发，逐步推导，并与祸合模理论结合，实现一个对长周期光纤光栅的制作、光谱

特性以及传感特性进行详细分析的模拟子系统，并对实际的工作予以指导。

长周期光纤光栅的制作技术对制作出的光栅光谱特性和传感特性的影响很大，

Davis 等人在1998年采用10.6unl 的聚焦的cq 激光通过逐点写入法制作出长周期光纤光 栅，此后的几年，c 仇激光脉冲写入法由于制备方法简单，温度稳定性好等优点而得到 了广泛的应用和研究。目前国内外普遍采用cq 激光单侧写入法，制作出的长周期光纤 光栅在光栅横截面折射率分布不均匀，偏振相关损耗大，并且具有弯曲的方向相关性。 作为光纤通讯器件或者光纤传感器件，一般需要所制作的长周期光纤光栅具有较小的偏 振相关损耗。为了解决这些问题，本文提出了一种新的制作方法，并对该系统制作出的 长周期光纤光栅的偏振相关损耗、光谱特性进行分析; 本文同时设计了一套制作长周期 光纤光栅的温度控制系统。

长周期光纤光栅谐振波长和峰值损耗对外界物理量的敏感特性在不同的应用领域 有不同的要求。比如利用这些敏感特性，可以制作高灵敏度的光纤传感器，或者制作光 纤通讯领域的调谐器件，另外一个方面，某些敏感特性会对光纤传感系统的测量产生负 面影响，即出现交叉敏感性，或者影响长周期光纤光栅通讯器件的稳定性。本文采用新 的制作方法烧写长周期光纤光栅，并对其温度、应变、弯曲以及环境折射率等敏感特性 进行理论和实验研究，同时讨论了响应物理量的去敏、增敏问题。

布拉格光纤光栅可以实现对振动的测量，其频率响应受到解调方法速度的限制。匹 配光栅法对匹配光栅的要求较高，且动态范围小:而边缘滤波法中边带的斜率、边带线 性区域的大小以及布拉格光纤光栅在线性边带的初始位置都对测量的分辨率和测量范 围产生影响。本文利用高精度的温度控制系统，结合制作的高稳定的长周期光纤光栅， 制作温度可调谐滤波器，并对布拉格光纤光栅振动和冲击进行解调。

二．长周期光纤光栅的传感理论基础

原理

长周期光纤光栅的耦合机理

对于长周期光纤光栅，纤芯基模与各阶包层模式之间的耦合满足相位匹配条件：

βco -βcl =2π

由相位匹配条件可知, 此时其光栅周期Λ

较大, 要求βco ，βcl 值较小, 即发生耦合的是正向传播的纤芯导模和同向传播的包层模式。

研究长周期光纤光栅随外界某个参数值X 变化引起的谐振波长的变化特性 时，通常要将式2.63对X 进行求导：

将上式进行整理，可以得到下面的式子：

式中的γ是长周期光纤光栅波导色散因子，从式2.65中可以看出，γ的符号决定着谐振波长变化的方向，它的绝对值大小决定着谐振波长变化幅值的大小

[100]。γ的大小和光纤的参数、所涉及的包层模阶次以及波长都有关系。通过设计和选择适当的光纤参数和光栅周期就能够得到谐振波长对外界参数变化十分敏感或是不敏感的谐振峰。这将大大地提高长周期光纤光栅的传感性能。下面将分别就长周期光纤光栅对温度、应力、折射率、弯曲、扭转等外界因素的敏感特性进行分析。

（一）长周期光纤光栅的应变传感性能

将式2.63对轴向应变ε进行求导：

式中Γstrain 是表征光纤应变特性的一个参量：

从式2.67可以看出，当光纤产生轴向应变的时候，由于光弹效应，光纤纤芯和包层的材料折射率都会发生变化，引起纤芯摸和包层模有效折射率差的变化。光栅的周期也会由于光纤的应变而发生改变。以上的两个因素导致光栅的谐振波长随着光栅的应变而发生线性的变化。长周期光纤光栅的应变灵敏度可表示为：

式中, P co , P cl 分别为纤芯和包层有效弹光系数。

（二） 长周期光纤光栅的温度传感性能

将式2.63对温度T 进行求导：

式中α=∆Λ/Λ是光纤的热膨胀系数， ∆T

Γtemp 是表征光纤温度特性的一个参量

从式2.70可以看出，当外界温度变化的时候，由于热光效应，光纤纤芯和

包层的材料折射率都会发生相应的变化，引起纤芯模和包层模有效折射率差的

变化。同时，光栅的周期也会由于光纤的热胀冷缩而发生改变。由于石英材料

的热膨胀系数α约为5⨯10-7︒C -1远远小于Γtemp 的值，所以一般可以忽略不计。长周期光纤光栅的应变灵敏度可表示为：

式中a co 为纤芯的热膨胀系数，ξco 、ξcl 分别为纤芯和包层的热光系数。由上面的分析可知，长周期光纤光栅的谐振波长随温度呈线性变化。由于温度的变化对光栅的折射率调制影响比较小，所以可以认为谐振强度几乎不随温度产生变化，实验也证实了这一点[101]。

在温度传感方面，长周期光纤光栅与布喇格光纤光栅相比具有更高的温度灵敏性，而且其温度灵敏性系数可以通过很多途径进行改善或调节。长周期光纤光栅的温度系数和很多的因素有关：光纤的材料、结构、光栅的周期、包层模的阶次。通过适当地调节各种参数，可以制作出温度系数很大，已有文献报道可以达到2750pm /°C[103]。而且长周期光纤光栅的温度灵敏系数可通过改变某种参数的办法进行设计，使其达到所需要的系数。Y.G .Han 等人通过控制光纤中GeO2和B2O3的浓度来改变长周期光纤光栅的温度特性，设计出一种由一根正温度系数和一根负温度系数的长周期光纤光栅串联而成的传感器，用于温度和应力的同时传感[104]。

滤波特性

LPFG 发生耦合的是正向传播的纤芯导模和同向传播的包层模式, 光在包层中将由于包层/空气界面的损耗而迅速衰减, 满足相位匹配条件的可以有多个模式, 留下一串损耗带或导模中的共振, 一个独立的LPFG 可以在一个很宽的波长范围上有许多的共振。

由于LPFG 可以有多个透射峰, 可以根据需要制成不同波段的滤波器。再者, Bragg 光栅是反射型带通滤波器, 带宽较窄; 而LPFG 是透射型带阻滤波器, 与Bragg 光栅相比, 带宽大, 而且, 是传输型的, 几乎没有回波影响, 因此, 可以简便地级联多个具有不同谐振特性的LPFG 以获得所需的滤波特性。2005 年, 崔丽萍[ 2 ] 等人研究发现当级联LPFG 中的级联光纤长度与光栅周期相当时, 其透射光谱等效于相移大小为2πd /Λ的相移光栅的透射光谱; 级联光纤长度较长时, 透射光谱中具有多个线宽窄、高精细度的透射峰。

传感特性

对LPFG 而言, 其发生共振的中心波长取决于纤芯和包层的折射率差和光栅周期Λ, 外界条件包括环境温度、对光纤施加的应力、环境折射率、光栅弯曲等的改变都会引起纤芯和包层折射率的变化以及光栅周期Λ的变化。这些将导致导模和包层模之间耦合的相位匹配波长及耦合系数的改变, 并最终表现为光栅吸收峰中心波长和强度的变化。这些机制可用于传感。另外, 还可以看到, LPFG的中心波长不仅与纤芯的参数有关, 而且, 还与包层的折射率有关。可以通过选择合适的包层参数, 解决光纤光栅传感器的交叉敏感问题。这些特性使得LPFG 适用于多参数传感器。

长周期光纤光栅在光纤传感领域的应用

长周期光纤光栅对温度、应力、弯曲、环境折射率以及横向负载都具有较高的敏感性，因此引起了众多研究者的关注。舒学文等人〔州对导模与低阶包层模产生祸合的谐振波长的温度、应变以及环境折射率等特性进行了深入分析，发现谐振波长对这些参量的灵敏度与包层模模序有很大的关系，通过调整光纤的纤芯和包层的材料以及与导模产生祸合的包层模的阶次，可以制作出存在对这些量最敏感和最不敏感的长周期光纤光栅，从而消除某些交叉敏感问题; 通过长周期光纤光栅的多个谐振峰，可以方便的实现单个光栅的多参量传感。利用长周期光纤光栅对温度敏感的特性，可以制作出温度传感器。许多学者对

长周期光纤光栅的温度灵敏度进行理论分析;kinm 等人选择纤芯和包层的热光系数相差较大的特种光纤来增加温度灵敏度;Khaliq 等人采用热光系数大的材料对长周期光纤光栅进行涂覆，在1.1℃的范围内获得了19.Znnl/℃的温度灵敏度; 何万迅等人也采用热光系数大的聚合物材料(硅树脂) 对腐蚀过的长周期光纤光栅进行涂覆，在一40℃附近获得了5.Znnl/℃的高灵敏度。另外，将长周期光纤光栅采用热膨胀系数大的金属来封装，也可以获得较高的温度灵敏度。Costantini 等人对长周期光纤光栅镀Ti 一Pt 薄膜，然后施加电压控温的方式进行调谐，获得了11nm 的可调谐范围。Bhatia 等人通过选择纤芯与包层的热光系数尽量接近的特殊光纤来制作长周期光纤光栅，可减小其温度系数，Chen 等人采用同样的方法得到温度灵敏度只有.0.003nm/℃的长周期光纤光栅。Joo-Nyung Jang等人在硼锗共掺的光纤上制作长周期光纤光栅，并在其外侧涂覆一层具有负的热光系数的聚合物，利用该材料的热光系数和长周期光纤光栅对

环境折

射率的敏感性，可以消除该长周期光纤光栅原来的温度敏感性，经过补偿后的温度灵敏度仅为0.07nm/℃。

L.A.wang 等人利用化学腐蚀法制成长周期光纤光栅，利用其扭转特性制成光纤扭转角度传感器。王义平等人利用高频Cq 激光脉冲单侧写入长周期光纤光栅，制作出能够判断扭曲方向的光纤扭曲传感器。Shoahua Chen等人叫基于长周期光纤光栅的弯曲特性，制作出对应变和温度均不敏感的弯曲传感器。Y.Liu 对长

-1-1m 周期光纤光栅的弯曲特性进行分析，并在的范围内得到了1.4nm/m 的弯曲

灵敏度。C.C.Ye 和Young-Geun Han 等人分别利用一个长周期光纤光栅，实现对弯曲和温度的同时测量，后者在0.2m ，到1.3m ，的曲率范围内得到了28.183nm/m 的弯曲灵敏度。利用长周期光纤光栅的横向压力特性，可以制成横向负载传感器。

R Hou ，Byeong Ha Lee ，刘云启，和童治等人采用祸合模理论对长周期光纤光栅的光谱特性随着环境折射率的变化进行分析，并采用数值模拟进行验证。 Heather J.Patrikc 等人通过选择合适的光栅周期来提高长周期光纤光栅外界折射率的敏感性。舒学文等人发现导模与高阶包层模的能量祸合可以形成两个损耗峰，利用这两个损耗峰的谐振波长对环境折射率敏感度的不同，制作出高灵敏度的折射率传感器。Kin Seng Chiang等人对长周期光纤光栅谐振波长与光栅区包层半径间的关系进行定量分析，并用实验方法验证了减小包层半径调谐谐振波长和增强其环境折射率敏感特性的作用。Yahei Koyamada等人首次对环境折射率高于包层折射率的情况进行分析，并与实验结果进行相互验证。利用长周期光纤光栅谐振波长对环境折射率敏感的特性既可以制成折射率/浓度传感器，也可以利用此特性对已经制作完成的长周期光纤光栅的光谱特性进行调谐。为提高测量精度和增大光谱的调谐范围，可以利用HF 酸腐蚀包层的方法减小包层半径。如果在长周期光纤光栅上镀膜，可以实现对化学量的传感。

由于在较宽的光谱范围内，长周期光纤光栅的导模可以与多个包层模产生能量耦合，从而形成多个损耗峰，因此可以实现应变、温度、扭曲或者折射率/浓度的同时测量，从而利用单根长周期光纤光栅实现多参量传感。 -1-1-1

结论

本文主要总结了基于长周期光纤光栅的传感技术，介绍了长周期光纤光栅的原理和相应的技术，包括传感性能的研究。较为详细的论述了溶液浓度和光纤弯曲曲率发生变化时，对透射谱形产生的影响。设计了相应的实验装置，论证了长周期光纤光栅的原理。光纤光栅传感技术已得到了很大的发展，而长周期光纤光栅相对于光纤布拉格光栅有更多的优势，有更为广阔的发展前景，已成为光纤通信和光纤传感等领域发展的新动力。

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