陳卓康

(華中師范大學(xué)第一附屬中學(xué)朝陽學(xué)校,北京 100025 )

1 引言

光纖光柵是一種使用曝光手段在光纖纖芯內(nèi)部形成折射率周期性調(diào)制的相位光柵，但是光纖光柵本質(zhì)上是一個(gè)位于光纖內(nèi)部的窄帶寬濾波器或者說是一個(gè)起透射或反射功能的反射鏡。光纖光柵作為光無源器件中的一類，在很多方面的應(yīng)用都是基于它的透射光譜進(jìn)行設(shè)計(jì)，從而達(dá)到我們想要的目標(biāo)光譜，所以研究光纖光柵的光譜是很關(guān)鍵的一步。光纖光柵由于它的低成本、體積小、穩(wěn)定性高，抗電磁干擾強(qiáng)，插入損耗低，便于與光纖耦合等諸多優(yōu)點(diǎn)，不僅在光濾波器的設(shè)計(jì)方面光纖光柵取得了一系列突破，而且還在光通信領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用，各種基于光柵的光器件層出不窮，如光纖光柵激光器、光纖波分復(fù)用器、光柵濾波器、光柵色散補(bǔ)償器、光柵耦合器等。同時(shí)，光纖光柵傳感器運(yùn)用廣泛，已經(jīng)在航天、安防和大型橋梁的檢測(cè)領(lǐng)域廣泛使用，隨著人們?nèi)找嬖鲩L(zhǎng)的需求，可預(yù)見光纖光柵傳感器有著廣大的市場(chǎng)和巨大的發(fā)展空間。

2 光纖光柵發(fā)展歷史

1978年,加拿大渥太華通信研究中心的Hill[1]等人首次在摻鍺石英光纖中發(fā)現(xiàn)光纖的光敏性,采用488nm氬離子激光器用駐波法在石英光纖中成功制成了世界上第一只光纖光柵。

1989年,美國聯(lián)合技術(shù)研究中心的GMeltz[2]等人運(yùn)用紫外光敏特性, 用兩束波長(zhǎng)為244nm的紫外激光干涉條紋去照射摻鍺光纖的纖芯,這樣可以將光纖的纖芯中寫進(jìn)任意工作波長(zhǎng)的位相光柵,即形成布拉格光柵,使光纖光柵的制作技術(shù)得到進(jìn)一步進(jìn)展。

1993年，貝爾實(shí)驗(yàn)室的Lemaire等人發(fā)現(xiàn)當(dāng)氫分子擴(kuò)散到普通通信光纖芯區(qū)后，光纖的光敏性倍增。

1997年，華南師范大學(xué)的杜衛(wèi)沖[4]提出用鋁制材料去封裝光纖光柵，實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證其方法可以使光纖光柵傳感器的靈敏度得到巨大提升。

2005年，清華大學(xué)的李營(yíng)[5]在F-P可調(diào)諧濾波器的基礎(chǔ)上加入固定波長(zhǎng)的參考光柵，達(dá)到削弱濾波器腔長(zhǎng)變化影響的目的。

2015年，南京大學(xué)現(xiàn)代工程與應(yīng)用科學(xué)學(xué)院的楊剛[6]提出基于頻譜分區(qū)的光纖光柵解調(diào)系統(tǒng)，穩(wěn)定度高達(dá)0.97 pm,分辨率達(dá)到0.33pm。

2016年，美國儀器公司研制出無需儀器校準(zhǔn)和信號(hào)處理的長(zhǎng)距離光纖光柵應(yīng)變測(cè)量傳感系統(tǒng)，傳輸距離達(dá)到10公里。

3 光纖光柵基本原理

在上世紀(jì)90年代，光纖光柵的發(fā)明給給光通信領(lǐng)域帶來了新曙光，它的突出特點(diǎn)在于靠性強(qiáng)，測(cè)量精密度高，抗電磁干擾原理，隨著研究的深入，它逐漸被人們應(yīng)用到各個(gè)領(lǐng)域，結(jié)構(gòu)如圖1所示。一根光纖上等間距分布著多個(gè)不同中心波長(zhǎng)的布拉格光柵，實(shí)際上每一個(gè)布拉格光柵相當(dāng)于一面反射鏡，它將各個(gè)點(diǎn)的信息反射回接收端，根據(jù)此獨(dú)特的傳感方式我們用它構(gòu)建分布式傳感系統(tǒng)，達(dá)到一根光纜多點(diǎn)測(cè)量的目的。

光纖光柵的制作方法簡(jiǎn)單，它是在光纖的基礎(chǔ)上，通過紫外光刻蝕方纖芯從而使纖芯中形成周期性折射率變化，光纖光柵這樣的結(jié)構(gòu)對(duì)某一特定波長(zhǎng)范圍的光譜進(jìn)行反射，而對(duì)其他波長(zhǎng)范圍的光譜進(jìn)行投射，所反射的中心波長(zhǎng)為：λb= 2neff∧，其中λb是被反射的波長(zhǎng)，neff是光纖光柵的有效折射率，∧ 為光柵周期。

由于光纖芯區(qū)的折射率周期性變化,波導(dǎo)條件也隨之改變，模式耦合現(xiàn)象也發(fā)生在某一波長(zhǎng)范圍內(nèi),使得光柵的在這波長(zhǎng)附近出現(xiàn)奇異性的透射光譜和反射光譜,我們可以認(rèn)為此時(shí)的光纖光柵就是一個(gè)透射（反射）型的窄帶濾波器。發(fā)生模式耦合時(shí),光柵周期以及纖芯折射率neff決定了反射波的中心波長(zhǎng)。當(dāng)寬帶光進(jìn)入光纖，只有某一波長(zhǎng)范圍的光經(jīng)過光柵反射回來，而光纖受外界溫度、應(yīng)變的影響，會(huì)使光纖光柵的光柵周期和纖芯有效折射率neff改變,從而引起光纖光柵的反射波中心波長(zhǎng)λb的變化, 通過測(cè)量光柵反射波長(zhǎng)變化量，可以通過公式推導(dǎo)得到被測(cè)物體溫度/應(yīng)變等物理變化量，這就是光纖光柵傳感器的機(jī)理。光纖光柵一般被用來直接測(cè)量物體的溫度和應(yīng)變,而其他物理量的變化與溫度或應(yīng)變有關(guān)，所以我們也可以用這兩個(gè)物理量來間接測(cè)量其它物理量。光柵的溫度特性為10pm/℃，應(yīng)變特性為1.2pm/n?，通過系統(tǒng)采集一段時(shí)間光纖光柵的反射波中心波長(zhǎng)值，然后計(jì)算出得到的應(yīng)變變化速率從而間接測(cè)量得出外加擾動(dòng)的頻率和幅度等信息。此外,將光纖光柵用特殊材料涂覆在磁致伸縮材料或壓電材料上,可以實(shí)現(xiàn)光纖光柵對(duì)壓強(qiáng)、流量、位移等其他物理量的精確實(shí)時(shí)測(cè)量。

4 光纖光柵傳感技術(shù)研究及應(yīng)用現(xiàn)狀

4.1 研究現(xiàn)狀

作為一種新型的光纖無源器件，近年來光纖光柵的研究受到廣泛關(guān)注。目前，結(jié)合現(xiàn)在的技術(shù)，光纖光柵傳感器可以對(duì)這些物理量進(jìn)行精確測(cè)量：溫度、應(yīng)變、位移、壓力、扭角、壓強(qiáng)、加速度磁場(chǎng)、電場(chǎng)、頻率、熱膨脹系數(shù)等。通常，外界的溫度、應(yīng)變和壓力等變化直接影響光纖光柵中心波長(zhǎng)，如果需要得到更加精確的測(cè)量值，那么還需要對(duì)中心波長(zhǎng)的變化量進(jìn)行準(zhǔn)確監(jiān)測(cè)。

目前我們可以利用可調(diào)諧光源法、邊沿濾波法、M-Z 干涉儀解調(diào)法、匹配光柵法等方法去解調(diào)波長(zhǎng)信息，雖然方法途徑很多，但是各個(gè)方法都有獨(dú)立的使用條件，同時(shí)不斷有新的高精度波長(zhǎng)信息解調(diào)技術(shù)被各個(gè)科研機(jī)構(gòu)提出。

4.2 應(yīng)用現(xiàn)狀

相比于光纖傳感技術(shù)，光纖光柵傳感技術(shù)結(jié)合了靈敏度高、傳感距離長(zhǎng)、能夠測(cè)量多點(diǎn)擾動(dòng)和響應(yīng)速度快等諸多優(yōu)點(diǎn)，非常適用于多種場(chǎng)合下的微擾動(dòng)監(jiān)測(cè)。主要包括：大型建筑物的健康監(jiān)測(cè)，如建筑物的開裂、橋梁的異常振動(dòng)等；重要場(chǎng)所的安防，如銀行、監(jiān)獄等外圍可鋪設(shè)傳感光纖光柵，對(duì)入侵或逃離進(jìn)行預(yù)先報(bào)警；通信、輸電鏈路的保護(hù)，如通信光纜的竊聽預(yù)警，輸電線路在不良天氣下的舞動(dòng)監(jiān)測(cè)等。

5 討論及未來展望

科研人員們對(duì)光纖光柵傳感技術(shù)進(jìn)行了廣泛而深入的研究，并取得了可喜的成果。但光纖光柵傳感技術(shù)仍然存在不少問題有待研究者解決，其中比較重要的三個(gè)問題是：

（1）需要帶寬更寬、功率更高的光源。有時(shí)候根據(jù)工程應(yīng)用的需要，對(duì)不同的頻率做出響應(yīng)，那么需要寬帶更寬的激光源，這樣光纖光柵就擴(kuò)大了測(cè)量范圍；同時(shí)在長(zhǎng)距離監(jiān)測(cè)的情況下，我們希望光源的輸出功率更高，但是功率更高可能帶來的噪聲會(huì)更大，所以在光源的選擇問題上我們應(yīng)予以深入的考慮。

（2）靈敏度更高的波長(zhǎng)信息解調(diào)裝置。光纖光柵傳感器是以布拉格光柵為傳感單元的點(diǎn)分布式傳感系統(tǒng)，在某些工程應(yīng)用中需要測(cè)量的是波長(zhǎng)級(jí)別的位移，因此，為了得到更高精度的測(cè)量數(shù)據(jù)，需要靈敏度更高的波長(zhǎng)信息解調(diào)裝置。研發(fā)出新穎的光敏材料，提高光檢測(cè)器的波長(zhǎng)響應(yīng)度，最終可以提高待測(cè)量精度。

（3）隨著工程應(yīng)用的技術(shù)要求的不斷提升，現(xiàn)在需要對(duì)更多參量進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，但是由于光纖光柵交叉敏感問題，它成為了實(shí)現(xiàn)多參量測(cè)量的瓶頸，在未來研究中，可以在信息處理的算法上加以優(yōu)化，在時(shí)域上有間隔有針對(duì)性地對(duì)不同參量進(jìn)行測(cè)量。

6 總結(jié)

本文針對(duì)光纖光柵傳感進(jìn)行了簡(jiǎn)單介紹，歸納了光纖光柵的研究進(jìn)展，詳細(xì)介紹了光纖光柵傳感器測(cè)量溫度、應(yīng)變等物理量的基本原理，特別著重描述了光纖光柵在傳感領(lǐng)域的技術(shù)研究與發(fā)展現(xiàn)狀，最后分析了光纖光柵傳感所面臨的一些問題，并提出了自己的看法。正是因?yàn)楣饩€光柵傳感器相對(duì)于傳統(tǒng)的電學(xué)傳感器可以更加靈活便捷地構(gòu)建傳感網(wǎng)絡(luò)，而且成本更低，希望如上的問題得到盡快解決、光纖光柵得到更廣泛的應(yīng)用。

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[5]李營(yíng),張書練 .基于可調(diào)諧 F-P 濾波器的光纖光柵解調(diào)系統(tǒng)[J].激光技術(shù),2005,29(03):237-240.

[6]楊剛,許國良,涂郭結(jié)等.基于頻譜分區(qū)的高精度光纖光柵波長(zhǎng)解調(diào)系統(tǒng)[J].中國激光,2015,42(04):98-103.