（光学工程专业论文）波长调制型光纤传感器及其应用.pdf

浙江大学硕士学位论文 摘要 在光纤通信和光纤传感产业发展的推动下，光纤器件成为最重要的光电子 器件之一。常见光纤器件包括光纤干涉仪、布拉格光纤光栅、长周期光纤光栅 以及光子晶体光纤等。近年来，这些器件的特殊传感特性及能力，吸引了众多 研究者的目光。其中，波长编码型传感器能有效避免光源稳定性、光纤损耗等 所带来的一系列问题，因此具有重要研究价值。本论文将介绍我们研制的几种 新型波长编码光纤传感器件及其应用。 论文首先将介绍我们提出的一种基于细芯光纤的模式干涉仪传感器。这里 所使用的细芯光纤的截止波长为标准单模光纤的三分之一或以下。在实验中发 现，不同芯径光纤连接的结构能够有效地激发出一系列高阶的包层模式。这些 模式在传播一定距离后被同样的纤芯失配结构部分耦合回芯层，并与芯层传播 的基模发生干涉。其干涉条纹具有相当高的对比度( 3 0d b ) 。该光纤模式干涉 仪的干涉谷所对应波长对于外界折射率变化相当敏感( 灵敏度 1 0 4 3n m r i u ) ， 同时又对小范围温度变化极为稳定( 灵敏度 3 0d b ) i t si n t e r f e r e n c es p e c t r u md i pe x h i b i t sh i g hs e n s i t i v i t yt oas m a l l c h a n g eo fe x t e r n a lr i ( 1 0 4 3n m r i u ) b u tl o ws e n s i t i v i t yt ot h ec h a n g eo f t e m p e r a t u r e ( _w一a 一#一c一暑朝c口一m_坩一d 3 反射型细芯光纤模式干涉仪传感器 根据上小节的理论分析，我们继续拓展了研究m z t c f m i 由于是透射型结 构，工作的时候，干涉仪两端需要分别接上入射光源以及出射光谱的解调系统。 因此在一些领域剥量的应用中，尤其是单向进八的狭窄坏境中，受到7 一定的限 制。因此，我们又提出7 一种基于细芯光纤的全光纤m i c h e l s o n 干涉仪结构 m i c h e j s o nt c f b t l 结构j 窨j m i c h e l s o nt c f m f 照片 冒2 - 6 m i c h e l s o n t c f m i 结构图及显微照片 如图2 - 6 所示，我们首先在s s m f 上接入了一小段t c f ，然后在t c f 的男一 端面，镀上了一层大约2 0 0 9 i n 厚的铝膜同样，入射光在芯径失配的结构上，被 激发出高阶的包层模式，和剩余的芯层光一起在t c f 内传播。当光传播到t c f 和铝膜的交界面时，发生反射，光沿着t c f 逆向传播然后，在同一个芯径失配 的结构上，高阶模式光被耦舍入s s m f 芯层，发生干涉。因此，这种结构的最大 优点就在于输入光和收集反射的信号光都是利用了同一条光纤，因此比较容易设 计成探针型的传惑器，可以适应很多复杂的探剥环境另外，在获得同样的干涉 峰芈宽度和f s r 的条件下，m i e h e l s o n t c f m l 所用的t c f 长度为m z t c f m i 的 一半，因此可以有效减小传感器的尺寸。但是由于额外多7 铝膜这一结构，在传 感器制作方面增加了不少难度。 对应m - z t c f m i 所用的t c f 长度，我们分别制作了三个t c f 长度为1 0 m m 、 浙江人学硕十学位论文 2 0 m m 和3 0 r a m 的三个干涉仪，并测试它的反射谱，如图2 7 所示： q 、 c q 疗 鲤 g 仂 c 霉 卜 w a v e l e n g t h ( n m ) 图2 7m i c h e l s o nt c f m i 反射谱( a ) t c f 长度为i o m m ( b ) t c f 长度为2 0 m m ( c ) t c f 长度为 3 0 m m 从图2 7 中可以看出，如同上文分析，对应长度的m i c h e l s o nt c f m i 反射谱 和m zt c f m i 透射谱的干涉峰半宽度和f s r 是一致的。由于反射时引入了较大 的损耗和一些不稳定度因素，m i c h e l s o nt c f m i 的插入损耗相对来说较大，而且 干涉条纹的对比度也不如m z t c f m i 。但是，其干涉峰还是很明显，完全可以满 足其作为滤波器和折射率传感器应用的需要。 我们用同样的蔗糖溶液样本对接入t c f 长度为1 0 m m 的m i c h e l s o nt c f m l 做 了外界折射率变化响应的测试： 2 0 浙? i ：大学硕士学位论文 e t - - 苟 c 皇 孚 仍 至 塾 q 拿 s 毛 重 宴 霎 ，磐 。 图2 8m i c h e l s o nt c f m i 对外围折射率及温度变化的响应 可以看出，与理论预期一致，在对应的接入t c f 长度下，m i c h e l s o nt c f m i 和m zt c f m i 对于外围折射率及温度变化的响应是几乎一致的。其计算的折射 率响应灵敏度大约为1 0 4 3 n m r i u ，温度响应灵敏度为9 8 p m 。c 。 4 本章小结 这一章主要讲述了一种最新提出的基于t c f 的全光纤模式干涉仪以及它的应 用。这种干涉仪通过不同芯径光纤的交界面实现高阶模式的激发，然后再用同样 的结构使具有不同相位的模式之间发生干涉。其干涉条纹具有相当高的对比度， 体现了很大的作为高性能带通滤波器应用的潜力。同时，参与干涉的高阶模式光 的有效折射率受到外界介质折射率的影响，因此这种结构也有作为高灵敏度折射 率传感器应用的潜力。 基于这种芯径失配激发高阶模式的结构，我们分别提出透射型和反射型两种 浙汀人学硕十学位论文 t c f m i 的结构，分析了各自的利弊，并对其折射率以及小范围温度响应特性做了 测试，结果表明，其对折射率响应敏感，相比之下，对于小范围温度变化又极为 稳定，这些都是t c m f l 作为生物传感器应用的先天优势。 浙汀久学硕十学位论文 第三章光纤光栅传感器及其制作技术 1 引言 1 9 7 8 年，加拿大通信研究中心k o h i l l 等人在实验中发现了光纤的光敏性3 2 1 ， 并利用驻波法( 内部写入法) 成功制作出第一根永久性的光纤光栅。但是利用驻 波法制作光栅写入效率比较低，而且光栅的周期受到写入光波长的限制，因此在 最开始的十年内光纤光栅技术发展缓慢。后来的gm e l t z 等人提出了紫外光的干 涉条纹对光纤进行侧面曝光的写入技术1 3 3 1 ，大大提高了光栅制作的效率。之后随 着对光纤光栅的基本理论研究深入及光栅写入技术的不断发展进步，各种类型的 光栅相继出现。不同方式所得到的光纤光栅，在热稳定性，对称性等一些应用方 面的性能上有着很大差距。通过深入分析光栅的结构以及导波特性，能更好地了 解其工作原理，就能根据实际的需求来确定光栅的各个参数和使用光纤的种类， 从而得到一些特定的光纤光栅。随着光纤光栅理论及制作技术的逐渐成熟，其应 用也越来越广泛，例如在光纤通信及光纤传感领域的应用等。其中在传感方面， 由于天生波长编码的特性，光纤光栅传感拥有纯光纤类传感器不具备的一些优势。 本章首先介绍了两种常见的光纤光栅，并用耦合模理论对这两种光栅的导波 特性进行分析。然后对光纤光栅传感器的工作基本原理进行分析。之后讲述的是 各种光纤光栅的制作的相关技术，重点介绍我们组自行研发的高温高压载氢增敏 系统、基于k r f 准分子激光器的光纤光栅写入系统以及基于c 0 2 激光器的长周期 光纤光栅轴向对称曝光写入系统。最后利用上述的载氢技术及光纤光栅制作系统， 制作出了一种被称为化学组分光栅( c h e m i c a lc o m p o s i t i o ng r a t i n g ，c c g ) 的光纤 高温传感器件。 2 光纤光栅结构及相位匹配条件 光纤光栅是通过光纤内部在波导结构上的扰动引起的光在各个模式间相互耦 合的一种无源器件。这种扰动一般表现为芯层折射率的周期性调制，这种折射率 的变化可表示为【5 2 1 ： 面卜c o s 隆训z ) p ， 浙汀人学硕十学何论文 其中：石( z ) 为光栅的平均折射率变化，可称为光栅的直流分量。它沿着z 方向是变化的，但是变化相对缓慢；s 是与折射率调制有关的条纹可见度，影响 光栅的反射率强弱，也称为交流分量，一般取值在0 5 - 1 之间；a 表示的是光栅 栅格的周期；驴( z ) 表示的光栅的啁啾和相移。 面丕a 7认觖怯， 图3 1 光纤光栅空间结构示意图 以f b g 为例，光纤光栅的相位匹配条件可以从光栅的衍射条件1 5 3 1 开始分析： 舢i n o , - n s i n 岛硼妾 ( 3 - 2 ) 上式中，刀是介质的折射率，人是光栅周期，m 是衍射阶数，在单模光纤中， 只考虑一阶的衍射，因此m = l 。另外，在光纤中，n s i nq 和n s i n 皖就代表了入射 光和衍射光的有效折射率，且光的传播常数可以表示为： = 等( 3 - 3 ) 式中7 切为与光波角度相关的纤芯中有效折射率。综合式3 - 2 和式3 - 3 就可以 得出光纤光栅的相位匹配条件： 屈一孱= i 2 1 ( 3 - 4 ) 在f b g 中，入射光和衍射光的传播方向相反，而且在单模光纤中，只存在一 个传导模式，因此其传播常数相反，即届= 一厦。将f b g 周期表示为人曰，则其 的共振波长以可表示为： 以= 2 n , 汀a 【3 - 5 ) 而l p f g 由于是引起同向的芯层模和包层模式之间的耦合，因此，传播常数 的符号相同，但是在数值上式不同的，长周期光纤光栅的共振波长可表示为： 2 4 浙江大学硕士学位论文 五= ( 。一，) 人上 ( 3 6 ) 式中的n e t 。和7 切，j 分别是芯层基模和某一阶包层模的有效折射率，人工为长周 期光纤光栅的周期。 3 光纤光栅传感原理n 1 以= 2 a n e 痧a + 2 n 。# f i & ( 3 7 ) 其相对应的轴向应变占= a l l 。另外已知相对介电抗渗张量岛和介电常量乞之 ，- - 1 | ，= 1 | n 2 口o 固 由于假设了f b g 只受到轴向的应力，因此光纤某方向上的折射率可以用光 纤的有效折射率，锄表示，因此，进一步推导可以得出： 峨州耖c 耖一等 p 9 ， 峨= 2 n 一譬石1 ) 】+ 2 三瓦c q a ( 3 加j q 斟 仔 其中，v 2 和屹是泊松比。因此把式( 3 1 1 ) 和( 3 - 1 2 ) 代入式( 3 - 1 0 ) 中，并结合式 浙江大学硕十学位论文 ( 3 - 7 ) 可以得到f b g 波长对于外加轴向应变的响应： 等_ 【l 一- 磅i - ( 耻喘w ， ( 3 - 1 3 ) 一般对于石英光纤制作的光纤光栅以以= 0 7 8 e 。 当f b g 受到外界温度变化影响时，主要存在两种效应，热光效应和热膨胀效 应。分别对应在温度变化下光纤有效折射率和f b g 周期的变化。类似f b g 对于 折射率变化的响应的推导，最终可以得到f b g 的共振波长对于外界温度变化的响 应： 等川+ 脚 ( 3 1 4 ) 其中，口为光纤的热膨胀系数，对于熔融的石英光纤，其典型值为5 5 x 1 0 。 ，y 为光纤的热光系数，其典型值为0 8 6 x1 0 。5 。可以发现，y 口，因此， 在一般情况下可以基本忽略热膨胀效应，其相应关系可改写为： 孥：z a t( 3 - 1 5 ) 4 光纤增敏技术 光纤材料的光敏性主要是指在外界光的作用下，材料的折射率、吸收谱、内 部应力、密度以及非线性极化率等多方面特性发生的永久性改变【5 4 1 。这种光敏效 应在微观上可能与许多物理因素相关，是一个极其复杂的物理过程。对不同类型 的光纤，不同波长的入射光、不同的光功率，其光敏性机理也不尽相同。现在的 研究把光纤光敏性主要归于两种机理：色心模型【5 5 1 和密致模型【5 6 1 。 光纤材料光敏性的研究主要是为了提升光纤光栅写入效率。现今光栅写入主 流技术是采用1 9 3 n m 和2 4 8 n m 的紫外激光写入，因此，很多光敏性研究集中在 这两个波段 3 5 , 5 7 , 5 8 】。 自从光纤材料光敏性被发现以后，如何改进这个性能就成为光栅制作技术中 一个重要的考虑因素。由于光纤材料的光敏性和纤芯的掺锗量成正比关系，因此 提高纤芯的掺锗量是提高光敏性最直接的方法。但是高掺锗必然带来的副作用是 纤芯折射率提升，为7 满足特定玻长光的单模传输条件，就要减小光纤直径，这 样就会大大提高光纤光栅制作的难度，最凸显的就是如何把光斑有效聚焦到细小 纤芯上。因此，寻找一些新的方法来提高光纤材料的光敏性至关重要。经过多年 理论研究及实验分析，提高光纤材料光敏性的技术主要可分为三种：载氢技术、 光纤还原法以及多种掺杂技术。 1 1 载氢技术 1 9 9 3 年，a t & t 贝尔实验室l e m a i r e 等人率先提出了光纤低温高压载氢增敏 技术i ”) 。把标准的单横光纤置于压强几十m p a ，温度2 0 7 5 c 的氢气中，氢气会 以分子的形式扩散至光纤的芯层这种光纤在紫外光的照射或者加热时，会引起 氢气和掺锗的石英玻璃之问的反应： e x o x ；+ h ， 土生些! l e xo h + h x ；f 3 1 6 ) 式中x 代表硅或是锗，方程右边形成的产物都与折射宰相若，从而提高了光 纤材料的折射率的变化，能把掺锗石英光纤的光敏性提高1 - 2 个数量级。在其他 的研究中还发现，对于掺磷，掺铒、掺硼的光纤材料进行载氢处理后可以提高其 在1 9 3 n m 波段的光敏性。因此，载氢技术对于提高光纤材料的光敏性，尤其是在 光纤光栅制作技术方面具有重要意义。 本实验室为了提高光纤光栅制作的效率，设计研静j 了一套高温高压的载氩系 统 图3 0 高温高压载氩系统 如图3 - 2 所示，这个系统主要分为两部分，一部分是氢气储存装置，另一部 分则是高温高压载氢的容器。因为高压载氢的要求压强一般在1 0 m p a 左右，所以 霍蟊霹蚀b 髫堡 浙r i ：人学硕十学何论文 储氢装置一般是以高压状态存在，对实验室长期安全稳定有不利影响。因此，我 们的储氢装置是特殊设计过的，图3 2 右上部分为储氢装置的实物图，里面有一 块特殊的金属物质，在常温下，氢气分子会被吸附在金属上，导致容器内压强的 降低，一般在1 5 m p a 左右。而且盛金属的容器是处于水浴的状态下，附带加热 装置，当温度上升时候，吸附的氢气分子被逐渐释放出来，储氢装置内压强会上 升至1 0m p a 左右。 高温高压载氢的容器也经过了精心的安全设计。见图3 2 的右下实物图。它 主要分为4 部分：盛氢容器、加热装置、抽真空设备、安全减压阀。盛氢容器采 用了1 5 m m 不锈钢，罐口用了圆形密封圈，并用8 枚6 m m 的螺钉固定。一般载 氢过程会持续数天，为了保证在这个过程中整个系统的安全，在盛氢容器上安装 了安全减压阀，会在压强大于1 5 m p a 时打开放气，压强减至7 m p a 时会自动关上， 防止了由于加热装置故障引起的压强过高问题的发生。 载氢的步骤如下： 1 关上所有阀门，向储氢装置内注入水浴加热所需要的水，加热，观察压强 表变化，在压强接近1 0 m p a 时，关掉加热电源。 2 将光纤绕在金属轴心上置于盛氢容器内，拧上螺钉。拧螺钉的关键，依次 将各个螺钉拧紧一定程度，循环重复，将各个螺钉都完全拧紧为止，这样 能保证各个螺钉的受力均衡。 3 打开载氢装置的阀门l ( 见图3 2 ) ，使用真空泵抽气5 分钟，拧紧阀门l ， 然后关上真空泵。 4 打开盛氢容器进气阀2 ，再缓慢打开储氢装置的阀门3 ，观察盛氢容器上 压强表的读数，当压强增至8 5 9 m p a 时，依次关上阀门3 和阀f - j2 。 5 打开载氢装置的加热器，设定温度为l l o 。c ，载氢2 3 天。 6 载氢结束，首先关闭加热装置，等待冷却以后，阀门l 接橡皮管，观察无 明火存在以后，将氢气排向室外。 7 取出载氢光纤。 载氢以后的光纤，部分氢分子发生化学反应，带来稳定持久的折射率改变。 但是还有很大一部分氢分子未发生反应，将逐渐扩散出光纤外。因此刚载完氢的 光纤性质不是很稳定，不适合马上制作光栅。而且为了进一步的稳定性，可能还 浙江大学硕十学位论文 需要额外的退火处理。 2 ) 光纤还原性处理 由于光纤材料的光敏性和材料中缺氧锗缺陷浓度有关，光纤还原性处理就是 通过后期的手段，增加光纤内缺氧锗缺陷的浓度，来达到增加光敏性的目的。比 较具有代表性的一种是被称为“焰刷”或者“火焰轻擦”的技术。1 9 9 3 年，f b i l o d e a u 等人1 5 9 】对一段标准的单模光纤，用1 7 0 0 ( 2 的氢氧焰轻轻地灼烧，实验发现，被灼 烧以后的光纤对2 4 0 n m 波段上的光吸收能力显著增加。利用紫外光写入光纤光栅 时，折射率的调制深度可以达到1 0 。3 量级，比在普通光纤上的调制能力提高了一 个量级。 这种增敏技术相对于载氢技术来说，最大的优点就是增敏以后不会产生折射 率的漂移，得到的光栅无需退火处理。而且它对两个通信窗口的几乎是没有影响。 利用这种技术可以制作出反射率比较高的f b g 。但是这种技术的最大缺点就在高 温灼烧破坏了光纤原有结构，光栅的机械强度和长期稳定性受到很大的影响。 3 ) 多掺杂光纤 上文已经提到，通过高掺锗，能够显著提升光纤的光敏性，但是同时伴随的 芯层折射率提升，使单模光纤的纤芯减小，不利于光栅制作。但是有些成分掺入 或者多种成分的共掺，能在提高光纤材料光敏性的同时又不至于增加纤芯的折射 率。其中，硼锗共掺的光纤是最具代表性也是光敏性最强的光纤之一。因为硼元 素掺入能够降低纤芯的折射率，这样就能保证一个较高的掺锗的状态下不提升纤 芯的折射率硎。同时硼元素也有助于提升光纤材料光敏性，因此这类光纤的光敏 性比相同锗含量的但掺锗光纤高出一个数量级。 另外，锡、铝、磷元素的掺入也有利于提升光纤材料在2 4 8 n m 波段的光敏性， 另外如上文所述，与掺磷、铒、硼的光纤材料与载氢技术相配合后可以提高其在 1 9 3 n m 波段的光敏性f 6 l 】。 多掺杂的光敏光纤相对于载氢增敏技术，减少了载氢过程中的危险因素，而 且制作的光栅的机械强度和持久性比“焰刷”技术好，同时也提高了光纤光栅制 作的效率。具有重要的研究意义。它也有一个明显缺点，由于多种成分掺入，是 必增加光纤预制棒制作工序，光纤成本也比较高。 浙：人学硕十学位论文 5 光纤光栅制作技术 至今为止比较典型的光纤光栅制作技术主要有：内部写入法、干涉法、逐点 写入法、掩膜法等几种。 内部写入法又称为驻波写入法，1 9 7 8 年，k o h i l l 等人【3 2 】制作出第一根永久 的光纤光栅就采用了这种方法。这种写入方法奠定了光纤光栅写入技术的基础。 它写入系统的结构比较简单，稳定性也较好。但是由于得到的光栅的共振波长和 写入光波长一致，因此同一套系统制作的光栅的波长选择性差，而且得到的光栅 效率比较低，折射率调制强度也比较低。 干涉写入技术通过分振幅或者是分波阵面方法将一束光分为两束，然后分别 经过不同的传播路径在空间发生干涉，产生强度周期性变化的干涉条纹，利用条 纹对具有光敏性的光纤纤芯进行曝光，造成光纤纤芯折射率周期性调制的一种技 术。这种技术最大的优势在于可以通过改变干涉光线的夹角( 图3 - 4 中0 ) 来改 变光纤光栅的周期。由于这种技术在光栅波长选择性上有着很大的优势，多年来 吸引了众多的研究目光。早在1 9 8 9 年，美国的gm e l t z 等人利用分振幅的方法获 得两束高强度相干紫外光1 3 3 1 ，并利用其空间干涉条纹对光纤进行侧面曝光写成了 光栅。随着研究深入，这种方法被不断改进，写入效率也显著提高，光栅中心波 长调整方法层出不穷，一些特殊的光栅如啁啾光栅等都可以利用这种方法制作。 但是干涉法写入光纤光栅对系统调整和工作环境的要求比较高，一些轻微的震动、 空气流动、甚至是说话都可能会影响系统的正常工作。 振幅掩膜法【6 2 1 是掩膜法里面比较简单的一种，振幅掩膜板是由一系列较宽的 狭缝组成，这些狭缝仅仅起到光阑的作用，它的宽度不会引起紫外激光的明显衍 射。然后利用成像系统将经过振幅掩膜板以后的光成像到光纤上，进行曝光写入 光栅。这种方法的特点是振幅掩膜板不会引起激光的明显衍射，也不会引起相邻 狭缝透射光的干涉。振幅掩膜板的狭缝宽度和间距都会比波长大很多，因此这种 方法适合制作l p f g 。 接下来的小节要重点介绍我们在课题中所采用两种写入方法：逐点写入法及 相位掩膜法。 5 1 逐点写入法 逐点曝光写入光纤光栅的技术就是利用透镜和光阑( 狭缝) 获得一个很小尺 浙江大学硕士学位论文 寸的光斑( 见图3 3 ) ，然后通过移动光纤或者光斑的方法，使得两者之间以光栅 周期为步长产生沿轴的相对位移，然后逐点曝光改变光纤的折射率，产生折射率 周期性的分布。 l i n e a rs t a g e 。一 一s l i t ； 9 本章小结 图3 1 4c c g 高温传感测试 本章首先从光纤光栅结构的理论分析入手，分析了影响光纤光栅特性的各个 参数，进一步推导分析f b g 和l p f g 的相位匹配条件，并且从理论上分析了光纤 光栅对于温度和应力的响应关系。 光纤的光敏性直接影响到光纤光栅的写入效率和写入质量，本章接下来分析 了光纤光敏性的形成原因，介绍了载氢、光纤还原性处理以及多掺杂等三种增加 光纤光敏性的技术。并重点介绍本实验室自行研制的光纤高温高压载氢系统以及 其操作流程。 随后，文章列出了迄今为止的一些典型的光纤光栅的写入技术，包括：驻波 法、干涉法、逐点写入法、振幅掩膜法以及最广泛应用的相位掩膜法。我们分析 了各种方法的写入原理和优缺点。随后提出了我们自行搭建的两套写入系统：基 于k r f 激光器的光纤光栅多功能写入平台，采用了相位掩膜法、逐点写入法等多 浙江人学硕士学位论文 种技术，不仅能够实现普通f b g 和l p f g 的制作，而且可以制作啁啾光栅、切趾 光栅等一些特殊的光纤光栅；基于c 0 2 激光器的l p f g 加工平台尚处于研究开发 阶段，已经能实现最基本的l f p g 写入。 最后，我们提出一种光纤光栅高温传感器c c g ，能够有效测量到l1 0 0 。c 的高 温，而且线性度和稳定性都较好。 浙订= 人学硕十学位论文 第四章光纤光栅传感器信号解调及复用技术 1 引言 光纤光栅传感主要是利用其耦合光波可受外界环境变量影响的特性，然后利 用一定的技术手段，获得耦合光波的信号中波长等相关参数，来提取所传感的变 量的信息。随着光纤光栅的研究深入和制作技术的日益成熟，光纤光栅传感应用 逐渐从实验室研究阶段走向商业应用。但是实现这一步的瓶颈在于光纤传感系统 的成本问题，而且很大一部分在于波长信号解调方面。探测波长信号最常用的就 是光谱仪，能够直接反应出一定谱域内光强分布的信息，但是其成本高，操作复 杂，系统响应速度慢，很大程度上限制了其在商业领域的应用。因此，许多研究 集中在新的解调方式的探索，来替代光谱仪作为解调信号应用。此类研究重点可 以分为：低成本、高分辨率、高精度、高动态范围等几个方面，其中低成本的解 调系统是推动光纤光栅实用化进程的关键。 有效的信号解调技术是降低系统整体成本的关键，而合理的光纤光栅传感器 复用技术则是降低系统平均成本的有效手段。有些好的解调方式不仅仅能解调单 个传感点的信号，而且能够在合理安排下，从多个传感节点的混合信号中解调出 各个信号，这种技术既实现了信号解调，又实现的信号复用的功能。 本章主要介绍了一套基于相干复用和空分复用混合的传感网络，利用这个网 络能有效支持4 0 个以上的传感节点。通过新式的传感器设计，该传感系统能够对 温度、应力尤其是甲烷浓度等多个传感量进行准分布式探测。同时整套系统成本 低，操作简单，非常适合煤矿开采业安全监测的工业化应用。 2 光纤光栅传感信号解调方案 解调方案影响到整个传感系统的精度、分辨率的参数。现今常见的实现对波 长编码的解调方法包括：可调激光器解调方案1 7 2 , 7 3 】、可调滤波解调方案1 7 4 1 、边缘 滤波解调方案【7 5 1 和干涉仪解调【7 6 1 方案等。其中利用可调滤波器和干涉仪来实现解 调是目前最重要也是应用最广泛的两种方法。 4 5 浙 i ：人学硕十学位论文 2 1 可调滤波解调方案 可调滤波方案和可调激光器方案有些类似，可调激光器方案是把激光出射光 源当作被滤波对象，用滤波器不变扫描光源的方法使两者光谱相匹配来获得最大 功率输出。可调滤波方案则是把f b g 的反射光作为被滤波对象，采用一个可调谐 的滤波器，去扫描识别f b g 的反射谱。一般采用的滤波器有可调f p 光纤滤波器 ( f i b e rf a b r y p e r o t ，f f p ) 、可调的f b g 滤波器和可调声光滤波器等。 图4 i 基于可调f - p 光纤滤波器光纤光栅解调方案 a d k e r s e y 等人在1 9 9 3 年就提出了基于f f p 的光纤光栅解调方案，系统结 构如图4 。l 所示，f b g 反射的窄谱光进入f f p 。光在f p 腔内发生多光束干涉， 其出射的干涉谱线就是其滤波谱线，呈一个梳状的滤波特性，具有多个透射峰。 透射峰的宽度和各个透射峰的距离即自由光谱范围( f r e es p e c t r u mr a n g e ，f s r ) 和f p 腔的腔长有关。首先调整腔长使其透射峰的宽度大于f b g 反射光的谱宽， f b g 反射谱包含在滤波谱的某个透射峰内。然后通过连接在f p 腔上p z t 来轻微 改变其腔长来达到透射峰扫描的目的，当某个透射峰的中心波长和f b g 反射谱的 中心波长重合时，将使输出光的光强达到最大。通过同步p z t 驱动电压和p d 输 出的电压，就能确定f b g 反射谱的中心波长的位置。这个系统能通过驱动信号微 扰和外加闭环反馈的方式来提高系统分辨率。这种系统工作稳定，精度和分辨率 都相对较高，实验中对单个光栅的传感达到了l p m 的系统分辨率。但是由于f f p 制作要求较高，成本也比较大，工作响应速度欠佳，限制了其在某些领域的应用。 图4 2 是用一条和传感光栅相同的光纤光栅作为反射型滤波器，并将此参考 浙汀大学硕士学位论文 光栅粘附在p z t 上。当p z t 保持原来状态时，两个光栅的透射谱重合，传感光 栅反射的光能量完全被参考光栅反射，输出光强达到最大。当传感光栅受到外界 环境变化影响时，波长发生漂移，两光栅的反射谱产生错位，输出光强减小。此 时以一定的信号驱动p z t ，使得参考光栅的波长在一定范围内扫描，当光强重新 达到最大的时候，两个光栅光谱重新重合，此时的输入信号值和光栅波长位移就 有个对应关系 1 一、：三 一 r e r e 嬲b g 一 一掣 s i g n a lg e n e r a t o r o u t p u t 图4 - 2 匹配光栅滤波器解调方案 这种结构最大的优点在于对于偏振、相位等一些参量不敏感，信噪比高，而 且噪声对结果影响不大。但是由于这种检测方式是通过判断输出光强最大点来获 得波长信息的，因此p z t 扫描精度和速度决定了系统的精度和响应速度。 2 2 干涉仪解调方案 干涉仪解调基本方法是：把从传感f b g 反射的光用祸合器分为光强相等的两 路，然后人为引入一定的路程差，当两路光重新汇合发生干涉的时候，就存在一 个相位差。对于不同中心波长的发射光，经过相同路程差的所引入的相位差是不 一样的，其所得的干涉光的光强也是不一样的。通过从干涉光强中解出相位差的 信息，就能得到反射光中心波长的信息。 4 7 浙江大学硕士学位论文 图4 3 基于非平衡m z 干涉仪的解调方案 用于信号解调的干涉仪有m z 干涉仪、m i c h e l s o n 干涉仪和s a g n a c 环干涉仪 等。1 9 9 2 年以来a d k e r s e y 等人【7 6 】就先后提出了一些列基于非平衡m z 干涉仪 的解调方案，其基本结构如图4 3 所示。 假设非平衡m z 干涉仪两臂引入的路程差为缸，那么干涉时的相位差可表 示为： 驴( 五) ：2 n n 西一5 , l z 乃n e # a l ( 4 1 ) 驴( 五) ：_ 一 ( 4 1 ) 其中7 锄为光在光纤内传播的有效折射率，假设不引入其他噪声，且两束干涉 光光强相等时，其干涉光强可表示为： 1 ( 2 8 ) ：彳+ a c o s ( 丝衅) ( 4 - 2 ) 蚀 可见输出光强是反射光中心波长的函数。另外从式4 2 中可以看到，干涉光 强中带有直流信号，这样会影响到系统的分辨率。因此，如图4 3 所示，通过差 分放大，能够抑制干涉信号的直流分量，从而提高系统的分辨率。 这种解调方案分辨率高，响应速度快，非常适合于动态测量。但是由于是通 过相位差来反映中心波长，其最大变化范围为2 x ，超过以后将无法正确得到中 心波长的值，因此限制系统的测量范围。另外，由于干涉强度对于相位差相当敏 感，因此干涉两臂所处环境的噪声对系统影响较大，也是该系统缺陷之一 浙江大学硕十学位论文 3 光纤光栅传感信号复用方案 由于光纤传感器本身简单、低成本的特性，其相应的解调设备成本往往远远 大于传感器本身。再者，许多传感器商业应用场合需要多个传感节点实现分布式 的传感并同时监测。复用技术通过一定的系统结构或者信号编码技术，使用多个 传感器共用一套解调系统，不仅能够有效降低单个传感点的平均成本，也能满足 对于多点分布式传感的应用需求。 现在常见的复用方式有：波分复用( w a v e l e n g t hd i v i s i o nm u l t i p l e x i n g ，w d m ) 1 7 7 1 、时分复用( t i m ed i v i s i o nm u l t i p l e x i n g ，t d m ) 1 7 8 、空分复用( s p a t i a ld i v i s i o n m u l t i p l e x i n g ，s d m ) 7 9 , 7 9 1 和相干复用o s 0 - 8 5 ( c o h e r e n c em u l t i p l e x i n g ，c m ) 等。其 中w d m 和t d m 在光纤通信领域已经发展成熟。 w d m 指的是不同用户在互不干扰的前提下可以使用不同的波长同时进行通 信。在光纤光栅传感领域，由于f b g 的反射谱的带宽非常窄，不同反射中心波长 的信号混在一起，互不干扰，这种复用方式具有很高的信噪比，而且能够充分利 用光源能量。但是这种方法的最大缺陷和通信上应用一样，多通道的波长分离器 件成本相当高，影响其实际工程应用。 t d m 技术的最基本的原理通过信号到达的先后顺序来区别从不同传感f b g 反射的信号。由于各个信号到来在时间上是相互独立的，因此各个信号可以共用 一套解调系统来探测信号，解调后的信号也是依次输出，其复用的f b g 不一定要 在波长上作区分，这样在传感器制作方面降低了难度。但是其能够复用的个数却 受到很多因素的限制：一方面，系统的响应时间以及重复测量的频率都受到复用 个数的影响，当复用个数过多的情况下，必须降低脉冲发射的频率，否则相邻脉 冲的前后信号会发生相互干扰。另一方面，复用个数的增加会引入较多的延时光 纤，损耗增加而且噪声引入的机会变大，会降低信号的信噪比和对比度，一般情 况下，单路的复用的个数在1 0 个左右。 在下文中，我们将提出一种c m 和s d m 混合的高复用能力及低成本的传感网 络。首先，我们将分别介绍两种复用技术的各自原理及特点。 3 1 相干复用( c m ) c m 技术是通过干涉发生条件不同来区分各个传感点的。这种技术不仅提供 了一种复用的手段，同时也包含了信号解调的手段。这种技术所用的传感单节点 4 9 浙r i ：人学硕十学位论文 和一般包含两个光纤光栅，组成一个简单的光纤内的干涉仪。各个传感节点通过 干涉仪引入的光程差不同进行复用。这种技术解调系统解调技术原理简单，成本 低廉，具有很好的商业价值。 图4 - 4 基于f b g p 的c m 结构示意图 图4 4 所示的是基于布拉格光纤光栅对( f i b e rb r a g gg r a t i n gp a i r , f b g p ) 的 c m 结构，其基本传感单元由两个中心反射波长相同的并间隔一定距离的f b g 串 联而成，光从两个f b g 反射就引入了光程差，构成了一个光纤内f p 干涉仪 ( f a b r y p e r o ti n t e r f e r o m e t e r , f p i ) ，从两个f b g 反射的光反射出后的f p i 可表示为： j 巨( 动= p ，1 妫磊( 刎( 4 - 3 ) 【易( 刎= 2 ( c o ) p 2 ( c o ) e x p ( - i a 9 , ) e o ( 动 其中e o ( 砌为入射f p i 之前的光的振幅，巨( 劢，巨( 动分别为不同相位的两 路光反射出f p i 后的振幅，p ( 动、彳( 动分别为f b g 的反射系数和透射系数，a c p 是两路光的相位差，假设两个f b g 有效反射位置间的距离为础，光在光纤内传 播的有效折射率为，光速为c ，则驴可表示为： 妒：2 n a l 国( 4 4 ) c 两路信号合在一起作为传感部分的输出进入解调部分。解调部分是一个单臂 扫描的m i c h e l s o n 干涉仪，或者也可以称为光学低相干反射计( o p t i c a ll o w c o h e r e n c er e f l e c t o m e t r y , o l c r ) 。光被一个l ：l 的耦合器分成等光强的两路，然 浙江人学硕十学位论文 后分别通过格林透镜转化成空间光，如图4 4 下半部分所示，其中一路从一个固 定的反射镜反射后原路返回耦合会光纤内。另一路光出射后，在一个沿着光路扫 描的反射镜上反射后也耦合入光纤。假设两面反射镜沿光路方向的位置差为z ， 那么两路光之间会再次引入一个相位差：= 2 z r o c 。最后光传到p d 里所探 测到的电场巨( 神可以表示为： 与( 叻= 寺【l + e x p ( 一) 】【( e ( 刎+ 易( 动】 ( 4 5 ) 其探测光强可以表示为： i ( z ) o c 芴1r e ee ：( r - o ) e 3 ( t o ) d t o ( 4 - 6 ) 再次从图4 4 中可以看到，c m 系统所采用的光源是s l e d ，它的特点是光 谱相当宽，相干长度非常小，只有当干涉两路光的相位差在零附近时才能发生明 显的干涉现象。因此，就能得出一个探测到干涉信号的前提要件：当解调部分 m i c h e l s o n 干涉仪所引入的光程差恰好能补偿传感器部分所引入的光程差时，有 两路光光程相同，发生明显干涉。则式4 - 6 的交流分量可以写为： 州峨 巨( 嘲( 帅一( 警一训】d 对 ( 4 - 7 、 o cr e 巨( 媚( 动叫 可以看出，这是一个相关的计算。光强和两个反射谱重叠的面积成正比( 如 图4 5 所示) 。当传感信号没有加载的在传感f b g 上的情况下，两个f b g 的反 射谱重叠在一起，干涉信号达到最大。当有外界信号加载到传感光栅上，会引起 f b g 共振波长的漂移，导致两个f b g 反射光谱的错位，重叠面积减小，相关运 算的值减小，干涉信号强度降低。因此我们可以通过探测到的干涉光强来得到传 感光栅的谱线漂移量，从而得到加载传感量的大小 w a v e l e n g t h 图4 - 5f b g p 光谱相关计算 扫至苗。一2心叱 浙江人学硕士学位论文 上文所述的是单个f b g p 传感器的解调原理，当多个f b g p 传感器组成传感 阵列，需要复用时，如图4 4 所示，我们设计了中心间隔各自不同多个f b g p 作 为传感单元。当电机带动反射镜在一定范围内扫描时，将会依次匹配各个f b g p 所引入的光程差，p d 将会依次探测到多个传感单元相对应的干涉信号，只要合 理设计各个f b g p 间隔的大小，各个干涉信号就能够被很清晰地区分开来，这就 是c m 的工作流程。 因为随着反射镜的扫描，干涉信号时依次被p d 所探测到的，c m 不需要考虑 各个传感点f b g 的光谱是否重叠，这就是相对于w d m 技术的最大优势。另外， 只要在光能量和噪声状况允许的条件下，各个传感点之间的距离设置自由，可以 随时改变，同时不影响解调部分的设置，这对于t d m 来说，也是一种优势所在。 另外，其解调部分只用了几个反射镜，一个步进电机和一个p d ，成本相对前两 种解调技术来说减少很多，非常适合商业应用。 这种技术也存在一些问题。首先，它的最大复用这个数是受到电机扫描范围 和能分辨相邻干涉信号的f b g p 间距的最小步长决定的。另外，虽然相邻的传感 点可以比较随意地设置，但是如果两者之间的距离小于电机的扫描范围时，相邻 的传感点的f b g 之间也会形成一个f p i ，p d 处就会产生干扰的干涉信号。最后， 由于f p i 内形成的是多光束干涉，多次反射的光之间也会引入相当于原来整数倍 的光程差，p d 处就会在等间隔的位置探测到几个干涉峰。因此，f b g 的反射率 不能做的过高，以利于抑制多次反射光形成的干扰。 另外，使用两个相同的l p f g 也可以解决多次反射造成的影响。如图4 - 6 所 示，同样是两个光栅串联的形式，当光入射到第一个l p f g 的时候，根据l p f g 的耦合条件，一部分光会被耦合到包层模进行传播，随后这些包层模会被第二个 l p f g 耦合回芯层模式传播。由于芯层模和包层模传输的有效折射率不同，在传 播过一定距离后会产生光程差，因此，这两个l p f g 形成了一个光纤内的m z 干 涉仪，其引入的光程差也是和两个l p f g 之间的距离成正比。不同间距的l p f g p 可以通过并联的方式进行复用，同样可以用o l c r 进行解复用。 5 2 浙江大学硕士学位论文 图4 - 6 基于l p f gp a i r 的c m 结构示意图 3 2 空分复用( s d m ) 及多种方式混合复用 s d m 就是利用光开关或其他功能类似的器件，使多个传感器在不同时刻独立 地与解调设备连接以完成响应工作的一种技术。原理上该技术没太多难点。其最 大的特点就是各路传感器处于工作状态时相互独立，可以完全解决传感器间串扰 问题。而且这种技术往往不是单独应用的，而是以和其他的复用技术相混合的形 式出现。 图4 7 s d m 结构示意图 上图所示为s d m 的示意图，图中4 路串联的f b g 链接到光开关的4 个口， 每串f b g 都可以采用其余的复用方式，比如采用w d m ，只要信号检测处理部分 采用非平衡m z 干涉仪等解调方式探测波长，各路能分时作为一个独立的w d m 5 3 浙江人学硕士学何论文 系统工作。在s d m 技术的支持下，可以数倍扩充其他w d m 、t d m 、c m 等复用 方式的复用数量。而且在工业应用上，还有一个显著的好处就是可以把某几路传 感器作为备用，平时处于非工作状态，一旦工作路的传感器发生故障，就能快速 地切换至备用路，显著提高传感系统工业应用的可靠性。这种技术最大瓶颈问题 就是光开关的工作速度影响系统整体响应性能。 除了应用s d m 以外，其他的复用方式也能以一定的组合方式进行混合复用。 图4 8 中使用了一个1 ：n 耦合器实现了w d m + t m d 混合复用。图中三路串联的 f b g 都是实现了w d m 方案，然后各路在加上不同的时延以后连接到同一个耦合 器上。光源发出的是宽谱的脉冲光，根据t m d 的原理，只要合理设计时延，在 特定时候打开解调部分的开关阵列恰好让某一路波分复用的4 个f b g 信号全部通 过，送入波长解调系统解出各个波长。由于各路信号时独立解调的，因此允许各 路光栅采用同样的规格，因此这种混合复用技术不仅能够大幅度增加传感点的数 量，而且能降低传感器制作的难度。 矗 五丑五 一r 一一 w a v e l e n g t h d e t c g t i o n i | i l 卜_ | | | | | | 卜_ 叫l jj f l | 卜叫l i i i l i 卜_ 一 五 五五 | | | | 卜一l i | l | l 卜叫| | j | | 1 卜叫| | | i | | 卜一 a五是丑 l | l l 卜一l l i | i | 卜叫i | i | l | 卜f i i i i | i 卜一 图4 - 8w d m + t m d 混合复用结构示意图 4 基于c m s d m 混合复用技术的传感网络及多参量传感应用 在浙江省科技厅面上科研工业项目“基于新型解调方案的光纤光栅多参量传感 网络”( 项目编号：2 0 0 7 c 2 11 5 9 ) 及国家自然科学基金同名项目( 项目编号： 6 0 7 0 7 0 2 0 ) 的支持下，我们研究搭建了一套c m s d m 混和复用f b g 传感网纠8 0 。8 5 i 。 并且自行设计传感器及封装【8 6 】，对甲烷浓度、温度、应变等一些工业上，尤其是 煤矿等这种高危工作环境中必须实时监测来保证安全作业的一些参数进行了传感 实验，数据结果良好，系统稳定，最多能支持4 3 个传感点，实现准分布式传感。 浙江人学硕十学位论文 4 1 系统硬件结构 f b gp a