基于光纤辐射效应的温度传感器工作波长研究

金 靖， 侯云霞， 刘纪勋

(北京航空航天大学 仪器科学与光电工程学院，北京 100191)

基于光纤辐射效应的温度传感器工作波长研究

金 靖， 侯云霞， 刘纪勋

(北京航空航天大学 仪器科学与光电工程学院，北京 100191)

辐射后光纤的损耗值显著增加，这种现象被称为光纤辐射致衰减(RIA)效应。基于RIA效应的温度特性,搭建了一种新型的光纤温度传感器。为选择合适的传感器工作波长，基于位形坐标模型理论对锗磷(Ge/P)共掺杂光纤在825～1 500 nm范围内的RIA谱特性进行了研究，发现短波段光纤RIA对温度的依赖性明显优于长波段。选用了常见的850 nm普通单模光纤作为敏感光纤，搭建光纤温度传感器，最后对所搭建温度传感器的性能指标做出了评估。

辐射致衰减； 温度依赖性； 波长； 光纤温度传感器

0 引 言

对光纤辐射致衰减(radiation induced attenuation,RIA)及其温度特性的研究已有数十年历史。研究表明辐射会使光纤中产生大量的色心缺陷点，色心的形成大大增加了光纤对光的吸收，进而引起光纤RIA效应[1～3]。色心有稳定和不稳定两种，不稳定色心在高于自身稳定温度的环境温度下，会发生分解或转化为其他色心，即发生退火，而稳定色心则能稳定存在于光纤中[4～6]。辐射后的光纤在经充分高温退火后，其RIA值对温度有单调稳定的依赖性[7～9]。基于RIA的这一温度特性可以研制一种新型的光纤温度传感器。影响光纤RIA温度特性的因素有很多，如辐射总剂量、光功率、传输光波长等[8]。传感器工作波长的选择与传输光波长对RIA温度特性的影响紧密相关。

本文基于位形坐标模型理论，探究了传输光波长对光纤RIA温度特性的影响机制,发现短波段的光纤RIA对温度的依赖性和敏感度要优于长波段。选用了常见的850 nm光纤作为敏感光纤来搭建温度传感器，测试实验结果表明：所搭建温度传感器的灵敏度可达0.006 7 dB/℃，非线性误差为±3.376 %，重复性误差为0.963 %。

1 光纤RIA的谱特性

1.1 位形坐标模型理论

辐射粒子作用于光纤使光纤内部产生大量的色心，引起RIA效应。色心是一种带有效电荷的缺陷点，在近红外光谱范围内，色心对光的吸收为振动转动吸收模式[11,12]。位形坐标模型可用于分析色心的吸收谱特性，它是一种用来描述晶体中电子处于某一状态时，离子晶格振动的势能曲线与离子平均位置关系的物理模型[9～11]。

在位形坐标的曲线的基态和激发态中分布着一系列的离子晶格振动能级，用n表示。当黄昆因子S较大时，位形坐标模型更适合分析色心吸收谱的特性，此时色心的吸收谱线近似为高斯线形[9]。常温下，电子主要占据基态中n=0的状态，电子跃迁范围较小，所以,电子吸收光子能量由基态跃迁到激发态时，形成的吸收谱线宽度较小。温度升高，电子处于较高的振动能级n，电子跃迁范围加大，所以,吸收谱线加宽。同时，振动态n的升高使电子从基态到激发态跃迁的距离变短，这就导致吸收光谱的峰值位置向低能，也就是长波长方向移动。温度升高使处于高振动态的粒子数增加，低振动态的粒子数减少，而总的粒子数并未发生变化，吸收谱线的总强度不变，因而,谱线展宽的同时吸收峰值下降。

通过上述分析可知，温度升高引起色心吸收谱线宽度增加，吸收谱峰位向低能方向移动同时吸收谱峰值降低。色心吸收谱随温度的变化关系如图1所示。

图1 色心吸收谱线随温度变化关系示意图

1.2 光谱实验

选取辐射总剂量10000Gy，普通单模，经过充分高温退火的锗磷(Ge/P)掺杂光纤为测量对象，测量其在不同温度下的RIA谱。测量温度点依次设为-40, -20, 0, 20, 40,60 ℃，测量光谱范围为825～1 500 nm(1.5～0.83 eV)。为便于分析，对所得RIA谱进行适当的平滑，平滑后衰减谱随温度变化的关系如图2所示。

图2 825～1500nm范围内Ge/P掺杂RIA

在825～1 500 nm的近红外光谱范围内，Ge/P掺杂光纤的RIA主要受与Ge-NBOHC，GeX色心和P1色心的影响，所以,理论上可以用这三种色心的吸收谱拟合出RIA谱[9,12,13]。因色心吸收谱线可以近似为高斯线形，故用下面的高斯函数作为拟合函数

(1)

其中，E为电子势能，En,ωn,an与色心种类有关。

表1给出了Ge-NBOHC，GeX和P1三种色心的主要参数在常温下的参考值[9,13～15]。

表1 色心主要参数

从图3中的拟合结果可以看出:6组不同温度下的RIA谱完全可以用相应温度下三种色心的吸收谱拟合出来，有力地证明了用位形坐标模型分析RIA谱随温度变化关系的可行性，即可以用这一理论来探究传输光波长对RIA温度特性的影响。

图3 RIA谱与三种色心吸收谱的拟合结果

从实验结果和对实验结果的拟合结果看出：短波段(高能)光纤RIA的温度特性优于长波段(低能)。图3(a)给出了三个温度点下RIA谱和对应温度下三种色心吸收谱的关系图，可以发现，在0.83～1.06 eV范围内，RIA主要受到P1色心一种色心的作用，而在1.5～1.06 eV范围内，RIA受到Ge-NBOHC和GeX两种色心的作用。色心的吸收谱线形为高斯线形，当随温度变化时其变化量是非线性的，但是对于两条吸收峰位置间隔一定距离的高斯线形，其合成量的变化量具有优于单一高斯线形变化时的线性度，且具有更好的灵敏度。所以，在受两种色心影响的1.5～1.06 eV波段内，RIA随温度的变化具有更好的线性度和灵敏度。

从图3(b)可以看出:在1.32～1.5 eV范围内，光纤的RIA值随温度升高而单调稳定的增加，这一范围内不同温度下的RIA谱间隔较大，说明光纤RIA对温度的敏感度更好。普通单模光纤的常见工作波长有850,1310,1 550 nm，根据上述研究结果，本文选取了工作波长为850 nm的普通单模Ge/P共掺杂光纤作为敏感光纤，搭建光纤温度传感器。

2 光纤温度传感器的搭建

光纤温度传感器的原理框图如图4所示，测试温度范围为-40～60 ℃。实验采用了中心工作波长为850 nm的超辐射发光二极管(SLD)作为光源，辐射剂量为100 Gy，工作波长为850 nm，充分高温退火后的Ge/P共掺杂光纤作为敏感光纤。选取相同厂家生产的同种850 nm光纤设置参考光路，与敏感光纤并行缠绕，置于温箱内。耦合器将光源发出的光分成功率相等的两束光，分别导入敏感光纤和参考光纤。光功率计将接收到的两路光信号传输到上位机，由LabVIEW功率采集程序采集光信号。高精度温度计用来实时监测温箱内温度。

图4 光纤温度传感器原理框图

利用所搭建系统进行了5次实验，以评估光纤温度传感器的性能指标。为消除光功率计测试通道不同及其他因素引入的误差，将每组实验数据用其20℃的测得值进行归一化，得到如图5所示的结果。

图5 光纤温度传感器性能测试结果

本文选取850 nm的普通单模Ge/P掺杂光纤所搭建的温度传感器，灵敏度可达0.006 7 dB/℃，非线性误差为±3.376 %，重复性误差为0.963 %。

3 结 论

利用充分退火后光纤辐射致衰减对温度的稳定依赖性提出了一种新型光纤温度传感器。为确定传感器工作波长，本文基于位形坐标模型理论对传输光波长影响光纤RIA温度特性的机制进行了研究。研究发现短波段光纤RIA对温度的依赖性明显优于长波段，在1.32～1.5 eV波段内，RIA温度特性相对最好，所以,选取了光纤中常见工作波长处于这一波段范围内的850 nm的普通单模Ge/P掺杂光纤作为敏感光纤，搭建了光纤温度传感器。对所搭建温度传感器的性能指标进行评估，得出传感器的灵敏度为0.006 7 dB/℃，非线性误差为±3.376 %，重复性误差为0.963 %。

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Study on working wavelength of temperature sensor

based on optical fiber radiation effect JIN Jing， HOU Yun-xia， LIU Ji-xun

(School of Instrument Science and Optic-electronics Engineering，Beihang University， Beijing 100191，China)

Attenuation of optical fiber will augment largely after irradiated,this phenomenon is called radiation induced attenuation(RIA).A fiber temperature sensor is established based on temperature characteristics of RIA.To determine appropriate working wavelength,spectrum properties of temperature dependent RIA in irradiated fiber is analyzed according to configurational coordinate model.It is found that temperature dependence of RIA at short waveband is better than that at long waveband in spectrum range of 825～1 500 nm.As a result,850 nm is chosen as working wavelength because of its good monotony and sensitivity after sufficient annealing,and a series of confirmatory tests were done to evaluate its performance.

radiation induced attenuation(RIA); temperature dependence; wavelength; optical fiber temperature sensor

2014—09—22

10.13873/J.1000—9787(2015)04—0027—03

TN 212

A

1000—9787(2015)04—0027—03

金 靖(1975-)，男，内蒙古呼和浩特人，副教授，高级工程师，主要研究方向为光纤传感与空间应用技术。