光纤光栅传感器发展及应用

陈卓康

(华中师范大学第一附属中学朝阳学校,北京 100025 )

1 引言

光纤光栅是一种使用曝光手段在光纤纤芯内部形成折射率周期性调制的相位光栅，但是光纤光栅本质上是一个位于光纤内部的窄带宽滤波器或者说是一个起透射或反射功能的反射镜。光纤光栅作为光无源器件中的一类，在很多方面的应用都是基于它的透射光谱进行设计，从而达到我们想要的目标光谱，所以研究光纤光栅的光谱是很关键的一步。光纤光栅由于它的低成本、体积小、稳定性高，抗电磁干扰强，插入损耗低，便于与光纤耦合等诸多优点，不仅在光滤波器的设计方面光纤光栅取得了一系列突破，而且还在光通信领域得到了广泛应用，各种基于光栅的光器件层出不穷，如光纤光栅激光器、光纤波分复用器、光栅滤波器、光栅色散补偿器、光栅耦合器等。同时，光纤光栅传感器运用广泛，已经在航天、安防和大型桥梁的检测领域广泛使用，随着人们日益增长的需求，可预见光纤光栅传感器有着广大的市场和巨大的发展空间。

2 光纤光栅发展历史

1978年,加拿大渥太华通信研究中心的Hill[1]等人首次在掺锗石英光纤中发现光纤的光敏性,采用488nm氩离子激光器用驻波法在石英光纤中成功制成了世界上第一只光纤光栅。

1989年,美国联合技术研究中心的GMeltz[2]等人运用紫外光敏特性, 用两束波长为244nm的紫外激光干涉条纹去照射掺锗光纤的纤芯,这样可以将光纤的纤芯中写进任意工作波长的位相光栅,即形成布拉格光栅,使光纤光栅的制作技术得到进一步进展。

1993年，贝尔实验室的Lemaire等人发现当氢分子扩散到普通通信光纤芯区后，光纤的光敏性倍增。

1997年，华南师范大学的杜卫冲[4]提出用铝制材料去封装光纤光栅，实验验证其方法可以使光纤光栅传感器的灵敏度得到巨大提升。

2005年，清华大学的李营[5]在F-P可调谐滤波器的基础上加入固定波长的参考光栅，达到削弱滤波器腔长变化影响的目的。

2015年，南京大学现代工程与应用科学学院的杨刚[6]提出基于频谱分区的光纤光栅解调系统，稳定度高达0.97 pm,分辨率达到0.33pm。

2016年，美国仪器公司研制出无需仪器校准和信号处理的长距离光纤光栅应变测量传感系统，传输距离达到10公里。

3 光纤光栅基本原理

在上世纪90年代，光纤光栅的发明给给光通信领域带来了新曙光，它的突出特点在于靠性强，测量精密度高，抗电磁干扰原理，随着研究的深入，它逐渐被人们应用到各个领域，结构如图1所示。一根光纤上等间距分布着多个不同中心波长的布拉格光栅，实际上每一个布拉格光栅相当于一面反射镜，它将各个点的信息反射回接收端，根据此独特的传感方式我们用它构建分布式传感系统，达到一根光缆多点测量的目的。

光纤光栅的制作方法简单，它是在光纤的基础上，通过紫外光刻蚀方纤芯从而使纤芯中形成周期性折射率变化，光纤光栅这样的结构对某一特定波长范围的光谱进行反射，而对其他波长范围的光谱进行投射，所反射的中心波长为：λb= 2neff∧，其中λb是被反射的波长，neff是光纤光栅的有效折射率，∧ 为光栅周期。

由于光纤芯区的折射率周期性变化,波导条件也随之改变，模式耦合现象也发生在某一波长范围内,使得光栅的在这波长附近出现奇异性的透射光谱和反射光谱,我们可以认为此时的光纤光栅就是一个透射（反射）型的窄带滤波器。发生模式耦合时,光栅周期以及纤芯折射率neff决定了反射波的中心波长。当宽带光进入光纤，只有某一波长范围的光经过光栅反射回来，而光纤受外界温度、应变的影响，会使光纤光栅的光栅周期和纤芯有效折射率neff改变,从而引起光纤光栅的反射波中心波长λb的变化, 通过测量光栅反射波长变化量，可以通过公式推导得到被测物体温度/应变等物理变化量，这就是光纤光栅传感器的机理。光纤光栅一般被用来直接测量物体的温度和应变,而其他物理量的变化与温度或应变有关，所以我们也可以用这两个物理量来间接测量其它物理量。光栅的温度特性为10pm/℃，应变特性为1.2pm/nɛ，通过系统采集一段时间光纤光栅的反射波中心波长值，然后计算出得到的应变变化速率从而间接测量得出外加扰动的频率和幅度等信息。此外,将光纤光栅用特殊材料涂覆在磁致伸缩材料或压电材料上,可以实现光纤光栅对压强、流量、位移等其他物理量的精确实时测量。

4 光纤光栅传感技术研究及应用现状

4.1 研究现状

作为一种新型的光纤无源器件，近年来光纤光栅的研究受到广泛关注。目前，结合现在的技术，光纤光栅传感器可以对这些物理量进行精确测量：温度、应变、位移、压力、扭角、压强、加速度磁场、电场、频率、热膨胀系数等。通常，外界的温度、应变和压力等变化直接影响光纤光栅中心波长，如果需要得到更加精确的测量值，那么还需要对中心波长的变化量进行准确监测。

目前我们可以利用可调谐光源法、边沿滤波法、M-Z 干涉仪解调法、匹配光栅法等方法去解调波长信息，虽然方法途径很多，但是各个方法都有独立的使用条件，同时不断有新的高精度波长信息解调技术被各个科研机构提出。

4.2 应用现状

相比于光纤传感技术，光纤光栅传感技术结合了灵敏度高、传感距离长、能够测量多点扰动和响应速度快等诸多优点，非常适用于多种场合下的微扰动监测。主要包括：大型建筑物的健康监测，如建筑物的开裂、桥梁的异常振动等；重要场所的安防，如银行、监狱等外围可铺设传感光纤光栅，对入侵或逃离进行预先报警；通信、输电链路的保护，如通信光缆的窃听预警，输电线路在不良天气下的舞动监测等。

5 讨论及未来展望

科研人员们对光纤光栅传感技术进行了广泛而深入的研究，并取得了可喜的成果。但光纤光栅传感技术仍然存在不少问题有待研究者解决，其中比较重要的三个问题是：

（1）需要带宽更宽、功率更高的光源。有时候根据工程应用的需要，对不同的频率做出响应，那么需要宽带更宽的激光源，这样光纤光栅就扩大了测量范围；同时在长距离监测的情况下，我们希望光源的输出功率更高，但是功率更高可能带来的噪声会更大，所以在光源的选择问题上我们应予以深入的考虑。

（2）灵敏度更高的波长信息解调装置。光纤光栅传感器是以布拉格光栅为传感单元的点分布式传感系统，在某些工程应用中需要测量的是波长级别的位移，因此，为了得到更高精度的测量数据，需要灵敏度更高的波长信息解调装置。研发出新颖的光敏材料，提高光检测器的波长响应度，最终可以提高待测量精度。

（3）随着工程应用的技术要求的不断提升，现在需要对更多参量进行实时监测，但是由于光纤光栅交叉敏感问题，它成为了实现多参量测量的瓶颈，在未来研究中，可以在信息处理的算法上加以优化，在时域上有间隔有针对性地对不同参量进行测量。

6 总结

本文针对光纤光栅传感进行了简单介绍，归纳了光纤光栅的研究进展，详细介绍了光纤光栅传感器测量温度、应变等物理量的基本原理，特别着重描述了光纤光栅在传感领域的技术研究与发展现状，最后分析了光纤光栅传感所面临的一些问题，并提出了自己的看法。正是因为光线光栅传感器相对于传统的电学传感器可以更加灵活便捷地构建传感网络，而且成本更低，希望如上的问题得到尽快解决、光纤光栅得到更广泛的应用。

[1]Hill K O,Fujii Y,Johnson D C,et al. Photosensitivity in optical fiber waveguides: Application to reflection filter fabrication[J].1978,32(10):647-649.

[2]Meltz G,Morey W W,Glenn W H.Formation of Bragg gratings in optical fibers by a transverse holographic method.[J].Optics Letters,1989,14(15):823-825.

[3]Lemaire P J,Atkins R M,Mizrahi V,et al.High pressure H 2,loading as a technique for achieving ultrahigh UV photosensitivity and thermal sensitivity in Ge O 2,doped optical fibres[J].Electronics Letters,1993,29(13):1191-1193.

[4]杜卫冲,谭华耀,戴务勤等.一种简单的增强光纤 Bragg 光栅温度灵敏度的方法[J].中国激光,1997,24(01):75-77.

[5]李营,张书练 .基于可调谐 F-P 滤波器的光纤光栅解调系统[J].激光技术,2005,29(03):237-240.

[6]杨刚,许国良,涂郭结等.基于频谱分区的高精度光纤光栅波长解调系统[J].中国激光,2015,42(04):98-103.