石英光纤应用

摘 要：文章是相对于各种新型的光纤通信材料而以最原始的石英材料为主线讨论了石英光纤材料传感应用。即针对石英光纤材料的应用——光纤传感、包括微腔传感原理——WGM（whispering gallery mode，回音壁模），以及基于WGM的作者目前从事的课题研究——电流传感作简单介绍和概述。

关键词：回音壁模；光纤传感；研究进展

中图分类号：TP212 文献标志码：A 文章编号：2095-2945（2018）29-0066-02

Abstract： In this paper， the application of quartz fiber sensing material is discussed based on the original quartz material in contrast to all kinds of new optical fiber communication materials. That is， the application of quartz optical fiber materials-optical fiber sensing， including the micro-cavity sensing principle-WGM （whispering gallery mode）， as well as the current research based on WGM-current sensing is briefly introduced and summarized.

Keywords： echo wall mode； optical fiber sensing； research progress

光纖传感，顾名思义即以光电子学器件为基础，以光纤通信和集成光学的技术为前提创造性发展起来的[1]。光纤传感器按照传感原理被分为两类：即功能型传感器和非功能型传感器。本人从事课题即以光纤作为传输介质，外界因素作为调制信号来调制光纤的传输光谱，属功能性传感。而非功能性传感就是仅以光纤作为传输介质，而以其他敏感元件来感测被测量的变化。下面就光纤传感具体应用实例略叙述一二。

1 光纤生物传感

生物传感已经是光纤传感中最重要的分支之一。它旨在于区别传统的生物检测技术，采用光纤的高灵敏度以及高速性。通过生物制膜技术与镀膜技术使光纤与检测生物分子发生生化反应。如采用光纤表面硅烷偶联技术而形成的生物素——链霉亲和素系统，即采用了抗原与抗体的特异性结合从而影响了光纤的传输特性等[2]。基于此的光纤端面可以衍生出多种结构本文不予赘叙。

2 锥形光纤与微腔传感

基于光纤传感的理论基础，我们在光纤的结构中进一步优化得到了新的传感机制——回音壁模式（Whispering Gallery Mode，WGM）光学微腔。与其相辅相成的结构即为锥形光纤（fused tapper fiber）。将普通石英光纤通过一定加工工艺变成在中间锥区具有高激发模式的光场，通过将该光场与微腔耦合，即 逝场耦合以形成可以在微腔中振荡的WGM。通过测量锥形光纤的光谱就可以感知外界因素的变化。这也是光纤传感中的一大创举。WGM微腔传感因其高的Q值和独特的耦合方式在光纤传感领域独树一帜，其几何示意图与耦合方式请见图1、图2[3]。下文作者将介绍自己的研究方向。

2.1 基于石英光纤材料的微腔传感应用——电流传感

WGM最早是基于声学现象的描述，在圣保罗大教堂的环形走廊上，对着墙壁轻声说话会有回音从背后传来。基于这种声学现象，即声波在内径远大于波长的光滑壁上传播时，能够以十分微小的衰减不断发生反射，从而能够传播很远的距离。

WGM光学微腔具有高Q值和小的模式体积，这就使其在一些要求窄线宽、高能量密度的生化传感领域应用前景广泛[3]。基于WGM光学微腔，即以石英材料为基本组成，通过不同工艺以实现不同的微腔形式从而实现不同的传感特性。

2.2 高灵敏度光学微腔传感器

WGM光学微腔的高Q值、高集成度特点可构建小型、高灵敏度、低探测限的生物化学传感器[3]。Science在2007年发表的有关微腔生物传感器研究结果表明：使用品质因子高于10^8的谐振微腔可以实现血浆白细胞介质单分子的无标记检测[4]。

2.3 非对称垂直耦合的光子分子微盘激光器

在垂直方向对F-P模式进行有效地抑制，同时增加了回音壁模式自发辐射耦合效率，降低了激光阈值。三个相同的垂直耦合半导体激光器由于垂直方向的耦合周期增多，导致F-P模式更有效的被抑制，从而增大了自发辐射耦合因子。不同模式的强耦合导致的模式劈裂，比量子与腔模的耦合强度高至少一个数量级[4]。

2.4 电流电压传感器

用微腔的高Q值与高灵敏度可以产生比OCT更好的传输与检测效果[5]。光学传感器解决了原始的继电保护装置磁饱和、励磁等情况。由于高压侧信息是通过有绝缘材料做成的玻璃光纤传输到低电位的，因此其绝缘结构简单，且由于高低压之间只存在光纤联系，消除了电磁干扰对互感器性能的影响。常见的测量电压的微腔原理如图3[5]。

2.5 光学微腔与电流传感

不同的光学微腔其结构与特性不同，如图4示。在此，仅对有关电流传感微腔应用作说明。

3 结束语

文章就目前最基本的石英光纤为主线讨论了现代石英光纤材料的一个应用亮点——光纤传感。从最开始的传感的应用到作者现阶段从事的研究——电流传感做了基本的概述。在文中作者用了大量的篇幅描述了光纤微腔传感的原理以及微腔的制作，将基于石英光纤材料的传感技术如数家珍。光纤传感的应用数不胜数，在现代光纤通信中配合先进光源使得光纤传感的发展更加先进与迅猛，在未来的通信技术中光纤材料必然成为主流。

参考文献：

[1]Zhongyin Xiao，Wenyun Luo，Jianxiang Wen，et. Defect Induced by Heated Treatment in Silica Fiber Material[C]. Advenced Materials Research Vol.304（2011） pp 160-164.

[2]周雨萌.光纤传感技术在生化领域的应用研究[D].中国计量学院，2016.

[3]高严.薄壁柱对称微腔耦合系统设计及其实验研究[D].南京邮电大学，2017.

[4]Armani A M.，Kulkarni R P.，Fraser S E.，et al. Label-free，single-molecule detection with optical microcavities[J]. science，2007，317（5839）：783-787.

[5]Tindaro Ioppolo，Volkan ？tügen，Ulas Ayaz. Development of Whispering Gallery Mode Polymeric Micro-optical Electric Field Sensors[J]. Vis Exp，2013.

[6]陈冀景.基于石英光纤材料的发展历程以及当今基于石英光纤材料从事研究和进展方向概述[J].科技创新应用，2018（25）：89-90.