基于倾斜光纤光栅的四波长传感解调研究∗

钱宇阳黄勇林郑加金

(南京邮电大学电子与光学工程、微电子学院，江苏 南京 210023)

近些年来，由于光纤通信技术的快速发展，让人们越来越关注光纤布拉格光栅(FBG)的传感解调技术[1]。 FBG 是一种常用的光无源器件[2]，它具有体积小、灵敏度较高同时能够干电磁干扰等等的优点，让它在光纤通信和传感领域得到广泛运用。 它的原理是通过光纤材料独特的光敏特性，在纤芯上形成的一种具有周期性折射率分布的光纤。 当外界的物理量如应力、温度、应变发生了改变的时候，光栅的反射光谱的中心波长也会随之改变，这种现象称之为传感。 光纤光栅传感器获取传感信息可以通过外界参量对光栅波长的调制来实现。 因此我们研究结构简单、操作难度不高、成本低、灵敏度高并且能够投入实际运用的波长温度解调技术具有重要的意义。 截至目前，被提出来的解调技术有很多种，其中包括匹配光栅技术[3]、可调滤波技术、边缘滤波技术[4]等等。 而在这多种的解调技术当中，边缘解调技术因为具有检测速度快、结构较为简单、抗干扰能力强、性能稳定等优点受到人们的广泛关注。

倾斜光纤光栅[5－6]是一种特殊结构的光纤光栅，它不仅能将前向导模耦合到辐射模和包层模当中，还能够将基模耦合到包层模中辐射掉。 本文利用倾斜光纤光栅边缘滤波的解调技术，将温度传感信号经过解调光栅之后输出的光功率进行了检测，即利用了倾斜光栅的光谱特性[7－8]以及它的上升沿和下降沿实现温度传感信号的解调。 由于倾斜光栅的线性度较好且具有较大的频谱范围，所以本文同时使用四个不同波长的FBG 进行解调，从而实现解调速率大大提高。 由实验结果表明，温度在23 ℃～78 ℃范围内，解调得出的光功率与温度形成良好的线性关系。 由数据拟合后得出的结果可知，这四个通道的温度灵敏度分别为0.107 2 nw/℃、0.193 7 nw/℃、0.298 7 nw/℃、0.232 3 nw/℃。

1 基本原理和实验装置

基于倾斜光纤光栅边缘滤波的光纤光栅温度传感解调系统如图1 所示，系统由宽带光源、两个耦合器、倾斜光纤光栅、四个传感光纤布拉格光栅和两个对应的探测器构成。 宽带光源的光经过耦合器1 到达FBG，反射光经过耦合器2 到达解调系统，被均匀分成两路，一路经过TFBG，到达探测器1，另一路为参考臂，用于补偿宽带光源波动对解调结果的影响。传感光栅中反射波长的改变，利用倾斜光纤光栅在对应波段与波长所具有的线性关系，把波长信号转换为功率信号，从而最终达到解调的目的。 该方案的优点在于采用了较好的补偿措施，能够有效一直光源输出功率的起伏、链接干扰和微弯干扰等不利因素，且系统反应迅速，成本较低使用方便。

图1 倾斜光纤光栅传感解调系统

倾斜光纤光栅边缘滤波原理如图2 所示。 图中虚线是边缘滤波器的传递函数曲线，在本次的解调系统中它是倾斜光栅的透射谱用H(λ)表示，实线为普通的传感光栅的反射谱用R(λ)表示，所以当布拉格光栅反射光谱透过倾斜光栅的透射光谱的线性区域后的光强为:

图2 边缘滤波线性解调原理

式中:P为当系统没有工作时初始的光功率，k是布拉格光栅所在解调区间的斜率，Δλ则表示的是布拉格光栅中心波长的改变量。

为了实现光纤光栅温度传感，我们将传感光纤光栅封装在有机玻璃上，然后通过水浴加热的方法升高温度。 这是因为布拉格光纤光栅因外界物理量改变时(如温度和应力)，它的中心波长的改变量很小。 比如在常见的1 550 nm 波段，温度灵敏度系数大约为11 pm/℃，这样小的灵敏度很难应用到现实当中。 为了提高测量的精度，能够使传感解调的测量范围得到很大的扩展，通常改变光纤的成份、结构以及植入衬底材料等对光纤光栅进行增敏[9]和保护性封装。 我们在设计系统中的光纤光栅传感器的过程中，采用特性的结构设计并且选用合适的衬底材料粘贴和埋入，是对于光纤光栅增敏和封装很有效的方式。

对于已经增敏和封装处理的光纤布拉格光栅来说，它的波长漂移量Δλ和温度的变化量ΔT的关系式可以表示为:

式中:Pε表示的是光纤的有效光弹系数，a和ξ分别代表的是纤芯的热胀系数和热光系数，as表示衬底材料的热胀系数。

由于衬底材料的热膨胀系数as远远大于纤芯的热胀系数af，所以传感光栅的波长改变量会随着温度的改变而大幅改变。 通过一系列的研究表明，当选用有机材料可以将温度灵敏度的系数成倍地提高，例如当选用热膨胀系数很大的聚合物对光纤光栅进行封装之后，光纤光栅的温度灵敏度提高数十倍左右[10－11]。

2 实验结果及分析

本次实验中所使用的TFBG，是写制在单模光纤SMF－28e＋TM 上。 具体的参数如下:光栅的倾斜角度为8°，纤芯的半径为4.1 μm，折射率大小为1.468；包层半径约为62.5 μm，折射率大小为1.458。包层模谐振的范围约在1 526 nm～1 568 nm，光谱深度大约10dB 左右。 具体的透射光谱如图3 所示。实验中为了便于连接进光路系统当中将TFBG 两端用FC 的光纤跳线连接。 实验所用的光源是ASE－C的宽带光源，输出范围大约为1 520 nm～1 565 nm。

本次实验中所用的倾斜光纤光栅有如图3 所示的光谱特性。 通过对TFBG 的传感原理了解可知，影响它包层谐振峰的因素不仅有纤芯的有效折射率，还有一个重要的影响因素是包层的有效折射率(环境折射率)[12]的影响。 当TFBG 放置环境的折射率不断增加时，会使得原来在纤芯中传播的包层模会被破坏，这样一来，包层模的谐振峰会有短波到长波的顺序逐渐泄漏到外界环境当中去。 当把TFBG 浸没在一个折射率大于它本身包层折射率的环境中时，倾斜光栅的透射谱会产生一段宽度和线性度都很好的下降沿和上升沿，如图4 所示。 由图可知TFBG 的透射谱在1 526 nm～1 540 nm 之间呈现一个平滑的下降沿，该下降沿具有良好的线性度；与此同时在1 540 nm～1 565 nm 之间呈现一个平滑的上升沿，同样线性度也是很好的。 所以，可以将TFBG 作为边沿滤波器。

图3 倾斜光纤光栅的透射谱

图4 浸泡在折射率溶液中的倾斜光栅透射谱

图5 给出了传感光栅的波长随着温度升高的变化，随着温度的升高，传感光栅的反射谱向着长波长移动。 四个中心波长不同的光纤光栅在经过有机玻璃的封装之后，从23 ℃升温到78 ℃的过程当中，四个布拉格光纤光栅的中心波长漂移了7 个nm 左右，相比于不用有机玻璃封装的裸露的布拉格光纤光栅在相同温度区间的波长漂移量，大约扩大了10 倍左右。 这样大的波长漂移量能够遍历倾斜光纤光栅透射谱更大的上升或者下降沿区间，能够使测量到的功率变化更加显著，使得解调系统的灵敏度大大提升。由实验测得的数据经过处理可知，四个FBG 的传感器的线性拟合方程分别可以表示为:1 526 nm:y＝0.126 6x＋1 523.5、1 550 nm:y＝0.135 7x＋1 547.4、1 553 nm:y＝0.134 4x＋1 550.3、1 556 nm:y＝0.130 2x＋1 553.3，它们的传感灵敏度分别为:0.126 6 nm/℃、0.135 7 nm/℃、0.134 4 nm/℃、0.130 2 nm/℃，每个FBG 的灵敏度都比未封装前有了非常大的提升且四个光纤光栅之前的差距较小，对解调部分的测量十分有利。

图5 传感光纤光栅中心波长与温度的关系

传感光栅的波长经倾斜光纤光栅边缘滤波解调之后，探测器接收到的光功率随着温度的变化关系如图6～图9 所示，四个图分别展示了四个不同中心波长的光纤光栅升温时透过倾斜光纤光栅解调后的功率的变化趋势。 将系统检测到的功率与温度相拟合得到以下的关系式:

图6 1526 nm FBG 检测功率与温度的关系

图7 1 550nmFBG 检测功率与温度的关系

图8 1 553 nm FBG 检测功率与温度的关系

图9 1 556 nm FBG 检测功率与温度的关系

FBG 传感器1 对应的TFBG 解调区间为1 526.56 nm～1 533.69 nm，它对应的灵敏度为0.107 2 nw/℃，由于它是处于倾斜光纤光栅的下降沿，所以温度升高时系统检测到的功率是随着温度的升高而下降的。 FBG 传感器2 对应的TFBG 解调区间为1 550.8 nm～1 558.05 nm，它的灵敏度为0.193 7 nw/℃；FBG 传感器3 对应的TFBG 解调区间为1 553.48 nm ～ 1 560.68 nm，它的灵敏度为0.298 7 nw/℃；FBG 传感器4 对应的TFBG 解调区间为1 556.48 nm～1 563.56 nm，它对应的灵敏度为0.232 3 nw/℃。 这三个波长通道的传感光栅都处于倾斜光栅的上升沿，所以温度升高时系统检测到的功率是随着温度的升高而上升的。

分析可知，传感器3 的灵敏度是最大的，因为它所处的上升沿波段是斜率较大的一段，因此它的灵敏度较高。 而传感器1 的灵敏度是最小的，同理这是由于它所处的下降沿的波段的斜率较低导致了它的灵敏度偏低。 图10 是通过将四通道的结果图放在一起对比时情况，四个通道之间解调的灵敏度相差还是不太大的。 这就可以得出在解调的速度上，设计的四通道解调系统可以同时对四个不同的信号进行解调，比单一通道解调系统的解调速率提高了四倍。

图10 四个不同波长传感光纤光栅组功率和温度的关系

3 结束语

本文报道了一种基于倾斜光纤光栅边缘滤波解调的光纤光栅温度传感方法，利用倾斜光纤光栅具有线性度良好的上升和下降沿这一特性，把波长信号转换为功率信号，解调温度或者其他物理量(位移、应变)引起的光栅波长的变化，即用它来同时对经过封装过的四个FBG 温度传感器同时进行解调，得到了系统检测光功率和温度的变化关系。 经过实验研究表明，在所测量温度23 ℃～78 ℃范围内，传感系统输出的光功率与温度成良好的线性关系，温度灵敏度分别为0.107 2 nw/℃、0.193 7 nw/℃、0.298 7 nw/℃、0.232 3 nw/℃。