邊孔光纖

邊孔光纖是一種新型的保偏光纖, 它的結構與熊貓型保偏光纖相類似, 不同的是將熊貓光纖包層的兩個應力區變成兩個以纖芯為中心對稱的空洞.

基本介紹

• 中文名：邊孔光纖
• 外文名：sidehole fiber

1光纖光柵感測技術的發展概況

光纖的發明使高質量、大容量、長距離的信息通信成為可能，在感測領域也有著快速的發展速度，但在基礎光器件（如透鏡、波長濾波器等）仍面臨著挑戰，基於此科學家們發現了光纖光柵。 光纖光柵是通過光纖纖芯材料的光敏特性，在纖芯內引入折射率周期性的變化而形成的，實質為在纖芯內形成一個波長選擇器或窄帶濾波器，它具有很好的波長選擇性。

光纖光柵的寫入技術

加拿大 Ken Hill 等人於 1978 年首次在摻鍺光纖中入射 488nm 的氬離子雷射，發現在光纖中入射光與反射光形成的駐波可使光纖纖芯的折射率沿軸向發生周期性的變化，由光致光柵效應製作出了世界第一根光纖布拉格光柵（FBG，Hill 光柵）。內部刻寫布拉格光柵的典型刻寫裝置，單模波長為 488nm 的氬離子雷射器在特定波長產生單縱模振盪，由於光纖的耦合效應出射光進入高摻鍺光纖中，在纖芯反覆曝光後，纖芯的折射率得到了周期性調製，刻寫出了光纖布拉格光柵，但由於反射波長受寫入波長限制及反射率低，這一刻寫技術沒有得到研究者的廣泛關注。

1989 年美國學者 G.Melt 等人發明了紫外側寫入技術，採用倍頻氬離子雷射器輸出的 244nm 紫外光作為光源，利用兩束相干光形成的干涉條紋在經過載氫處理的光纖側面寫入光柵，表明了在波長 244nm 附近約 35nm 有強烈吸收帶。該方法的刻寫裝置，利用光纖材料的光敏性使光敏光纖的折射率得到周期性調製。改變兩相干光的夾角、光柵常數可製作出不同波長的光纖光柵。

1993 年 Hill 等人又提出一種新的光柵製作方法，採用相位掩膜寫入技術刻寫光纖光柵，P.J.Lemaire 等人提出低溫高壓載氫技術，將光纖光柵推向了實用化。光柵的刻寫裝置，根據不同周期的相位模板，利用紫外光照射相位模板可製作出波長不同的光纖光柵。目前採用相位模板寫入技術是較常用的方法，可套用於批量生產。

這種方法製作出來的光纖光柵的成柵機理與入射光的波長無關，只與相位模板的周期相關，簡化了光纖光柵的刻寫過程，同時刻寫裝置結構簡單，降低了成本。光纖光柵通過檢測由某個被測量所引起光纖光柵波長的變化（絕大部分屬於光波長調製型感測，也有利用長周期光纖光柵強度感測的方法）。在過去30 年裡，光纖光柵感測器的製作、封裝、檢測和多路復用技術都取得了巨大進步，使得它們的套用日趨成熟。

2光纖光柵的應變和溫度的同時測量

一、參考 FBG 法

用一個 FBG 測量應變，另外用一個 FBG 作為參考，它不受應力影響只對溫度敏感。測試中參考 FBG 和應變 FBG 放在相同的溫度環境中，這樣溫度變化引起的 FBG 的波長漂移不確定量可通過參考 FBG 的波長漂移來糾正。

二、雙波長重疊 FBG 法

在光纖的同一位置重疊寫入兩個有不同中心波長的 FBG，兩個重疊 FBG 可得到不同的中心波長，分析這兩組波長數據可分離出應變和溫度的變化值。其中，下標 1,2 分別表示兩個中心波長。K 矩陣的分離可通過實驗分別測量應變和溫度的變化來確定。

三、複合 FBG 和長周期光柵（LPG）法

LPG 主要作為帶阻濾波器用於光纖通信系統中，它與 FBG 的主要區別是其周期通常是 FBG 的數百倍。1996 年 Bahatia 和 Vengsarkar 的實驗表明：LPG和 FBG 的中心波長具有不同的應變和溫度靈敏度，所以當 LPG 和 FBG 的中心波長的應變和溫度靈敏度係數都知道時，就可以很容易實現溫度和應變的同時測量。1996 年，Patrick 等人通過實驗驗證了其可行性。

四、其他方法

1995 年，Xu 等人通過實驗發現在錐形光纖上製作的 FBG 對溫度不敏感，錐形結構的光纖光柵在拉力存在時產生線性啁啾，啁啾沿著光柵形成梯度（傾斜）應變分布。錐形 FBG 的應變測量是通過反射光譜有效頻寬的變化而測量的。它不需要溫度補償。2003 年，J.Z.Hao 等人報導了一種將 FBG 感測器埋入碳光 纖混合材料中，增大了測量範圍同時降低了感測器對外界溫度的靈敏度。N. Takahashi 等人報導了一種基於強度解調的 FBG 感測器，通過一個反饋電路控制雷射光源的的波長，這樣補償了溫度變化引起的 FBG 靈敏度的變化，溫度在-15~50°C 變化範圍 FBG 的靈敏度變化小於 1dB。

3邊孔光纖的發展概況

邊孔光纖是1986年首次提出並獲得研究，它提出的邊孔光纖橫截面，纖芯和邊孔均為圓形，包層中纖芯兩側對稱地分布著兩個空氣孔。它的壓力靈敏度高於熊貓光纖，更適合於壓力感測。隨後30年，邊孔光纖得到了廣泛的關注。

1994、1995年加拿大學生WojtekJ.Bock等人研究了纖芯為橢圓的邊孔光纖的壓力感測特性，實驗驗證了纖芯為橢圓的邊孔光纖的壓力靈敏度高於纖芯為圓形邊孔光纖。

1997年波蘭學者JanWojcik等人採用了有限元分析方法理論分析了邊孔光纖的幾何參數對邊孔光纖溫度和壓力交叉敏感的影響。實驗得出了壓力靈敏度對溫度靈敏度的比值PTK/K與邊孔和纖芯距離的關係為：邊孔和纖芯距離在0到35um範圍內，PTK/K隨著邊孔和纖芯距離的增大而減小，且邊孔和纖芯大於15um之後，其減小的趨勢變小，當邊孔和纖芯大於35um時，其變化趨勢趨於零。PTK/K隨著邊孔半徑的增大而增大，當邊孔半徑大於73um的時候其變化趨勢突然增大，當邊孔半徑大於85um時其變化趨勢趨於無窮大。

1998年美國學者ClowesJR等人分析了纖芯為圓形的邊孔光纖幾何參數對光纖壓力靈敏度的影響，有限元分析法和實驗結果均表明了邊孔對纖芯張角與纖芯為圓形的邊孔光纖的壓力靈敏度有關係，壓力靈敏度與邊孔對纖芯張角的二次方成正比。

1999年波蘭學者M.S.Nawrocka等人對邊孔光纖的動態壓力進行了測試，運用溫度補償技術和白光干涉檢測方法，實現了在0~2.1MPa，5kHz動態壓力下，其壓力靈敏度為1.04rad/MPa，系統的最高解析度為2×10。2003年波蘭學者J.Wojcik等人研究了邊孔光纖保護層的設計對邊孔光纖包層的負面影響。2007年韓國學者D.S.Moon等人研究了邊孔光纖的雙折射特性與邊孔光纖的幾何結構和纖芯摻鍺率的關係，邊孔光纖纖芯摻鍺量愈多，邊孔光纖的熱膨脹係數越大，雙折射係數隨溫度的變化愈大。

2008年O.Frazao等人提出了一個基於保偏邊孔光纖的Sagnac干涉儀，其裝置，寬頻光源發出的光經過3dB耦合器後形成兩束相向傳輸的光，經過偏振控制器和保偏邊孔光纖後產生一相位差，再經耦合器，由光譜儀觀察其輸出光譜，採用的保偏光纖橫截面如圖所示，纖芯為6.3×2.5μm，包層為125μm，纖芯摻鍺量為20mol，纖芯和包層的有效折射率差值為0.0264，此感測器可以同時測量彎曲、溫度、縱向應變。

2009年韓國學者S.H.Lee等人研究了在邊孔光纖灌注金屬對其溫度靈敏度的影響，實驗中採用的金屬分別為Bi，80Au-20Snalloy，Sn和In，實驗結果表明，灌入金屬的熱膨脹係數愈高，邊孔光纖的溫度靈敏度愈大。在此基礎上，韓國學者B.H.Kim等人提出了一種基於邊孔光纖的高溫度靈敏度干涉結構，其結構為在Sagnac結構中插入灌入金屬In的雙折射光纖，由於In具有較大的熱膨脹係數，溫度靈敏度高達-6.3nm/K。

2013年韓國學者B.H.Kim等人研究了基於灌入金屬In的邊孔光纖Sagnac干涉型溫度感測器的光學性質，溫度靈敏度由以前的-6.3nm/K提高到-7.38nm/K，實驗中通過改變邊孔光纖和灌入金屬In的邊孔光纖長度，其溫度靈敏度的可調諧範圍為-1.83nm/K到-7.38nm/K。同年，本人等提出了一種基於酒精灌入邊孔光纖的Sagnac干涉型溫度感測器，其溫度靈敏度為86.8pm/°C。瑞典學者JasonJohan等人研究了液體或金屬灌注邊孔光纖的溫度性質。

4邊孔光纖光柵發展概況

1999年美國學者R.J.Schroeder等人在纖芯為圓形的邊孔光纖上寫入了Bragg光柵，實驗表明邊孔FBG的壓強靈敏度高於普通單模光纖光柵和熊貓型保偏光纖光柵，靈敏度為6.5pm/MPa，同時邊孔光纖光柵雙峰之間的距離對溫度不敏感。

隨後，2000年美國學者E.Udd等人通過實驗測得纖芯為圓形的邊孔光纖光柵雙峰間距對溫度變化的靈敏度為-0.03pm/°C，是普通單模光纖光柵溫度靈敏度的1/300。

2002年，StephenKreger等人運用數據擬合技術實現了纖芯為橢圓的邊孔光纖光柵的壓強檢測，在0~30Mpa範圍內，採用波長解析度為0.1pm的峰值波長檢測，測得邊孔光纖光柵雙峰間距對壓力的靈敏度為1.5pm/MPa。2003年EwaChmielew等人在保偏型邊孔光纖上刻寫布拉格光柵，其裝置和光纖截面，實驗測得兩個諧振峰對溫度的靈敏度相同，對壓強靈敏度不同，靈敏度分別為-1.93pm/MPa,5.37pm/Pa。2009年X.Y.Dong等人提出了一個同時測量應變和溫度的感測器，感測部分，其感測結構為在單模邊孔光纖和單模光纖的熔接點處刻寫FBG，所採用的邊孔光纖截面，其纖芯和邊孔均為圓形，兩個布拉格波長對應變和溫度的靈敏度不同。實驗結果表明應變和溫度的測量誤差為±12με和±1°C。

2010年，Y.X.Jin等人提出基於邊孔光纖長周期光柵的溫度和折射率測量的感測器，即在邊孔光纖上用機械微彎法製作LPG，其裝置如圖1.8所示，將邊孔光纖放在一個5-cm長的周期性刻槽和一個平板中間，施加在邊孔光纖上的壓力由於光纖纖芯的光彈性效應，使纖芯的折射率得到周期性調製，其周期等於模版刻槽的周期，對其折射率和溫度進行了測量。2013年本人等研究了用CO雷射器法在邊孔光纖上刻寫LPG，研究其溫度、折射率和彎曲特性，實驗結果表明，諧振波長隨溫度從20°C升高到100°C發生藍移，靈敏度為0.11nm/°C；諧振波長隨折射率從1.335變化到1.44，發生藍移，折射率越接近包層的有效折射率，諧振波長的移動量越大；諧振波長隨彎曲曲率的增大而發生紅移，其最高靈敏度可達9.36nm/m。