基于多模干涉結(jié)構(gòu)和回音壁模式微腔的光纖傳感器研究vol

1、指 導(dǎo) 教 師 ：舒學(xué)文教授答 辯 日 期 ：2018.5.23A Dissertation Submitted in Partial Fulfillment of the Requirements forthe Degree of Master of Philosophy in EngineeringResearch on Optical Fiber Sensors Based on Multimode Interference Structure andWhispering Gallery Mode MicroresonatorCandidate:Cao HaoranMajor:Optic

2、al EngineeringSupervisor:Prof. Shu XuewenHuazhong University of Science & TechnologyWuhan 430074, P. R.May, 2018獨創(chuàng)性本人所呈交的是我個人在導(dǎo)師指導(dǎo)下進行的研究工作及取得的研究成果。盡我所知，除文中已經(jīng)標(biāo)明的內(nèi)容外，本不包含任何其他個人或集體已經(jīng)發(fā)表或撰寫過的研究成果。對本文的研究做出貢獻(xiàn)的個人和集體，均已在文中以明確方式標(biāo)明。本人完全本的法律結(jié)果由本人承擔(dān)。作者簽名：日期：年月日使用書本作者完全了解學(xué)校有關(guān)保留、使用的規(guī)定，即：學(xué)校保留并向有關(guān)部門或機構(gòu)送交的復(fù)印件和，被查

3、閱和借閱。本人華中科技大學(xué)可以將本的全部或部分內(nèi)容編入有關(guān)數(shù)據(jù)庫進行檢索，可以采用影印、縮印或掃描等保存和匯編本。，在年后適用本書。本屬于不。（請在以上方框內(nèi)打“”）作者簽名：指導(dǎo)教師簽名：日期：年月日日期：年月日摘要物聯(lián)網(wǎng)，作為 21 世紀(jì)通信技術(shù)的代表，它的崛起為傳感器領(lǐng)域的發(fā)展注入了新鮮活力，但可靠性和準(zhǔn)確也使得其對傳感器性能提出了更高的發(fā)展要求。光纖傳感技術(shù)由于具有抗射頻干擾（RFI）和電磁干擾（EMI）、電絕緣性、可分布式傳感設(shè)計、性高、抗腐蝕性等優(yōu)勢，一直以來備受科研工作者們的關(guān)注。在物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)發(fā)展的驅(qū)動下，光纖傳感技術(shù)也將迎來更大的，設(shè)計研制高性能、可應(yīng)用化的光纖傳感系統(tǒng)成為科研

4、工作者們需要共同面對的研究目標(biāo)。本的研究工作主要是基于多模結(jié)構(gòu)和回音壁模式微腔結(jié)構(gòu)，設(shè)計出多種光纖傳感器，應(yīng)用于溫度、電流參量的傳感，并結(jié)合設(shè)計不同結(jié)構(gòu)的傳感器，通過實驗對其工作原理及傳感性能進行了研究。本的具體內(nèi)容可以分成以下幾個方面：(1) 闡述了光纖傳感技術(shù)的研究背景以及基本原理，通過文獻(xiàn)調(diào)研對光纖溫度傳感器及光纖電流傳感的研究現(xiàn)狀進行概述。(2) 基于 Michelson原理，采用特殊的熔接方式制作出新穎的光纖偏芯結(jié)構(gòu)（CMFJ）應(yīng)用于高溫傳感，實現(xiàn)了最高靈敏度為 115.7pm/的全光纖高溫傳感器。(3) 將溫度敏感材料與 Fabry-Perot 型結(jié)構(gòu)相結(jié)合，制作出傳感靈敏度最高達(dá)

5、-4.33nm/的光纖溫度傳感器，并討論不同 Fabry-Perot 腔結(jié)構(gòu)參數(shù)的溫度傳感特性。(4) 將回音壁模式（WGM）微腔與焦效應(yīng)相結(jié)合，研制出光纖電流傳感器，傳感靈敏度最高達(dá)到了 25.5nm/A2，并研究了微腔與導(dǎo)線對其傳感性能的影響。關(guān)鍵字：光纖傳感器多模結(jié)構(gòu)回音壁模式微腔溫度傳感電流傳感AbstractAs the representative of Information and Communication Technology (ICT) in 21stcentury, the rise of Internet of Things has injected fresh vi

6、tality into the field of sensor. But the demands of reliability and accuracy for collecting sensing information put forward higher requirements for the development of sensor. Optical fiber sensing technology has always been the concern of researchers due to its fascinated advantages of immune to rad

7、iofrequency interference and electromagnetic interference, nonelectrical, distributed,reliability and corrosion. Driven by the development of Internet of Things, opticalfiber sensing technology will be confronted with greater challenges. Designing highperformance and applicable optical fiber sensing

8、 systems has become the main goal thatresearchers need to face together.The research work of this paper mainly lies in designing and manufacturing severaltypes of optical fiber sensors for temperature and current sensing, which are based onmultimode interference structure and whispering gallery mode

9、 microresonator. And the working principle and sensing performance are studied by experiments combined with designing different sizes of sensors. The specific content of this paper can be divided intothe following aspects:(1) The research background and basic principle of optical fiber sensing techn

10、ologyare expounded. And the research status of optical fiber temperature and currenclassified and summarized through literature research.sor is(2) Based on Michelson interferometer, a novel core-mismatching fiber joint structureis manufactured by special fusion splicing method and applied for optica

11、l fiber hightemperature sensing withum sensitivity of 115.7pm/.(3) Manufacturing an optical fiber temperature sensor withum sensitivity of -4.33nm/ by combining temperature-sensitive material and Fabry-Perot interferometer and discussing the temperature sensing properties of the sensor with differen

12、t Fabry-Perotparameters.um sensitivity of 25.5nm/A2(4) Designing an optical fiber currensor withby combing whispering gallery mode microresonator and Joule heating effect and studyingthe effect on sensing performance of different sizes of microresonator and copper wire.Key words: Optical fiber senso

13、rMultimode interference structureWhisper gallerymode microresonatorTemperature sensorCurrensor目錄摘要IAbstractIII1 緒論1.1前言11.2光纖傳感技術(shù)概述11.3基于多模結(jié)構(gòu)及回音壁模式微腔的光纖傳感器41.4光纖溫度及電流傳感器研究現(xiàn)狀101.5本研究的主要內(nèi)容及意義182 基于 Michelson的光纖高溫傳感器研究2.1傳感器工作原理分析212.2傳感器制作以及傳感系統(tǒng)搭建232.3實驗結(jié)果及分析292.4本章小結(jié)313 基于FP的光纖溫度傳感器研究3.1傳感器工作原理分析323.

14、2傳感器制作以及傳感系統(tǒng)搭建343.3實驗結(jié)果及分析393.4本章小結(jié)414 基于回音壁模式微腔的光纖電流傳感器研究4.1 傳感器工作原理分析424.2 傳感器制作以及傳感系統(tǒng)搭建444.3 實驗結(jié)果及分析484.4 本章小結(jié)555 總結(jié)與展望5.1 總結(jié)575.2 展望58參考文獻(xiàn)59華中科技大學(xué)1 緒論1.1 前言20 世紀(jì)下半葉，以互聯(lián)網(wǎng)計算機為代表的第三次工業(yè)迅速席卷全球，世界進入了化。隨著網(wǎng)絡(luò)覆蓋的普及，“萬物”的物聯(lián)網(wǎng)（Internet of things，IoT）概念被提出，通過構(gòu)建傳感網(wǎng)絡(luò)，將任何物品與互聯(lián)網(wǎng)進行連接，進行交換和通信，以實現(xiàn)智能化識別、定位、跟蹤和管理。物聯(lián)網(wǎng)的

15、未來應(yīng)用前景非常廣闊，將遍及智能交通、環(huán)境保護、工作、公共安全、平安家居、智能消防、工業(yè)檢測、環(huán)境檢測、水質(zhì)檢測等多個領(lǐng)域。物聯(lián)網(wǎng)在基本框架結(jié)構(gòu)上可以分為三層，感知層、傳輸層和應(yīng)用層，其中，感知層是物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)對現(xiàn)實世界進行感知、識別和的基礎(chǔ)性物理網(wǎng)絡(luò)，為實現(xiàn)準(zhǔn)確識別物體及，感知層重要的依托工具即各類傳感器件，可以認(rèn)為，傳感器所的可靠性和準(zhǔn)確性往往決定著物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)能否正常運行。目前，傳統(tǒng)的電學(xué)傳感器技術(shù)已經(jīng)發(fā)展較為成熟，成為主流應(yīng)用傳感器，但是在某些應(yīng)用場景下，比如強電磁輻射、易燃易爆等環(huán)境下，電學(xué)傳感器容易失效或者潛在安全隱患，實際應(yīng)用需求，而光纖傳感器由于具有抗射頻干擾（RFI）和電磁干擾（

16、EMI）、電絕緣性、可分布式設(shè)計等特性，成為學(xué)術(shù)和工業(yè)界的研究熱點，光纖傳感技術(shù)產(chǎn)業(yè)也已被國內(nèi)外公認(rèn)為最具有發(fā)展前途的高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)之一。1.2 光纖傳感技術(shù)概述光纖傳感技術(shù)由 20 世紀(jì)中葉左右發(fā)展起來，最初應(yīng)用于醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的光纖內(nèi)窺鏡，但是由于當(dāng)時光纖制作工藝、等方面發(fā)展不夠成熟，光纖的傳輸損耗很高，限制了光通信以及光纖傳感技術(shù)的發(fā)展。1970 年，康寧（Corning）公司地研制出損耗為 17dB/km 乃至更低的低損耗石英光纖，使得光纖進行遠(yuǎn)距離通信信號傳輸成為可能，開辟了光纖通信領(lǐng)域發(fā)展的新，同時也推動了光纖傳感技術(shù)的進步與 1華中科技大學(xué)發(fā)展。半個世紀(jì)以來，經(jīng)過國內(nèi)外科研工作者的辛勤研

17、究與創(chuàng)新，光纖傳感技術(shù)已被逐漸開發(fā)應(yīng)用于諸多傳感場景，如環(huán)境溫度1-3、應(yīng)力4、電流強度5-7、氣體壓強8、磁場強度9、液體流速10、液位11等等。相比于傳統(tǒng)電學(xué)類、機械類傳感器，光纖傳感技術(shù)雖然誕生時間比較短，但是具有前者無可比擬的優(yōu)勢，比如抗腐蝕性、高靈敏度、電絕緣性、抗射頻干擾（RFI）和電磁干擾（EMI）、可分布式設(shè)計等等，而且可設(shè)計為傳感探頭進入一些狹窄區(qū)域，使得其在傳感研究領(lǐng)域中具有特殊的吸引力。光纖傳感技術(shù)在推廣市場應(yīng)用初期，著系統(tǒng)成本高昂的問題，但是隨著光纖通信技術(shù)的發(fā)展逐漸成熟，各類光纖有源、無源器件的工藝優(yōu)化及大規(guī)模生產(chǎn)，特別是光纖、光源（如 LED、激光光源）、各類探測器

18、、光纖分束器及其他器件，在器件性能得到提升的同時，器件價格得到大幅度降低，這也促使光纖傳感系統(tǒng)的成本也隨之得到降低，推動光纖傳感器技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用，在如今的物聯(lián)網(wǎng)也將有更廣闊的應(yīng)用前景，全光物聯(lián)網(wǎng)有望在將來成為新的物聯(lián)網(wǎng)形式。光纖傳感技術(shù)是以光波導(dǎo)技術(shù)為基礎(chǔ)，外界環(huán)境參量誘纖結(jié)構(gòu)參數(shù)發(fā)生改變，從而調(diào)制光纖內(nèi)傳輸?shù)墓庑盘枀?shù)，如光強、偏振態(tài)、頻率、相位等等，通過檢測裝置對輸出光信號進行檢測、解調(diào)，實現(xiàn)傳感目的。光纖傳感系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)是由光源、傳感光纖結(jié)構(gòu)或材料及檢測裝置組成，如圖 1-1 所示，其中，光纖既可號傳輸介質(zhì)又可作為傳感介質(zhì)。圖 1-1 光纖傳感系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu) 2華中科技大學(xué)根據(jù)傳感系統(tǒng)

19、中光纖的功能作用可以將光纖傳感器分為本征型（Intrinsic）光纖傳感器以及非本征型（Extrinsic）光纖傳感器12; 13，如圖 1-2 所示。本征纖傳感器是利用光纖本身的特性或者基于光纖設(shè)計制作的環(huán)境敏感結(jié)構(gòu)進行環(huán)境參量傳感，外界環(huán)境通常會影響光纖介質(zhì)的折射率或者結(jié)構(gòu)，而非本征纖傳感器則僅利用光纖的低損耗光傳輸性能，外界環(huán)境參量則主要是通過影響其他非光纖類傳感元件或者裝置實現(xiàn)環(huán)境傳感的目的，本征型和非本征纖傳感器也可以通過合適的方式進行復(fù)合設(shè)計，實現(xiàn)傳感參數(shù)的多樣化以及提升傳感系統(tǒng)性能。(a)(b)圖 1-2 (a)本征纖傳感器結(jié)構(gòu) (b)非本征纖傳感器根據(jù)傳感系統(tǒng)中光信號調(diào)制機制可

20、以將光纖傳感器分為五種基本類型：強度調(diào)制型、波長調(diào)制型、散射信號調(diào)制型、偏振態(tài)調(diào)制型以及相位調(diào)制型，不同類型的光纖傳感器具有不同的傳感原理與特性。強度調(diào)制型是通過檢測環(huán)境擾動對傳輸光信號光強影響實現(xiàn)傳感的目的，透射式、反射式以及微彎式等傳感結(jié)構(gòu)，系統(tǒng)簡單，如光纖熒光傳感器14、光纖微彎傳感器15等；波長調(diào)制型主要通過檢測特殊光纖結(jié)構(gòu)或特殊材料產(chǎn)生的特征波長對環(huán)境變量的響應(yīng)實現(xiàn)傳感目的，如各類光纖光柵16-18、表面等離子體諧振（SPR）19-21等；散射信號調(diào)制型主要基于入與光纖材料相互作用產(chǎn)生的各類散射信號會受到環(huán)境參量變化的影響，如散射強度受溫度影響22，瑞利散射信號強度與光纖中損耗有關(guān)2

21、3; 24等；偏振調(diào)制型主要基于光纖中傳輸光的偏振特性受環(huán)境參量變化影響，如磁致旋光效應(yīng)25、電光效應(yīng)26; 27 3華中科技大學(xué)等；相位調(diào)制型主要基于環(huán)境參量變化導(dǎo)致光纖中傳輸光信號相位發(fā)生變化，常涉及到應(yīng)變效應(yīng)、光彈效應(yīng)、泊松效應(yīng)和熱光效應(yīng)等材料效應(yīng)，是通過技術(shù)把光信號相位變化轉(zhuǎn)換為光譜波長或者強度變化實現(xiàn)解調(diào)，相位調(diào)制纖傳感器根據(jù)其結(jié)構(gòu)設(shè)計可以分為 Mach-Zehnder型、Michelson型、Fabry-Perot 干型等28。涉型、Sagnac1.3 基于多模結(jié)構(gòu)及回音壁模式微腔的光纖傳感器1.3.1 Mach-Zehnder型與 Michelson纖傳感器傳統(tǒng)的Mach-Zeh

22、nder纖傳感器需要引入兩段傳輸光纖作為光信號傳輸路徑，分別作為參考段和傳感段，其基本的原理結(jié)構(gòu)如圖 1-3(a)所示。光源輸出的相干光經(jīng)過第一個 3dB 耦合器分束，分別傳入傳感光纖段和參考光纖段，由于傳感光纖的有效折射率、有效傳輸長度等容易受到環(huán)境參量變化的影響，進而導(dǎo)致其輸出光與參考光纖輸出光之間的相位差發(fā)生改變，當(dāng)在另一個 3dB 耦合器處重新匯聚時，兩會發(fā)生，通過光束效應(yīng)將相位差變化反應(yīng)在光譜的波長漂移上，經(jīng)由檢測裝置進行檢測解調(diào)實現(xiàn)對環(huán)境變量的測量。傳統(tǒng)的 Michelson纖傳感器與 Mach-Zehnder型類似，可以看作是后者的反射形式，其結(jié)構(gòu)如圖 1-3(b)所示，光源輸出

23、的相干光經(jīng)過 3dB 耦合器分束，分別傳入傳感光纖段和參考光纖段，由于在光纖末端反射鏡，將傳入光信號反射傳回 3dB 耦合器，兩新匯聚時由于相位差而發(fā)生，同樣經(jīng)由檢測裝置進行檢測解調(diào)實現(xiàn)對環(huán)境變量的測量。相比于 Mach-Zehnder型，Michelson纖傳感器的優(yōu)勢在于減少了一個 3dB 耦合器，降低了傳感系統(tǒng)的復(fù)雜度，更便于信號的處理，但是 Michelson 干涉型的反射信號會同時傳入光源和檢測裝置，雖然可通過器進行消除，但是對于高性能系統(tǒng)來說，反射傳入光源后會引入噪聲，造成干擾。傳統(tǒng)的 Mach-Zehnder型與 Michelson纖傳感器由于就將整段光纖作為傳感及參考臂，在實際

24、應(yīng)用過容易受到環(huán)境不相關(guān)變量的干擾，如光纖抖 4華中科技大 學(xué)動、溫度變化等，導(dǎo)致傳感器工作不。光纖的波導(dǎo)結(jié)構(gòu)由纖芯和包層，間接(a)(b)圖 1-3 (a) 傳統(tǒng) Mach-Zehnder纖傳感系統(tǒng) (b) 傳統(tǒng) Michelson纖傳感系統(tǒng)地為光信號傳輸提供了兩種不同參數(shù)的介質(zhì)，而且纖芯和包層材料具有不同的有效折射率、熱光系數(shù)、熱膨脹系數(shù)等29，可以在光傳輸過引入相位差或者受環(huán)境參量改變影響?；诠饫w波導(dǎo)的結(jié)構(gòu)特征，光纖傳感器領(lǐng)域發(fā)展起一種集成化的Mach-Zehnder型與 Michelson纖傳感器，通過光纖結(jié)構(gòu)再設(shè)計與再加儀結(jié)構(gòu)集成在光纖中，圖 1-4 為兩類集成工，設(shè)計出多模結(jié)構(gòu)，

25、將傳統(tǒng)化光纖傳感器的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖。光源發(fā)出的相干光輸入多模結(jié)構(gòu)，由于模式耦合結(jié)構(gòu)，一部分纖芯光會被耦合進入包層中，激發(fā)出包層模向前傳輸，由于光纖纖芯和包層的有效折射率不同，纖芯模與包層模在向前傳輸過會產(chǎn)生相位差，當(dāng)經(jīng)過下一個耦合結(jié)構(gòu)時（Mach-Zehnder型）或者經(jīng)過端面反射重新經(jīng)過第一個耦合結(jié)構(gòu)時（Michelson者不同階數(shù)包層模之間發(fā)生型），包層模會重新耦合回纖芯，與纖芯模發(fā)生或原理30，該類光纖傳感器的輸出光?；趶娍梢员硎緸椋篒 = I1 + I2 + 2 I1I2 cosj(1-1)其中，I1 和 I2 分別代表兩種不同傳輸模式的光強， 代表兩類模式經(jīng)過傳輸過程產(chǎn)生 5華中科

26、技 大學(xué)的相位差，可以表示為：j= 2p (n - n )L(1-2)l12其中，n1 和 n2 分別為兩種模式的有效折射率，L為光傳輸長度，當(dāng)模式相位差滿足=(2k+1)（k=0, ±1, ±2,±3）時，將在出譜中產(chǎn)生凹陷峰。來說，相比于傳統(tǒng)類纖傳感器，纖芯充當(dāng)參考光纖的作用，包層充當(dāng)傳感光纖的作用，依據(jù)熱光效應(yīng)、熱膨脹效應(yīng)等材料效應(yīng)影響包層和纖芯中傳輸模式之間的相位差，可將環(huán)境變量的改變轉(zhuǎn)化為輸出光譜中諧振峰的波長或者強度的變化。經(jīng)過科研工作者的廣泛研究，集成化型結(jié)構(gòu)中的模式耦合方式有很多種，比如特種光纖熔接結(jié)構(gòu)31-33、激光刻寫結(jié)構(gòu)34-36、光纖熔接機

27、熔制結(jié)構(gòu)37-40等等，不同結(jié)構(gòu)的集成化傳感器具有各自的優(yōu)勢，對各類環(huán)境變量也表現(xiàn)出不同的傳感性能，應(yīng)用廣泛。(a)(b)圖 1-4 (a) 集成化 Mach-Zehnder纖傳感系統(tǒng) (b) 集成化 Michelson纖傳感系統(tǒng)1.3.2 Fabry-Perot纖傳感器Fabry-Perot腔介質(zhì)的區(qū)別可以將該較小的光纖傳感器，根據(jù) Fabry-Perot纖傳感器是一類結(jié)構(gòu)分為本征型 Fabry-Perot結(jié)構(gòu)（IFPI）和非本征型 Fabry-Perot 腔涉腔由光纖本身結(jié)構(gòu)（EFPI）。IFPI 的結(jié)構(gòu)如圖 1-5(a)所示，它的特點是其干，由于光信號始終在光纖內(nèi)部傳輸，傳輸損耗較低，便

28、于光信號的調(diào)制與解調(diào)。IFPI 結(jié)構(gòu)中腔兩端的反射鏡可以通過鍍膜法41、不同類纖熔接法42-44等，也可通過刻寫光纖光柵等半透光纖器件45; 46實現(xiàn)，由于光 6華中科技大學(xué)纖介質(zhì)熱光、熱膨脹等效應(yīng)，IFPI 多用于溫度傳感，但也可以應(yīng)用于折射率、應(yīng)變等物理量傳感。EFPI 的腔由非光纖材料，比如空氣、液體或其他性介質(zhì)，圖 1-5(b)展示了 EFPI 的一類基本結(jié)構(gòu)，將兩段光纖內(nèi)徑相當(dāng)?shù)目招竟苤?，兩個光纖端面由于菲涅爾反射，可作為反射鏡，因此中間空出的一段空氣隙可作為 FP腔。EFPI 結(jié)構(gòu)中的空腔為填充各種材料提供了結(jié)構(gòu)支撐，可應(yīng)用于各類特殊環(huán)境參量傳感，如填充濕度敏感材料用于傳感環(huán)境濕度

29、47; 48、填充熱敏感材料用于溫度傳感49-51等等。EFPI 光纖傳感器由于光信號不再是被限制在光纖內(nèi)進行傳輸，光信號傳輸損耗比較大，腔長在幾十到幾百微米之間，但是相比于 IFPI 其溫度靈敏度是可控的，同時制作據(jù)各種應(yīng)用需求進行具體設(shè)計。在 Fabry-Perot和腔內(nèi)介質(zhì)的可選擇范圍大，可以依纖傳感器，由于 FP腔的腔端面爾反射率較低（5%），可以將其腔內(nèi)采波原理進行分析，型類似，其反射強度可以表示為52：與 Mach-ZehnderI = I + I + 2 I I cosæ 4p nL + jö1 2ç0 ÷(1-3)12lè

30、48;其中 I1、I2 為長， 為入腔兩端面的反波，n 為腔內(nèi)介質(zhì)有效折射率，L 為腔的腔源信號的中心波長，0 為 FP腔引入的初始相位差。外界參量的變化，如溫度、折射率、應(yīng)力等可通過影響 FP 腔的腔體長度、端面反射率、腔內(nèi)折射率等因素，導(dǎo)致其反射譜的波長或者強度變化，通過建立對應(yīng)即可實現(xiàn)傳感目的。 7華中科技大 學(xué)(a)(b)圖 1-5 (a)本征型 Fabry-Perot結(jié)構(gòu) (b)非本征型 Fabry-Perot 腔結(jié)構(gòu)1.3.3 Sagnac纖傳感器Sagnac纖傳感器的基本結(jié)構(gòu)如圖 1-6 所示，入通過 3dB 耦合器傳入環(huán)形線圈的兩端，分別沿著順時針方向和逆時針方向進行傳輸，并在

31、 3dB 耦合器處重新匯聚傳出進入檢測裝置，當(dāng)光纖環(huán)著垂直于環(huán)面的軸轉(zhuǎn)動時，順時針和逆時針方向傳輸?shù)膬芍g的光程差將發(fā)生改變，進而可通過檢調(diào)輸出的信號實現(xiàn)對環(huán)境參量的傳感。此外，通過在光纖環(huán)中接入一定長度（通常為若干厘米）的折纖也可實現(xiàn) Sagnac 環(huán)結(jié)構(gòu)，其輸出光譜可以表示為2; 53：T = (1- cosj)2其中 為不同偏振態(tài)之間的光程差，寫作：(1-4)j = 2p BL = 2pn - nL(1-5)llfsB 為雙折射系數(shù)，nf 和 ns 分別為折纖快軸和慢軸的有效折射率，L 為折纖的長度。在傳感過，外界環(huán)境參量變化影響傳感光纖的雙折射系數(shù)或者長度，致使輸出譜發(fā)生改變，進而檢測

32、解調(diào)。經(jīng)過研究，Sagnac型傳感器可應(yīng)用于傳感磁場強度54、溫度55; 56、應(yīng)變53等等。 8華中 科技大 學(xué)圖 1-6 Sagnac型傳感器結(jié)構(gòu)1.3.4 回音壁模式微腔纖傳感器回音壁模式（WGM）是光學(xué)微腔中的一種重要光學(xué)現(xiàn)象，主要通過具有軸對稱結(jié)構(gòu)的介質(zhì)材料微腔實現(xiàn)，微腔形狀繁多，如微球腔腔腔、管狀腔等等，其應(yīng)用涉及理論物理研究、非線性光學(xué)、光器件以及高靈敏度傳感器等領(lǐng)域。圖1-7 展示了微球腔中激發(fā) WGM 的基本原理示意圖，實驗中通常通過利用微納光纖的倏逝場將光耦合進入微腔中，由于微腔與空氣交接面處的全反波被限制在微腔中向前傳輸并最終形成的行波傳輸模式。WGM 諧振腔的諧振條件如

33、下所示57：2p rneff = mlres(1-6)式中，r 代表微球腔的半徑，neff 為腔內(nèi)有效折射率，res 為諧振波長，m 為正整數(shù)，即光波傳輸光對應(yīng)波長的整數(shù)倍時，方可在微管腔中形成的模式場分布，產(chǎn)生諧振。 9華中科 技大學(xué)圖 1-7 微球腔中激發(fā) WGM 基本原理示意圖微腔中的諧振現(xiàn)象往往取決于微腔的幾何特征，如、形狀以及微腔介質(zhì)，故被稱為形態(tài)依賴諧振，回音壁模式（WGM）也是一類形態(tài)依賴微腔諧振。當(dāng)外界環(huán)境參量的變化，如溫度、折射率等，引起微腔幾何或者材料有效折射率變化，WGM 的諧振波長就會隨之發(fā)生變化，而且，WGM 模式能量并不是完全限制在微腔中，而是由少部分能量在腔外，并

34、呈指數(shù)衰減，即倏逝場，這一部分能量是受環(huán)境變化所直接影響的，因此根據(jù)透譜的變化，如諧振波長的漂移，即可建立起與環(huán)境物理量變化的對應(yīng)，實現(xiàn)傳感探測。為了提高相關(guān)傳感性能以及拓寬傳感領(lǐng)域，經(jīng)過研究，已經(jīng)開發(fā)出了基于不同微腔材質(zhì)58; 59、微腔結(jié)構(gòu)60; 61的 WGM 微腔纖傳感器，應(yīng)用于氣體檢測57; 62、磁場強度60、氣體壓強63等參量傳感。1.4 光纖溫度及電流傳感器研究現(xiàn)狀1.4.1 光纖溫度傳感器適宜的環(huán)境溫度一直是人類賴以生存的重要因素，溫度的監(jiān)測也充斥人類日常生活、工業(yè)生產(chǎn)以及科學(xué)研究等領(lǐng)域。17 世紀(jì)以來，溫度傳感器伴隨著需求增加得到了快速的發(fā)展，目前市面上的溫度傳感器主要是電

35、相關(guān)傳感器，如熱電偶傳感器、熱敏電阻傳感器、金屬熱電阻傳感器以及溫度測量等等，但是在某些環(huán)境中，如油氣開發(fā)、核輻射環(huán)境，電相關(guān)溫度傳感器由于引入安全隱患或者性能失效 10華中科技大學(xué)而受到極大的應(yīng)用限制，實際應(yīng)用需求。光纖溫度傳感器相比于傳統(tǒng)電相關(guān)溫度傳感器具有抗腐蝕性、電絕緣性、抗射頻干擾（RFI）和電磁干擾（EMI）、可分布式設(shè)計等優(yōu)勢而得到廣泛關(guān)注，目前在科研領(lǐng)域已經(jīng)開發(fā)出眾多光纖溫度傳感器，并逐漸，未來將有望應(yīng)用于工業(yè)、醫(yī)療及國防等領(lǐng)域。光纖溫度傳感器種類繁多，基于不同傳感原理設(shè)計，得到的溫度傳感器性能也各不相同，總體來說，根據(jù)光纖溫度傳感器的基本結(jié)構(gòu)特征可分為全光纖溫度傳感器和復(fù)合光

36、纖溫度傳感器。1)全光纖溫度傳感器顧名思義，全光纖溫度傳感器是指傳感器整體結(jié)構(gòu)是由光纖組成，不其他非光纖類材料或結(jié)構(gòu)參與傳感設(shè)計。在全光纖溫度傳感器中，研究最的為各類干涉纖溫度傳感器，主要通過設(shè)計制作新纖結(jié)構(gòu)或者采用特種光纖等的 Michelson型、Mach-Zehnder現(xiàn)，基本的傳感結(jié)構(gòu)上節(jié)所型、Fabry-Perot型和 Sagnac型四種結(jié)構(gòu)以及光纖光柵型。全光纖溫度傳感器往往是利用光纖本身的熱光效應(yīng)或者熱膨脹效應(yīng)實現(xiàn)對譜的調(diào)制而達(dá)到溫度傳感的目的，因此其溫度傳感靈敏度特別出眾，在 pm/量級左右。2014 年，JEnrique Antonio-Lopez 等人64利用七芯光纖設(shè)計了

37、一種基于 Mach-Zehnder結(jié)構(gòu)的光纖高溫傳感器，傳感結(jié)構(gòu)如圖 1-8 所示。將七芯光纖采用熔接操作接入單模光纖環(huán)路中，由于纖芯失配以及七芯光纖結(jié)構(gòu)對稱性，將只有兩類模式被激發(fā)并相互之間產(chǎn)生，通過對光譜進行解調(diào)，在 1000范圍內(nèi)，溫度靈敏度最高達(dá)到了 52pm/，并且該傳感器結(jié)構(gòu)具有較高的性，可應(yīng)用于某些環(huán)境中，但是由于傳感器測量透射式，限制了其無法被設(shè)計為溫度傳感器探針，應(yīng)用相對受限。 11華中科技大學(xué)圖 1-8 光纖溫度傳感器結(jié)構(gòu)示意圖2015 年，Yang Jingyi 等人65設(shè)計了一種基于 Michelson結(jié)構(gòu)的光纖高溫傳感器，將摻鍺光纖與單模光纖進行熔接，由于摻鍺光纖與單

38、模光纖的纖芯失配，可將纖芯光耦合進包層激發(fā)出高階包層模，受端面菲涅爾反射之后重新耦合回纖芯，并與纖芯基模之間發(fā)生，結(jié)構(gòu)如圖 1-9 所示?；跓峁庑?yīng)和熱膨脹效應(yīng)，在500范圍內(nèi)，該光纖溫度傳感器靈敏度達(dá)到了 89pm/，并且結(jié)構(gòu)在單點溫度測量方面具有潛在的應(yīng)用。僅為 0.9mm，圖 1-9 光纖溫度傳感器結(jié)構(gòu)示意圖2016 年，Zhang Xinpu 等人66提出了一種基于 Fabry-Perot結(jié)構(gòu)的可控靈敏度光纖溫度傳感器，將錐形光纖末端半封閉的管中，在錐形光纖末端面與玻璃管端面之間形成 FP 腔結(jié)構(gòu)，如圖 1-10 所示，由于熱膨脹效應(yīng)溫度變化將導(dǎo)致 FP錐形光纖末端的長度，在 501

39、50腔腔長變化，實現(xiàn)環(huán)境溫度傳感。通過 12華中科技大學(xué)圖 1-10 光纖溫度傳感器結(jié)構(gòu)示意圖范圍內(nèi)，其溫度靈敏度可在 01.97pm/范圍進行，可應(yīng)用于不同溫度靈敏度需求場景，但是制作方式相對較為復(fù)雜，而且靈敏度較低，發(fā)展優(yōu)勢不夠明顯。2016 年，Shi Jia 等人55將 Sagnac結(jié)構(gòu)與光纖環(huán)形激光器相結(jié)合，設(shè)計出一種高靈敏度的光纖溫度傳感器，結(jié)構(gòu)如圖 1-11 所示。在整體溫度傳感器中，Sagnac 結(jié)構(gòu)主要起到光纖濾波器與傳感器的作用，環(huán)境溫度變化影響 Sagnac 環(huán)中保偏光纖的雙折射率系數(shù)，進而導(dǎo)致出射激光的波長發(fā)生改變，通過監(jiān)測波長隨溫度的變化，實現(xiàn)環(huán)境溫度的傳感。經(jīng)過實驗

40、測量，在 3040溫度范圍內(nèi)，該傳感器溫度傳感靈敏度達(dá)到了 1.739nm/，同時激光出的 3dB 帶寬低于 0.05nm，可實現(xiàn)高精度的溫度監(jiān)測，此外在傳感系統(tǒng)中也表現(xiàn)出遠(yuǎn)距離溫度傳感的潛能，如在海洋探測、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)等領(lǐng)域的潛在應(yīng)用。圖 1-11 光纖溫度傳感器結(jié)構(gòu)示意圖2)復(fù)合光纖溫度傳感器由于全光纖溫度傳感器靈敏度較低，因此科學(xué)家們提出了一種復(fù)合光纖溫度傳感器的結(jié)構(gòu)設(shè)計，即將光纖傳感結(jié)構(gòu)與溫度敏感材料相結(jié)合，或利用透光性溫度 13華中科技大學(xué)敏感材料溫度傳感結(jié)構(gòu)。溫度敏感材料具有相比于光纖材料更高的熱光系數(shù)或熱膨脹系數(shù)，機聚合物 HR901 的熱光系數(shù)為-1.3×10-4/，熱膨

41、脹系數(shù)為 2.3×10- 4/，比光纖材料高出兩個數(shù)量級49，通過材料與結(jié)構(gòu)的適當(dāng)結(jié)合，可以獲得 1nm/量級的光纖溫度傳感器，極具有競爭力和應(yīng)用前景。等人50利用2015 年，Yang Kai金屬具有較高的熱膨脹系數(shù)，將其注入空芯光纖中，并將端面采用紫外膠密封，結(jié)構(gòu)如圖 1-12 所示。由于部分空氣被密封在空芯光纖中，會形成 FP腔，當(dāng)外界環(huán)境溫度發(fā)生變化時， 金屬體積會由于熱膨脹效應(yīng)隨之發(fā)生改變，從而影響 FP 腔腔長，實現(xiàn)對環(huán)境溫度的傳感，經(jīng)過譜解調(diào)，該光纖溫度傳感器的靈敏度達(dá)到了-41.9nm/，但是由于物質(zhì)，該傳感器也表現(xiàn)出明顯的弊端。圖 1-12 光纖溫度傳感器結(jié)構(gòu)示意圖

42、2015 年，Wang Jian 等人67利用環(huán)氧樹脂在光纖端面粘附，了對環(huán)境溫度變化敏感的 Fabry-Perot腔結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)如圖 1-13 所示。環(huán)氧樹脂是一類具有較高熱膨脹系數(shù)、熱光系數(shù)、可耐高溫的透明聚合物材料，將其粘附在光纖端面并經(jīng)過固化處理之后可形成 FP腔結(jié)構(gòu)。外界環(huán)境溫度發(fā)生變化時將導(dǎo)致 FP 腔腔長以及折譜即可實現(xiàn)溫度傳感目的，經(jīng)過試驗，該溫度傳感器在 0射率發(fā)生改變，解調(diào)160范圍內(nèi)的靈敏度最高達(dá)到了 166.36pm/。 14華中科技大學(xué)圖 1-13 光纖溫度傳感器結(jié)構(gòu)示意圖2016 年，Wang Qi 等人68將聚二甲基硅氧烷（PDMS）在刻寫的長周期光纖光柵表面，結(jié)構(gòu)

43、示意圖如圖 1-14 所示。長周期光纖光柵具有對環(huán)境折射率變化敏感的特性，而 PDMS 的熱光系數(shù)達(dá)到-4.5×10-4/，將 PDMS在長周期光纖光柵表的目的，經(jīng)過實驗測量，在 20面可實現(xiàn)對長周期光纖光柵溫度敏感特性進行80范圍內(nèi)，之后的溫度靈敏度達(dá)到了 255.4pm/，是之前的 4 倍，并且測量的溫度測量精度達(dá)到了 0.078。圖 1-14 光纖溫度傳感器結(jié)構(gòu)示意圖1.4.2 光纖電流傳感器電力系統(tǒng)一直是保證國防建設(shè)、居民生活的重要基礎(chǔ)設(shè)施，電力也已經(jīng)成為人類生活中不可或缺的一部分。近年來，隨著電力行業(yè)的快速發(fā)展，電壓等級及載荷不斷提升，如何對電力系統(tǒng)安全準(zhǔn)確地進行電流監(jiān)測逐

44、漸成為當(dāng)前行業(yè)所的問題。傳統(tǒng)的電磁感應(yīng)式電流傳感器由于著磁飽和、絕緣難度大、易受電磁干擾問題逐漸當(dāng)前需求，光纖電流傳感器由于具有絕緣性高、抗電磁干擾能力強、安全性與可靠性高等優(yōu)勢逐漸成為電流監(jiān)測領(lǐng)域的重要研究方向，并逐漸朝市場化、工程化方向發(fā)展。根據(jù)電流傳感原理的不同，光纖電流傳感器主要可以分為基于磁致 15華中科 技大學(xué)效應(yīng)和熱效應(yīng)兩類傳感器。1)基于磁致效應(yīng)光纖電流傳感器基于磁致效應(yīng)的光纖電流傳感器依據(jù)磁致效應(yīng)的區(qū)別可以細(xì)分為基于磁致旋光效應(yīng)（效應(yīng)）和磁致伸縮效應(yīng)兩類。磁致旋光效應(yīng)光纖電流傳感器是利用線偏振光在通過磁場中的磁光材料時，偏振方向會發(fā)生旋轉(zhuǎn)，通過檢測旋轉(zhuǎn)角或者透強的變化可實現(xiàn)對

45、電流的檢測。磁致伸縮效應(yīng)光纖電流傳感器則主要是利用磁性材料在外界磁場作用下會發(fā)生幾何變化，進而可作用于光纖介質(zhì)上，通過檢測光譜信號的變化實現(xiàn)電流傳感。2014 年，Shaoyi Xu 等人69利用磁致旋光效應(yīng)設(shè)計了基于偏振復(fù)用（PDM）的光纖電流傳感器，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖 1-15 所示。通過電生的磁場傳感光纖中線偏振光的偏振方向，并利用反射鏡對線偏振光雙重的磁致旋光效應(yīng)偏轉(zhuǎn)角，隨后利用偏振器對輸出偏振光進行偏振態(tài)調(diào)整后，通過功率計測量輸出的光功率用于解調(diào)電流強度。經(jīng)過測量，該電流傳感器的電流傳感靈敏度達(dá)到了 0.0261/A，相對于傳統(tǒng)的偏振分集（PD）測量方式靈敏度有了明顯的提高。圖 1-15

46、光纖電流傳感器結(jié)構(gòu)示意圖2015 年，Marcelo M. Werneck 等人70將光纖光柵與磁致伸縮材料（Telfenol-D） 相結(jié)合，利用磁致伸縮效應(yīng)設(shè)計出在線式光纖電流監(jiān)測系統(tǒng)，傳感器部分如圖 1-16所示。Telfenol-D 在外界磁場作用下會發(fā)生磁致形變，進而對光纖施加軸向應(yīng)力，導(dǎo)致光纖光柵周期以及中心波長發(fā)生改變，經(jīng)過實驗驗證，當(dāng)施加 60Hz 頻率的正弦波 16華中科技大學(xué)電流信號時，該光纖傳感器能夠?qū)崿F(xiàn)實時監(jiān)測電流變化。圖 1-16 光纖電流傳感器結(jié)構(gòu)示意圖2)基于熱效應(yīng)光纖電流傳感器基于熱效應(yīng)的光纖電流傳感器主要是利用金屬等導(dǎo)體材料在通電之后會由于焦效應(yīng)向環(huán)境中出熱量，

47、基于光纖介質(zhì)熱光效應(yīng)以及熱膨脹效應(yīng)，電流強度會轉(zhuǎn)化為光纖出信號的相位或強度變化，進而實現(xiàn)電流傳感目的。2015 年，Yan Shaocheng 等人5利用單層石墨烯具有較高表面電阻的特性，將單層石墨烯沉積于棒的兩塊金電極之上，并將微納光纖纏繞于石墨烯表面，結(jié)構(gòu)如圖 1-17 所示。當(dāng)在金電極兩端施加電流時，單層石墨烯材料會由于焦效應(yīng)向外熱量，改變微納光纖附近的溫度參量，進而影響微納光纖的諧振條件，改變透射譜中諧振峰的位置，經(jīng)過實驗測試，該電流傳感器的靈敏度達(dá)到了 67.297m/A2，并且具有良重復(fù)性以及較低的檢測極限（0.5mA）。 17華中科技大學(xué)圖 1-17 光纖電流傳感器結(jié)構(gòu)示意圖20

48、15 年，Min-Seok Yoon 等人7將鎳鉻合金導(dǎo)線作電導(dǎo)體，在導(dǎo)線表面某種低折射率聚合物材料（PC-373，Luventixx）用于固定微納光纖環(huán)形諧振器以及作為中間傳感介質(zhì)，結(jié)構(gòu)如圖 1-18 所示。當(dāng)鎳鉻合金導(dǎo)線通電后會因為焦效應(yīng)向外熱量，而低折射率聚合物材料具有較高的熱光系數(shù)，當(dāng)紫外膠材料折射率發(fā)生改變時，微納光纖諧振器中諧振匹配條件將發(fā)生變化，進而諧振波長發(fā)生飄移，達(dá)到電流傳感的目的，經(jīng)過理論與實驗分析，該電流光纖傳感器靈敏度達(dá)到了437.9pm/A2。圖 1-18 光纖電流傳感器結(jié)構(gòu)示意圖1.5 本研究的主要內(nèi)容及意義隨著物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展，傳感器作為物聯(lián)網(wǎng)感知層的重要，已

49、經(jīng)成為高新技術(shù)研究產(chǎn)業(yè)的重要領(lǐng)域。傳統(tǒng)的電學(xué)傳感器由于強電磁輻射、易燃 18華中科 技大學(xué)易爆等環(huán)境下容易失效或者潛在安全隱患等問題，實際應(yīng)用需求，而光纖傳感器具有抗射頻干擾（RFI）和電磁干擾（EMI）、電絕緣性、可分布式設(shè)計等特性，逐漸成為學(xué)術(shù)和工業(yè)界的研究熱點。本在該背景下，調(diào)研大量學(xué)術(shù)文獻(xiàn)，基于 Michelson、Fabry-Perot及 WGM 微腔型基本傳感結(jié)構(gòu)，提出了光纖溫度及電流傳感器的設(shè)計方案，并且分別在理論和實驗方面，對設(shè)計的光纖傳感器傳感性能進行研究，經(jīng)過實驗數(shù)據(jù)分析及對比，設(shè)計的光纖傳感器表現(xiàn)出高靈敏度、結(jié)構(gòu)簡單、制作方便等優(yōu)勢，有利于推動新纖傳感器的進一步研究和發(fā)展

50、。文章結(jié)構(gòu)主要可以分為以下五個章節(jié)：第一章，緒論首先闡述了光纖傳感技術(shù)的研究背景以及基本概念，然后對基于多模結(jié)構(gòu)和回音壁模式微腔纖傳感器的基本傳感原理進行了，并綜合近些年間發(fā)表的相關(guān)領(lǐng)域?qū)W術(shù)，對光纖溫度傳感器及光纖電流傳感的研究現(xiàn)狀進行概述總結(jié)，分析基本研究思路與原理，最后提出本文的研究內(nèi)容和基本框架。第二章，當(dāng)前光纖高溫傳感器工藝復(fù)雜、成本較高及靈敏度較小等問題，設(shè)計出一種基于 Michelson結(jié)構(gòu)的光纖高溫傳感器，其主要的傳感結(jié)構(gòu)是采用光纖熔接機制作出的特殊光纖偏芯結(jié)構(gòu)（Core-Mismathing Fiber Joint，CMFJ）。本章對該光纖高溫傳感器的制作工藝進行了，并通過與其

51、基本傳感理論相結(jié)合，搭建高溫傳感測量系統(tǒng)對該光纖高溫傳感器的傳感性能進行了研究。第三章，全光纖纖溫度傳感器靈敏度較低的問題，將紫外光固化膠材料與 Fabry-Perot 型結(jié)構(gòu)相結(jié)合，設(shè)計出一種溫度傳感靈敏度較高的光纖溫度傳感器。章節(jié)中對該光纖溫度傳感器的傳感原理進行了理論分析，并該傳感器的制作，同時通過搭建溫度靈敏度測試平臺，研究了不同 Fabry-Perot 腔結(jié)構(gòu)參數(shù)的溫度傳感特性。第四章，將回音壁（WGM）微腔與銅導(dǎo)線的焦效應(yīng)相結(jié)合，設(shè)計出新纖電流傳感器，章節(jié)中了該光纖電流傳感器的工作原理及制作方式，并通過實驗 19華中科 技大學(xué)研究了銅導(dǎo)線直徑以及空芯管對該電流傳感器傳感靈敏度的影響

52、。第五章，本的工作進行了總結(jié)，分析了在實驗操作以及實際應(yīng)用中的問題和需要改進的地方，提出了解決這些問題的一些可能性方案和下一步計劃。 20華中科技 大 學(xué)2 基于 Michelson的光纖高溫傳感器研究在傳感器的發(fā)展歷，光纖傳感器由于具有抗腐蝕性、電絕緣性、抗射頻干擾（RFI）和電磁干擾（EMI）、可分布式設(shè)計等優(yōu)勢逐漸成為不可或缺的一部分。經(jīng)過科研工作者的努力，在階段已經(jīng)研究出各類應(yīng)用于不同環(huán)境參量傳感的光纖傳感器，其中，光纖高溫傳感器由于高溫監(jiān)測在石油開采、工業(yè)生產(chǎn)、強輻射、強磁場環(huán)境等領(lǐng)域的重要性而逐漸成為科學(xué)家們的研究熱點。2.1 傳感器工作原理分析本章中設(shè)計的光纖高溫傳感器是基于 Michelson，利用光纖熔接機對光出新型的光纖偏芯結(jié)構(gòu)（Core-Mismathing纖端面進行預(yù)放電操作引入微小彎曲Fiber Joint，CMFJ）實現(xiàn)模式，其基本結(jié)構(gòu)如圖 2-1 所示。寬譜光由單模光纖 A端（SMF A）通入該結(jié)構(gòu)中，當(dāng)傳輸至偏芯結(jié)構(gòu)時，由于光纖纖芯錯位導(dǎo)致的模場失配，會有一部分光耦合進入單模光纖 B（SMF B）的包層中，激發(fā)出高階包層模向前進行傳輸，其余光則繼續(xù)保持在纖芯中以基模的形式向前傳輸。當(dāng)兩行至SMF B 端面位置時，由于光纖與空氣介質(zhì)面處的菲涅爾