光纖傳感器綜述之微納光纖

1光纖傳感器之微納光纖第一節(jié)

光纖傳感器的綜述第二節(jié)光纖光柵與光子晶體光纖的發(fā)展第三節(jié)微納光纖1光纖傳感器之微納光纖第一節(jié)光纖傳感器的綜述第一節(jié)光纖傳感的綜述光纖傳感器(OFSOpticalFiberSensor)是20世紀(jì)70年代中期發(fā)展起來的一種基于光導(dǎo)纖維的新型傳感器。它是光纖和光通信技術(shù)迅速發(fā)展的產(chǎn)物，它與以電為基礎(chǔ)的傳感器有本質(zhì)區(qū)別。光纖傳感器用光作為敏感信息的載體，用光纖作為傳遞敏感信息的媒質(zhì)。它具有光纖及光學(xué)測(cè)量的特點(diǎn)。①電絕緣性能好。②抗電磁干擾能力強(qiáng)。③非侵入性。④高靈敏度。⑤容易實(shí)現(xiàn)對(duì)被測(cè)信號(hào)的遠(yuǎn)距離監(jiān)控。第一節(jié)光纖傳感的綜述光纖傳感器(OFS光是一種電磁波，其波長(zhǎng)從極遠(yuǎn)紅外的lmm到極遠(yuǎn)紫外線的10nm。它的物理作用和生物化學(xué)作用主要因其中的電場(chǎng)而引起。因此，討論光的敏感測(cè)量必須考慮光的電矢量E的振動(dòng)，即

A-電場(chǎng)E的振幅矢量；ω-光波的振動(dòng)頻率；φ-光相位；t-光的傳播時(shí)間。只要使光的強(qiáng)度、偏振態(tài)(矢量A的方向)、頻率和相位等參量之一隨被測(cè)量狀態(tài)的變化而變化，或受被測(cè)量調(diào)制，那么，通過對(duì)光的強(qiáng)度調(diào)制、偏振調(diào)制、頻率調(diào)制或相位調(diào)制等進(jìn)行解調(diào)，獲得所需要的被測(cè)量的信息。

光是一種電磁波，其波長(zhǎng)從極遠(yuǎn)紅外的lmm到極遠(yuǎn)紫外線光纖傳感器綜述之微納光纖ó1996IBMCorporation涂層和緩沖層

緩沖層涂層

包覆層

核心層50/125光纖為例50125 250 900microns{核心層和包覆層是不可分割的玻璃層緩沖層涂層涂層緩沖層ó1996IBMCorporation涂層和緩沖層6傳感器光學(xué)現(xiàn)象被測(cè)量光纖分類干涉型相位調(diào)制光線傳感器干涉（磁致伸縮）干涉（電致伸縮）Sagnac效應(yīng)光彈效應(yīng)干涉電流、磁場(chǎng)電場(chǎng)、電壓角速度振動(dòng)、壓力、加速度、位移溫度SM、PMSM、PMSM、PMSM、PMSM、PMaaaaa

非

干

涉

型

強(qiáng)度調(diào)制光纖溫度傳感器遮光板遮斷光路半導(dǎo)體透射率的變化熒光輻射、黑體輻射光纖微彎損耗振動(dòng)膜或液晶的反射氣體分子吸收光纖漏泄膜溫度、振動(dòng)、壓力、加速度、位移溫度溫度振動(dòng)、壓力、加速度、位移振動(dòng)、壓力、位移氣體濃度液位MMMMMMSMMMMMMMbbbbbbb偏振調(diào)制光纖溫度傳感器法拉第效應(yīng)泡克爾斯效應(yīng)雙折射變化光彈效應(yīng)電流、磁場(chǎng)電場(chǎng)、電壓、溫度振動(dòng)、壓力、加速度、位移SMMMSMMMb,abbb頻率調(diào)制光纖溫度傳感器多普勒效應(yīng)受激喇曼散射光致發(fā)光速度、流速、振動(dòng)、加速度氣體濃度溫度MMMMMMcbb注：MM多模；SM單模；PM偏振保持；a,b,c功能型、非功能型、拾光型光纖傳感器的分類6傳感器光學(xué)現(xiàn)象被測(cè)量光纖分類干涉型相位調(diào)制光線傳感器干涉（第二節(jié)光纖光柵與光子晶體光纖的發(fā)展1.光纖光柵通過飛秒激光點(diǎn)對(duì)點(diǎn)法或者相位掩膜板法使光纖內(nèi)部纖芯部分折射率發(fā)生周期性的改變，寫入光柵。第二節(jié)光纖光柵與光子晶體光纖的發(fā)展1.光纖光柵根據(jù)光纖光柵周期的長(zhǎng)短不同，可將周期性的光纖光柵分為短周期（Λ<1μm）和長(zhǎng)周期（Λ>1μm）兩類。（1)短周期光纖光柵（FBG）

傳輸方向相反的模式之間發(fā)生耦合，屬于反射型帶通濾波器透射光譜入射光譜光強(qiáng)光強(qiáng)反射光譜光強(qiáng)根據(jù)光纖光柵周期的長(zhǎng)短不同，可將周期性的光纖光柵分為短周期（2.長(zhǎng)周期光纖光柵（LPFG）

纖芯基模和同向傳輸?shù)母麟A包層模之間的耦合，耦合到包層中后傳輸一段距離后，由于散射轉(zhuǎn)化為輻射膜衰減掉，而無后向反射，屬于透射型帶阻濾波器。

入射光譜光強(qiáng)透射光譜

輸入

LPG

利用光纖光柵中反射或透射的光譜對(duì)外界環(huán)境的敏感特性，光纖光柵溫度、應(yīng)變敏感的特性，通過傳感頭的設(shè)計(jì)/封裝，可以測(cè)量各種物理參數(shù)：溫度、應(yīng)變、壓力、位移、液位、加速度、氣體含量、彎曲，等等

2.長(zhǎng)周期光纖光柵（LPFG）入射光譜光強(qiáng)透射2.光子晶體光纖自然界中的光子晶體的例子2.光子晶體光纖自然界中的光子晶體的例子光子晶體光纖的導(dǎo)光原理全內(nèi)反射型PCF導(dǎo)光原理周期性缺陷的纖芯折射率(石英玻璃)大于周期性包層折射率(空氣),從而使光能夠在纖芯中傳播.光子帶隙型PCF導(dǎo)光機(jī)理在空芯PCF中形成周期性的缺陷是空氣,空氣芯折射率比包層石英玻璃低,但仍能保證光不折射出去.光子晶體光纖的導(dǎo)光原理全內(nèi)反射型PCF導(dǎo)光原理圖1TIR-PCF折射率型光子晶體光纖圖2PGB-PCF帶隙導(dǎo)光性型光子晶體光纖

TIR-PCF是通過全反射原理來導(dǎo)光，與普通光纖類似；

PBG-PCF則是通過光子帶隙效應(yīng)導(dǎo)光，即把光限制在光子晶體的缺陷即空氣孔中導(dǎo)光。

光子晶體光纖是近年來出現(xiàn)的一種新型光纖，它通過包層中沿軸向周期性排列的微小空氣孔產(chǎn)生光子禁帶對(duì)光進(jìn)行約束，從而實(shí)現(xiàn)光的軸向傳輸。獨(dú)特的波導(dǎo)結(jié)構(gòu)，使得光子晶體光纖與常規(guī)光纖相比具有許多無可比擬的傳輸特性。圖1TIR-PCF折射率型光子晶體光纖圖2TIR-PCF折射率型光子晶體光纖PGB-PCF帶隙導(dǎo)光性型光子晶體光纖PCF傳輸能量傳輸三維模擬TIR-PCF折射率型光子晶體光纖PGB-PCF帶

通過對(duì)光子晶體光纖的空氣孔排列的處理，比如對(duì)其中一根或者幾根空氣孔用不同折射率特性的液體進(jìn)行填充、在制作時(shí)抽出幾根毛細(xì)預(yù)制棒或用實(shí)心棒代替，等類似處理打破它的周期性結(jié)構(gòu)，產(chǎn)生許多新的特性與現(xiàn)象。光子晶體光纖的優(yōu)點(diǎn):（1）無截止單模傳輸特性(EndlesslySingleMode)

（2）不同尋常的色度色散特性

（3）極好的非線性效應(yīng)（4）優(yōu)良的雙折射效應(yīng)（5）可用于實(shí)現(xiàn)多芯傳輸通過對(duì)光子晶體光纖的空氣孔排列的處理，比如對(duì)其中一第三節(jié)微納光纖MNFMicro-andnano-fiber

相對(duì)于光纖光柵與光子晶體光纖，微納光纖是更近一段時(shí)間才發(fā)展起來的一種新型光纖。在2003年，浙江大學(xué)的童利民與他的導(dǎo)師，哈佛大學(xué)的Eric第一次成功研制了直徑小于所傳導(dǎo)光波長(zhǎng)的低損耗的微納光纖。并發(fā)表在《Nature》上，這篇論文的發(fā)表開創(chuàng)了一個(gè)全新的研究領(lǐng)域，為實(shí)現(xiàn)光子器件的小型化、提高敏感度，提供了一種新的選擇。微納光纖是指光纖直徑達(dá)到微米、納米級(jí)的普通光纖。目前最低能達(dá)到幾十納米第三節(jié)微納光纖MNF相對(duì)于光纖光柵微納光纖的制作不同于SMF、MMF、PCF可以在市場(chǎng)上直接購(gòu)買,微納光纖還只是實(shí)驗(yàn)室科研需要，所以我們需要關(guān)注MNF的制作。1.對(duì)于SMF的二步拉伸法

二步法的改進(jìn)：微納光纖的制作二步法的改進(jìn)：2.參雜微納光纖的制作3.聚合物微納光纖的制作2.參雜微納光纖的制作3.聚合物微納光纖的制作

在單模光纖拉細(xì)以后，光纖可以看做是折射率均勻的玻璃纖芯，外界環(huán)境可以看做它的包層，此時(shí)光場(chǎng)不完全是在光纖內(nèi)部傳輸，而是以倏逝波的形式，一部分的能量在光纖外部介質(zhì)中傳播，這樣的傳輸方式也就高了MNF對(duì)外界環(huán)境的敏感度。圖中，圓柱光纖內(nèi)部為被約束的傳導(dǎo)電磁場(chǎng)，外部為被約束在光纖周圍空氣中的倏逝場(chǎng)

，而光纖越細(xì)，倏逝波越強(qiáng)，敏感性越強(qiáng)。

在光纖直徑為400nm時(shí)，光纖外部倐逝場(chǎng)占30%，在光線直徑為200nm時(shí)，光纖外部倐逝場(chǎng)占80%。在單模光纖拉細(xì)以后，光纖可以看做是折射率均勻的玻璃微納光纖的損耗特性

MNF有極低的傳輸損耗、耦合損耗、彎曲損耗。（1）由二步拉制法制作出來的MNF有非常好的均勻性，近乎完美的表質(zhì)量（達(dá)到原子量級(jí)），傳輸損耗最低達(dá)到0.001db/mm。（2）由于光纖與包層空氣的折射率差很大，MNF的彎曲損耗能達(dá)到0.3db/mm。（3）由于MNF主要是以倏逝波傳播，所以在兩條MNF耦合時(shí)不需要耦合器，只需要兩條光纖以一定小的角度相接觸即可。1*4耦合器微納光纖的損耗特性MNF有極低的傳輸損耗、耦合損耗、彎曲此外，MNF還有很高的機(jī)械強(qiáng)度與易彎曲的特點(diǎn)實(shí)驗(yàn)可以看到MNF可彎曲形成直徑小于幾微米的微環(huán)而不發(fā)生形變。

(a)由直徑500nm的微納光纖制成的光纖環(huán)，直徑小于15um（b)直徑280nm的微納光纖最小彎曲半徑為2．7um．這種易彎曲的特點(diǎn)，結(jié)合MNF的小尺寸及周圍豐富的倏逝場(chǎng)，可以實(shí)現(xiàn)許多器件的小型化。此外，MNF還有很高的機(jī)械強(qiáng)度與易彎曲的特點(diǎn)實(shí)微納光纖的布拉格光柵通過在MNF中寫入布拉格光纖光柵，利用MNF的倏逝波傳輸?shù)奶匦?，進(jìn)一步提高FBG的靈敏度。利用纖維模板法或飛秒激光點(diǎn)對(duì)點(diǎn)寫入發(fā)在MNF中寫入光纖光柵。相位模板法微納光纖的布拉格光柵通過在MNF中寫入布拉格MNF的應(yīng)用（1）M-Z干涉儀（2）諧振器MgF2襯底上的氧化硅微納光纖MZI的光學(xué)顯徽鏡照片圖中兩根氧化硅鐓納光纖的直徑均約lum。結(jié)型knot微環(huán)諧振器圈形loop微環(huán)諧振器MNF的應(yīng)用（1）M-Z干涉儀MgF2襯底上的氧化硅微納光纖雙環(huán)并聯(lián)型微環(huán)諧振器雙環(huán)串聯(lián)型微環(huán)諧振器卷型coil諧振器帆型reef微環(huán)諧振器利用MNF制作的傳感器具有尺度小、靈敏度高、響應(yīng)速度快等許多優(yōu)點(diǎn)，更可用于在許多特定場(chǎng)合下傳感。對(duì)傳統(tǒng)的傳感器件質(zhì)量有較大幅度的提升。目前已研制出的MNF傳感器件可以對(duì)周圍環(huán)境的折射率、溫度、濕度、加速度、純凈度（微粒多少）等等方面進(jìn)行探測(cè)傳感。基于倏逝場(chǎng)的微納光纖器件是非常新、剛剛開展的課題，相信在不久的將來，微納光纖器件能夠到深入的研究和廣泛的應(yīng)用。雙環(huán)并聯(lián)型微環(huán)諧振器雙環(huán)串聯(lián)型微環(huán)諧振器卷型coil諧振器帆光纖傳感的應(yīng)用高鐵系統(tǒng)的安全數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)光纖傳感的應(yīng)用高鐵系統(tǒng)的安全數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)大壩、邊坡、隧道、建筑等土木工程安全監(jiān)測(cè)發(fā)達(dá)國(guó)家?guī)缀跛袠蛄旱陌踩O(jiān)測(cè)都采用光纖光柵傳感技術(shù)德西門子等公司等已用于大型電機(jī)和高壓傳輸電纜美CIDRA和英SunartFibersLtd等用于輸油管線和海洋石油……光纖傳感民用大壩、邊坡、隧道、建筑等土木工程安全監(jiān)測(cè)光纖傳感民用