物联网感知-光纤光栅传感器技术

一、光纤光栅传感技术

光纤光栅是利用光纤材料的光敏性，通过紫外光曝光的方法将入射光相干场图样写入纤芯，将周期性微扰作用于光纤纤芯，在纤芯内产生沿纤芯轴向的折射率周期性变化，从而形成永久性空间的相位光栅，其作用实质上是在纤芯内形成一个具有波长选择能力的窄带的（透射或反射）滤波器或反射镜。当一束宽光谱光经过光纤光栅时，满足光纤光栅Bragg（布拉格条件）的波长将产生反射，其余的波长透过光纤光栅继续传输。结构如下图所示：

利用光纤光栅对于温度和应变敏感的这两种效应，可以检测多种物理量。由于裸光纤光栅直径只有125μm，在恶劣环境中容易受到损伤，只有对其进行保护性的封装设计，才能保证光纤光栅具有更稳定的性能，进而延长其使用寿命。同时，通过合适的封装结构，选用不同的基底材料，也可以实现温度增敏和交叉补偿等功能。

二、光纤光栅发展情况

1978年，加拿大通信研究中心的Hill等发现纤芯掺锗的光纤具有光敏性，并利用驻波干涉法制成了世界上第一根光纤光栅[1]。

1989年，美国东哈特福联合技术研究中心的Meltz等利用244nm的紫外光双光束全息曝光法成功地制成了光纤光栅[2]，用两束相干光相遇时所产生的干涉条纹使光敏光纤曝光，形成折射率的周期性永久改变，从而制成光栅。这种光栅已达到实用阶段。但这种方法有其缺点：一是对光源的相干性要求较高；二是对系统的稳定性要求高。

1993年，贝尔实验室的Lemaire等用光纤载氢技术增强了光纤的光敏性[3]，这种方法适用于任何掺锗的光纤。通过光纤的载氢能够将在不增加掺锗浓度的情况下，使光纤的光敏性大大提高。1993年，又提出了制作光纤Bragg光栅的相位掩模法[4,5]，是到目前为止最为实用化的一种方法，仍被普遍采用，但这种方法的主要缺点是制作掩模版，一种掩模版只对应一种波段的光纤光栅。

1996年，出现了长周期光纤光栅[6～8]，这种光栅的周期较长，可以在数十微米到几百微米之间。光纤Bragg光栅具有选择性反射作用，是将前向传输的纤芯模耦合到后向传输的纤芯模中去，而长周期光纤光栅则是将纤芯模耦合到包层模，而包层模在传播不远后会损耗掉，从而在透射光中形成损耗峰。

近些年来，光纤传感技术发展异常迅速，同时呈现出巨大的发展潜力，受到西方国家的高度重视，我国也特别重视这一新型传感器的研发与应用。关于光纤传感器的研制，我国的起步时间与发达国家相差并不是太远，而且目前相当一部分的成果具有较高使用价值，有的已达到国际先进水平。目前，光纤光栅通常采用波长调制，利用波分、时分等复用技术可以方便地获取海洋温度剖面信息，其在海洋环境探测中具有极大的应用潜力。光纤光栅诸多本征优势已引起国内外许多科研工作者和科研单位开展其在海洋应用方面的相关研究。

三、光纤光栅类型

根据周期的长短，通常把周期小于1μm的光纤光栅称为短周期光纤光栅，又称为光纤Bragg光栅或反射光栅，Bragg光栅的特点是传输方向相反的纤芯模式之间发生耦合，属于反射型带通滤波器；而把周期为几十至几百μm的光纤光栅称为长周期光纤光栅，又称为透射光栅，长周期光纤光栅的特点是同向传输的纤芯基模和包层模之间的耦合，无后向反射，属于透射型带阻滤波。

光纤光栅按波导类型可分为均匀光栅和非均匀光栅。均匀光纤光栅的特点是光栅的周期和折射率调制的大小均为常数，这是最常见的一种光纤光栅，其反射谱具有对称的边模振荡，但是其边模振荡较大，在通信中容易引起码间串扰，而最典型的均匀光栅为均匀光纤Bragg光栅。而非均匀周期光纤光栅的特点是光栅的周期或者折射率调制的大小均不为常数，而是变化的，最典型的非均匀光栅为啁啾光纤光栅，闪耀光栅，超结构光栅（取样光栅）等。

按光纤光栅的形成机理分可以分为利用光敏性形成的光纤光栅和利用弹光效应形成的光纤光栅。光纤光栅的光敏性是指物质的物理或者化学性质在外部光的作用下发生暂时或永久性改变的材料属性。对光纤材料的光敏性而言，则是指折射率、吸收谱、内部应力、密度和非线性极化率等多方面的特性发生永久性改变。而利用弹光效应形成的光纤光栅的特点是利用周期性的残余应力释放或光纤的物理结构变化从而轴向周期性地改变光纤的应力分布，通过弹光效应导致光纤折射率发生轴向周期性的分布，从而形成光栅。

四、光纤光栅应用

【1】光纤光栅在通信领域中应用：

光纤Bragg光栅具有反射镜的作用，其可以用来构成光纤激光器中的谐振腔。通过改变参数，使其反射波长、带宽、反射率达到实际要求的大小。光纤激光器与光纤放大器通常需要用波长稳定的半导体激光器作为泵浦光源，若将半导体激光器直接连接到光纤上，会引起激光器的不稳定输出，在两者之间接入一个光纤Bragg光栅，起到波长选择和对输出的稳定作用，还可以起到窄带滤波作用，输出带宽非常窄的光束。

光纤Bragg光栅的带宽较小，且经过变迹处理后具有很高的边模抑制比，因此变迹光纤Bragg光栅在DWDM中有很重要的应用，既可作为上/下路波分复用器，又可以利用光纤Bragg光栅的带通率波特性，选择所需的波长，加上光纤环形器等辅助器件制作成解复用器。

影响光纤通信向高速、大容量发展的两个重要因素是光纤的损耗和色散。损耗问题可以利用掺铒光纤放大器较好地解决，而色散则需要通过其他方法加以补偿或消除。目前，已提出了多种方法对光纤进行色散补偿，但较成熟的方法是色散补偿光纤和啁啾光纤Bragg光栅。前者利用一种色散较大的光纤来补偿通用光纤中的色散，但成本较高，插入损耗大，非线性效应强，补偿效果不够理想。后者利用啁啾光纤Bragg光栅对色散进行补偿是一种有效的方法。啁啾光栅插入损耗小，色散补偿量大，体积小，成本低，是一种全光纤的无源器件，数厘米长的啁啾光栅可以补偿上百公里以上的光纤产生的色散。

【2】光纤光栅在传感领域的应用：

基于光纤光栅传感过程是通过外界参量（如应力、应变、温度、浓度等）对它的Bragg波长的调制来获取传感信息。光纤光栅传感器与传统传感器相比有如下优点：

采用波长编码，可以克服强度调制传感器要补偿光纤连接器和耦合器损耗及光源输出功率起伏变化的不足。

抗电磁干扰，耐腐蚀，能在恶劣的化学环境下工作。

传感探头结构简单，质量轻，体积小，容易进行空间很小部分的物理量变化测量，这有利于航空等狭小空间的应用，它对被测介质影响小，可以埋在材料内部做智能材料。

易于将多个光纤光栅串联在一根光纤上构成光纤光栅阵列，可以实现分布式传感。还可以利用光纤通信中的复用技术组成传感网络，且利用现有的光纤网络实现遥测。

光纤光栅传感器的应用范围非常广，在建筑、桥梁、油田及航空、大坝等工程中都可以进行实时安全、温度及应变监测。

【3】光纤光栅在信号处理领域应用：

随着全光网络、光子信息技术的飞速发展，光纤光栅可以广泛应用于光信息处理、全光逻辑电路等方面。如利用相移光纤Bragg光栅可以在原来的光谱中打开一个或多个宽带很窄的缺口，可在光通信中用于波长解调、全光纤开关。振幅取样光纤Bragg光栅可用于密集波分复用系统中的梳状滤波器，相位采样光纤Bragg光栅可用于多通道色散与色散斜率补偿。利用光纤光栅本身的时延特性或反射特性，可设计特殊结构的时延器。

特别地，近来出现了利用光纤光栅克服传统电路速度受限的影响，完成了电子电路中的信号变换，以实现光的全光传输与光信息处理，如时间积分器、微分器、希尔伯特变换器。

五、光纤光栅产品

【1】光纤通信器件

光纤光栅具有附加损耗小、体积小、能与光纤很好地耦合、可与其他光纤器件融成一体等特性，使得光纤光栅能够为全光通信系统中的光源、光放大、色散补偿、OTM(光终端复接器)、OTDM(光时分复用)、OXC(光交叉连接)等关键和部件提供有效的解决方案。

【2】单点传感器

光纤布拉格光栅基于波长调制，其是通过光刻在光纤上的光栅间距变化感知外界温度、压力、电磁等变化，从而对反射波长行调制，实现光纤“传”与“感”的合一，采用合适的封装结构和工艺，可达到温度增敏、压力减敏的目的，进而实现对环境态势的测量。随着电子芯片、光栅刻画及封装工艺日渐成熟，光纤光栅传感器能做出越来越小点式传感器。

相关产品有：光纤光栅的温度、应变传、加速度、位移、倾角、电磁、相移、水平、液压等传感器件。

【3】分布式传感器

光纤光栅中心波长由其有效折射率与周期共同决定，因此可以在同一条光纤上刻蚀多个具有不同反射波长的光纤光栅，进行分布式温度测量以方便获取环境温度、压力剖面信息，实现多点多态监测的分布式测量系统。

相关产品主要有：光纤光栅分布式测温、测振、测应变等传感件