侯興勃，李 濤，齊紅麗，江 舒，戚培蕓

（1. 92493部隊，遼寧 葫蘆島 125000；2. 中船重工第七〇四研究所，上海200031）

具有溫度自補償功能的光纖光柵傳感器結構研制

侯興勃1，李 濤2，齊紅麗2，江 舒2，戚培蕓2

（1. 92493部隊，遼寧 葫蘆島 125000；2. 中船重工第七〇四研究所，上海200031）

長周期光纖光柵在拉緊的狀態(tài)下粘貼在材料為銅和樹脂玻璃的襯底材料上，利用材料受熱膨脹引起的應變變化原理補償溫度漂移，設計了一種無源溫度補償技術。結果表明，未補償?shù)墓饫w光柵的溫度靈敏度為118pm/℃左右，安裝在銅制襯底上時為78pm/℃左右，而安裝在樹脂玻璃襯底時光纖光柵透射光譜的波形將發(fā)生改變。試驗證明選擇合適襯底材料可改善長周期光纖光柵波長的溫度穩(wěn)定性，該技術可運用于船舶進行關鍵參數(shù)的工程測量。

溫度補償；長周期光纖光柵；負應變系數(shù)

0 引言

長周期光纖光柵近些年來發(fā)展迅速，其作為一種光纖無源器件具有很多優(yōu)點，例如制作工藝簡單、插入損耗小、本底輻射低、尺寸小以及易與智能材料相結合等[1]。長周期光纖光柵可用作波分復用隔離濾波器[2]，色散補償器，增益平坦濾波器和帶阻濾波器。不僅在光通訊領域上，用于增益均衡器、帶通濾波器[3]、偏振鏡等，同時也可廣泛應用于傳感單元與解調(diào)上[4]，如用于基于邊緣濾波技術的光纖光柵波長解調(diào)技術。該技術也可運用于船舶關鍵參數(shù)的工程測量。

由于光纖固有的熱光和熱膨脹特性，寫入標準光纖的光柵耦合波長將會隨著溫度的改變而發(fā)生漂移，并導致其波長的不穩(wěn)定。為了解決這個問題，研究人員提出了一些方法，如黃平等人[5]在長周期光柵表面涂覆隨溫度升高而折射率變大的薄膜層，實現(xiàn)了在25℃～75℃內(nèi)，波長峰值最大變化小于0.6nm。文獻[6-7]分別通過金屬套管和有機玻璃對長周期光纖光柵進行了封裝進而抑制了溫度漂移。文獻[8]根據(jù)長周期光纖光柵透射中心波長隨溫度正向漂移和隨應變負向漂移的特點，采用有機玻璃封裝有效的補償了溫度漂移。

本文選擇使用負應變系數(shù)進行溫度補償?shù)姆椒?，這種方法不需要主動的溫度控制且簡單可靠。封裝的物理結構，在溫度發(fā)生變化時，會使得長周期光纖光柵受到應變從而抵消氣受溫度影響產(chǎn)生的波長漂移量，試驗結果證明這種方法可行，并且不同的封裝材料補償效果有差異。

1 長周期光纖光柵溫度補償原理

光從寬帶光源入射進單模光纖，并通過長周期光纖光柵與各階包層模在不同波長處耦合。由于包層模在沿著光纖方向上迅速衰減，在長周期光纖光柵的透射譜中可觀察到與各個波長對應的損耗峰。這些諧振波長是由相位匹配條件決定的[8]：

式中，λm是m次諧振波長；nco與nmcl分別代表了光纖導模和LPom包層模的有效折射率；Λ是光柵周期。隨著周圍環(huán)境(比如溫度、應變)發(fā)生變化，纖芯與包層的折射率以及光柵周期都會發(fā)生改變。因此，諧振波長會隨溫度和受到應變的變化而發(fā)生漂移。

當外界溫度改變時，長周期光纖光柵的諧振波長漂移為：

式中，p11、p12是彈光張量的分量；ξco、ξcl分別表示長周期光纖光柵芯區(qū)和包層材料的熱光系數(shù)；αΛ表示光纖的熱膨脹系數(shù)。

同樣在軸向均勻應變作用下，長周期光纖光柵的諧振波長漂移為：

式中，pcl、pco分別表示包層和纖芯的有效彈光系數(shù)。

由溫度T與應變ε的擾動均能引起的諧振波長的漂移，根據(jù)式(2)、(3)，進一步可以將波長漂移量 Δλm表示為[1]：

式中，α由熱膨脹系數(shù)決定，通常為5×10-7/℃；ξ由熱光系數(shù)決定，不是一個常量，與光柵周期和耦合的包層模順序有關，約為 2.0×10-5～4.0×10-5/℃。因此，長周期光纖光柵的溫度靈敏度系數(shù)主要由熱光系數(shù)決定的。p由彈光系數(shù)決定，是與光纖類型、光柵周期和耦合的包層模順序有關。對于普通的康寧標準光纖而言，應變系數(shù)(1+p)是負的，在-0.5～-0.7。

從式(4)可知，長周期光纖光柵的諧振波長會隨著溫度的升高或應變的減小而增大，也會隨著溫度的降低或應變的增加而減小。因此，如果拉緊狀態(tài)下的長周期光纖光柵安裝在了某些材料上，它們就能感受到這些材料因為溫度變化而引起的膨脹或收縮所帶來的應變變化。也就是說，由溫度引起的諧振波長的漂移將會被變化的應變量補償?shù)?。這就是本文設計的長周期光纖光柵溫度補償方法的工作原理。

2 溫度補償試驗與分析

本文所設計的溫度補償封裝結構示意圖如圖 1所示，長周期光纖光柵粘貼在溫度變化可引起應變變化的基底材料上。為了避免粘結劑影響光纖光柵的特性，只將光纖光柵的兩端粘在基底材料上。分別選擇銅和樹脂玻璃作為基底材料。試驗裝置的原理圖如圖 2所示，使用數(shù)字溫控箱來控制長周期光纖光柵周圍的溫度，選用Micron Optics公司的Sm125光纖光柵解調(diào)儀對長周期光柵的波長進行檢測，其光譜范圍為1510nm到1590nm，試驗所用的長周期光纖光柵的透射譜如圖3所示，其FWHM波長為21.49nm，透射率為98.515%，顯然該光柵具有良好的邊緣線性，適合于光纖布拉格光柵波長解調(diào)系統(tǒng)設計。

試驗結果如圖4、5所示。由圖4可得，在35℃～65℃下，光纖光柵諧振波長在使用銅制襯底溫度補償前后的變化情況。試驗結果可知：在使用銅制襯底之后，其溫度系數(shù)從118pm/℃下降到了78pm/℃。

圖1 溫度補償封裝的示意圖

圖2 試驗裝置示意圖

圖3 長周期光纖光柵透射譜圖

圖4 在使用銅制襯底進行溫度補償前后的諧振波長漂移

圖5 以樹脂玻璃為襯底進行補償時光纖光柵波形的變化

3 結語

長周期光纖光柵通過襯底材料應變引起的諧振波長變化可補償由溫度變化引起的漂移，但當襯底材料的熱膨脹系數(shù)較大時，透射光譜在溫度上升和下降的過程中會發(fā)生畸變。本文設計的長周期光纖光柵的溫度補償封裝由于其在溫度變化時表現(xiàn)出了較高的波形穩(wěn)定性，可應用在光纖濾波器中。同時該種具有溫度自補償功能的傳感器結構為船舶等結構的溫度和應變測量提供了新途徑，該技術也可運用于船舶關鍵參數(shù)的工程測量。

[1] Qin L, Wei Z X, Wang QY , et al. Compact temperature-compensating package for long-period fiber gratings[J]. Optical Materials, 2000, 14: 239-242.

[2] Gu X J. Wavelength-division multiplexing isolation fiber filter and light source using cascaded long-period fiber gratings[J]. Optics Letters, 1998, 23: 509-510.

[3] Vengsarkar A M, Lemaire P J, Judkins J B, et al.Long-peirod fiber gratings as band-rejection filters[J].Journal of Lightwave Technology, 14(1996): 58-65.

[4] Sang M L, Gu X J. Passive Temperature Compensation Package for Optical Long Period Fiber Gratings[J].Journal of the Optical Society of Korea, 1999 (3): 74-79.

[5] 黃平, 阮雋, 曾慶科, 等. 通信中長周期光纖光柵溫度敏感性的補償方法[J]. 光通信研究, 2008(4): 37-38.

[6] Qin L, Wei E X, Wang G Q Y, et al. Compact temperature-compensating package for long-period fiber gratings[J]. Opt Materials, 2000,14(8):239-242.

[7] 何萬迅, 吳嘉慧, 施文康, 等. 長周期光纖光柵的大范圍波長調(diào)諧與溫度補償[J]. 上海交通大學學報, 2002, 36(7): 1029-1031.

[8] 周兵, 梁大開, 王彥. 長周期光纖光柵的一種溫度補償方法[J]. 壓電與聲光, 2008, 30(2): 159-160.

[9] Zhang Z, James S, Sirkis. Temperature-Compensated Long Period Grating Chemical Sensor[J]. OSA Technical Digest Series, 1997,16: 294-297.

Research on Structure Design of Fiber Grating Sensor with Self-Temperature Compensation

HOU Xing-bo1, LI Tao2, QI Hong-li2, JIANG Shu2, QI Pei-yun2
(1. Unit 92493, Huludao 125000, China; 2. No. 704 Research Institute, CSIC, Shanghai 200031, China)

A passive temperature-compensating package of long period fiber grating (LPFG) is designed based on its negative strain coefficient. LPFG is pasted on the substrate material, such as copper and plexiglas under tension. The strain induced by the thermal expansion of substrate material is used for temperature compensating. The results show that the mounted grating on copper exhibit lower temperature sensitivity (about 78pm/℃), compared with uncompensated grating(about 118pm/℃). On the other hand, the transmission spectrum waveform of the mounted grating on Plexiglas changes. It is demonstrated that the package could improve the wavelength stability of LPFG when appropriate substrate material is chosen. The technical can be used in measuring key parameters in engineering.

temperature compensation; long period fiber grating; negative strain coefficient

TP212.14

A

10.16443/j.cnki.31-1420.2015.01.004

侯興勃（1967-），男，高級工程師，碩士研究生。研究方向：力學計量。