錢宇陽黃勇林鄭加金

(南京郵電大學(xué)電子與光學(xué)工程、微電子學(xué)院，江蘇 南京 210023)

近些年來，由于光纖通信技術(shù)的快速發(fā)展，讓人們越來越關(guān)注光纖布拉格光柵(FBG)的傳感解調(diào)技術(shù)[1]。 FBG 是一種常用的光無源器件[2]，它具有體積小、靈敏度較高同時能夠干電磁干擾等等的優(yōu)點(diǎn)，讓它在光纖通信和傳感領(lǐng)域得到廣泛運(yùn)用。 它的原理是通過光纖材料獨(dú)特的光敏特性，在纖芯上形成的一種具有周期性折射率分布的光纖。 當(dāng)外界的物理量如應(yīng)力、溫度、應(yīng)變發(fā)生了改變的時候，光柵的反射光譜的中心波長也會隨之改變，這種現(xiàn)象稱之為傳感。 光纖光柵傳感器獲取傳感信息可以通過外界參量對光柵波長的調(diào)制來實現(xiàn)。 因此我們研究結(jié)構(gòu)簡單、操作難度不高、成本低、靈敏度高并且能夠投入實際運(yùn)用的波長溫度解調(diào)技術(shù)具有重要的意義。 截至目前，被提出來的解調(diào)技術(shù)有很多種，其中包括匹配光柵技術(shù)[3]、可調(diào)濾波技術(shù)、邊緣濾波技術(shù)[4]等等。 而在這多種的解調(diào)技術(shù)當(dāng)中，邊緣解調(diào)技術(shù)因為具有檢測速度快、結(jié)構(gòu)較為簡單、抗干擾能力強(qiáng)、性能穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)受到人們的廣泛關(guān)注。

傾斜光纖光柵[5－6]是一種特殊結(jié)構(gòu)的光纖光柵，它不僅能將前向?qū)ｑ詈系捷椛淠：桶鼘幽．?dāng)中，還能夠?qū)⒒ｑ詈系桨鼘幽Ｖ休椛涞簟?本文利用傾斜光纖光柵邊緣濾波的解調(diào)技術(shù)，將溫度傳感信號經(jīng)過解調(diào)光柵之后輸出的光功率進(jìn)行了檢測，即利用了傾斜光柵的光譜特性[7－8]以及它的上升沿和下降沿實現(xiàn)溫度傳感信號的解調(diào)。 由于傾斜光柵的線性度較好且具有較大的頻譜范圍，所以本文同時使用四個不同波長的FBG 進(jìn)行解調(diào)，從而實現(xiàn)解調(diào)速率大大提高。 由實驗結(jié)果表明，溫度在23 ℃～78 ℃范圍內(nèi)，解調(diào)得出的光功率與溫度形成良好的線性關(guān)系。 由數(shù)據(jù)擬合后得出的結(jié)果可知，這四個通道的溫度靈敏度分別為0.107 2 nw/℃、0.193 7 nw/℃、0.298 7 nw/℃、0.232 3 nw/℃。

1 基本原理和實驗裝置

基于傾斜光纖光柵邊緣濾波的光纖光柵溫度傳感解調(diào)系統(tǒng)如圖1 所示，系統(tǒng)由寬帶光源、兩個耦合器、傾斜光纖光柵、四個傳感光纖布拉格光柵和兩個對應(yīng)的探測器構(gòu)成。 寬帶光源的光經(jīng)過耦合器1 到達(dá)FBG，反射光經(jīng)過耦合器2 到達(dá)解調(diào)系統(tǒng)，被均勻分成兩路，一路經(jīng)過TFBG，到達(dá)探測器1，另一路為參考臂，用于補(bǔ)償寬帶光源波動對解調(diào)結(jié)果的影響。傳感光柵中反射波長的改變，利用傾斜光纖光柵在對應(yīng)波段與波長所具有的線性關(guān)系，把波長信號轉(zhuǎn)換為功率信號，從而最終達(dá)到解調(diào)的目的。 該方案的優(yōu)點(diǎn)在于采用了較好的補(bǔ)償措施，能夠有效一直光源輸出功率的起伏、鏈接干擾和微彎干擾等不利因素，且系統(tǒng)反應(yīng)迅速，成本較低使用方便。

圖1 傾斜光纖光柵傳感解調(diào)系統(tǒng)

傾斜光纖光柵邊緣濾波原理如圖2 所示。 圖中虛線是邊緣濾波器的傳遞函數(shù)曲線，在本次的解調(diào)系統(tǒng)中它是傾斜光柵的透射譜用H(λ)表示，實線為普通的傳感光柵的反射譜用R(λ)表示，所以當(dāng)布拉格光柵反射光譜透過傾斜光柵的透射光譜的線性區(qū)域后的光強(qiáng)為:

圖2 邊緣濾波線性解調(diào)原理

式中:P為當(dāng)系統(tǒng)沒有工作時初始的光功率，k是布拉格光柵所在解調(diào)區(qū)間的斜率，Δλ則表示的是布拉格光柵中心波長的改變量。

為了實現(xiàn)光纖光柵溫度傳感，我們將傳感光纖光柵封裝在有機(jī)玻璃上，然后通過水浴加熱的方法升高溫度。 這是因為布拉格光纖光柵因外界物理量改變時(如溫度和應(yīng)力)，它的中心波長的改變量很小。 比如在常見的1 550 nm 波段，溫度靈敏度系數(shù)大約為11 pm/℃，這樣小的靈敏度很難應(yīng)用到現(xiàn)實當(dāng)中。 為了提高測量的精度，能夠使傳感解調(diào)的測量范圍得到很大的擴(kuò)展，通常改變光纖的成份、結(jié)構(gòu)以及植入襯底材料等對光纖光柵進(jìn)行增敏[9]和保護(hù)性封裝。 我們在設(shè)計系統(tǒng)中的光纖光柵傳感器的過程中，采用特性的結(jié)構(gòu)設(shè)計并且選用合適的襯底材料粘貼和埋入，是對于光纖光柵增敏和封裝很有效的方式。

對于已經(jīng)增敏和封裝處理的光纖布拉格光柵來說，它的波長漂移量Δλ和溫度的變化量ΔT的關(guān)系式可以表示為:

式中:Pε表示的是光纖的有效光彈系數(shù)，a和ξ分別代表的是纖芯的熱脹系數(shù)和熱光系數(shù)，as表示襯底材料的熱脹系數(shù)。

由于襯底材料的熱膨脹系數(shù)as遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于纖芯的熱脹系數(shù)af，所以傳感光柵的波長改變量會隨著溫度的改變而大幅改變。 通過一系列的研究表明，當(dāng)選用有機(jī)材料可以將溫度靈敏度的系數(shù)成倍地提高，例如當(dāng)選用熱膨脹系數(shù)很大的聚合物對光纖光柵進(jìn)行封裝之后，光纖光柵的溫度靈敏度提高數(shù)十倍左右[10－11]。

2 實驗結(jié)果及分析

本次實驗中所使用的TFBG，是寫制在單模光纖SMF－28e＋TM 上。 具體的參數(shù)如下:光柵的傾斜角度為8°，纖芯的半徑為4.1 μm，折射率大小為1.468；包層半徑約為62.5 μm，折射率大小為1.458。包層模諧振的范圍約在1 526 nm～1 568 nm，光譜深度大約10dB 左右。 具體的透射光譜如圖3 所示。實驗中為了便于連接進(jìn)光路系統(tǒng)當(dāng)中將TFBG 兩端用FC 的光纖跳線連接。 實驗所用的光源是ASE－C的寬帶光源，輸出范圍大約為1 520 nm～1 565 nm。

本次實驗中所用的傾斜光纖光柵有如圖3 所示的光譜特性。 通過對TFBG 的傳感原理了解可知，影響它包層諧振峰的因素不僅有纖芯的有效折射率，還有一個重要的影響因素是包層的有效折射率(環(huán)境折射率)[12]的影響。 當(dāng)TFBG 放置環(huán)境的折射率不斷增加時，會使得原來在纖芯中傳播的包層模會被破壞，這樣一來，包層模的諧振峰會有短波到長波的順序逐漸泄漏到外界環(huán)境當(dāng)中去。 當(dāng)把TFBG 浸沒在一個折射率大于它本身包層折射率的環(huán)境中時，傾斜光柵的透射譜會產(chǎn)生一段寬度和線性度都很好的下降沿和上升沿，如圖4 所示。 由圖可知TFBG 的透射譜在1 526 nm～1 540 nm 之間呈現(xiàn)一個平滑的下降沿，該下降沿具有良好的線性度；與此同時在1 540 nm～1 565 nm 之間呈現(xiàn)一個平滑的上升沿，同樣線性度也是很好的。 所以，可以將TFBG 作為邊沿濾波器。

圖3 傾斜光纖光柵的透射譜

圖4 浸泡在折射率溶液中的傾斜光柵透射譜

圖5 給出了傳感光柵的波長隨著溫度升高的變化，隨著溫度的升高，傳感光柵的反射譜向著長波長移動。 四個中心波長不同的光纖光柵在經(jīng)過有機(jī)玻璃的封裝之后，從23 ℃升溫到78 ℃的過程當(dāng)中，四個布拉格光纖光柵的中心波長漂移了7 個nm 左右，相比于不用有機(jī)玻璃封裝的裸露的布拉格光纖光柵在相同溫度區(qū)間的波長漂移量，大約擴(kuò)大了10 倍左右。 這樣大的波長漂移量能夠遍歷傾斜光纖光柵透射譜更大的上升或者下降沿區(qū)間，能夠使測量到的功率變化更加顯著，使得解調(diào)系統(tǒng)的靈敏度大大提升。由實驗測得的數(shù)據(jù)經(jīng)過處理可知，四個FBG 的傳感器的線性擬合方程分別可以表示為:1 526 nm:y＝0.126 6x＋1 523.5、1 550 nm:y＝0.135 7x＋1 547.4、1 553 nm:y＝0.134 4x＋1 550.3、1 556 nm:y＝0.130 2x＋1 553.3，它們的傳感靈敏度分別為:0.126 6 nm/℃、0.135 7 nm/℃、0.134 4 nm/℃、0.130 2 nm/℃，每個FBG 的靈敏度都比未封裝前有了非常大的提升且四個光纖光柵之前的差距較小，對解調(diào)部分的測量十分有利。

圖5 傳感光纖光柵中心波長與溫度的關(guān)系

傳感光柵的波長經(jīng)傾斜光纖光柵邊緣濾波解調(diào)之后，探測器接收到的光功率隨著溫度的變化關(guān)系如圖6～圖9 所示，四個圖分別展示了四個不同中心波長的光纖光柵升溫時透過傾斜光纖光柵解調(diào)后的功率的變化趨勢。 將系統(tǒng)檢測到的功率與溫度相擬合得到以下的關(guān)系式:

圖6 1526 nm FBG 檢測功率與溫度的關(guān)系

圖7 1 550nmFBG 檢測功率與溫度的關(guān)系

圖8 1 553 nm FBG 檢測功率與溫度的關(guān)系

圖9 1 556 nm FBG 檢測功率與溫度的關(guān)系

FBG 傳感器1 對應(yīng)的TFBG 解調(diào)區(qū)間為1 526.56 nm～1 533.69 nm，它對應(yīng)的靈敏度為0.107 2 nw/℃，由于它是處于傾斜光纖光柵的下降沿，所以溫度升高時系統(tǒng)檢測到的功率是隨著溫度的升高而下降的。 FBG 傳感器2 對應(yīng)的TFBG 解調(diào)區(qū)間為1 550.8 nm～1 558.05 nm，它的靈敏度為0.193 7 nw/℃；FBG 傳感器3 對應(yīng)的TFBG 解調(diào)區(qū)間為1 553.48 nm ～ 1 560.68 nm，它的靈敏度為0.298 7 nw/℃；FBG 傳感器4 對應(yīng)的TFBG 解調(diào)區(qū)間為1 556.48 nm～1 563.56 nm，它對應(yīng)的靈敏度為0.232 3 nw/℃。 這三個波長通道的傳感光柵都處于傾斜光柵的上升沿，所以溫度升高時系統(tǒng)檢測到的功率是隨著溫度的升高而上升的。

分析可知，傳感器3 的靈敏度是最大的，因為它所處的上升沿波段是斜率較大的一段，因此它的靈敏度較高。 而傳感器1 的靈敏度是最小的，同理這是由于它所處的下降沿的波段的斜率較低導(dǎo)致了它的靈敏度偏低。 圖10 是通過將四通道的結(jié)果圖放在一起對比時情況，四個通道之間解調(diào)的靈敏度相差還是不太大的。 這就可以得出在解調(diào)的速度上，設(shè)計的四通道解調(diào)系統(tǒng)可以同時對四個不同的信號進(jìn)行解調(diào)，比單一通道解調(diào)系統(tǒng)的解調(diào)速率提高了四倍。

圖10 四個不同波長傳感光纖光柵組功率和溫度的關(guān)系

3 結(jié)束語

本文報道了一種基于傾斜光纖光柵邊緣濾波解調(diào)的光纖光柵溫度傳感方法，利用傾斜光纖光柵具有線性度良好的上升和下降沿這一特性，把波長信號轉(zhuǎn)換為功率信號，解調(diào)溫度或者其他物理量(位移、應(yīng)變)引起的光柵波長的變化，即用它來同時對經(jīng)過封裝過的四個FBG 溫度傳感器同時進(jìn)行解調(diào)，得到了系統(tǒng)檢測光功率和溫度的變化關(guān)系。 經(jīng)過實驗研究表明，在所測量溫度23 ℃～78 ℃范圍內(nèi)，傳感系統(tǒng)輸出的光功率與溫度成良好的線性關(guān)系，溫度靈敏度分別為0.107 2 nw/℃、0.193 7 nw/℃、0.298 7 nw/℃、0.232 3 nw/℃。