新一代光纖智能傳感網(wǎng)與關(guān)鍵器件基礎(chǔ)研究進(jìn)展*

劉鐵根,秦尊琪,陸 穎,江俊峰,張紅霞,劉 琨

(1.天津大學(xué)精密儀器與光電子工程學(xué)院,天津 300072；2.天津大學(xué)光電信息技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津 300072)

新一代光纖智能傳感網(wǎng)與關(guān)鍵器件基礎(chǔ)研究進(jìn)展*

劉鐵根1,2,秦尊琪1,2,陸 穎1,2,江俊峰1,2,張紅霞1,2,劉 琨1,2

(1.天津大學(xué)精密儀器與光電子工程學(xué)院,天津 300072；2.天津大學(xué)光電信息技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津 300072)

天津大學(xué)在973計(jì)劃項(xiàng)目的資助下，開(kāi)展了光纖傳感技術(shù)相關(guān)研究.其主要內(nèi)容包括設(shè)計(jì)了基于光子晶體光纖的填充銀線的PCF-SPR傳感器，最佳靈敏度為2 400 nm/RIU；設(shè)計(jì)了一種基于液芯光子晶體光纖的PBG-PCF溫度傳感器，傳感器的最高分辨率為4×10-6nm/RIU；設(shè)計(jì)了基于甲苯-氯仿混合溶液填充的光子晶體光纖可調(diào)諧熱敏光開(kāi)關(guān)，通過(guò)改變?nèi)芤号浔葘?shí)現(xiàn)不同溫度躍變點(diǎn)；構(gòu)建了基于光微流體理論的3種結(jié)構(gòu)模型，并針對(duì)模式場(chǎng)分布及磁場(chǎng)探測(cè)展開(kāi)了研究；構(gòu)建了基于L波斷摻餌光纖放大器的光纖內(nèi)腔氣體傳感系統(tǒng)，其絕對(duì)誤差小于0.04%；針對(duì)傳感器結(jié)構(gòu)、解調(diào)光路、解調(diào)算法，設(shè)計(jì)并優(yōu)化了F-P傳感系統(tǒng)；提出了針對(duì)光纖傳感網(wǎng)的評(píng)估魯棒性模型，開(kāi)展了梳狀暗調(diào)諧光源技術(shù)和OFDR技術(shù)在光纖傳感網(wǎng)檢測(cè)方面的研究.

光纖傳感；光子晶體光纖傳感；光微流體；氣體傳感；光纖F-P傳感；光纖傳感網(wǎng)

天津大學(xué)光電信息技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室依托于“光學(xué)工程”國(guó)家一級(jí)重點(diǎn)學(xué)科，目前擁有各種實(shí)驗(yàn)平臺(tái)和大型儀器價(jià)值3 500余萬(wàn)元，曾獲得一系列國(guó)家級(jí)、省部級(jí)研究計(jì)劃資助.天津大學(xué)較早開(kāi)展了光纖傳感技術(shù)及相關(guān)檢測(cè)技術(shù)方面的研究工作，取得了豐碩成果，并在2010年獲得國(guó)家973計(jì)劃“新一代光纖智能傳感網(wǎng)與關(guān)鍵器件基礎(chǔ)研究”資助，主要承擔(dān)“新型光子晶體光纖傳感器的基礎(chǔ)研究”、“基于光微流體理論的生物化學(xué)光纖傳感器的基礎(chǔ)研究”、“光纖智能傳感網(wǎng)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)關(guān)鍵技術(shù)及其應(yīng)用的基礎(chǔ)研究”等3個(gè)課題研究工作.在本項(xiàng)目實(shí)施過(guò)程中，天津大學(xué)取得了一系列成果，發(fā)表相關(guān)研究論文100多篇，申請(qǐng)發(fā)明專利80多項(xiàng)，獲得天津市技術(shù)發(fā)明一等獎(jiǎng)1項(xiàng).本973項(xiàng)目的研究工作對(duì)于提升中國(guó)在光纖傳感及光電子領(lǐng)域中的自主創(chuàng)新能力、增強(qiáng)中國(guó)信息產(chǎn)業(yè)的國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)力、促進(jìn)國(guó)民經(jīng)濟(jì)的快速可持續(xù)發(fā)展具有重要意義.

1 新型光子晶體光纖傳感器

目前絕大多數(shù)光纖傳感器的傳感元件采用的是普通光纖，這就導(dǎo)致傳感器本身存在光功率損耗較大、保偏性較差、不同部分容易產(chǎn)生交叉敏感等固有缺陷[1]，嚴(yán)重地阻礙了光纖傳感器性能的提高.而基于光子晶體光纖的新型傳感器可以克服以上缺點(diǎn)，并具有一系列優(yōu)點(diǎn)[2].筆者通過(guò)選擇具有特殊結(jié)構(gòu)的光子晶體光纖[3]，并在其氣孔中填充不同的物質(zhì)研制出不同的光子晶體光纖傳感器[4].

1.1填充多根金屬納米銀線的PCF-SPR傳感器

受限于目前技術(shù)水平，在光子晶體光纖的氣孔中鍍膜是一項(xiàng)非常困難的工作，并且不能實(shí)現(xiàn)重復(fù)性制作，因此筆者提出了一種基于柚子型光子晶體光纖的傳感方法，通過(guò)在其氣孔中填充多根銀線的方式實(shí)現(xiàn)表面等離子共振傳感[5].

利用有限元法對(duì)光子晶體光纖傳感器中納米銀線的填充數(shù)量和距離進(jìn)行仿真.仿真結(jié)果表明在同一個(gè)空氣孔中，當(dāng)不同銀線之間的距離為2 μm時(shí)，傳感器具有最佳值靈敏度(見(jiàn)圖1)；當(dāng)填充3根銀線時(shí)，傳感器的靈敏度最高，隨著銀線根數(shù)的增多，傳感器靈敏度基本達(dá)到穩(wěn)定(見(jiàn)圖2).為了討論這個(gè)仿真設(shè)計(jì)的實(shí)際可操作性，筆者進(jìn)一步研究了在納米銀線不規(guī)則性填充情況下，傳感器的靈敏度變化.研究結(jié)果表明，傳感器的靈敏度基本不受影響，穩(wěn)定在183 nm/RIU左右.

圖1 2根銀線之間的距離對(duì)靈敏度的影響

圖2 PCF中銀線根數(shù)與靈敏度的關(guān)系

1.2基于液芯光子晶體光纖的PBG-PCF傳感器

圖3 基于液芯PCF-SPR 傳感器的結(jié)構(gòu)示意

為了克服空氣芯的PBG-PCF傳感器只能允許特定波長(zhǎng)光傳輸?shù)娜秉c(diǎn)，筆者設(shè)計(jì)了一種在中間的大空氣孔中填充甘油的液芯PCF-SPR溫度傳感器[6]，該傳感器的具有全內(nèi)反射型的導(dǎo)光機(jī)制，大大拓寬了通光范圍，如圖3所示.甘油的折射率隨著溫度的不同而不同，因此環(huán)境溫度可以通過(guò)測(cè)量透射光推算得到.

所有操作均在PCF的大空氣孔中，填充甘油液體和鍍膜變得更加容易，并且也更加容易保證鍍膜的均勻性.筆者對(duì)傳感器的液芯直徑、金屬膜均勻度等影響傳感器靈敏度的因素進(jìn)行了分析計(jì)算.研究結(jié)果表明，當(dāng)采用幅度探測(cè)方法時(shí)，若探測(cè)器可以探測(cè)1%的幅度變化，傳感器的靈敏度可以達(dá)到2.8×10-5nm/RIU.當(dāng)采用光譜探測(cè)方法時(shí)，若光譜儀具有10×10-12m的分辨率，則傳感器的靈敏度可以達(dá)到4×10-6nm/RIU.

1.3基于混合液體填充的光子晶體光纖可調(diào)諧熱敏光開(kāi)關(guān)的設(shè)計(jì)

筆者設(shè)計(jì)了一種基于甲苯-氯仿混合溶液的PCF可調(diào)諧熱敏光開(kāi)關(guān)，通過(guò)將不同濃度的混合溶液填充到光子晶體光纖包層空氣孔中，可以使光子晶體光纖呈現(xiàn)出溫敏特性.該種器件可以作為熱光傳感器、衰減器及慢響應(yīng)光開(kāi)關(guān)，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、高集成度、易于拉制、成本低廉等優(yōu)點(diǎn).

從理論上采用全矢量有限元方法，模擬了此設(shè)計(jì)中光子晶體光纖結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)光信號(hào)傳導(dǎo)特性的影響.分析結(jié)果表明，較大的占空比、較長(zhǎng)的入射光波長(zhǎng)以及較少的包層空氣孔層數(shù)有利于提高液體填充光子晶體光纖的溫度敏感特性.實(shí)驗(yàn)上，選用柚子型光子晶體光纖，填充的溫敏液體為甲苯-氯仿混合溶液.實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，對(duì)于不同配比的混合填充溶液，該種器件呈現(xiàn)出5 ℃范圍的可調(diào)諧溫度敏感區(qū)域，插入損耗為3～4 dB，消光比為20 dB.實(shí)驗(yàn)裝置示意圖如圖4所示，其中，光源采用Agilent 8164A可調(diào)諧半導(dǎo)體激光光源，透射光強(qiáng)采用數(shù)字功率計(jì)接收.

圖4 實(shí)驗(yàn)裝置示意

2 基于光微流體理論的生物化學(xué)光纖傳感器

拓展傳感檢測(cè)對(duì)象，實(shí)現(xiàn)多參量傳感是光纖傳感技術(shù)發(fā)展的另一個(gè)重大方向，生物化學(xué)光纖傳感是其中的一個(gè)嶄新領(lǐng)域.針對(duì)光微流體傳感、氣體傳感以及氣體壓力傳感，筆者進(jìn)行了以下深入的研究.

2.1基于微流體的微毛細(xì)管傳感系統(tǒng)

基于微毛細(xì)管的生物傳感器不需要對(duì)待測(cè)物進(jìn)行標(biāo)記，通過(guò)測(cè)量待測(cè)物的折射率即可實(shí)現(xiàn)檢測(cè)，相比傳統(tǒng)的檢測(cè)方式具有極大的優(yōu)勢(shì)[7]，是目前光纖傳感研究中的一個(gè)新穎方向.在研究中，基于柱坐標(biāo)下微腔回音壁諧振模式的空間電磁場(chǎng)分布，筆者提出了波導(dǎo)光柵結(jié)構(gòu)、管壁周向光柵結(jié)構(gòu)以及同心圓結(jié)構(gòu)等互耦合作用結(jié)構(gòu)理論模型，闡述了互耦合作用對(duì)增強(qiáng)諧振模式強(qiáng)度的影響.針對(duì)這3種結(jié)構(gòu)，筆者基于時(shí)域有限差分算法進(jìn)行了數(shù)值仿真，通過(guò)設(shè)定不同的介質(zhì)參數(shù)和結(jié)構(gòu)參數(shù)觀察微腔中的諧振模式.

為了更加深入地進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究，筆者構(gòu)建了微管拉制系統(tǒng)，如圖5所示.同時(shí)對(duì)微管拉制過(guò)程進(jìn)行數(shù)學(xué)建模和理論推導(dǎo)，得出了微管尺寸隨拉制長(zhǎng)度的變化規(guī)律，如圖6所示.

圖5 微管控制系統(tǒng)

圖6 微管控制結(jié)果

光與物質(zhì)的相互作用直接受到微管回音壁諧振腔(WGM)的模式場(chǎng)影響[8]，因此在上述理論及實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的基礎(chǔ)上，筆者針對(duì)不同徑向模式下的光場(chǎng)分布對(duì)傳感器靈敏度的影響進(jìn)行了相關(guān)理論及實(shí)驗(yàn)分析.通過(guò)改變?nèi)肷涔獾慕嵌龋美忡R耦合的方法在微管中激發(fā)出不同的徑向模式，再用不同濃度的乙醇水溶液進(jìn)行傳感實(shí)驗(yàn)，分別獲得了不同徑向模式的傳感靈敏度.實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，傳感靈敏度受徑向模式數(shù)的影響較大，從初始的28階WGM徑向模式激發(fā)到最高階時(shí)，靈敏度提高了21.739 nm/RIU.

此外，為了進(jìn)一步拓寬光微流體傳感的應(yīng)用范圍，筆者還開(kāi)展了基于磁流體和無(wú)芯光纖(NCF)的全光纖結(jié)構(gòu)的磁場(chǎng)傳感研究[9].利用磁流體的磁場(chǎng)敏感特性，在光與磁流體作用機(jī)制下，進(jìn)行了基于NCF的單模-多模-單模光纖(SMS)結(jié)構(gòu)折射率傳感器的研究.并采用LP模近似和模式耦合理論建立了仿真模型，該模型不僅可以仿真在弱導(dǎo)近似下的SMS結(jié)構(gòu)的透射率，還可以仿真非弱導(dǎo)近似下的透射率.

2.2 L波段的氣體傳感系統(tǒng)

基于L波段的摻餌光纖放大器，筆者構(gòu)建了一種光纖內(nèi)腔氣體傳感系統(tǒng)[10]，同時(shí)串聯(lián)標(biāo)準(zhǔn)具和光柵，為系統(tǒng)提供波長(zhǎng)參考，系統(tǒng)最佳工作條件下在整個(gè)增益帶(1 560～1 600 nm)內(nèi)，激光輸出功率較大，噪聲較小，信噪比能滿足氣體傳感系統(tǒng)的需要，如圖7所示.

圖7 L波段氣體傳感系統(tǒng)原理

在上述系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，筆者搭建了光纖環(huán)腔激光器，該激光器采用L波段摻餌光纖放大器和光纖法珀可調(diào)諧濾波器作為主要器件，同時(shí)采用波長(zhǎng)掃描的方法對(duì)CO2氣體的濃度進(jìn)行檢測(cè)[11].濃度解調(diào)結(jié)果顯示，絕對(duì)誤差小于0.0.4%，相對(duì)誤差低于0.52%，氣體吸收譜線波長(zhǎng)定位誤差不超過(guò)30×10-12m.針對(duì)氣體吸收受溫度變化影響的問(wèn)題，對(duì)氣體吸光度曲線進(jìn)行溫度補(bǔ)償，避免了不同溫度下氣體濃度的重復(fù)標(biāo)定，同時(shí)降低了濃度測(cè)量誤差.

2.3氣體壓力檢測(cè)系統(tǒng)

天津大學(xué)是國(guó)內(nèi)最早開(kāi)展光纖F-P傳感的大學(xué)之一，在相關(guān)傳感器和解調(diào)系統(tǒng)方面積累了雄厚的科研實(shí)力.天津大學(xué)與中航工業(yè)凱天電子股份有限公司成立了光纖傳感聯(lián)合研究中心，針對(duì)國(guó)家在航空航天的重大需求，筆者優(yōu)化了氣體光纖F-P壓力傳感器的設(shè)計(jì)和制作，采用高精密機(jī)械加工、MEMS微加工、鍵合封裝等技術(shù)研制了光纖壓力F-P傳感器，實(shí)現(xiàn)無(wú)膠化密閉封裝.該傳感器采用膜片式的非本征光纖F-P結(jié)構(gòu)，將單晶硅膜片的拋光表面作為F-P腔反射面，同時(shí)又作為壓力敏感元件感受氣體壓力產(chǎn)生的微變形，再將微變形耦合轉(zhuǎn)換成F-P腔的光學(xué)干涉輸出.

此外，針對(duì)解調(diào)光路[12-13]，筆者基于低相干、偏振干涉理論進(jìn)行了優(yōu)化，使得解調(diào)模塊的信號(hào)采集質(zhì)量和速度得到進(jìn)一步提高.針對(duì)法珀氣體壓力解調(diào)算法的優(yōu)化，提出了一種任意極值解調(diào)算法，大幅提高了解調(diào)速度[14].提出了單色頻率恢復(fù)絕對(duì)相位法[15]，提高了解調(diào)精度，解調(diào)精度達(dá)到0.1%F.S.

為滿足航空測(cè)試的需求，進(jìn)行了航空熱真空環(huán)境下的光纖壓力傳感器試驗(yàn)，光纖傳感器經(jīng)受住了10-3Pa高真空度、-196 ℃冷黑環(huán)境的考驗(yàn)，圓滿地完成了測(cè)試任務(wù).

3 光纖智能傳感網(wǎng)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)關(guān)鍵技術(shù)及其應(yīng)用

光纖智能傳感網(wǎng)是將各種分立式光纖傳感器和分布式光纖傳感器按照一定的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)組成的網(wǎng)絡(luò)，具有長(zhǎng)距離傳感，并且具有自診斷和自愈的功能.筆者基于多年在光纖傳感研究方面積累的經(jīng)驗(yàn)，針對(duì)光纖傳感網(wǎng)的魯棒性進(jìn)行了研究，為其應(yīng)用提供理論基礎(chǔ)，同時(shí)還開(kāi)展了用于光纖傳感網(wǎng)的梳狀暗調(diào)諧光源技術(shù)和基于OFDR技術(shù)的光纖傳感網(wǎng)檢測(cè)方法的研究.

3.1光纖傳感網(wǎng)的魯棒性

魯棒性是衡量光纖傳感網(wǎng)的一項(xiàng)重要指標(biāo)，筆者提出了一種理論模型[16]用來(lái)評(píng)估光纖傳感網(wǎng)的魯棒性：

(1)

其中：Ak(r)表征光纖傳感網(wǎng)對(duì)監(jiān)測(cè)區(qū)域的覆蓋率，與監(jiān)測(cè)區(qū)域的面積、正常工作狀態(tài)的傳感器的模型和安裝位置有關(guān)；P(Wk)表征傳感網(wǎng)W在P(Wk)狀態(tài)發(fā)生的概率，與傳感網(wǎng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)及光纖連接斷點(diǎn)發(fā)生的概率有關(guān).筆者組建了基于光纖光柵傳感器的用于熱源監(jiān)控的光纖傳感網(wǎng)來(lái)驗(yàn)證該評(píng)估模型.實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該模型誤差小于3%，具有較高的準(zhǔn)確性.

3.2用于光纖傳感網(wǎng)的梳狀暗調(diào)諧光源技術(shù)

不同光纖傳感網(wǎng)對(duì)光源提出了不同的要求，為了實(shí)現(xiàn)采用一種光源通過(guò)不同參數(shù)調(diào)整即可滿足使用要求，筆者展開(kāi)了梳狀暗調(diào)諧光源的研究工作.

利用LN調(diào)制器和一個(gè)單頻DFB激光器實(shí)現(xiàn)了波長(zhǎng)間隔為10 GHz(0.08 nm)的多波長(zhǎng)(3 dB內(nèi)25個(gè)波長(zhǎng))同時(shí)輸出，將該方法應(yīng)用于FBG光纖傳感網(wǎng)的光源，可以簡(jiǎn)化解調(diào)系統(tǒng)并提高解調(diào)速度.還利用電吸收調(diào)制器EAM完成了快速光開(kāi)光實(shí)驗(yàn)，得到了寬度為30 ps的光門(mén)脈沖，重復(fù)頻率為8 GHz，這項(xiàng)技術(shù)將用于OTDR解調(diào)系統(tǒng)中，大大提高解調(diào)掃描速度.

通過(guò)對(duì)光源技術(shù)的研究，可以為新型光纖傳感網(wǎng)提供更合適的光源，并能提高系統(tǒng)的解調(diào)速度，為傳感網(wǎng)光源資源的動(dòng)態(tài)分配及再利用奠定技術(shù)基礎(chǔ).

3.3基于OFDR技術(shù)的光纖傳感網(wǎng)檢測(cè)方法

為了實(shí)現(xiàn)光纖傳感網(wǎng)智能自檢自愈，筆者開(kāi)展了基于OFDR技術(shù)的光纖傳感網(wǎng)智能檢測(cè)方法，來(lái)檢測(cè)傳感網(wǎng)在正常和失效情況下的反射、偏振表征.采用附加干涉儀的方式得到可調(diào)諧光源非線性相位，然后通過(guò)去斜濾波器將主干涉拍頻信號(hào)中的非線性相位或相位噪聲[17]進(jìn)行補(bǔ)償.在OFDR光纖測(cè)量系統(tǒng)中，當(dāng)測(cè)試距離為10 km時(shí)，空間分辨率達(dá)到20 cm，相比較未補(bǔ)償時(shí)，空間分辨率提高了近100倍.

通過(guò)采用一種特殊的偏振分集探測(cè)技術(shù)[18]，可以有效抑制雙折射在瑞麗散射光譜相關(guān)圖上的偏振寄生邊帶效應(yīng)，從而提高應(yīng)變、溫度等傳感精度.將該方法應(yīng)用到中等距離(大于15 km)基于偏振特性光頻域反射方法(P-OFDR)的光纖智能傳感網(wǎng)中，可以實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)，且空間分辨率可達(dá)5 cm，并能識(shí)別光纖智能傳感網(wǎng)出斷點(diǎn)、損耗點(diǎn)、連接點(diǎn)等.

4 結(jié)語(yǔ)

天津大學(xué)基于國(guó)家973計(jì)劃項(xiàng)目，在基于光子晶體光纖的新型傳感研制出了新型的溫度傳感器和可調(diào)諧熱敏光開(kāi)關(guān)；在基于微流體的光纖傳感方面，針對(duì)微管拉制、氣體傳感方面取得了較多成果；并針對(duì)光纖傳感網(wǎng)的魯棒性、光源技術(shù)、組網(wǎng)應(yīng)用等方面進(jìn)行了深入研究.但是，在基于微結(jié)構(gòu)的傳感器設(shè)計(jì)、相關(guān)解調(diào)算法、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)優(yōu)化方面還有提升的空間.

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(責(zé)任編輯 陳炳權(quán))

ResearchProgressofaNewGenerationofSmartFiberSensingNetworksandtheKeyDevices

LIU Tiegen1,2,QIN Zunqi1,2,LU Ying1,2,JIANG Junfeng1,2,ZHANG Hongxia1,2,LIU Kun1,2

(1.College of Precision Instrument and Optoelectronics Engineering,Tianjin University,Tianjin 300072,China;2.Key Laboratory of Optoelectronics Information Technology,Ministry of Education,Tianjin 300072,China)

By the funding of 973 projects,Tianjin University launched studies on fiber sensing technologies,mainly including the design of a PCF-SPR sensor based on photonic crystal fiber filling with silver wire，with optimum sensitivity of 2 400 nm/RIU,the design of a PBG-PCF temperature sensor based on liquid core photonic crystal fiber,with maximum resolution of 4×10-6nm/RIU,the design of a tunable thermo optical switch based on photonic crystal fiber filled with toluene-chloroform mixed solution,which had different temperature transition points by changing the ratio of the solution,the construction of three kinds of structure models based on the theory of optofluidics,with studies on the mode distributions and the detection of the magnet,and the establishment of the optical gas sensing system based on L-band EDFA with absolute error less than 0.04%.According to the sensor structure,the optical path demodulation and the demodulation algorithm,the F-P sensing system was designed and optimized.A method of evaluating the robustness of the fiber sensing network was presented.Studies of comb tunable light source technology and OFDR technology in fiber sensing network detection were developed.

fiber optic sensing;photonic crystal fiber sensing;optofluidics;gas sensing;F-P sensor;fiber sensing network

1007-2985(2014)06-0048-06

2014-05-12

國(guó)家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展計(jì)劃(973計(jì)劃)資助項(xiàng)目(2010CB327801，2010CB327802，2010CB327806)

劉鐵根(1955—)，男，天津人，天津大學(xué)精密儀器與光電子工程學(xué)院教授，博士，973項(xiàng)目“新一代光纖智能傳感網(wǎng)與關(guān)鍵器件基礎(chǔ)研究”首席科學(xué)家，主要從事光纖傳感及光電檢測(cè)研究.

TN253

A

10.3969/j.issn.1007-2985.2014.06.013