基于光纖輻射效應的溫度傳感器工作波長研究

金 靖， 侯云霞， 劉紀勛

(北京航空航天大學 儀器科學與光電工程學院，北京 100191)

基于光纖輻射效應的溫度傳感器工作波長研究

金 靖， 侯云霞， 劉紀勛

(北京航空航天大學 儀器科學與光電工程學院，北京 100191)

輻射后光纖的損耗值顯著增加，這種現(xiàn)象被稱為光纖輻射致衰減(RIA)效應?；赗IA效應的溫度特性,搭建了一種新型的光纖溫度傳感器。為選擇合適的傳感器工作波長，基于位形坐標模型理論對鍺磷(Ge/P)共摻雜光纖在825～1 500 nm范圍內的RIA譜特性進行了研究，發(fā)現(xiàn)短波段光纖RIA對溫度的依賴性明顯優(yōu)于長波段。選用了常見的850 nm普通單模光纖作為敏感光纖，搭建光纖溫度傳感器，最后對所搭建溫度傳感器的性能指標做出了評估。

輻射致衰減； 溫度依賴性； 波長； 光纖溫度傳感器

0 引 言

對光纖輻射致衰減(radiation induced attenuation,RIA)及其溫度特性的研究已有數(shù)十年歷史。研究表明輻射會使光纖中產(chǎn)生大量的色心缺陷點，色心的形成大大增加了光纖對光的吸收，進而引起光纖RIA效應[1～3]。色心有穩(wěn)定和不穩(wěn)定兩種，不穩(wěn)定色心在高于自身穩(wěn)定溫度的環(huán)境溫度下，會發(fā)生分解或轉化為其他色心，即發(fā)生退火，而穩(wěn)定色心則能穩(wěn)定存在于光纖中[4～6]。輻射后的光纖在經(jīng)充分高溫退火后，其RIA值對溫度有單調穩(wěn)定的依賴性[7～9]?；赗IA的這一溫度特性可以研制一種新型的光纖溫度傳感器。影響光纖RIA溫度特性的因素有很多，如輻射總劑量、光功率、傳輸光波長等[8]。傳感器工作波長的選擇與傳輸光波長對RIA溫度特性的影響緊密相關。

本文基于位形坐標模型理論，探究了傳輸光波長對光纖RIA溫度特性的影響機制,發(fā)現(xiàn)短波段的光纖RIA對溫度的依賴性和敏感度要優(yōu)于長波段。選用了常見的850 nm光纖作為敏感光纖來搭建溫度傳感器，測試實驗結果表明：所搭建溫度傳感器的靈敏度可達0.006 7 dB/℃，非線性誤差為±3.376 %，重復性誤差為0.963 %。

1 光纖RIA的譜特性

1.1 位形坐標模型理論

輻射粒子作用于光纖使光纖內部產(chǎn)生大量的色心，引起RIA效應。色心是一種帶有效電荷的缺陷點，在近紅外光譜范圍內，色心對光的吸收為振動轉動吸收模式[11,12]。位形坐標模型可用于分析色心的吸收譜特性，它是一種用來描述晶體中電子處于某一狀態(tài)時，離子晶格振動的勢能曲線與離子平均位置關系的物理模型[9～11]。

在位形坐標的曲線的基態(tài)和激發(fā)態(tài)中分布著一系列的離子晶格振動能級，用n表示。當黃昆因子S較大時，位形坐標模型更適合分析色心吸收譜的特性，此時色心的吸收譜線近似為高斯線形[9]。常溫下，電子主要占據(jù)基態(tài)中n=0的狀態(tài)，電子躍遷范圍較小，所以,電子吸收光子能量由基態(tài)躍遷到激發(fā)態(tài)時，形成的吸收譜線寬度較小。溫度升高，電子處于較高的振動能級n，電子躍遷范圍加大，所以,吸收譜線加寬。同時，振動態(tài)n的升高使電子從基態(tài)到激發(fā)態(tài)躍遷的距離變短，這就導致吸收光譜的峰值位置向低能，也就是長波長方向移動。溫度升高使處于高振動態(tài)的粒子數(shù)增加，低振動態(tài)的粒子數(shù)減少，而總的粒子數(shù)并未發(fā)生變化，吸收譜線的總強度不變，因而,譜線展寬的同時吸收峰值下降。

通過上述分析可知，溫度升高引起色心吸收譜線寬度增加，吸收譜峰位向低能方向移動同時吸收譜峰值降低。色心吸收譜隨溫度的變化關系如圖1所示。

圖1 色心吸收譜線隨溫度變化關系示意圖

1.2 光譜實驗

選取輻射總劑量10000Gy，普通單模，經(jīng)過充分高溫退火的鍺磷(Ge/P)摻雜光纖為測量對象，測量其在不同溫度下的RIA譜。測量溫度點依次設為-40, -20, 0, 20, 40,60 ℃，測量光譜范圍為825～1 500 nm(1.5～0.83 eV)。為便于分析，對所得RIA譜進行適當?shù)钠交?，平滑后衰減譜隨溫度變化的關系如圖2所示。

圖2 825～1500nm范圍內Ge/P摻雜RIA

在825～1 500 nm的近紅外光譜范圍內，Ge/P摻雜光纖的RIA主要受與Ge-NBOHC，GeX色心和P1色心的影響，所以,理論上可以用這三種色心的吸收譜擬合出RIA譜[9,12,13]。因色心吸收譜線可以近似為高斯線形，故用下面的高斯函數(shù)作為擬合函數(shù)

(1)

其中，E為電子勢能，En,ωn,an與色心種類有關。

表1給出了Ge-NBOHC，GeX和P1三種色心的主要參數(shù)在常溫下的參考值[9,13～15]。

表1 色心主要參數(shù)

從圖3中的擬合結果可以看出:6組不同溫度下的RIA譜完全可以用相應溫度下三種色心的吸收譜擬合出來，有力地證明了用位形坐標模型分析RIA譜隨溫度變化關系的可行性，即可以用這一理論來探究傳輸光波長對RIA溫度特性的影響。

圖3 RIA譜與三種色心吸收譜的擬合結果

從實驗結果和對實驗結果的擬合結果看出：短波段(高能)光纖RIA的溫度特性優(yōu)于長波段(低能)。圖3(a)給出了三個溫度點下RIA譜和對應溫度下三種色心吸收譜的關系圖，可以發(fā)現(xiàn)，在0.83～1.06 eV范圍內，RIA主要受到P1色心一種色心的作用，而在1.5～1.06 eV范圍內，RIA受到Ge-NBOHC和GeX兩種色心的作用。色心的吸收譜線形為高斯線形，當隨溫度變化時其變化量是非線性的，但是對于兩條吸收峰位置間隔一定距離的高斯線形，其合成量的變化量具有優(yōu)于單一高斯線形變化時的線性度，且具有更好的靈敏度。所以，在受兩種色心影響的1.5～1.06 eV波段內，RIA隨溫度的變化具有更好的線性度和靈敏度。

從圖3(b)可以看出:在1.32～1.5 eV范圍內，光纖的RIA值隨溫度升高而單調穩(wěn)定的增加，這一范圍內不同溫度下的RIA譜間隔較大，說明光纖RIA對溫度的敏感度更好。普通單模光纖的常見工作波長有850,1310,1 550 nm，根據(jù)上述研究結果，本文選取了工作波長為850 nm的普通單模Ge/P共摻雜光纖作為敏感光纖，搭建光纖溫度傳感器。

2 光纖溫度傳感器的搭建

光纖溫度傳感器的原理框圖如圖4所示，測試溫度范圍為-40～60 ℃。實驗采用了中心工作波長為850 nm的超輻射發(fā)光二極管(SLD)作為光源，輻射劑量為100 Gy，工作波長為850 nm，充分高溫退火后的Ge/P共摻雜光纖作為敏感光纖。選取相同廠家生產(chǎn)的同種850 nm光纖設置參考光路，與敏感光纖并行纏繞，置于溫箱內。耦合器將光源發(fā)出的光分成功率相等的兩束光，分別導入敏感光纖和參考光纖。光功率計將接收到的兩路光信號傳輸?shù)缴衔粰C，由LabVIEW功率采集程序采集光信號。高精度溫度計用來實時監(jiān)測溫箱內溫度。

圖4 光纖溫度傳感器原理框圖

利用所搭建系統(tǒng)進行了5次實驗，以評估光纖溫度傳感器的性能指標。為消除光功率計測試通道不同及其他因素引入的誤差，將每組實驗數(shù)據(jù)用其20℃的測得值進行歸一化，得到如圖5所示的結果。

圖5 光纖溫度傳感器性能測試結果

本文選取850 nm的普通單模Ge/P摻雜光纖所搭建的溫度傳感器，靈敏度可達0.006 7 dB/℃，非線性誤差為±3.376 %，重復性誤差為0.963 %。

3 結 論

利用充分退火后光纖輻射致衰減對溫度的穩(wěn)定依賴性提出了一種新型光纖溫度傳感器。為確定傳感器工作波長，本文基于位形坐標模型理論對傳輸光波長影響光纖RIA溫度特性的機制進行了研究。研究發(fā)現(xiàn)短波段光纖RIA對溫度的依賴性明顯優(yōu)于長波段，在1.32～1.5 eV波段內，RIA溫度特性相對最好，所以,選取了光纖中常見工作波長處于這一波段范圍內的850 nm的普通單模Ge/P摻雜光纖作為敏感光纖，搭建了光纖溫度傳感器。對所搭建溫度傳感器的性能指標進行評估，得出傳感器的靈敏度為0.006 7 dB/℃，非線性誤差為±3.376 %，重復性誤差為0.963 %。

[1] Borgermans P,Brichard B. Kinetic models and spectral depen-dencies of the radiation-induced attenuation in pure silica fiber-s[J].Nucl Sci,2002,49(3):1439.

[2] Berghmans F,Brichard B,Fernandez A,et al.An introduction to radiation effects on optical components and fiber optic sensor-s[C]∥Proc Opt Waveguide Sens Imag,2008:127-165.

[3] Griscom D L.Trapped-electron centers in pure and doped glassy silica:A review and synthesis[J].J Non-Cryst Solids,2011,357(8/9):1945-1962.

[4] Brichard B,Ierschot S V,Hendrickx C.On the use of photo-bleaching and thermal annealing to recover the optical transmission in irradiated pure silica fibres[C]∥Proc 9th Eur Conf on Radiation and Its Effects on Compon Syst,2007:1-4.

[5] Griscom D L.Fractal kinetics of radiation-induced point-defect formation and decay in amorphous insulators:Application to color centers in silica-based optical fibers[J].Phys Rev B,2001,64(17):174201.

[6] Brichard B,Borgermans P,Berghmans F,et al.Dedicated optical fibers for dosimetry based on radiation-induced attenuation:Experimental results[C]∥Remote Sensing International Society for Optics and Photonics,1999:36-42.

[7] Morita Y,Kawakami W.Dose rate effect on radiation induced attenuation of pure silica core optical fibres[J].IEEE Trans Nucl Sci,1989,36(1):584-590.

[8] Jin Jing,Xu Raomei,Liu Jixun,et al.Experimental investigation of the factors influencing temperature dependence of radiation-induced attenuation in optical fiber[J].Opt Fiber Technol,2014,20:110-115.

[9] Jin Jing,Liu Jixun,Wang Xueqin,et al.Effect of color center absorption on temperature dependence of radiation-induced attenuation in optical fibers at near infrared wavelengths[J].J Lightw Technol,2013,31(6):839-845.

[10] 方容川.固體光譜學[M].合肥：中國科學技術大學出版社,2001:127-132.

[11] Russell G A,Klick C C.Configuration coordinate curves for F-centers in alkali halide crystals[J].Phys Rev,1956,101(5):1473.

[12] Regnier E,Flammer I,Girard S,et al.Low-dose radiation-induced attenuation at infrared wavelengths for P-doped,Ge-doped and pure silica-core optical fibres[J].IEEE Trans on Nucl Sci,2007,54(4):1115-1119.

[13] Girard S,Ouerdane Y,Origlio G,et al.Radiation effects on silica-based preforms and optical fibers-I:Experimental study with canonical samples[J].IEEE Trans on Nucl Sci,2008,55(6):3473-3482.

[14] Girard S,Boukenter A,Ouerdane Y,et al.Properties of phospho-rus-related defects induced by γ-rays and pulsed X-ray irradiation in germanosilicate optical fibers[J].J Non-Cryst Solids,2003,322(1-3):78-83.

[15] Skuja L.Optically active oxygen-deficiency-related centers in amorphous silicon dioxide[J].J Non-Cryst Solids,1998,239(1):16-48.

Study on working wavelength of temperature sensor

based on optical fiber radiation effect JIN Jing， HOU Yun-xia， LIU Ji-xun

(School of Instrument Science and Optic-electronics Engineering，Beihang University， Beijing 100191，China)

Attenuation of optical fiber will augment largely after irradiated,this phenomenon is called radiation induced attenuation(RIA).A fiber temperature sensor is established based on temperature characteristics of RIA.To determine appropriate working wavelength,spectrum properties of temperature dependent RIA in irradiated fiber is analyzed according to configurational coordinate model.It is found that temperature dependence of RIA at short waveband is better than that at long waveband in spectrum range of 825～1 500 nm.As a result,850 nm is chosen as working wavelength because of its good monotony and sensitivity after sufficient annealing,and a series of confirmatory tests were done to evaluate its performance.

radiation induced attenuation(RIA); temperature dependence; wavelength; optical fiber temperature sensor

2014—09—22

10.13873/J.1000—9787(2015)04—0027—03

TN 212

A

1000—9787(2015)04—0027—03

金 靖(1975-)，男，內蒙古呼和浩特人，副教授，高級工程師，主要研究方向為光纖傳感與空間應用技術。