全光纖電場傳感器的溫度穩(wěn)定性研究*

成 林王乃永張慶洲石 磊劉 健吳經(jīng)鋒吳 健丁 暉*

(1.國網(wǎng)陜西省電力公司電力科學(xué)研究院，陜西 西安 710199；2.西安交通大學(xué)電氣工程學(xué)院，陜西 西安 710049)

電場測量存在于現(xiàn)代工業(yè)的方方面面，航空航天、電力工業(yè)、生物醫(yī)療等多領(lǐng)域?qū)﹄妶鰷y量有著豐富的需求[1-2]。 傳統(tǒng)電學(xué)類電場傳感器一般通過測量導(dǎo)體感應(yīng)電荷產(chǎn)生的電壓或者電流來實(shí)現(xiàn)電場的測量[3-5]。 這類傳感器穩(wěn)定性高，測量范圍大，但導(dǎo)體的存在會(huì)破壞原始被測電場的分布，并且可能會(huì)將高壓引入測量回路，進(jìn)而會(huì)對測量設(shè)備及工作人員生命安全造成危脅，以上缺點(diǎn)限制了電學(xué)類電場傳感器的應(yīng)用場景。 由于光學(xué)傳感器具有體積小，絕緣性能良好、抗電磁干擾、易于形成分布式傳感網(wǎng)絡(luò)等優(yōu)點(diǎn)，光學(xué)電場傳感器得到了廣泛的研究[6]。常見的光學(xué)電場傳感器有體效應(yīng)干涉型和集成光波導(dǎo)型[7-10]。

環(huán)境溫度是影響光學(xué)電場傳感器穩(wěn)定性與測量精度的重要因素。 對于體效應(yīng)干涉型電場傳感器，一方面，傳感器中以塊狀電光晶體為核心，而電光材料的電光效應(yīng)本身具有溫度敏感性；另一方面，該類型傳感器中含有起偏器、檢偏器、波片等多種分立光學(xué)元件，傳感器的穩(wěn)定工作受到自身熱特性的限制[11-13]，因此有很多學(xué)者對該類型電場傳感器的溫度穩(wěn)定性進(jìn)行了廣泛的研究。 2013 年1 月，哈爾濱工業(yè)大學(xué)的張國慶等人利用基準(zhǔn)源自動(dòng)校準(zhǔn)的設(shè)計(jì)方案，解決了溫度對基于體效應(yīng)干涉的電壓傳感器測量精度的影響[14]。 2018 年11 月，重慶大學(xué)的司馬文霞等人提出使用雙鈮酸鋰晶體補(bǔ)償?shù)乃枷胩岣吡梭w效應(yīng)干涉型電場傳感器的溫度穩(wěn)定性，傳感器在-10 ℃到60 ℃范圍內(nèi)的輸出電壓相對誤差小于5%[15]。 上述方法也存在明顯不足，傳感器結(jié)構(gòu)會(huì)變得更加復(fù)雜，機(jī)械穩(wěn)定性能變得更差。 集成波導(dǎo)式光學(xué)電場傳感器是在鈮酸鋰等電光晶體襯底上，通過刻蝕、質(zhì)子交換等先進(jìn)加工技術(shù)，形成空腔等折射率不同的區(qū)域，進(jìn)而構(gòu)成具有光子晶體結(jié)構(gòu)的電光波導(dǎo)[16]。 此類傳感器的溫度穩(wěn)定性也較差，清華大學(xué)的曾嶸等人制作了靜態(tài)工作點(diǎn)變化為0.2 °/℃的集成式電場傳感器[17]，通過涂覆鈦薄膜減弱熱電效應(yīng)的影響，使靜態(tài)工作點(diǎn)降低至0.165 °/℃[18]。 這類傳感器的溫度穩(wěn)定性需要通過精確的加工工藝來實(shí)現(xiàn)。

在文獻(xiàn)[19]提出一種基于微納光纖三光束干涉儀(three-beam interferometer，TBI)電場傳感器的基礎(chǔ)上，本文從微納光纖的耦合方程出發(fā)，論述了溫度對傳感器穩(wěn)定性的影響機(jī)制，并提出了通過調(diào)節(jié)微納光纖直徑和干涉臂長來消除溫度敏感性的方法，最后提出微調(diào)工藝來制備傳感器。 實(shí)驗(yàn)證明制備好的傳感器達(dá)到了良好的溫度穩(wěn)定性。

1 TBI 電場傳感器

1.1 TBI 電場傳感器的原理

TBI 電場傳感器的結(jié)構(gòu)原理如圖1 所示，該結(jié)構(gòu)包括一個(gè)Mach-Zehnder 干涉儀和一個(gè)Sagnac 環(huán)，并且全部由微納光纖制成。 在傳感區(qū)域封裝對電場敏感的電光介質(zhì)材料:碳酸丙烯酯，作為傳感臂。 在外界電場的作用下，電光介質(zhì)的折射率將發(fā)生變化，從而引起傳感器的干涉光譜產(chǎn)生漂移。 因此通過測量輸出光譜的波長漂移量便能測出外加電場的大小。 其傳感方程為:

圖1 電場傳感器的結(jié)構(gòu)

式中:Δλpeak為TBI電場傳感器傳輸譜峰值波長的漂移量；Δnambient1為傳感臂碳酸丙烯酯折射率的變化量，它與電場強(qiáng)度的大小Eapplied的平方成正比；K為克爾系數(shù)；λpeak為器件傳輸譜中峰值波長；L1、L2分別為傳感臂和參考臂的長度；γ1為傳感臂的倏逝場強(qiáng)度；neff1、neff2分別為傳感臂和參考臂的有效折射率。

倏逝場強(qiáng)度γ與微納光纖內(nèi)外的Poynting 矢量SMNF和Sambient，以及微納光纖直徑d存在關(guān)系:

兩臂的有效折射率與微納光纖材料折射率nMNF、臂的倏逝場強(qiáng)度γ以及外界介質(zhì)初始折射率nambient存在關(guān)系:

1.2 溫度對TBI 電場傳感器的影響機(jī)制

TBI 電場傳感器的光傳輸示意圖如圖2 所示。本節(jié)從微納光纖之間的耦合方程出發(fā)，推導(dǎo)出TBI器件的傳輸方程。

圖2 電場傳感器中光傳輸示意圖

設(shè)T1、T2、T3和T4分別為耦合區(qū)1、兩干涉臂、耦合區(qū)2 和環(huán)區(qū)的傳輸矩陣(如圖2(a)所示)。 依據(jù)耦合模式理論，四個(gè)傳輸矩陣分別為:

κ1、c1分別為耦合區(qū)1 的耦合系數(shù)和耦合長度。κ2、c2分別為耦合區(qū)2 的耦合系數(shù)和耦合長度。φ1和φ2分別為光場在上下兩臂中傳輸產(chǎn)生的相位延遲，φ3表示環(huán)區(qū)中，兩束沿著順時(shí)針、逆時(shí)針方向傳輸?shù)墓庠诃h(huán)中經(jīng)歷的相位延遲，它們的表達(dá)式為:

neff1、neff2和neff3分別為上下兩臂以及環(huán)區(qū)微納光纖的有效折射率，L1、L2、L3分別表示上下兩臂以及環(huán)區(qū)的長度，λ為傳輸光在真空中的波長。

設(shè)A1、B1分別為光場振幅的初始值(如圖2(b)所示)。 輸入光會(huì)經(jīng)過耦合區(qū)1、上下干涉臂，耦合區(qū)2、環(huán)區(qū)，在環(huán)區(qū)分為沿著順時(shí)針、逆時(shí)針方向傳輸?shù)膬墒夂笥滞ㄟ^耦合區(qū)2、上下干涉臂、耦合區(qū)1 后分兩路輸出(如圖2(c)所示)，其輸出光場振幅A8、B8可由傳輸矩陣計(jì)算得出:

根據(jù)式(4) ～式(9)可得，輸出端的光場振幅B8為:

式中:

從式和可以看出，當(dāng)耦合系數(shù)與耦合長度的乘積κc滿足式(12)時(shí):

B8的三個(gè)分量全部為非零值，因此可以得出結(jié)論；輸入光在經(jīng)過TBI 光子器件后，光場在輸出端演變?yōu)?φ1+φ3、φ1+φ2+φ3和2φ2+φ3三種不同相位光場的疊加場。 進(jìn)而器件的輸出光功率可表示為:

式是關(guān)于波長λ及溫度T的隱函數(shù)，根據(jù)多元函數(shù)的求導(dǎo)法則可推導(dǎo)出器件傳輸譜的峰值波長在溫度作用下的變化率為:

式中:T表示溫度，ΔT表示溫度的變化。

根據(jù)式和可得:

式中:參數(shù)f為:

進(jìn)一步地，由式可知:

聯(lián)立式可得溫度對傳感器傳輸波長漂移量的影響因素:

式中:

α1，α2分別為兩干涉臂的熱膨脹系數(shù)，該參數(shù)隨著臂長的減小而增大。

由式可知，影響TBI 光子器件溫度穩(wěn)定性的因素主要有:熱膨脹效應(yīng)導(dǎo)致干涉臂長隨溫度的變化、TBI 光子器件兩臂微納光纖有效折射率隨溫度的變化。 由于TBI 光子器件固定于封裝材料中，其干涉臂長度的變化主要取決于封裝材料的熱膨脹系數(shù)。有效折射率隨溫度的變化取決于倏逝場強(qiáng)度γ、光纖材料的熱光系數(shù)、環(huán)境介質(zhì)的熱光系數(shù)以及封裝材料的熱光系數(shù)。

顯然，若要使得器件的輸出峰值波長不隨溫度變化，則必須滿足:

根據(jù)式，此時(shí)有:

根據(jù)式，得到:

整理式得到:

當(dāng)傳感器的封裝材料和用于傳感的電光介質(zhì)確定 之 后，α1、α2、nMNF、nambient1、nambient2、dnMNF/dT、dnambient1/dT、dnambient2/dT都將具有確定值。 此時(shí)，可通過調(diào)節(jié)L1、L2、γ1、γ2來保持式的成立，進(jìn)而使得式成立。 此時(shí)，傳感器對溫度的敏感度極低。 這樣就抑制了TBI 電場傳感器對環(huán)境溫度的敏感性。

2 TBI 電場傳感器溫度敏感性的消除

2.1 溫度敏感性的消除方法

2.1.1 調(diào)節(jié)微納光纖直徑

表1 列出三光束干涉電場傳感器結(jié)構(gòu)中，各部分組成材料的熱敏特性。

表1 各部分介質(zhì)的熱敏特性

根據(jù)式計(jì)算出光纖的有效折射率neff1、neff2和倏逝場強(qiáng)γ1、γ2。 按照表1 中各介質(zhì)的熱光系數(shù)dnambient/dT和熱膨脹系數(shù)α，將α1＝α2＝1.8×10-4、nMNF＝1.465、nambient1＝1.419、nambient2＝1.401、dnMNF/dT＝6.83×10-6、dnambient1/dT＝-1.6×10-4、dnambient2/dT＝-1.1×10-4代入式便可計(jì)算出微納光纖直徑對TBI電場傳感器溫度穩(wěn)定性的影響規(guī)律，如圖3 所示。

圖3 微納光纖直徑對電場傳感器溫度穩(wěn)定性的影響

從圖中可以看出，傳感器對溫度的敏感性隨著微納光纖直徑的改變而改變，當(dāng)微納光纖的直徑為某一特定值時(shí)，Δλpeak/ΔT＝0。 這說明通過合理調(diào)節(jié)微納光纖直徑，可以消除器件對溫度的敏感性。從圖3 中還可看出，當(dāng)L1＝11 mm、L2＝8.5 mm 時(shí)，滿足溫度穩(wěn)定性要求的微納光纖直徑為2.37 μm；而當(dāng)L2＝9.0 mm、9.5 mm、10.0 mm 時(shí)，對應(yīng)微納光纖直徑分別為2.85 μm、3.49 μm 和4.55 μm。 因此，在傳感器的實(shí)際制備過程中，應(yīng)當(dāng)根據(jù)不同的干涉臂長，合理選擇相應(yīng)的微納光纖直徑，從而達(dá)到消除溫度敏感性的目的。

2.1.2 調(diào)節(jié)干涉臂長

設(shè)定固定臂的臂長L1＝11 mm，微納光纖直徑分別為:2 μm、3 μm、4 μm、5 μm。 根據(jù)式和計(jì)算出兩臂的倏逝場強(qiáng)γ1、γ2，有效折射率neff1、neff2。 將

α1＝α2＝1.8×10-4、nMNF＝1.403、nambient＝1.419、dnMNF/dT＝6.83×10-6、dnambient1/dT＝-1.6×10-4、dnambient2/dT＝-1.1×10-4式，便可計(jì)算出干涉臂長對電場傳感器溫度穩(wěn)定性的影響規(guī)律，如圖4 所示。

圖4 干涉臂臂長對電場傳感器溫度穩(wěn)定性的影響

從圖中可以看出，通過合理調(diào)節(jié)干涉臂的長度，理論上可以消除器件對溫度的敏感性。 當(dāng)Δλpeak/ΔT＝0。 當(dāng)d＝2 μm、3 μm 和4 μm 時(shí)，L2取8.04 mm、9.14 mm 和9.78 mm，可以消除傳感器的溫度敏感性。

2.2 溫度敏感性消除實(shí)驗(yàn)

根據(jù)上述理論分析，選取微納光纖直徑d＝3 μm，傳感臂長L1＝11 mm，固定干涉臂長L2＝9 mm，制備三光束電場傳感器。 對所制備的傳感器進(jìn)行溫度穩(wěn)定性實(shí)驗(yàn)。 實(shí)驗(yàn)測試平臺(tái)如圖5 所示。將傳感器放入恒溫箱中，一端與寬帶光源(Connet，SLED 1550) 鏈接， 另一端與光纖光譜分析儀(Yokogawa，AQ6370B)連接。 用光譜分析儀觀察傳感器在不同的溫度下輸出光譜的變化。

圖5 電場傳感器溫度穩(wěn)定性測試平臺(tái)

圖6 是按以上參數(shù)制備的傳感器分別在溫度25 ℃和55 ℃時(shí)，傳感器的輸出光譜。 從圖中可以明顯地看出當(dāng)溫度從25 ℃升至55 ℃時(shí)，傳輸譜漂移了約480 pm，即溫度的交叉靈敏度為16 pm/℃。這是由于傳感器實(shí)際制備中很難準(zhǔn)確控制所有參數(shù)，并且理論計(jì)算的傳感器結(jié)構(gòu)參數(shù)數(shù)值也存在一定的偏差。 這樣，實(shí)際制備的傳感器的溫度穩(wěn)定性沒能達(dá)到期望狀態(tài)。

圖6 未經(jīng)微調(diào)工藝制備的傳感器溫度穩(wěn)定性試驗(yàn)結(jié)果

為此，傳感器制備過程中，采用微調(diào)工藝。 制備初期，預(yù)留出一段干涉臂長，使其長度比設(shè)計(jì)值略大。 制備過程中，采用硅凝膠逐步灌封的方法，每一次灌封都會(huì)縮小干涉臂一定的長度。 每次灌封后，實(shí)際觀察傳感器的溫度穩(wěn)定性，直到獲得滿意的效果。

圖7 是采用微調(diào)工藝制備的傳感器在不同溫度下的傳輸譜。 通過與圖6 對比較發(fā)現(xiàn)，采用微調(diào)制備工藝后，傳感器的溫度穩(wěn)定性顯著提高。 當(dāng)溫度從25 ℃升至55 ℃時(shí)，傳輸譜漂移了約80 pm，即傳感器對溫度的交叉靈敏度降至2.6 pm/℃。 考慮到制作的TBI 電場傳感器的線性工作區(qū)大小為:～930 pm，因此，在最大被測電場處，由環(huán)境溫度引起的測量相對誤差:～0.56%/℃。 該實(shí)驗(yàn)證明TBI電場傳感器具有很好的溫度穩(wěn)定性。 由此證明，通過優(yōu)化電場傳感器的結(jié)構(gòu)參數(shù)，實(shí)現(xiàn)傳感器的溫度穩(wěn)定性的方法是正確可行的。 在傳感器在實(shí)際制備過程中，參考理論分析得到的傳感器最優(yōu)結(jié)構(gòu)參數(shù)數(shù)值，并結(jié)合微調(diào)工藝，就能夠使得傳感器具有理想的溫度穩(wěn)定性。

圖7 采用微調(diào)工藝制備的傳感器溫度穩(wěn)定性試驗(yàn)結(jié)果

3 結(jié)論

①本文在提出的TBI 電場傳感器的基礎(chǔ)上，通過理論分析，得出傳感器的溫度穩(wěn)定性受微納光纖直徑與干涉臂長影響。 因此，TBI 傳感器可以通過對微納光纖直徑與干涉臂長的調(diào)控，實(shí)現(xiàn)低溫度敏感的傳感器。

②本文提出了實(shí)現(xiàn)傳感器溫度敏感性低的微調(diào)工藝，使得傳感器在制備過程中參數(shù)的調(diào)控更簡易。該工藝與傳統(tǒng)的集成光波導(dǎo)式電場傳感器的溫度穩(wěn)定性調(diào)控方式相比，極大的降低了調(diào)控復(fù)雜度。

③溫度實(shí)驗(yàn)證明:通過微調(diào)工藝制備的電場傳感器對溫度的交叉靈敏度降至2.6 pm/ ℃。 理論上，該參數(shù)可降低至在0 pm/℃。

論文研究對提升微納光纖傳感器的技術(shù)水平及其在電力行業(yè)、航空航天、醫(yī)療檢測等眾多領(lǐng)域的應(yīng)用具有重要的借鑒意義。