光纖傳感技術研究進展

安 寧,尹保軍,陳淑涵,郭 英,3,齊躍峰,3,*

(1.燕山大學 信息科學與工程學院,河北 秦皇島 066004;2.秦皇島港股份有限公司第六港務分公司,河北 秦皇島 066004;3.燕山大學 河北省特種光纖和光纖傳感重點實驗室,河北 秦皇島 066004)

0 引言

光纖傳感技術的研究始于20世紀60年代,隨著光纖研究的深入,人們將光纖與傳感技術結合,形成了集傳感與信息傳輸于一體的光纖傳感器。光纖傳感技術是以光纖作為信息的傳輸媒介,利用外界環(huán)境因素的改變使得光在光纖中傳播的強度、波長、頻率、相位、偏振態(tài)等光學性質發(fā)生變化,從而對外界物理量進行傳感測量。與傳統傳感技術相比,光纖傳感技術具有一些獨特的優(yōu)勢,如抗高輻射和電磁干擾、耐高溫、耐腐蝕等。這使其在人類無法工作的惡劣環(huán)境中,依然可以對溫度[1]、壓力[2-3]、振動[4-5]、應變[6]、磁場[7-9]、折射率[10-11]、物質組分[12-13]等進行傳感。

基于光波所包含的五種光學性質,光纖傳感技術按調制方式可分為強度調制型、相位調制型、波長調制型、頻率調制型以及偏振態(tài)調制型,本文將對每種調制方式的光纖傳感技術進行詳細論述。

1 強度調制型

強度調制型光纖傳感技術是通過檢測外界因素引起光纖中的光強度變化,來實現對外界物理量及其變化量的監(jiān)測與控制。按照光波是否需要輸出到光纖外被調制可以分為外調型和內調型。

1.1 外調型

外調型需要將光波導出光纖,進行光強度調制后,再將光波導入光纖,此時光纖主要起到傳光的作用,分為發(fā)送光纖和接收光纖兩部分,這種光強度的外調制技術主要包括反射式強度調制和透射式強度調制。

反射式強度調制型光纖傳感的基本原理為:光源發(fā)出的光由發(fā)送光纖傳輸后到達反射面,全部或部分光波經反射面反射進入到接收光纖,再經傳輸后由光探測器接收。光探測器接收到的光強度信號特性與光纖結構參數、反射面的物理特性、光纖與反射面的相對位置關系緊密相關[14]。

在典型的反射式強度調制型光纖傳感器的結構基礎上,先后產生了多種優(yōu)化方案。2017年,祝睿雪等[15]將一根多模發(fā)射光纖和并排排列在發(fā)射光纖同一側的兩根相同的多模接收光纖組成光纖探頭,這種等間距的三光纖排列結構能夠有效地排除測量環(huán)境的影響,從而提高了系統穩(wěn)定性。2020年,研究人員設計了一種壓力傳感器,該傳感器由兩根帶球形端的多模光纖、一根帶雙孔的石英管、一個硅敏感隔膜和高硼硅玻璃基板組成,并且其解調系統簡單,可以實時響應高頻壓力[16]。

與上述反射式強度調制不同,透射式強度調制是通過改變發(fā)送光纖與接收光纖的間距、位置、角度等或在發(fā)送光纖與接收光纖的耦合端面之間插入遮光屏,以實現對發(fā)送光纖與接收光纖之間的光強度耦合效率的調制。

2017年,張穎等[17]采用直接透射式的光強度調制進行加速度的測量,由于系統產生加速時,在彈簧的作用下,嵌入矩形質量塊的兩根接收光纖與發(fā)射光纖的相對位置會發(fā)生變化,從而改變了接收到的光強度信號大小。次年,該團隊以硅質矩形梁為加速度傳感單元,在加速狀態(tài)時,硅質矩形梁彎曲,使連接在梁上的遮光板與兩光纖之間的距離發(fā)生變化,這種基于遮光屏式的光強度調制方法同樣實現了加速度的測量,且最大加速度檢測值高達12g(g為重力加速度)。

1.2 內調型

對于光強度的內調制技術,調制環(huán)節(jié)一般發(fā)生在光纖內部。光纖既起傳輸光的作用,又起敏感器件的作用,不再區(qū)分發(fā)送光纖和接收光纖。

由于石墨烯具有非常良好的光學特性,因此被廣泛應用于光強度內調制技術的研究。2020年,李志全等[18]設計了一種以雙層石墨烯為調制區(qū)域的新型U形級聯微環(huán)結構,通過改變石墨烯的光吸收能力,從而對光強度進行內調制。同年,該團隊又設計了一種具有雙環(huán)諧振腔結構的石墨烯-介電質-石墨烯調制器[19],結構見圖1,其中,圖1(a)為該調制器的正視圖,沿紅色虛線剖開后,上半部分結構如圖1(b)所示。結合雙環(huán)諧振器的選擇性頻率濾波特性和石墨烯的電可調諧特性,實現了光強的動態(tài)調制,上述結構為新一代高速率、低功耗、納米級光子器件的研制提供了新的理論參考,有利于光電通信器件的大規(guī)模集成發(fā)展。

圖1 石墨烯光調制器原理圖Fig.1 The schematic diagram of the graphene light modulator

這種基于強度調制技術制成的傳感器技術上比較容易實現,具有原理簡單、體積小、成本低等優(yōu)點,是最早進入實用化和商用化的光纖傳感器。但以光強度變化來獲取被傳感參量變化的信息,測量結果極易受光源、光纖等引起的光強度波動以及光探測器和后續(xù)電路產生的電子噪聲的影響。因此如何消除外界環(huán)境因素的干擾和噪聲,仍是強度調制型光纖傳感技術未來需要研究的難點,并且隨著應用需求的不斷提升,從單點測量轉向多點測量也將成為一個研究重點。

2 相位調制型

相位調制型光纖傳感器是先通過待測能量場對單模光纖中傳輸的相干光進行相位調制后,再通過測量相位的變化來確定待測能量場相關待測量的大小。但由于光探測器無法響應激光的頻率,故需要將相位調制轉化為強度調制,即經由光探測器測量到光強度變化后得到相位變化。而干涉儀就是將相位調制轉化為強度調制的裝置,是相位調制型光纖傳感器的核心。常見的光纖干涉儀主要有兩大類,分為雙光束干涉型和多光束干涉型。

圖2為相位調制型光纖傳感器的工作原理示意圖。入射光波被分為兩部分分別入射到參考信道(不被外界影響)與測量信道。測量信道中的光波在相位調制區(qū)域經外界的待測信號調制后相位發(fā)生改變,之后與參考信道的光波在輸出端相遇,發(fā)生干涉后產生干涉條紋,所以通過檢測干涉條紋的變化量可以分析出測量信道中的相位變化量,再由該相位變化與外界待測信號之間的關系,推導出待測外界信號的信息。

圖2 相位調制型光纖傳感器的工作原理圖Fig.2 Schematic diagram of phase modulated fiber optic sensor

2.1 雙光束干涉型

雙光束干涉型光纖干涉儀主要包括馬赫-曾德爾干涉儀(Mach-Zehnder Interferometer,MZI)、邁克爾遜干涉儀(Michelson Interferometer,MI)和薩格納克干涉儀(Sagnac Interferometer,SI)三種,其基于的基本原理是將光纖中傳輸的一束光分成兩路,在光纖中傳輸一定長度后,再次匯合發(fā)生干涉,并隨后到達光探測器。

2.1.1 馬赫-曾德爾干涉儀

圖3所示為全光纖型MZI原理示意圖,該干涉儀是最典型的雙光束干涉型光纖干涉儀。激光器發(fā)出的單色激光被光纖耦合器1分成光強度相等的兩束光波,并分別入射到參考光纖臂和傳感光纖臂(傳感光纖臂被外界待測物理場調制),之后兩路光纖傳輸的光波在光纖耦合器2中再次匯合后發(fā)生干涉,并由兩路分別送入兩個光探測器轉為電信號,最后由信號處理單元分析兩臂的相位差及其變化情況,實現待測量的檢測。

圖3 全光纖型馬赫-曾德爾光纖干涉儀原理示意圖Fig.3 Schematic diagram of all-fiber Mach-Zehnder fiber interferometer

由雙光束干涉原理可知,MZI所產生的干涉場的光強度為

當兩臂的相位差Δφ=βΔL=2nπ時,干涉為極大值。其中β為傳輸常數、n為干涉級次,且有

從式(2)可以看出,當外界待測參量引起兩臂相對光程差ΔL或相對光程時延Δt發(fā)生變化,或者傳輸的光波波長λ或光波頻率ν發(fā)生變化時,都會使n發(fā)生變化,即引起干涉條紋的移動。如外界因素(如應變、溫度等)可直接引起干涉儀傳感光纖臂的光纖長度和折射率發(fā)生變化,導致兩臂相對光程差ΔL發(fā)生變化,從而引起干涉條紋的移動,于是通過測量干涉條紋的移動量可感測相應的物理量,如溫度、折射率、壓力、曲率、距離等。

在溫度方面,2015年,付興虎等[20]采用單模光纖(Single Mode Fiber,SMF)與錐形雙包層光纖(Tapered Double Clad Fiber,TDCF)熔接的SMFTDCF-SMF結構對溫度進行測量,當拉錐長度為16 mm,溫度在32～65.3 ℃范圍內時,溫度靈敏度最高可達-1.297 nm/℃。劉強等[21]采用由SMF與少模光纖(Few-Mode Fiber,FMF)偏芯熔接而成的SMF-FMF-SMF結構實現溫度測量,在25.3～75.3 ℃范圍內,傳感器長度為16 mm時,溫度靈敏度為158.06 pm/℃。

針對測量過程中溫度交叉敏感的問題,科研人員對光子晶體光纖(Photonic Crystal Fiber,PCF)進行拉錐,用得到的錐形光子晶體光纖(Tapered Photonic Crystal Fiber,TPCF)與SMF熔接,構成SMF-TPCF-SMF結構,實現對曲率的測量[22]。

2021年,另有在兩段SMF之間融合由三包層石英特種纖維組成的D型微腔結構形成MZI,可以避免溫度和折射率同時測量時的交叉靈敏[23]。2023年,有研究者提出用SMF和納米鉺-鐿共摻雜光纖組成的級聯MZI進行溫度和曲率雙參數測量,可用于三維重建、機器人形狀檢測、人體醫(yī)學等領域[24]。張靜等[25]采用無芯光纖(Coreless Fiber,CLF)與少模光纖級聯的CLF-FMF-CLF結構實現了對溫度與折射率的同時測量。除此之外,多種MZI與其他結構混合的測量方案也成為了研究的熱點,如光纖光柵[26-27]和Sagnac干涉儀[28]等。

為改善常規(guī)MZI濾波器的濾波性能,產生了微環(huán)諧振器輔助MZI濾波器結構,將一個或多個微環(huán)與MZI相耦合,利用環(huán)形諧振器更陡的相位和振幅響應來銳化傳統MZI的衰減,使得在濾波器的輸出端獲得頂部平坦、邊沿陡峭的輸出光譜[29-30]。

M-Z干涉結構的解調方法包括相位載波調制解調技術[31]、3×3耦合器解調與相位載波結合[32]等。2023年,齊躍峰等[33]提出了一種基于新型馬赫-曾德爾干涉結構的差分相移鍵控(Differential Phase Shift Keying,DPSK)解調系統,系統結構如圖4所示。與傳統干涉儀相比,這種新型解調結構對臂長差適配的魯棒性更強,具有更好的溫度穩(wěn)定性,能夠在-20～120 ℃范圍內正常工作,且系統誤碼率小于3.54×10-143,在0～70 ℃的條件下,系統的Q值都能達到10以上,同時能較好地解決光源線寬與成本之間的問題,降低了對光源相干性的要求。

圖4 DPSK調制與解調系統結構圖Fig.4 Structure diagram of DPSK modulation and demodulation system

2.1.2 邁克爾遜干涉儀

MI與MZI的理論原理基本一致,結構如圖5所示。MI是反射型,將可移動反射端面與外界參量(如位移、振動等)關聯,即可實現相位調制。

圖5 邁克爾遜光纖干涉儀結構示意圖Fig.5 Schematic diagram of Michelson fiber optic interferometer

實際上,除了可移動反射端面可以作為光敏感器件外,多數情況下經調節(jié)后兩個反射端面被固定,而傳感光纖臂本身作為光敏感器件,此時MI和MZI的相位調制機理完全相同,唯一不同點為激光發(fā)射和檢測是否在同一端。值得注意的是,由于MI使用的是反射光干涉和檢測,故一般需要在激光器輸出后配置一個光纖隔離器,以防止反射光進入激光器面影響其性能及輸出穩(wěn)定性。

針對折射率的測量,2021年,張紅嶺等[34]利用雙芯光纖提出了一種基于MI的新型折射率傳感器。通過對雙芯光纖端部和錐度的反射,形成Michelson干涉譜。由于雙芯光纖的結構特點,這種干涉儀可以實現折射率和溫度的測量,在錐腰直徑8.76 μm處,其折射率靈敏度為2 377.8 nm/RIU。在30～60 ℃溫度范圍內,溫度靈敏度為70.48 pm/℃。其他科研人員使用兩個分別基于SMF和多模光纖(Multimode Fiber,MMF)設計的MI構成新型L類結構,可以同時測量折射率和溫度[35]。

這種干涉儀還可用于其他待測物的檢測,如加速度[36-37]、振動[38-40]、物質濃度[41-42]等。楊震等[43]利用二維角度激光測量及邁克爾遜干涉原理,針對三維加速度的測量提出了一種新型加速度光纖傳感器,它以彈性平膜片與角錐棱鏡的組合作為敏感元件,可以在較高精度下同時提取并實時測量三維加速度信號。此外,將氧化石墨烯與側面拋光雙芯的MI結合,也可制成濕度傳感器,在2%～72%相對濕度范圍內,超高濕度靈敏度能接近40.75nm/RH%[44]。

在解調方面,毛欣等[45]基于3×3耦合器的解調系統,采用對稱解調算法實現大動態(tài)范圍、穩(wěn)定解調。周宏揚等[46]基于邁克爾遜干涉原理搭建出變壓器光纖超聲傳感系統,該系統的平均檢測靈敏度以及峰值監(jiān)測靈敏度較傳統壓電陶瓷傳感器均有較大改善。胡珍源等[47]通過調整光纖長度,實時補償由溫度變化等環(huán)境因素引起的時延變化,有效地抑制了短距離光纖頻率傳遞的噪聲。針對相位生成載波解調中產生的非線性誤差,有研究人員通過激光驅動溫度的恒定變化進行主動激光掃描,以代替橢圓擬合法中的目標運動,校正后非線性誤差減小到1 nm以下[48]。

2.1.3 薩格納克干涉儀

SI是利用Sagnac效應構成的干涉儀,即將一束激光分成兩東后在由同一光纖繞成的光纖環(huán)中沿相反方向前進,在外界因素作用下產生不同的相移,再通過干涉效應進行檢測。

圖6為SI結構及原理示意圖,用一根長為L的光纖,繞制成半徑為R的光纖環(huán)。激光器發(fā)出的激光由光纖耦合器均分為兩束,分別從光纖兩端輸入,再從另一端輸出。兩輸出光再次相遇后在光纖耦合器處產生干涉效應,此干涉光強度由光探測器檢測,并由信號處理單元分析數據。

圖6 薩格納克光纖干涉儀結構示意圖Fig.6 Structure diagram of Sagnac fiber interferometer

SI最典型的應用就是光纖陀螺儀,為了增強光學陀螺儀輸出精度,惠俊等[49]提出了一種基于糾纏光子數態(tài)和奇偶校驗方案的雙端口輸入/輸出光纖陀螺儀結構。2023年,楊志懷等[50]采用雙環(huán)單軸光纖陀螺儀,較傳統單環(huán)單軸光纖陀螺尋北方法精度大幅提高。目前已報道的全光纖電流互感器也大多基于光纖陀螺的理論與技術[51-52]。但基于渡越時間的相位調制方式不可避免地受限于本征頻率,2019年,齊躍峰等[53]提出了一種適用于短環(huán)Sagnac的空間非互易相位調制器方案,可以消除本征頻率的限制,降低系統復雜度與成本,其結構如圖7所示。實驗最終獲得的相位調制器插入損耗為3.6 dB,相位偏置角度約為89.961°,計算得到最小變比誤差小于0.02%,該系統為集成化光纖電流互感器與光纖陀螺提供了一種設計思路。2022年,該課題組將此非互易式相位調制結構用于光纖陀螺,實現了米級超短環(huán)光纖陀螺閉環(huán)解調,且適用三角波、鋸齒波、正弦等多種調制信號,調制解調電路更加簡單[54]。

圖7 基于無源相位調制器的AFOCT結構圖Fig.7 Structural diagram of AFOCT with passive phase modulator

使用多種材料填充PCF,如向列液晶[55-56]、磁流體[57-59]、乙醇[60]等,可以實現不同待測物的測量。樊曉亞等先后提出多種采用向列液晶薄膜插入Sagnac環(huán)路的溫度傳感結構[61-62],2022年,提出級聯Sagnac干涉儀,其中一種Sagnac干涉儀采用熊貓型保偏光纖作為參考臂,另一種Sagnac干涉儀采用插在套筒內的兩條單模插接電纜作為傳感臂,將向列液晶薄膜滲透到套筒的微米級間隙中。2023年,提出了一種插入一段向列液晶薄膜的緊湊型光纖Sagnac環(huán)路,同樣將向列液晶填充插入套圈匹配套筒的兩根單模光纖之間的微米級間隙中,通過旋轉兩根單模接線進行向列液晶膜分子定向。傳感器的溫度傳感性能隨Sagnac環(huán)路中向列液晶膜厚度的減小而提升,這種光纖溫度傳感器具有結構緊湊、高穩(wěn)定性、超高靈敏度、低滯后效應和高分辨率等優(yōu)點,在生物分子、醫(yī)學等需要精確測溫的科學領域具有廣闊的應用前景。

2.2 多光束干涉型

多光束干涉型光纖干涉儀主要包括法布里-珀羅干涉儀(Fabry-Perot Interferometer,FPI)和環(huán)形腔干涉儀兩種,其基本原理是光纖中傳輸的光束在法布里-珀羅腔和光纖環(huán)形腔中形成振蕩,每傳輸一個有效諧振光程將輸出一部分光場,最終的輸出光場是無數次諧振輸出光場的干涉疊加。

2.2.1 法布里-珀羅干涉儀

FPI通常由兩塊平行的內表面鍍有高反射率鏡面的玻璃板構成,如圖8所示。左側的入射光在鏡面之間多次反射,因此右側透射的實際上是多光束的干涉條紋。當波長滿足相長干涉條件,透射譜中相應的波長位置就出現峰值;反之,滿足相消干涉條件,出現谷值,并且反射率越大,干涉光強度變化越顯著,分辨率越高?；谝陨显?通過在光纖端面鍍高反射膜后,將兩個光纖端面彼此靠得很近時,即可制成FPI。精細度越高的FPI越適合光纖傳感,對于相位的變化越敏感。

圖8 法布里-珀羅干涉儀原理示意圖Fig.8 Schematic diagram of the principle of Fabry-Perot interferometer

2019年,陳穎等[63]以F-P腔為傳感單元,基于倏逝波共振原理,提出了一種氣隙-多孔硅-氣隙F-P腔的光子晶體傳感結構,該結構的Q值可達1.23×104,折射率靈敏度約為8 661.71 nm/RIU。2022年,周世男等[64]設計了基于F-P標準具多光束干涉成像的微小角度測量系統,并對測量結果進行修正,經修正后的標準具間隔為(2 014.986 5±0.000 3)μm,相對誤差限為1.5×10-7。

為了進一步提高F-P干涉結構的靈敏度,光學游標效應成為了研究的熱點。2019年,劉燕燕等[65]基于游標效應,提出了一種分離式雙F-P增敏結構,這種傳感腔和輔助腔分離的結構能避免輔助腔受到傳感量影響,并消除交叉敏感對測量結果的影響。增敏結構的壓強靈敏度值由單F-P結構的4.85 nm/MPa提高到43.95 nm/MPa,溫度靈敏度由單F-P腔的67.5 pm/℃提高至403.64 pm/℃。同年,其他研究人員同樣基于游標效應,將一段空芯光纖熔接在兩段單模光纖之間制作成級聯的F-P結構,并且通過調整空芯光纖和末端單模光纖的長度可進一步提高溫度靈敏度[66]。

2.2.2 環(huán)形腔干涉儀

利用光纖耦合器將單模光纖連接成閉合回路,即可構成環(huán)形腔光纖干涉儀,如圖9所示。這種環(huán)形腔光纖干涉儀的原理與法布里-珀羅光纖干涉儀類似,都是基于腔內光場形成的多光束干涉,并且通過控制光纖耦合器的耦合比,可以實現對該環(huán)形腔欠耦合、臨界耦合以及過耦合的狀態(tài)控制。

圖9 環(huán)形腔光纖干涉儀原理示意圖Fig.9 Schematic diagram of ring cavity fiber interferometer

這種環(huán)形腔干涉儀可以用作濾波器,針對光子晶體的環(huán)形腔濾波器,陳穎等[67]通過在環(huán)形腔的輸出負載通道中引入點缺陷,將環(huán)形腔和點缺陷相結合作為負載波導來實現對特定波長的濾波,形成了一種復合缺陷光子晶體濾波器結構,從而消除光子晶體環(huán)形腔濾波器的多模特性。后又將鏡像結構引入光子晶體的中心處形成凹陷腔,通過分析諧振峰值波長的漂移對氣體進行檢測[68]。同年,為了提高異質結構光子晶體環(huán)形腔濾波器的濾波特性,該團隊采用粒子群算法對其結構參數進行全局優(yōu)化,從而實現單模窄帶濾波,并使歸一化透射率由53%提高到97%,為該濾波結構在光電器件中的應用奠定了基礎[69]。

2017年,陳穎團隊[70]提出一種含金屬雙縫的金屬-電介質-金屬波導耦合環(huán)形腔結構。通過形成的法諾共振實現慢光。結果表明,優(yōu)化后的結構群折射率可達205,優(yōu)化結構的品質因數值可以達到5.74×1044,共振波長與折射率漂移的靈敏度約為825 nm/RIU。檢測到的折射率范圍適用于所有氣體。

基于相位調制型的光纖傳感器具有靈敏度高、探頭結構靈活多樣、可測量對象廣泛以及可實現長距離分布式測量的優(yōu)點,但上述光纖干涉儀有幾個共同缺點,即對溫度敏感、需要長相干長度的光源、信號處理電路復雜等,由此多種基于混合結構的光纖傳感器、可同時分辨多參量的干涉儀、超高靈敏度光纖陀螺儀等均成為了研究熱點。另外,基于相位調制型光纖傳感原理的分布式光纖傳感技術目前大部分還處于實驗室研究階段,如何降低成本并實用化將成為未來面臨的一大難點。

3 波長調制型

波長調制型的光纖傳感技術是通過檢測由外界待測參量引起光纖中傳輸的光波變化的光譜特性,來對外界物理量及其變化量進行測量。

3.1 光纖光柵傳感

光纖光柵傳感器件具有體積小、熔接損耗低、與光纖完全兼容、可嵌入智能材料等特點,且共振波長對外界環(huán)境(溫度、應力、折射率、濃度等)的變化十分敏感,是一種最具應用前景的波長調制光纖傳感器件。以光纖光柵為基礎的傳感過程是利用外部待測參量對光纖光柵反射中心波長進行調制,從而得到待測參量信息,其數學表達式為

式中,λ為光纖光柵反射中心波長,neff為纖芯的有效折射率,Λ為光纖光柵的周期。

可以看出,當外界影響纖芯的有效折射率或者光纖光柵的周期時,其反射中心波長也會發(fā)生變化,利用這一特性可以將光纖光柵用于多種物理量的測量。其中,應用最為廣泛的是光纖布拉格光柵(Fiber Bragg Grating,FBG),2017年,張燕君等[71-72]利用兩個不同中心波長的FBG,分別實現了可調量程的拉繩式位移測量與輪輻式扭矩測量,2021年,該團隊提出了基于磁控濺射技術的FBG應力傳感器封裝方法[73],針對完全嵌套(整個柵區(qū)嵌套毛細銅管)和兩端嵌套(柵區(qū)兩端嵌套毛細銅管)兩種封裝方法進行了實驗,仿真實驗結果表明,該模型下FBG傳感器的靈敏度能提高約7.5%。另外,FBG因其獨特的特性在醫(yī)療應用領域也顯示出巨大的潛力,例如,科研人員將FBG封裝在硅橡膠中制成易于佩戴、無創(chuàng)、有彈性的柔性傳感器,實現對呼吸和心率的監(jiān)測,如圖10所示[74]。

圖10 基于FBG可穿戴系統示意圖Fig.10 Schematic diagram of FBG wearable system

近幾年來,基于長周期光纖光柵(Long Period Fiber Grating,LPFG)、啁啾光纖光柵(Chirped Fiber Bragg Grating,CFBG)和傾斜光纖光柵(Tilted Fiber Bragg Grating,TFBG)的研究也時有報道。2017年,畢衛(wèi)紅等[75]通過建立LPFG中心波長、透射譜峰值損耗與混合油品中柴油含量的關系,檢測出柴油煤油混合油的折射率特性。2018年,劉強等[76]為了克服折射率測量過程中溫度交叉敏感的影響,提出并制備了一種少模光纖LPFG傳感器,實驗結果表明:兩個諧振峰差值在折射率1.333 3～1.376 6范圍內的靈敏度為143 nm/RIU,在溫度20～70 ℃范圍內的靈敏度為-2.5 pm/℃。針對LPFG用作折射率傳感器時對低濃度溶液不敏感的問題,齊躍峰等[77]提出了一種納米膜修飾的光柵生物傳感器,實現了兔IgG的低濃度測量。2019年,夏曉鵬等[78]將CFBG膠封于等強度梁上,進行應變與溫度雙參量同時測量。

使用多個光纖光柵形成級聯結構,可以實現多種待測物的檢測,并且具有更高的精度。例如,將在單模光纖與雙包層光纖熔接點處形成的粗錐與兩個周期不同的LPFG級聯,實現溫度、折射率和軸向應變的同時測量[79]。2022年,王翀等[80]將光纖光柵與SMF相結合構成微秒級別級聯結構,在中心波長1 550～1 553 nm范圍內可實現4種不同的時延效果。

通過復用技術將多個光纖光柵傳感系統組合起來,可以構成不同拓撲結構的光纖光柵傳感網絡,如總線型、環(huán)形、星形以及混合拓撲結構等。但使用單一復用技術已無法滿足傳感網絡大容量的需求,因此近年來波分/時分復用、波分/空分復用等混合復用技術相繼被提出,極大地提升了傳感器網絡的復用容量。例如,有科研人員采用碼分復用與波分復用混合的方案,可以處理從幾米到幾公里范圍的傳感器網絡長度的詢問[81]。

3.2 表面等離子體共振傳感

表面等離子體共振(Surface Plasmon Resonance,SPR)是一種光學現象,當入射光在金屬表面發(fā)生全內反射產生的倏逝波與表面等離子體波(Surface Plasmon Wave,SPW)滿足相位匹配條件時會激發(fā)SPR,當SPW被局限在納米結構,并與倏逝波滿足條件時,就會產生局域表面等離子體共振(Localized Surface Plasmon Resonance,LSPR),此時,倏逝波耦合到SPW中,入射光能量下降,損耗譜上出現損耗共振峰,共振峰的位置隨外界待測物質的折射率、溫度等因素變化而變化,通過建立數學模型可以計算得到外界待測物質的相關待測量。

2021年,李曙光團隊[82]設計了多模光纖-微結構光纖-多模光纖結構組成的SPR折射率傳感器,該傳感器在25～46 ℃的溫度波動范圍內具有很高的溫度不敏感性,在1.332 8～1.399 0折射率檢測范圍內具有良好的線性度(R2=0.969 1),靈敏度高達3.2×103nm/RIU。2022年,該團隊將馬赫-曾德爾干涉和SPR結合,應用雙芯光纖通過錯位熔接和銀鏡反應等進行折射率的測量[83],在1.333 3～1.380 4折射率檢測范圍內,靈敏度達到3×103nm/RIU。同年,王一晴等[84]基于SPR原理和三芯光纖的強耦合特性,設計了一種基于錐形三芯光纖的銀膜/高純銦薄膜SPR傳感器,傳感器的靈敏度為4.99×103nm/RIU,質量分數測量范圍為1.4%～3.6%,能實現水下5 000 m深度范圍內的海水鹽度測量。

2020年,陳海良等[85]在D形高雙折射光子晶體光纖的平面上涂敷材料金,實現對折射率和溫度的實時監(jiān)測,在1.43～1.50的折射率范圍和36～86 ℃的溫度范圍內,靈敏度最高分別達到44 850 nm/RIU和-16.875 nm/℃,并且可以通過調整金膜厚度來調整折射率和溫度檢測范圍。2022年,該團隊提出了一種空心負曲率光纖中具有兩個損耗峰的SPR自驗證溫度傳感器[86],在反共振管內壁鍍金膜,在空芯負曲率光纖的氣孔中填充甲苯和氯仿的熱光混合物,從而調節(jié)核心模式和表面等離子體極化子模式(Surface Plasmon Polaron Modes,SPPMs)之間的耦合。兩個SPPM的溫度測量靈敏度分別為-3.976 nm/℃和1.071 nm/℃,當檢測到兩個SPPM損失峰之間的波長間隔時,靈敏度達到-5.047 nm/℃。2023年,該團隊在光子晶體光纖外圍涂敷銀膜,采用聚二甲基硅氧烷作為傳感器探頭的溫度敏感材料[87],實驗得出折射率靈敏度在1.333～1.3953范圍內為3.34×103nm/RIU,在50～100 ℃范圍內溫度靈敏度可達2.02 nm/℃。

基于SPR的光纖傳感器也常用于免疫標記生化檢測技術,目前被廣泛應用于光熱治療[88-89]、抗原抗體反應、模擬細胞膜與藥物作用、蛋白質相互作用分析和病毒測定等研究。2019年,國外研究人員首次提出一種基于氧化石墨烯和葡萄球菌蛋白A共修飾TFBG的高靈敏度SPR生物傳感器,實現了人免疫球蛋白G的檢測[90]。同年,何雷等[91]應用SPR儀對候選核酸適體進行親和力檢測,為后續(xù)檢測血清中DKK1提供了解決思路。2023年,有研究人員[92]設計了一種雙信號放大的SPR生物傳感器,并使用三明治結構高效地檢測SARS-CoV-2 N蛋白,檢測限為0.083 ng/mL。

與棱鏡型SPR傳感器相比,這種基于光纖的SPR傳感器具有體積小、響應快、成本低、可實時在線檢測等優(yōu)點,在生命科學、藥物開發(fā)、醫(yī)學診斷、公共安全和環(huán)境污染等領域有更廣闊的應用前景和經濟價值。

3.3 光纖熒光傳感

物質分子在吸收了入射光后,從基態(tài)躍遷到激發(fā)態(tài),經過振動等過程退激發(fā)到基態(tài),輻射出的光被稱為熒光。由于物質的熒光光譜只與物質本身的成分及分子結構有關,因此可以根據物質的光譜位置、強度、熒光壽命等方面,進行物質成分及含量的檢測[93]。

針對熒光發(fā)射光譜的研究,2019年,周昆鵬等[94]以化學需氧量(Chemical Oxygen Demand,COD)標準液為研究對象,分析了在不同溫度、濁度、pH值以及多種環(huán)境因素共同作用下熒光發(fā)射光譜的數據,并在此基礎上建立了多參量共同作用時對水質COD預測模型的補償校正方法,以降低外界因素對熒光光譜帶來的干擾。2020年,該團隊分別以COD標準溶液和實際水樣為研究對象,建立和驗證了基于單激發(fā)波長下熒光發(fā)射光譜數據的主成分回歸和偏最小二乘回歸模型[95],針對特定水樣,對比分析了上述兩種回歸模型下的預測效果。發(fā)現偏最小二乘回歸模型在有機物濃度較高時檢測誤差會變大,因此更適用于檢測有機污染物濃度較低的水體。該方法不需要經過復雜的化學處理,能夠很好地實現水質的實時檢測。

2021年,倪錦等[96]使用熒光光纖技術對冷藏車的溫度進行監(jiān)測,由于其溫度函數只與熒光光纖材料發(fā)出熒光壽命有關,不受外界系統因素的干擾,并且所使用的光纖探頭耐腐蝕、抗高壓及強電磁場等,所以這種測溫方法較傳統測溫方法具有更大優(yōu)勢[97]。

基于波長調制型的光纖傳感技術中,光纖光柵傳感器未來的主要發(fā)展方向是新型高分辨率與低成本光纖光柵解調儀的研制、多參量同時可分辨測量、多點準分布式傳感實現與多路復用以及傳感網絡建設等研究。

其他類型波長調制型光纖傳感器基本都是面向特殊和特定應用的傳感測量,且大部分為分立式、非功能型光敏感器件進行波長調制,很多傳感探頭需要精確和針對性的設計,因此未來的發(fā)展方向主要針對探頭小型化、微型化、簡易化開展研究,同時設法不斷提高傳感測量的靈敏度、分辨率、探測極限和探測范圍。此外,對于需要長期監(jiān)測液體折射率、濃度等特性參數的傳感器,如何進行特殊封裝從而提高測量的長期穩(wěn)定性是今后的一個研究重點。

4 偏振態(tài)調制型

光波是橫電磁波,而其振動方向相對于傳播方向的不對稱性稱為偏振。光敏感外界因素可以改變光在傳輸過程中的偏振特性,可通過檢測和分析光通過待測物理場后偏振態(tài)的變化得到待測參量信息。

偏振態(tài)主要基于旋光現象和雙折射。較典型的偏振態(tài)調制效應有泡克爾斯效應、克爾效應、法拉第效應和彈光效應。其中,磁光式電流傳感器的基本原理就包括法拉第效應,又稱磁致旋光效應,當偏振光通過磁光晶體時,會由于磁致旋光效應產生一個偏振旋轉角,通過測量該線偏振光的旋轉角,即可實現電流測量。

偏振態(tài)調制除常用于電流傳感器外,還可用于其他參量檢測。2022年,高超等[98]設計出波導式偏振調制測距系統,消除體相位調制器工作過程中熱效應對偏振調制測距精度的影響,重復性測試實驗中測量平均誤差為0.44 mm,測量重復性為0.54 mm,變距離實驗中測量平均誤差為0.39 mm。張誠等[99]采用1/4波片和偏振片搭建偏光調制結構對偏振光信號進行調制,檢測光波偏振態(tài)的斯托克斯參量。張玉存和劉海濱通過在光子晶體光纖的氣孔上選擇性地涂覆金膜,設計了一種可調諧的單偏振濾波器[100],并采用有限元法對光子晶體光纖濾波器的偏振特性進行了分析。當PCF長度為500 μm時,消光比大于-20 dB的帶寬僅為60 nm,通信窗口為1 550 nm,這有利于窄帶偏振濾波器的制作。

基于偏振態(tài)調制型的光纖傳感器具有較高的靈敏度,并且其結構簡單,容易根據需要進行調整,因此這種傳感技術的應用潛力是不容小覷的。隨著各種光纖傳感技術的不斷發(fā)展,基于偏振態(tài)調制技術和其他類型調制技術相結合的多參量同時傳感技術,將成為未來的一個研究熱點和重點。

5 頻率調制型

相對于其余四種調制類型,頻率調制型光纖傳感器的種類比較少,僅可以對有限的幾個物理量進行測量。頻率調制型光纖傳感器主要是利用光學中的多普勒頻移效應來對物體的運動速度進行檢測,這是目前研究較多的頻率調制型光纖傳感器。

2022年,李爭等[101]利用激光多普勒效應實現了對多自由度球面電機角速度進行非接觸測量,該方法的X軸和Y軸坐標誤差小于2 mm,Z軸坐標誤差小于0.2 mm,能較好地測量電機的球形轉子位置信息。這種基于激光多普勒效應的測速技術具有非接觸測量、精度高、響應快等優(yōu)點,被廣泛應用于各個領域。傳統的CCD成像在外界光纖干擾較大時會產生光學拖影現象[102],使得誤差較大,2023年,馬向東等[103]提出基于多普勒測振的陣列式光纖超聲成像系統,見圖11,這種系統適合全部通道并行傳感,成像速度為100 fps,實現了快速光學超聲成像。

圖11 基于多普勒測振的陣列式光纖傳感器Fig.11 Array optical fiber sensor based on Doppler vibration measurement

頻率調制還有一些其他方法,如光纖中的非線性特性產生的布里淵和拉曼散射頻移也是一種頻率調制現象。以布里淵散射頻移為例,當外界待測物理量發(fā)生變化時,光纖各處的布里淵散射譜也會改變,通過分析其與待測量之間的關系,可以實現對物理量的測量[104-105]。

由于光纖尺寸小巧,可以做成微型探頭,如將這種基于頻率調制型的光纖傳感技術與光學相干層析成像結合,可以用于醫(yī)學檢測、監(jiān)測與治療,其相關低成本、小型化測量儀器設備的研發(fā)將成為一大熱點。另外,對于頻率調制型光纖傳感器應用類型和可測量參量種類也將是未來一個重要的發(fā)展方向。

6 光時域反射傳感技術

除了上述按光波調制方式列舉出的多種光纖傳感技術外,分布式傳感中的光時域反射技術(Optical Time-Domain Reflectometry,OTDR)也成為了近年研究熱點,因此單獨對此進行簡單介紹。

OTDR最早由Barnoski于1976年提出,主要是基于脈沖光波信號在光纖中傳輸往返時間信息和反射光強度信息進行測量。在傳統的OTDR結構中,光脈沖傳輸到待測光纖環(huán)后,產生的背向瑞利散射光又傳輸回耦合器,最終由光探測器接收。但OTDR在其空間分辨率、動態(tài)范圍和測量時間三者之間會相互制約,針對這一問題,張芳等[106-108]將擴頻技術引入傳統OTDR,利用光DPSK技術在OTDR中直接使用雙極性擴頻碼,較好地解決了解擴中的難題。

光纖外部的環(huán)境變化或干擾以及光纖自身的問題不僅會引起背向瑞利散射光強度變化,還會引起其諸如偏振態(tài)、相位等方面的變化,由此產生了多種新型光時域反射技術,如相位敏感光時域反射(Phase Sensitive Optical Time-Domain Reflectometry,Φ-OTDR)技術、偏振光時域反射(Polarization Optical Time-Domain Reflectometry,POTDR)技術、相干光時域反射(Coherence Optical Time-Domain Reflectometry,COTDR)技術等。

Φ-OTDR由于具備監(jiān)測范圍廣、靈敏度高等優(yōu)點被廣泛應用于周界安防、結構監(jiān)測等領域[109-111],但隨著傳感任務的多樣化,傳統的信號處理方法已無法滿足Ф-OTDR系統的應用需求,科研人員從降噪和擾動分類等方面進行了改進。例如,熊興隆等[112]結合小波變換和經驗模態(tài)分解進行去噪,李岳陽等[113]將傳統的Φ-OTDR與頻分復用技術相結合,提升了解調信號波形的信噪比,程亞楠等采用改進的壓縮感知技術,使信噪比較其他方法有不同程度的提升。在擾動分類算法方面,羅天林等[114]采用一維卷積神經網絡對地埋光纖檢測振動事件進行分類,準確率達94.6%。梅春[115]將反向傳播(Back Propagation,BP)神經網絡分類器應用于基于Φ-OTDR的海纜防錨害系統,該試驗中模式識別準確率可達100%。除此之外,這種分布式傳感技術在定位等方面,也具有比傳統方法更大的優(yōu)勢[116-117]。

光纖中光波的偏振態(tài)對溫度、振動、應變等非常敏感,所以POTDR傳感技術常用于光纜中對上述事件的監(jiān)測。在傳統POTDR的基礎上,竇蓉蓉等[118]提出兩種新型的光纜布線方案,極大提高了POTDR的傳感靈敏度。李偉德等[119]設計出電纜安全狀態(tài)監(jiān)測系統,可將誤報率降至0.5%以下。劉丹蕾等[120]利用POTDR獲取光纜不同狀態(tài)下的后向散射數據,可對故障點進行精確定位。高擎昊等[121]基于傳統的POTDR結構,以多模光纖作為傳感介質,應用比值定位法和快速傅里葉變化進行信號處理,獲得了0.01 Hz的頻率精度。

COTDR的傳感系統利用相干探測技術抑制相關內部噪聲,可以實現長距離傳輸情況下的光纖斷點、溫度與應變等多參量的測量。針對環(huán)境復雜的海底光纜監(jiān)測問題,張成等[122]使用一種基于線性相關系數的COTDR事件判定方法,可有效地對事件點進行定位以及識別。周琪等[123]提出了一種有效的基于小波變換和線性相關系數的滑動平均算法,提升了測量曲線的平滑度并成功實現事件的自動識別。此外,科研人員還將COTDR技術與Φ-OTDR結合使用,利用支持向量機進行分類識別,系統的識別準確率平均達到92.62%,在周界安防方面有一定的前景[124]。

這種OTDR傳感技術有著其他類型傳感器無可比擬的諸多優(yōu)點,如單位距離傳感成本低、可實現長距離、全分布式傳感等,其研究與應用具有重要的科學與經濟意義。在未來發(fā)展方面,仍應致力于進一步提高信號接收與處理的能力,并解決多參量同時測量時的交叉敏感問題。此外,隨著測量參量不斷增加,對網絡的容量、結構和管理等方面的研究也將成為一大重點。

7 結論

光纖傳感技術近幾十年飛速發(fā)展,得到了廣泛的研究和應用,在航空航天、石油化工、電子電力、土木工程、生物醫(yī)藥等領域有著廣闊的前景。本文按照調制方式對該技術進行了分析、總結,其中重點介紹了相位調制型和波長調制型光纖傳感技術的研究進展,伴隨著如分布式光纖傳感、FBG陣列傳感、光纖陀螺等新技術的日益發(fā)展,以及保偏光纖、抗彎光纖等特種光纖的不斷出現,光纖傳感技術的性能指標不斷提高,應用領域不斷增加,其發(fā)展?jié)摿κ蔷薮蟮摹５S之而來的是更多的新問題、新挑戰(zhàn),比如光電器件大規(guī)模集成的需求、極端環(huán)境的應用需求以及光纖傳感網絡的優(yōu)化布設等。因此,光纖傳感技術仍然存在許多關鍵技術難題,有待研究人員深入探究,一一攻克。