光纖傳感技術(shù)用特種光纖基礎(chǔ)知識
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? 『摘要』本文較全面地介紹了用于光纖傳感器的各種光纖，開發(fā)傳感器用特種光纖的主要技術(shù)途徑，制作工藝及傳感特性。包括聲學(xué)敏感光纖、磁敏光纖、低雙折射光纖、圓雙折射光纖、橢圓雙折射光纖、線性雙折射光纖、保偏光纖、偏振光纖、稀土離子摻雜光纖及特種材料多組份光纖及光纖光柵等。

1 引言

??? 眾所周知，光纖傳感技術(shù)的起步并不比光纖通信滯后，但由于光纖通信給信息技術(shù)的發(fā)展提供的誘人前景和巨大市場，使得光纖技術(shù)的發(fā)展主要依從于光纖通信技術(shù)的發(fā)展。目前幾乎已覆蓋全球的龐大的光纖通信網(wǎng)，要求光纖有極低的損耗和極小的色散，以滿足高速率、大容量、遠(yuǎn)距離傳輸?shù)囊蟆９饫w產(chǎn)品對光纖通信的要求幾乎是盡善盡美、精益求精地去滿足，但對用于傳感技術(shù)的光纖所投入的力量則小得多。因此早期用于傳感器的光纖，大多數(shù)是從通信用光纖中選擇直接使用或作某些特殊處理（如包層處理后）再使用。這對于某些傳感器，如外部傳感器或某些簡單的內(nèi)部傳感器，已能滿足一定的要求。但隨著光纖傳感技術(shù)的發(fā)展，在許多情況下，僅僅使用通信光纖是極勉強(qiáng)的。例如，光纖電流傳感器中，如果直接使用通信光纖，將有兩個(gè)致命問題，一是通信用石英光纖的費(fèi)爾德（ Verolet ）常數(shù)很小；二是為了使光纖環(huán)繞被測電流需把光纖繞成線圈，這將使光纖產(chǎn)生彎曲，從而產(chǎn)生很強(qiáng)的線性雙折射，其結(jié)果是將光纖本來很低的費(fèi)爾德常數(shù)又大大降低（約為原來的 1 ／ 50 ）以至無法實(shí)際應(yīng)用。因此，開發(fā)各種適合于傳感技術(shù)要求的光纖是非常必要的。

??? 傳感器用光纖一直是光纖技術(shù)領(lǐng)域中的一個(gè)重要研究課題。歸納起來主要通過以下幾個(gè)途徑開發(fā)特殊類型的光纖：

1 ）對石英光纖進(jìn)行某些特殊處理，可以改變光纖的偏振特性或其它預(yù)期的傳感特性。

2 ）對石英光纖在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上進(jìn)行改造，以改變其偏振特性。

3 ）改變光纖的摻雜材料，或在光纖結(jié)構(gòu)中插入金屬材料，以使光纖產(chǎn)生新的特性或獲得預(yù)期的偏振特性。

4 ）利用其它材料制成特種光纖，以獲得某種特性。

5 ）紫外寫人光纖光柵。

2 特殊處理的石英光纖

2.1 對光纖外套進(jìn)行特殊處理

??? 對包層的特殊處理可以用于聲學(xué)和磁場、電場、加速場、電流等干涉型光纖傳感系統(tǒng)中。它的聲學(xué)靈敏度是外套材料彈性模量和外套截面積乘積的函數(shù)。材料的彈性模量較高時(shí)，第二包層的厚度可較薄，反之亦然。磁性材料在磁場的作用下對光纖產(chǎn)生軸向應(yīng)力，而實(shí)現(xiàn)對磁場的傳感。

2.2 進(jìn)行熱處理的光纖

??? 在磁場和電流光纖傳感器中，為了克服纏繞時(shí)光纖彎曲產(chǎn)生的線性雙折射，一個(gè)有效的方法是對光纖進(jìn)行退火處理。由于線圈直徑很小產(chǎn)生很強(qiáng)的內(nèi)應(yīng)力。如果不消除，內(nèi)應(yīng)力造成的線性雙折射將使光纖線圈無法用于磁場電流的傳感。退火方法是將光纖線圈與陶瓷線圈骨架一起加熱到 800 ℃ ，保持一段時(shí)間后逐漸冷卻，則光纖彎曲引起的線性雙折射可完全消除，成為低雙折射或無雙折射的光纖。

2.3 拉絲時(shí)進(jìn)行特殊處理的光纖

??? 在光纖拉絲時(shí)，采取某些措施可以使光纖成為低雙折射的光纖、圓雙折射或橢圓雙折射光纖，以滿足光纖傳感器在偏振特性上對光纖的要求。

1 ）自旋型光纖：在光纖拉絲時(shí)，一邊拉絲一邊同軸旋轉(zhuǎn)光纖的預(yù)制律，可以得到自旋型光纖。預(yù)制棒的旋轉(zhuǎn)速度可以控制在每分鐘數(shù)千轉(zhuǎn)。這樣可以使光纖任意方位角的旋轉(zhuǎn)節(jié)距非常短。光在這樣的光纖中傳輸時(shí)，線性偏振光跟不上雙折射軸的這種高速旋轉(zhuǎn)。這對傳輸模而言，意味著光纖呈圓對稱，因此光纖內(nèi)部的線性雙折射和偏振模失 2pm 。這給光纖的制造和光纖間的耦合帶來了困難。但也有好的一面，即光纖的彎曲損耗小，且半導(dǎo)體激光器輻射光斑的形狀與橢圓芯相近，因此易于實(shí)現(xiàn)與激光器的直接耦合。

2 ）蝴蝶結(jié)光纖：其結(jié)構(gòu)在靠近光纖芯處有兩個(gè)扇形應(yīng)力區(qū)，光纖材料為播鍺石英玻璃（ GeO2 ／ SiO2 ）。應(yīng)力區(qū)的材料為摻硼（高濃度）石英玻璃，由于摻硼區(qū)域周圍區(qū)域的熱壓縮不同，因而在光纖中引人很強(qiáng)的內(nèi)應(yīng)力。應(yīng)力的作用使光纖產(chǎn)生線性雙折射。在各種線性雙折射光纖中，蝴蝶結(jié)光纖是雙折射最強(qiáng)的光纖，其雙折射參數(shù) B 可達(dá) 4.8 × 10 － 4 。為了獲得盡可能大的雙折射，應(yīng)當(dāng)使扇形應(yīng)力區(qū)盡可能接近光纖芯，但也不能過分靠近，否則在包層中將產(chǎn)生消失場，導(dǎo)致光纖損耗增加。這對其它應(yīng)力雙折射光纖也是適用的。

3 ）熊貓光纖：熊貓光纖的名稱來自于英文縮寫 PANDA ，其真實(shí)含義是偏振保持和吸收還原（ Polarization-maintaining and absorption-reducing ）。為了形成線性雙折射，需在光纖預(yù)制律中，光纖芯區(qū)兩邊對稱的位置各鉆一個(gè)圓孔，并在每個(gè)圓孔中各插入一個(gè)尺寸相當(dāng)?shù)膿脚痤A(yù)制律。通常，光纖預(yù)制棒是用 VAD 法制成的，而摻棚的預(yù)制律則是用普通的 MCVD 法制成的。因此熊貓光纖預(yù)制棒是～個(gè)復(fù)合預(yù)制棒。然后用普通的方法拉成光纖，光纖冷卻后，在摻棚的預(yù)制律中產(chǎn)生對稱于光纖芯的扇形應(yīng)力區(qū)，使熊貓光纖成為線性雙折射光纖。

3.2 偏振光纖

??? 偏振光纖是以另一種方式工作的特殊光纖。其特點(diǎn)是在光纖中引人一種強(qiáng)衰減。但光纖中的兩個(gè)正交偏振模中只有一個(gè)模受到衰減，而另一個(gè)模仍以極低的損耗在光纖中傳輸。因此即使互相垂直的兩個(gè)偏振模同時(shí)注入光纖，由于其中一個(gè)模衰減很快，因此光纖輸出端只有一個(gè)線性偏振模輸出。與保偏光纖相比，偏振光纖可以提高注人光的消光比，具有起偏作用，因此偏振光纖的輸出光與輸入光相比可以具有很高的消光比。而保偏光纖在理論上只能保持往火光的偏振態(tài)，輸出光的消光比不會(huì)高于注入光的消光比。偏振光纖的工作原理是迅衰場原理，使某一個(gè)偏振模迅速衰減的光纖結(jié)構(gòu)有如下兩種。

1 ） D 形截面光纖： D 形截面光纖是將單模光纖預(yù)制律沿軸向的一側(cè)進(jìn)行研磨去掉一部分包層。直至被研磨的平面接近光纖芯使預(yù)制棒的形狀半圓形（形），然后進(jìn)行拋光。拉絲過程中適當(dāng)控制溫度，使光纖截面仍保持 D 形。同時(shí)高溫火焰中的拉絲對 D 平面（即拋光平面）進(jìn)一起火焰拋光作用，使 D 平面成為極其光滑的低散射表面。用這種方法拉制出的 D 形截面光纖，可以使光纖中與光滑平面相平行的偏振光不受衰減，但垂直于光滑平面的偏振光迅速衰減，成為只有單一偏振輸出的偏振光纖。通過適當(dāng)控制預(yù)制律材料被磨去的厚度，也即調(diào)整光滑平面到光纖芯的距離，可以確保迅衰場的衰減最大，而又保證非迅衰場的衰減最小，使偏振光纖獲得最大消光比。

2 ）中空截面光纖：這是對 D 形光纖的一種發(fā)展和改進(jìn)。由于 D 形光纖的截面不是完整的圓形，給使用帶來不便。中空截面光纖是在 D 形光纖預(yù)制棒的外面套上一個(gè)尺寸相配的套管，形成一個(gè)包含 D 形光纖截面和中空截面的復(fù)合型預(yù)制棒。在對復(fù)合預(yù)制棒拉絲時(shí)，適當(dāng)控制拉絲溫度，使 D 形光纖保持 D 形截面不變，同時(shí)又要使 D 形光纖與包層套良好熔接在一起。最后拉制成的光纖截面仍保持的形狀，因此稱為中空截面光纖。中空截面光纖的優(yōu)點(diǎn)是可以像普通光纖那樣進(jìn)行處理、切割和連接。

3 ）金屬玻璃光纖：這種光纖是在中空光纖的空洞中注入低溫合金而成的。由于合金的注入使得這種光纖具有極強(qiáng)的偏振特性，可以制成金屬玻璃光纖起偏器。金屬玻璃光纖。光纖的數(shù)值孔徑約為 0.16 ，截止波長約為 1.25pm ，中空截面到光纖芯的距離約為 3pm 。空洞中填充的金屬是低熔點(diǎn)的 SnIn 合金，熔點(diǎn)為 120 ℃ 。用一個(gè)裝有合金的不銹鋼注射器在 130 ℃ 的溫度和 4 × 105Pa 大氣壓力下，將合金緩緩地注入到光纖的空洞中。大約每分鐘可以填充 2m 長的光纖。光纖的外面套上丙烯樹脂包層。 5cm 長的光纖可獲得 40dB 的消光比，波長范圍為 1300 ～ 1600nm 。通過調(diào)整光纖芯到金屬平面的距離，可以控制光纖的消光比。因此光纖偏振器的消光比可以做得很高，長度為 1cm 甚至更短的一段光纖，其最大消光比可超過 100dB 。

4 改變光纖的摻雜材料

??? 前述的光纖都是以石英光纖為基礎(chǔ)，對其進(jìn)行某些特殊處理或特殊設(shè)計(jì)而成為特殊光纖。因而光纖的低損耗特性基本上得到保證。人們還可以用其它方法如在光纖中摻入少量其它材料或完全使用其它玻璃材料制成特殊光纖，因而使光纖具有新的特性。如使光纖具有光放大作用、強(qiáng)旅光作用或光克爾效應(yīng)。

4.1 接稀土全屬高于光纖

??? 早期，人們對在石英光纖中摻入稀土金屬離子曾持懷疑甚至否定態(tài)度。這是因?yàn)樵诠饫w技術(shù)發(fā)展過程中，曾絞盡腦汁去掉各種金屬離子以降低光纖損耗。但 Poole S B 和 Town send J E 等人證明了如果嚴(yán)格控制光纖芯和包層中稀土離子的含量，可以利用基于 MCVD 法的光纖技術(shù)，制造出低損耗的摻稀土離子光纖。可以摻雜的金屬離子有很多種，如鈦 Nd ，欽 Ho ，餌 Er ，鐠 Pr ，鏑 Dy ，鈦 Tb ，鈰 Ce ，銪 Eu ，銩 Tu ，釔 Yb 等。不同的摻雜可使光纖有不同的特性。例如摻鈦光纖的吸收與溫度變化有良好的線性關(guān)系，摻鈥光纖具有非常尖銳的吸收邊帶。摻鋱或鈰離子的光纖具有強(qiáng)旋光特性，滲餌或鐠可使光纖具有主動(dòng)性，即具有放大或振蕩功能。摻雜的程度可以 2 × 10-7 ～ 3 × 10-3 質(zhì)量百分比范圍內(nèi)變動(dòng)。摻稀土光纖的制造工藝可以以接欽為例來說明，它以 MCVD 工藝為基礎(chǔ)，在某些問題上進(jìn)行了特殊處理。這主要是在室溫下稀土離子的鹵化物是固體，它們?nèi)埸c(diǎn)高，蒸氣壓低并且以水合物的形式出現(xiàn)。為了解決這一問題，將需要摻雜的物質(zhì)（如純度為 99.9 ％的 NdCl3 · 6H2O ）引入沉積管進(jìn)氣端的特殊氣室內(nèi)，在氯氣環(huán)境下被加熱烘干形成無水晶體，并熔化沉積在氣室壁上。然后對沉積管內(nèi)部進(jìn)行清理以去掉干燥過程中產(chǎn)生的任何雜質(zhì)。接下來是用常規(guī)方法形成包層。在沉積料芯時(shí)，氣室內(nèi)的摻雜物質(zhì)被加熱到 1000 ℃ 以產(chǎn)生少量 NdCl3 蒸氣，它被反應(yīng)氣流帶到沉積管的下游并被氯化與光纖芯結(jié)合在一起。與常規(guī) MCVD 相比，芯子的沉積溫度較低，因此芯子的組份最初是未被熔化的。在氯氣環(huán)境中繼續(xù)加熱后，芯子被熔化形成透明的元?dú)饪讓樱?jīng)過縮棒后形成堅(jiān)硬的光纖預(yù)制律。摻雜光纖中釹的含量為 5 × 10 － 6 質(zhì)量百分比，吸收衰減的溫度變化率為 0.2 ％ C － 1 。還有人采用鐵摻雜的稀土光纖，摻雜濃度為 10-3 質(zhì)量百分比，如果把它作為分布式溫度傳感器，靈敏度為 1 ℃ 時(shí)，分辨率為 3 ． 5m ，溫度線性范圍為一 200 ～＋ 100 ℃ 。摻鈥光纖除具有敏感的溫度特性，還具有陡峭的吸收邊帶特性，可以構(gòu)成靈巧的濾波器。例如 7m 長的摻欽光纖對 633nm He － Ne 的泵源和反斯托克斯賴曼散射譜線 616nm 之間的衰減差可達(dá) 109 ，因此可對泵光波長有非常好的抑制特性。摻雜光纖的更大熱點(diǎn)是接餌或摻鐠光纖。由于它們對光的放大作用，已在光纖通信中作為光纖放大器或光纖振蕩器獲行了巨大進(jìn)展和實(shí)際應(yīng)用。因有很多文章對其詳細(xì)介紹，本文不再詳述。

4.2 特種材料光纖

??? 可以完全利用某種光學(xué)材料制成光纖，如含武玻璃光纖或含缽玻璃光纖。由于玻璃內(nèi)所含成分較多，所以一般稱為多組份光纖或軟玻璃光纖。這些特殊的光學(xué)材料具有某些特殊的光學(xué)特性，如旋光特性、非線性等。光纖的制造工藝一般采用插律法（ rod intube ）。該光纖所使用的鋱玻璃中鋱的含量為 56 ％，光纖的折射率分布為 W 型，二次插棒法的工藝過程。 經(jīng)二次插棒和兩次拉絲過程制造的鋱玻璃光纖具有極強(qiáng)的旋光特性，費(fèi)爾德常數(shù) V 一 9.52 π× 10-2min ／ A ，芯徑φ 1= 4.5mm ，內(nèi)包層直徑φ 2= 25.3mm ，外包層直徑φ 2= 125mm 。

5 紫外寫入光纖光柵

??? 這是利用光纖折射率對紫外光照射具有敏感性而發(fā)展起來的一種特殊光纖器件，早在 1978 年 K.O.Hill 就發(fā)現(xiàn)了這種敏感性，但直到 1989 年 G.Melth 才第一次實(shí)現(xiàn)了用干涉法寫入的可用于通信波長的光纖光柵。光纖光柵可廣泛用于色散補(bǔ)償器、波分復(fù)用器和光纖傳感器等各個(gè)領(lǐng)域。 早期的光纖光柵采用的是普通光纖，它對紫外光的敏感性較差，寫入靈敏度低。因此增敏技術(shù)的研究是很重要的。如曾有人在摻鍺光纖上采用高壓荷氫（ H2Loading ）增敏技術(shù)來制造光纖光柵。這種方法的優(yōu)點(diǎn)是光纖是普通光纖，不必特殊制作，但缺點(diǎn)是降低了光纖的強(qiáng)度，不便于光纖的連接，不能實(shí)現(xiàn)大批量快速生產(chǎn)。增敏的另一解決辦法是開發(fā)用于光纖光柵的特殊光纖，使之對紫外寫入有更高的靈敏度和適合批量生產(chǎn)，如高摻鍺光纖、共摻棚光纖、共摻錫光纖等。此外有些其它共摻光纖，如共摻缽、共接鉭、共摻鉛等，但性能都不如共摻錫光纖，未獲得實(shí)際應(yīng)用。單純的高摻鍺光纖有一些缺點(diǎn)，如光纖數(shù)值孔徑過大，不利于與普通光纖連接，光折射率的變化較低（ 10-4 數(shù)量級）。共摻棚光非石英材料的光纖損耗都很大，只能用于光纖傳感或制造特殊的光纖器件，而不能用于光的傳輸。纖可使光致折射率提高一個(gè)數(shù)量級，約為 10 － 3 。另外摻硼降低了纖芯折射率，數(shù)值孔徑隨之降低，因而降低了與普通光纖的連接損耗。但摻棚的缺點(diǎn)是光纖自身損耗增大，溫度系數(shù)增大，摻雜不均勻和拉絲不均勻?qū)е鹿饫w軸向光敏性的不均勻。接錫光纖是其中最好的一種特殊光纖，可降低溫度系數(shù)，降低自身損耗，光敏性更強(qiáng)，光敏均勻性提高等優(yōu)點(diǎn)。 光纖光柵是一個(gè)仍在繼續(xù)發(fā)展的領(lǐng)域，一種性能優(yōu)良的用于光纖光柵的侍殊光纖，不僅靠材料的改進(jìn)，也可以通過工藝的改進(jìn)來獲得。目前制作光纖光柵用的特種光纖的工藝主要是 MCVD 法和 VAD 法。 MCVD 法的主要缺點(diǎn)是光纖的光敏均勻性較差。這主要是由于氫氧焰噴燈的螺旋式前進(jìn)，形成局部沉積溫度差，造成預(yù)制律的局部不均勻性。但通過改進(jìn) MC VD 法的工藝控制過程，將能提高其均勻性。用 VAD 法制出的光纖光柵，將有較好的均勻性。

6 結(jié)束語

??? 本文從對石英光纖的特殊處理，改變石英光纖的結(jié)構(gòu)，改變石英光纖的摻雜材料及利用特殊材料等方法論述了光纖傳感器用特種光纖的研究開發(fā)、制作工藝及其傳感特性。
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