新一代光纤智能传感网与关键器件基础研究进展*

刘铁根,秦尊琪,陆 颖,江俊峰,张红霞,刘 琨

(1.天津大学精密仪器与光电子工程学院,天津 300072；2.天津大学光电信息技术教育部重点实验室，天津 300072)

新一代光纤智能传感网与关键器件基础研究进展*

刘铁根1,2,秦尊琪1,2,陆 颖1,2,江俊峰1,2,张红霞1,2,刘 琨1,2

(1.天津大学精密仪器与光电子工程学院,天津 300072；2.天津大学光电信息技术教育部重点实验室，天津 300072)

天津大学在973计划项目的资助下，开展了光纤传感技术相关研究.其主要内容包括设计了基于光子晶体光纤的填充银线的PCF-SPR传感器，最佳灵敏度为2 400 nm/RIU；设计了一种基于液芯光子晶体光纤的PBG-PCF温度传感器，传感器的最高分辨率为4×10-6nm/RIU；设计了基于甲苯-氯仿混合溶液填充的光子晶体光纤可调谐热敏光开关，通过改变溶液配比实现不同温度跃变点；构建了基于光微流体理论的3种结构模型，并针对模式场分布及磁场探测展开了研究；构建了基于L波断掺饵光纤放大器的光纤内腔气体传感系统，其绝对误差小于0.04%；针对传感器结构、解调光路、解调算法，设计并优化了F-P传感系统；提出了针对光纤传感网的评估鲁棒性模型，开展了梳状暗调谐光源技术和OFDR技术在光纤传感网检测方面的研究.

光纤传感；光子晶体光纤传感；光微流体；气体传感；光纤F-P传感；光纤传感网

天津大学光电信息技术教育部重点实验室依托于“光学工程”国家一级重点学科，目前拥有各种实验平台和大型仪器价值3 500余万元，曾获得一系列国家级、省部级研究计划资助.天津大学较早开展了光纤传感技术及相关检测技术方面的研究工作，取得了丰硕成果，并在2010年获得国家973计划“新一代光纤智能传感网与关键器件基础研究”资助，主要承担“新型光子晶体光纤传感器的基础研究”、“基于光微流体理论的生物化学光纤传感器的基础研究”、“光纤智能传感网实验平台关键技术及其应用的基础研究”等3个课题研究工作.在本项目实施过程中，天津大学取得了一系列成果，发表相关研究论文100多篇，申请发明专利80多项，获得天津市技术发明一等奖1项.本973项目的研究工作对于提升中国在光纤传感及光电子领域中的自主创新能力、增强中国信息产业的国际竞争力、促进国民经济的快速可持续发展具有重要意义.

1 新型光子晶体光纤传感器

目前绝大多数光纤传感器的传感元件采用的是普通光纤，这就导致传感器本身存在光功率损耗较大、保偏性较差、不同部分容易产生交叉敏感等固有缺陷[1]，严重地阻碍了光纤传感器性能的提高.而基于光子晶体光纤的新型传感器可以克服以上缺点，并具有一系列优点[2].笔者通过选择具有特殊结构的光子晶体光纤[3]，并在其气孔中填充不同的物质研制出不同的光子晶体光纤传感器[4].

1.1填充多根金属纳米银线的PCF-SPR传感器

受限于目前技术水平，在光子晶体光纤的气孔中镀膜是一项非常困难的工作，并且不能实现重复性制作，因此笔者提出了一种基于柚子型光子晶体光纤的传感方法，通过在其气孔中填充多根银线的方式实现表面等离子共振传感[5].

利用有限元法对光子晶体光纤传感器中纳米银线的填充数量和距离进行仿真.仿真结果表明在同一个空气孔中，当不同银线之间的距离为2 μm时，传感器具有最佳值灵敏度(见图1)；当填充3根银线时，传感器的灵敏度最高，随着银线根数的增多，传感器灵敏度基本达到稳定(见图2).为了讨论这个仿真设计的实际可操作性，笔者进一步研究了在纳米银线不规则性填充情况下，传感器的灵敏度变化.研究结果表明，传感器的灵敏度基本不受影响，稳定在183 nm/RIU左右.

图1 2根银线之间的距离对灵敏度的影响

图2 PCF中银线根数与灵敏度的关系

1.2基于液芯光子晶体光纤的PBG-PCF传感器

图3 基于液芯PCF-SPR 传感器的结构示意

为了克服空气芯的PBG-PCF传感器只能允许特定波长光传输的缺点，笔者设计了一种在中间的大空气孔中填充甘油的液芯PCF-SPR温度传感器[6]，该传感器的具有全内反射型的导光机制，大大拓宽了通光范围，如图3所示.甘油的折射率随着温度的不同而不同，因此环境温度可以通过测量透射光推算得到.

所有操作均在PCF的大空气孔中，填充甘油液体和镀膜变得更加容易，并且也更加容易保证镀膜的均匀性.笔者对传感器的液芯直径、金属膜均匀度等影响传感器灵敏度的因素进行了分析计算.研究结果表明，当采用幅度探测方法时，若探测器可以探测1%的幅度变化，传感器的灵敏度可以达到2.8×10-5nm/RIU.当采用光谱探测方法时，若光谱仪具有10×10-12m的分辨率，则传感器的灵敏度可以达到4×10-6nm/RIU.

1.3基于混合液体填充的光子晶体光纤可调谐热敏光开关的设计

笔者设计了一种基于甲苯-氯仿混合溶液的PCF可调谐热敏光开关，通过将不同浓度的混合溶液填充到光子晶体光纤包层空气孔中，可以使光子晶体光纤呈现出温敏特性.该种器件可以作为热光传感器、衰减器及慢响应光开关，具有结构简单、高集成度、易于拉制、成本低廉等优点.

从理论上采用全矢量有限元方法，模拟了此设计中光子晶体光纤结构参数对光信号传导特性的影响.分析结果表明，较大的占空比、较长的入射光波长以及较少的包层空气孔层数有利于提高液体填充光子晶体光纤的温度敏感特性.实验上，选用柚子型光子晶体光纤，填充的温敏液体为甲苯-氯仿混合溶液.实验结果表明，对于不同配比的混合填充溶液，该种器件呈现出5 ℃范围的可调谐温度敏感区域，插入损耗为3～4 dB，消光比为20 dB.实验装置示意图如图4所示，其中，光源采用Agilent 8164A可调谐半导体激光光源，透射光强采用数字功率计接收.

图4 实验装置示意

2 基于光微流体理论的生物化学光纤传感器

拓展传感检测对象，实现多参量传感是光纤传感技术发展的另一个重大方向，生物化学光纤传感是其中的一个崭新领域.针对光微流体传感、气体传感以及气体压力传感，笔者进行了以下深入的研究.

2.1基于微流体的微毛细管传感系统

基于微毛细管的生物传感器不需要对待测物进行标记，通过测量待测物的折射率即可实现检测，相比传统的检测方式具有极大的优势[7]，是目前光纤传感研究中的一个新颖方向.在研究中，基于柱坐标下微腔回音壁谐振模式的空间电磁场分布，笔者提出了波导光栅结构、管壁周向光栅结构以及同心圆结构等互耦合作用结构理论模型，阐述了互耦合作用对增强谐振模式强度的影响.针对这3种结构，笔者基于时域有限差分算法进行了数值仿真，通过设定不同的介质参数和结构参数观察微腔中的谐振模式.

为了更加深入地进行实验研究，笔者构建了微管拉制系统，如图5所示.同时对微管拉制过程进行数学建模和理论推导，得出了微管尺寸随拉制长度的变化规律，如图6所示.

图5 微管控制系统

图6 微管控制结果

光与物质的相互作用直接受到微管回音壁谐振腔(WGM)的模式场影响[8]，因此在上述理论及实验平台的基础上，笔者针对不同径向模式下的光场分布对传感器灵敏度的影响进行了相关理论及实验分析.通过改变入射光的角度，利用棱镜耦合的方法在微管中激发出不同的径向模式，再用不同浓度的乙醇水溶液进行传感实验，分别获得了不同径向模式的传感灵敏度.实验结果表明，传感灵敏度受径向模式数的影响较大，从初始的28阶WGM径向模式激发到最高阶时，灵敏度提高了21.739 nm/RIU.

此外，为了进一步拓宽光微流体传感的应用范围，笔者还开展了基于磁流体和无芯光纤(NCF)的全光纤结构的磁场传感研究[9].利用磁流体的磁场敏感特性，在光与磁流体作用机制下，进行了基于NCF的单模-多模-单模光纤(SMS)结构折射率传感器的研究.并采用LP模近似和模式耦合理论建立了仿真模型，该模型不仅可以仿真在弱导近似下的SMS结构的透射率，还可以仿真非弱导近似下的透射率.

2.2 L波段的气体传感系统

基于L波段的掺饵光纤放大器，笔者构建了一种光纤内腔气体传感系统[10]，同时串联标准具和光栅，为系统提供波长参考，系统最佳工作条件下在整个增益带(1 560～1 600 nm)内，激光输出功率较大，噪声较小，信噪比能满足气体传感系统的需要，如图7所示.

图7 L波段气体传感系统原理

在上述系统的基础上，笔者搭建了光纤环腔激光器，该激光器采用L波段掺饵光纤放大器和光纤法珀可调谐滤波器作为主要器件，同时采用波长扫描的方法对CO2气体的浓度进行检测[11].浓度解调结果显示，绝对误差小于0.0.4%，相对误差低于0.52%，气体吸收谱线波长定位误差不超过30×10-12m.针对气体吸收受温度变化影响的问题，对气体吸光度曲线进行温度补偿，避免了不同温度下气体浓度的重复标定，同时降低了浓度测量误差.

2.3气体压力检测系统

天津大学是国内最早开展光纤F-P传感的大学之一，在相关传感器和解调系统方面积累了雄厚的科研实力.天津大学与中航工业凯天电子股份有限公司成立了光纤传感联合研究中心，针对国家在航空航天的重大需求，笔者优化了气体光纤F-P压力传感器的设计和制作，采用高精密机械加工、MEMS微加工、键合封装等技术研制了光纤压力F-P传感器，实现无胶化密闭封装.该传感器采用膜片式的非本征光纤F-P结构，将单晶硅膜片的抛光表面作为F-P腔反射面，同时又作为压力敏感元件感受气体压力产生的微变形，再将微变形耦合转换成F-P腔的光学干涉输出.

此外，针对解调光路[12-13]，笔者基于低相干、偏振干涉理论进行了优化，使得解调模块的信号采集质量和速度得到进一步提高.针对法珀气体压力解调算法的优化，提出了一种任意极值解调算法，大幅提高了解调速度[14].提出了单色频率恢复绝对相位法[15]，提高了解调精度，解调精度达到0.1%F.S.

为满足航空测试的需求，进行了航空热真空环境下的光纤压力传感器试验，光纤传感器经受住了10-3Pa高真空度、-196 ℃冷黑环境的考验，圆满地完成了测试任务.

3 光纤智能传感网实验平台关键技术及其应用

光纤智能传感网是将各种分立式光纤传感器和分布式光纤传感器按照一定的拓扑结构组成的网络，具有长距离传感，并且具有自诊断和自愈的功能.笔者基于多年在光纤传感研究方面积累的经验，针对光纤传感网的鲁棒性进行了研究，为其应用提供理论基础，同时还开展了用于光纤传感网的梳状暗调谐光源技术和基于OFDR技术的光纤传感网检测方法的研究.

3.1光纤传感网的鲁棒性

鲁棒性是衡量光纤传感网的一项重要指标，笔者提出了一种理论模型[16]用来评估光纤传感网的鲁棒性：

(1)

其中：Ak(r)表征光纤传感网对监测区域的覆盖率，与监测区域的面积、正常工作状态的传感器的模型和安装位置有关；P(Wk)表征传感网W在P(Wk)状态发生的概率，与传感网的拓扑结构及光纤连接断点发生的概率有关.笔者组建了基于光纤光栅传感器的用于热源监控的光纤传感网来验证该评估模型.实验结果表明，该模型误差小于3%，具有较高的准确性.

3.2用于光纤传感网的梳状暗调谐光源技术

不同光纤传感网对光源提出了不同的要求，为了实现采用一种光源通过不同参数调整即可满足使用要求，笔者展开了梳状暗调谐光源的研究工作.

利用LN调制器和一个单频DFB激光器实现了波长间隔为10 GHz(0.08 nm)的多波长(3 dB内25个波长)同时输出，将该方法应用于FBG光纤传感网的光源，可以简化解调系统并提高解调速度.还利用电吸收调制器EAM完成了快速光开光实验，得到了宽度为30 ps的光门脉冲，重复频率为8 GHz，这项技术将用于OTDR解调系统中，大大提高解调扫描速度.

通过对光源技术的研究，可以为新型光纤传感网提供更合适的光源，并能提高系统的解调速度，为传感网光源资源的动态分配及再利用奠定技术基础.

3.3基于OFDR技术的光纤传感网检测方法

为了实现光纤传感网智能自检自愈，笔者开展了基于OFDR技术的光纤传感网智能检测方法，来检测传感网在正常和失效情况下的反射、偏振表征.采用附加干涉仪的方式得到可调谐光源非线性相位，然后通过去斜滤波器将主干涉拍频信号中的非线性相位或相位噪声[17]进行补偿.在OFDR光纤测量系统中，当测试距离为10 km时，空间分辨率达到20 cm，相比较未补偿时，空间分辨率提高了近100倍.

通过采用一种特殊的偏振分集探测技术[18]，可以有效抑制双折射在瑞丽散射光谱相关图上的偏振寄生边带效应，从而提高应变、温度等传感精度.将该方法应用到中等距离(大于15 km)基于偏振特性光频域反射方法(P-OFDR)的光纤智能传感网中，可以实现动态监测，且空间分辨率可达5 cm，并能识别光纤智能传感网出断点、损耗点、连接点等.

4 结语

天津大学基于国家973计划项目，在基于光子晶体光纤的新型传感研制出了新型的温度传感器和可调谐热敏光开关；在基于微流体的光纤传感方面，针对微管拉制、气体传感方面取得了较多成果；并针对光纤传感网的鲁棒性、光源技术、组网应用等方面进行了深入研究.但是，在基于微结构的传感器设计、相关解调算法、系统结构优化方面还有提升的空间.

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(责任编辑 陈炳权)

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

国家重点基础研究发展计划(973计划)资助项目(2010CB327801，2010CB327802，2010CB327806)

刘铁根(1955—)，男，天津人，天津大学精密仪器与光电子工程学院教授，博士，973项目“新一代光纤智能传感网与关键器件基础研究”首席科学家，主要从事光纤传感及光电检测研究.

TN253

A

10.3969/j.issn.1007-2985.2014.06.013