光纤传感器的基本知识

    8.1.1 光纤的基本结构和传光原理

    光纤是光导纤维（optic fiber）的简称，它是一种多层介质结构的对称柱体光学纤维，一般由纤芯、包层、涂敷层与护套构成，如图8－1所示。

    纤芯与包层是光纤的主体，对光波的传播起决定性作用。纤芯的成分主要为石英玻璃，一般为掺杂二氧化锗（GeO2）的二氧化硅（SiO2），掺杂的目的是提高纤芯的折射率。纤芯直径一般为5μm～75μm。包层成分一般为纯二氧化硅，其折射率n2略低于纤芯折射率n1，两者的相对折射率差定义为Δ＝1－n2／n1，Δ通常为0.005～0.140。包层直径一般为100μm～200μm，标准值为125μm。涂敷层一般采用硅酮或丙烯酸盐等高分子材料制成，外径约为250μm。涂敷层的作用在于隔离杂光，保护光纤的玻璃表面，防止其被划伤或发生其他机械损伤。护套的材料一般为尼龙或其他有机材料，用于增强光纤的机械强度和柔韧性。在一些特殊场合，可以没有涂敷层和护套，此时的光纤称为裸光纤。多根光纤以一定的结构形式组合起来就构成了光纤光缆。

    光纤能够将进入光纤一端的光线传送到光纤的另一端，光纤传光的基础是光的全内反射。如图8－2所示，光线以入射角θ0进入光纤端面，在端面发生折射，折射光入射到纤芯和包层的分界面上，设折射光纤在分界面上的入射角为θ1，那么，θ1与相应的折射角θ2存在如下关系：

    图8－1 光纤结构

    图8－2 光线在光纤内的传播

    n1sinθ1＝n2sinθ2 　（8－1）

    由于n1＞n2，所以折射角θ2大于入射角θ1。随着入射角θ1的增大，折射角θ2相应增大。当折射角θ2＝90°时，折射光消失，入射光线全部被反射。此时的临界角θc为满足全反射条件的最小入射角，有

    当入射角θ1＞θc时，光线只在光纤纤芯内不断反射并向前传播，直至从另一端射出。这就是光纤的传光原理。

    当入射角θ1不断增大时，入射到光纤端面的入射角θ0却在减小。由临界角θc可知，光线从外界（如空气，其折射率为n0）入射到光纤端面时，使光线能在纤芯内全反射传播的最大入射角θ0满足

    一般定义NA＝n0sinθ0为光纤的数值孔径，对应的最大入射角θ0称为张角。数值孔径NA表征的含义是：无论光源发射功率多大，只有入射角处于张角θ0内的光线才能被光纤接收，并在光纤内部连续发生全反射，最终传播到光纤另一端。数值孔径NA越大，表示光纤的集光能力越强。一般对光纤产品不给出折射率，只给出数值孔径。以常用的石英光纤为例，其数值孔径NA＝0.2～0.4，对应的张角为11.5°～23.6°。光纤在实际工作中常常发生弯曲，但是只要满足全反射定律，光线仍能传播。但对于光强调制型光纤传感器，这样会造成误差。

    8.1.2 光纤的分类

    光纤的分类可以从原材料、传输模式、折射率分布、工作波长和制造方法等方面考虑。

    1.按原材料分类

    制作光纤的材料有石英玻璃、多成分玻璃、塑料、复合材料（如塑料包层、液体纤芯等）、红外材料等。常用的是石英玻璃光纤，近年来塑料光纤也开始得到应用。

    2.按传输模式分类

    按传输模式，光纤可分为单模光纤和多模光纤。

    光在纤芯中的传播实质上就是交变的电场和磁场在光纤中向前传输，分为轴向和径向传播的两类平面波。沿径向传播的平面波如果在一个往复（相邻两次反射）中相位变化为2π的整数倍，则形成驻波。只有驻波才能在光纤中稳定传播，而一种驻波就是一种模。若光纤中只传播一种驻波就是单模光纤，如传播的驻波有多种就称为多模光纤。一般都希望光纤信号的模的数量少，以减少信号畸变的可能。

    单模光纤只传输主模，其传输的频带很宽，适用于大容量、长距离的光纤通信，使用的光波长主要为1 310nm或1 550nm。多模光纤在一定的工作波长（850nm～1 300nm）下有多种驻波在光纤中传输，相比于单模光纤，它的传输性能比较差。

    根据传输的偏振态，单模光纤可进一步分为偏振保持光纤和非偏振保持光纤，二者的差异在于能否传输偏振光。偏振保持光纤又可进一步分为单偏振光纤、高双折射光纤、低双折射光纤和圆保偏光纤。

    3.按折射率分布分类

    按光纤的纤芯和包层的折射率分布情况，光纤分为阶跃型、近阶跃型、渐变型以及三角形、W型等。最常用的是阶跃型光纤，它的制作最容易。

    4.按工作波长分类

    按工作波长λ的不同，光纤可分为短波长光纤、长波长光纤和超长光纤等三类。短波长光纤是指λ＝0.8μm～0.9μm的光纤，一般应用于多模光纤通信；长波长光纤是指λ＝1.0μm～1.7μm的光纤，其中1.55μm用于单模光纤通信，1.33μm用于单模或多模的光纤通信；超长光纤是指λ在2μm以上的光纤。

    8.1.3 光纤用光源和常用器件

    1.光纤用光源

    利用光纤实现传感离不开光源。一般要求光源的稳定性好、体积小，便于光的耦合，光源输出的频谱特性与光纤波导的传输频响特性匹配，在特定条件下还要求光源的相干性好。按照光的相干性，可以把光源分为相干光源和非相干光源。

    相干光源有热光源、气体放电光源、发光二极管等。热光源不具有稳定性和调制速率的特点，一般不考虑；气体放电光源具有强度高和波长短的特点，一般用来发射荧光和检测物质的温度、含量等；发光二极管可靠性好、稳定性高、线性度好，但其输出功率小、发射角大、谱线宽、响应速度低，多用在一些简易的光纤传感器中。

    相干光源指各类型的激光器，常见的有固体激光器、液体激光器、气体激光器、半导体激光二极管、面发射激光器、光纤激光器、放大自发辐射（amplified spontaneous emission，ASE）光源等。固体激光器的输出能量大、峰值功率高、器件结构小、使用寿命长，在光纤传感领域有一定应用，常用于测量吸收光谱；液体激光器在光纤传感领域应用很少；在一些分布式系统中，信号传输距离长，要求光源具有连续的高功率，气体激光器（如氩离子激光器）是很好的选择；半导体激光二极管效率高、体积小、波长范围宽、价格低、使用方便，是光纤传感系统中应用非常广泛的一种光源，但是半导体激光器的性能随时间退化，这限制了它的长期应用；面发射激光器体积小、对温度不敏感、寿命长、光电效应高、响应速度快，可应用到层叠光集成电路上，虽然目前应用不多，但具有广阔的应用前景；光纤激光器利用掺稀土元素玻璃光纤作为增益介质，使低泵浦实现连续工作，增益高，热效应低，可制成可调谐激光器，并且能与光纤耦合，建立全光纤测试系统，因此，光纤激光器在下一代光纤传感器的应用中具有非常好的前景；ASE光源是光纤传感系统中最常用的光源，它具有高稳定、高功率输出的宽带光源，还广泛用于其他光纤器件的测试，根据其光谱覆盖范围，分为C（1 528nm～1 563nm）和C＋L（1 528nm～1 603nm）波段的两种。

    2.光纤常用器件

    1）光纤连接器件

    光纤的连接或者是永久性连接，如采用熔接法、粘接法或采用固定连接器的连接，或者是活动连接。活动连接器一般称为光纤连接器，是目前使用数量最多的光无源器件。大多数的光纤连接器由三个部分组成：配合插头（两个）和耦合管（一个）。插头用于装进光纤尾端，耦合管用于对准套管。耦合管多在外面装配金属或非金属法兰，以便于连接。

    光纤连接器件的插入损耗和回波损耗是最重要的光学性能参数。插入损耗越小越好，一般要求不大于0.5dB。回波损耗是指连接器件对链路光功率反射的抑制能力，典型值不小于25dB，经过抛光处理后的连接器件，回波损耗不低于45dB。

    2）光纤耦合器

    光纤耦合器是将光信号从一条光纤中分至多条光纤中的元件。它分为标准耦合器（双分支结构）、星状／树状耦合器以及波长多工器（又称波分复用器）。光纤耦合器通常采用烧结方法制作，将两条光纤并在一起烧熔拉伸，使纤芯聚合在一起，实现光耦合作用。光纤耦合器能在两根或多根光纤之间重新分配能量，对光纤中的光信号进行分束并使其衰减。使用光纤耦合器时要考虑它的波长选择性。光纤耦合器的主要参数有耦合比、附加损耗、信道插入损耗、隔离比和回波损耗。

    一个50∶50耦合比的耦合器被称为3dB耦合器。3dB的数量含义就是－10lg0.5，即一半的对数化，用于描述物理量下降到一半的情况，这就代表光通过耦合器后被分成两路，两路信号功率均为入射信号的50％，分束后的光中心波长不发生变化。这类耦合器通常采用1×2、2×2的形式，即一端输入、另两端平分输出。

    3）光开关

    光开关用于光路的控制，起切换光路的作用，它使用起来较方便。光开关的参数主要有插入损耗、回波损耗、隔离度、串扰、工作波长、消光比、开关时间、矩阵规模等。传统的光开关主要有波导开关和机械开关两种。波导开关的开关速度快、体积小、易于集成，但其插入损耗、隔离度、消光比等指标较差；光机械开关虽然插入损耗低、防串音效果好、成本低，但其设备庞大、可扩展性一般。在波导开关和机械开关的基础上出现了许多采用新技术的开关，例如微光电子机械开关、液晶光开关、全息光栅开关等。

    4）波分复用器

    波分复用（wavelength division multiplexing，WDM）是光纤通信中特有的一种传输技术。波分复用器利用一根光纤可以同时传输多个不同波长的光的特点，将光纤的低损耗窗口划分成多个波段，每个波段作为一个独立的通道传输预定波长的光信号，从而实现多波长分离。光波分复用器的主要技术指标有插入损耗、串音损耗、波长间隔和复用路数等。串音损耗表示波分复用器对各波长的分隔程度，其值越大越好，应大于20dB。

    8.1.4 光纤传感器

    若光纤受到外界环境如温度、压力等干扰，传输光的强度、相位、频率、偏振态等光波量将发生变化。根据这一原理，可以制成光纤传感器（fiber optic sensor，FOS），实现物理量的检测。研究光纤传感器的原理实际上是研究被调制的光参量与外界被测参数的相互作用。

    光纤传感器按传感原理可分为功能型和非功能型两种。功能型光纤传感器利用了光纤本身的特性，把光纤作为敏感元件，所以也称传感型光纤传感器，或全光纤传感器；非功能型光纤传感器则是利用其他敏感元件来感受被测量的变化，光纤仅作为传输介质，传输来自远处或难以接近场所的光信号，所以也称传光型传感器，或混合型传感器。

    在光纤中传输的光波振动方程为

    E＝E0cos（ωt＋φ） 　（8－4）

    式中：E0为光波振幅；ω为角频率；φ为初相角。

    式（8－4）中包含了光波的五个参数，即强度、角频率ω、波长λ0（λ0＝2πc／ω）、相位ωt＋φ和偏振态。通过调制这些参量可以实现光纤传感。因此，光纤传感器按被调制的光波参数不同又可分为强度调制型光纤传感器、频率调制型光纤传感器、波长（颜色）调制型光纤传感器、相位调制型光纤传感器和偏振调制型光纤传感器等。

    光纤传感器根据被测对象的不同，又可分为光纤温度传感器、光纤位移传感器、光纤浓度传感器、光纤电流传感器、光纤流速传感器等。