光纤传感器综述之微纳光纤

涉
型
频率调制 多普勒效应 光纤温度 受激喇曼散射 传感器 光致发光
注：MM多模；SM单模；PM偏振保持；a,b,c功能型、非功能型、拾光型
第二节 光纤光栅与光子晶体光纤的发展
1. 光纤光栅
通过飞秒激光点对点法或者 相位掩膜板法使光纤内部纤芯部 分折射率发生周期性的改变，写 入光栅。

根据光纤光栅周期的长短不同，可将周期性的光纤光栅分为短周 期（Λ<1μm）和长周期（Λ>1μm）两类。 （ 1 ) 短周期光纤光栅 （FBG） 传输方向相反的模式之间发生耦合，属于反射型带通滤波器
1996 IBM Corporation
涂层和缓冲层
涂层
核心层和包覆层是不可分割的玻璃层
{
缓冲层
50/125 光纤为例
缓冲层 涂层 包覆层 核心层 涂层
缓冲层
50
125
250
900 microns
光纤传感器的分类
传感器 干 涉 型 光学现象 被测量
电流、磁场 电场、电压 角速度 振动、压力、加速度、位移 温度 温度、振动、压力、加速度、位移 温度 温度 振动、压力、加速度、位移 振动、压力、位移 气体浓度 液位 电流、磁场 电场、电压、 温度 振动、压力、加速度、位移 速度、流速、振动、加速度 气体浓度 温度
光纤
SM、PM SM、PM SM、PM SM、PM SM、PM MM MM MM SM MM MM MM SM MM SM MM MM MM MM
分类
a a a a a b b b b b b b b,a b b b c b b
6
非
干
干涉（磁致伸缩） 相位调 干涉（电致伸缩） 制光线 Sagnac效应 传感器 光弹效应 干涉 遮光板遮断光路 半导体透射率的变化 强度调制 荧光辐射、黑体辐射 光纤温度 光纤微弯损耗 振动膜或液晶的反射 传感器 气体分子吸收 光纤漏泄膜 偏振调 制光纤 温度传 感器 法拉第效应 泡克尔斯效应 双折射变化 光弹效应
基于倏逝场的微纳光纤器件是非常新、刚刚开展的课题，相信在不久的将来，微纳光纤器件能够 到深入的研究和广泛的应用。
光纤传感的应用
高铁系统的安全数据监测
光纤传感民用





大坝、边坡、隧道、建筑等 土木工程安全监测 发达国家几乎所有桥梁的安 全监测都采用光纤光栅传感 技术 德西门子等公司等已用于大 型电机和高压传输电缆 美 CIDRA 和英 Sunart Fibers Ltd 等用于输油管线和海洋石 油 ……
1*4耦合器
此外，MNF还有很高的机械强度与易弯曲的特点
实验可以看到MNF可弯曲形成直径小于几微米的微环而不 发生形变。
(a)由直径500nm的微纳光纤制成的光纤环，直径小于15um （b)直径280nm的微纳光纤最小弯曲半径为2．7um．
这种易弯曲的特点，结合MNF的小尺寸及周围丰富的倏逝 场，可以实现许多器件的小型化。
2. 光子晶体光纤

自然界中的光子晶体的例子
光子晶体光纤的导光原理
a. 全内反射型 PCF导光原理
周期性缺陷的纤芯折射率 (石英玻璃 )大于周期性包层折射率 (空气 ) ,从而使光能够 在纤芯中传播. b. 光子带隙型 PCF导光机理 在空芯 PCF中形成周期性的缺陷是空气,空气芯折射率比包层石英玻璃低 ,但仍能保 证光不折射出去.


微纳光纤的制作
不同于SMF、MMF、PCF可以在市场上直接购买,微纳光纤还只是实验室科研需 要，所以我们需要关注MNF的制作。 1.对于SMF的二步拉伸法
二步法的改进：
2.参杂微纳光纤的制作
3. 聚合物微纳光纤的制作

在单模光纤拉细以后，光纤可以看做是折射率均匀的玻璃纤 芯，外界环境可以看做它的包层，此时光场不完全是在光纤内部 传输，而是以倏逝波的形式，一部分的能量在光纤外部介质中传 播，这样的传输方式也就高了MNF对外界环境的敏感度。
光子晶体光纤的优点: （1）无截止单模传输特性( Endlessly Single Mode) （2）不同寻常的色度色散特性 （3）极好的非线性效应 （4）优良的双折射效应 （5）可用于实现Micro- and nano-fiber
相对于光纤光栅与光子晶体光纤，微纳光纤是更近一段时间 才发展起来的一种新型光纤。 在2003年，浙江大学的童利民与他的导师，哈佛大学的Eric 第一次成功研制了直径小于所传导光波长的低损耗的微纳光纤。 并发表在《Nature》上，这篇论文的发表开创了一个全新的研究 领域，为实现光子器件的小型化、提高敏感度，提供了一种新的 选择。 微纳光纤是指光纤 直径达到微米、纳 米级的普通光纤。 目前最低能达到几 十纳米
结型knot微环谐振器
圈形loop微环谐振器
双环并联型微环谐振器
双环串联型微环谐振器
卷型coil谐振器
帆型reef微环谐振器
利用MNF制作的传感器具有尺度小、灵敏度高、响应速度快等许多优 点，更可用于在许多特定场合下传感。对传统的传感器件质量有较大幅度 的提升。 目前已研制出的MNF传感器件可以对周围环境的折射率、温度、湿度、 加速度、纯净度（微粒多少）等等方面进行探测传感。
光子晶体光纤是近年来出现的一种新型光纤，它通过包层中沿轴向 周期性排列的微小空气孔产生光子禁带对光进行约束，从而实现光的轴 向传输。独特的波导结构，使得光子晶体光纤与常规光纤相比具有许多 无可比拟的传输特性。
TIR-PCF 是通过全反射 原理来导光，与普通光 纤类似；
图1 TIR-PCF 折射率型光子晶体光纤
它具有光纤及光学测量的特点。 ①电绝缘性能好。 ②抗电磁干扰能力强。 ③非侵入性。 ④高灵敏度。 ⑤容易实现对被测信号的远距离监控。


光是一种电磁波，其波长从极远红外的lmm到极远紫外 线 的10nm。它的物理作用和生物化学作用主要因其中的 电场而引起。因此，讨论光的敏感测量必须考虑光的电 矢量E的振动，即
光纤传感器之 微纳光纤
第一节 光纤传感器的综述 第二节 光纤光栅与光子晶体光纤的发展
第三节 微纳光纤
1
第一节 光纤传感的综述


光纤传感器(OFS Optical Fiber Sensor) 是20世纪 70年代中期发展起来的一种基于光导纤维的新型传感 器。 它是光纤和光通信技术迅速发展的产物，它与以 电为基础的传感器有本质区别。光纤传感器用光作为 敏感信息的载体，用光纤作为传递敏感信息的媒质。



E A sin t
只要使光的强度、偏振态(矢量A的方向)、频率和相 位等参量之一随被测量状态的变化而变化，或受被测量 调制，那么，通过对光的强度调制、偏振调制、频率调 制或相位调制等进行解调，获得所需要的被测量的信息。
A-电场E的振幅矢量；ω-光波的振动频率； φ-光相位；t-光的传播时间。
光强
入射光谱
光强
反射光谱
光强
透射光谱
2. 长周期光纤光栅（LPFG） 纤芯基模和同向传输的各阶包层模之间的耦合，耦合到包层中后传输 一段距离后，由于散射转化为辐射膜衰减掉，而无后向反射，属于透射 型带阻滤波器。
光强
入射光谱
透射光谱

LPG 输入

利用光纤光栅中 反射或透射的光谱 对外界环境的敏感 特性，光纤光栅温 度、应变敏感的特 性，通过传感头的 设计/封装，可以 测量各种物理参数 ： 温度、应变、压力 、位移、液位、加 速度、气体含量、 弯曲，等等
在光纤直径为400nm时，光纤外部倐逝场占30%，在光线直径为200nm时，光纤 外部倐逝场占80%。
图中，圆柱光纤内部为被约束的传导电磁场，外部为被约束在 光纤周围空气中的倏逝场 ，而光纤越细，倏逝波越强，敏感性越 强。
微纳光纤的损耗特性 MNF有极低的传输损耗、耦合损耗、弯曲损耗。 （1）由二步拉制法制作出来的MNF有 非常好的均匀性，近乎完美的 表质 量（达到原子量级），传输损耗最 低达到0.001db/mm。 （2）由于光纤与包层空气的折射率差很大，MNF的弯曲损耗 能达到0.3db/mm。 （3）由于MNF主要是以倏逝波传播，所以在两条MNF耦合时 不需要耦合器，只需要两条光纤以一定小的角度相接触即可。
桥梁监测
武汉阳逻长江公路大桥长期安全监测系统
光纤传感器的军事用途

航天飞机X-33上温度，应变监测

美国宇航研究院光纤光栅自适应机翼 直升机旋翼的健康监测 比利时、日本、法国等用于核电站安全监测
微纳光纤的布拉格光栅 利用纤维模板法或飞秒激光点对点写入发在MNF中写 入光纤光栅。
相位模板法
通过在MNF中写入布拉格光纤光栅，利用MNF的倏逝波传输的 特性，进一步提高FBG的灵敏度。
MNF的应用
（1）M-Z干涉仪
MgF2衬底上的氧化硅微 纳光纤MZI的光学显徽镜 照片图中两根氧化硅镦纳 光纤的直径均约lum。 （2）谐振器
PBG-PCF则是通过光 子带隙效应导光，即把 光限制在光子晶体的缺
陷即空气孔中导光。
图2 PGB-PCF 带隙导光性型光子晶体光纤
TIR-PCF 折射率型光子晶体光纤
PGB-PCF 带隙导光性型光子晶体光纤
PCF传输能量传输三维 模拟

通过对光子晶体光纤的空气孔排列的处理，比如对其中一根 或者几根空气孔用不同折射率特性的液体进行填充、在制作时抽 出几根毛细预制棒或用实心棒代替，等类似处理打破它的周期性 结构，产生许多新的特性与现象。