安 宁,尹保军,陈淑涵,郭 英,3,齐跃峰,3,*

(1.燕山大学 信息科学与工程学院,河北 秦皇岛 066004;2.秦皇岛港股份有限公司第六港务分公司,河北 秦皇岛 066004;3.燕山大学 河北省特种光纤和光纤传感重点实验室,河北 秦皇岛 066004)

0 引言

光纤传感技术的研究始于20世纪60年代,随着光纤研究的深入,人们将光纤与传感技术结合,形成了集传感与信息传输于一体的光纤传感器。光纤传感技术是以光纤作为信息的传输媒介,利用外界环境因素的改变使得光在光纤中传播的强度、波长、频率、相位、偏振态等光学性质发生变化,从而对外界物理量进行传感测量。与传统传感技术相比,光纤传感技术具有一些独特的优势,如抗高辐射和电磁干扰、耐高温、耐腐蚀等。这使其在人类无法工作的恶劣环境中,依然可以对温度[1]、压力[2-3]、振动[4-5]、应变[6]、磁场[7-9]、折射率[10-11]、物质组分[12-13]等进行传感。

基于光波所包含的五种光学性质,光纤传感技术按调制方式可分为强度调制型、相位调制型、波长调制型、频率调制型以及偏振态调制型,本文将对每种调制方式的光纤传感技术进行详细论述。

1 强度调制型

强度调制型光纤传感技术是通过检测外界因素引起光纤中的光强度变化,来实现对外界物理量及其变化量的监测与控制。按照光波是否需要输出到光纤外被调制可以分为外调型和内调型。

1.1 外调型

外调型需要将光波导出光纤,进行光强度调制后,再将光波导入光纤,此时光纤主要起到传光的作用,分为发送光纤和接收光纤两部分,这种光强度的外调制技术主要包括反射式强度调制和透射式强度调制。

反射式强度调制型光纤传感的基本原理为:光源发出的光由发送光纤传输后到达反射面,全部或部分光波经反射面反射进入到接收光纤,再经传输后由光探测器接收。光探测器接收到的光强度信号特性与光纤结构参数、反射面的物理特性、光纤与反射面的相对位置关系紧密相关[14]。

在典型的反射式强度调制型光纤传感器的结构基础上,先后产生了多种优化方案。2017年,祝睿雪等[15]将一根多模发射光纤和并排排列在发射光纤同一侧的两根相同的多模接收光纤组成光纤探头,这种等间距的三光纤排列结构能够有效地排除测量环境的影响,从而提高了系统稳定性。2020年,研究人员设计了一种压力传感器,该传感器由两根带球形端的多模光纤、一根带双孔的石英管、一个硅敏感隔膜和高硼硅玻璃基板组成,并且其解调系统简单,可以实时响应高频压力[16]。

与上述反射式强度调制不同,透射式强度调制是通过改变发送光纤与接收光纤的间距、位置、角度等或在发送光纤与接收光纤的耦合端面之间插入遮光屏,以实现对发送光纤与接收光纤之间的光强度耦合效率的调制。

2017年,张颖等[17]采用直接透射式的光强度调制进行加速度的测量,由于系统产生加速时,在弹簧的作用下,嵌入矩形质量块的两根接收光纤与发射光纤的相对位置会发生变化,从而改变了接收到的光强度信号大小。次年,该团队以硅质矩形梁为加速度传感单元,在加速状态时,硅质矩形梁弯曲,使连接在梁上的遮光板与两光纤之间的距离发生变化,这种基于遮光屏式的光强度调制方法同样实现了加速度的测量,且最大加速度检测值高达12g(g为重力加速度)。

1.2 内调型

对于光强度的内调制技术,调制环节一般发生在光纤内部。光纤既起传输光的作用,又起敏感器件的作用,不再区分发送光纤和接收光纤。

由于石墨烯具有非常良好的光学特性,因此被广泛应用于光强度内调制技术的研究。2020年,李志全等[18]设计了一种以双层石墨烯为调制区域的新型U形级联微环结构,通过改变石墨烯的光吸收能力,从而对光强度进行内调制。同年,该团队又设计了一种具有双环谐振腔结构的石墨烯-介电质-石墨烯调制器[19],结构见图1,其中,图1(a)为该调制器的正视图,沿红色虚线剖开后,上半部分结构如图1(b)所示。结合双环谐振器的选择性频率滤波特性和石墨烯的电可调谐特性,实现了光强的动态调制,上述结构为新一代高速率、低功耗、纳米级光子器件的研制提供了新的理论参考,有利于光电通信器件的大规模集成发展。

图1 石墨烯光调制器原理图Fig.1 The schematic diagram of the graphene light modulator

这种基于强度调制技术制成的传感器技术上比较容易实现,具有原理简单、体积小、成本低等优点,是最早进入实用化和商用化的光纤传感器。但以光强度变化来获取被传感参量变化的信息,测量结果极易受光源、光纤等引起的光强度波动以及光探测器和后续电路产生的电子噪声的影响。因此如何消除外界环境因素的干扰和噪声,仍是强度调制型光纤传感技术未来需要研究的难点,并且随着应用需求的不断提升,从单点测量转向多点测量也将成为一个研究重点。

2 相位调制型

相位调制型光纤传感器是先通过待测能量场对单模光纤中传输的相干光进行相位调制后,再通过测量相位的变化来确定待测能量场相关待测量的大小。但由于光探测器无法响应激光的频率,故需要将相位调制转化为强度调制,即经由光探测器测量到光强度变化后得到相位变化。而干涉仪就是将相位调制转化为强度调制的装置,是相位调制型光纤传感器的核心。常见的光纤干涉仪主要有两大类,分为双光束干涉型和多光束干涉型。

图2为相位调制型光纤传感器的工作原理示意图。入射光波被分为两部分分别入射到参考信道(不被外界影响)与测量信道。测量信道中的光波在相位调制区域经外界的待测信号调制后相位发生改变,之后与参考信道的光波在输出端相遇,发生干涉后产生干涉条纹,所以通过检测干涉条纹的变化量可以分析出测量信道中的相位变化量,再由该相位变化与外界待测信号之间的关系,推导出待测外界信号的信息。

图2 相位调制型光纤传感器的工作原理图Fig.2 Schematic diagram of phase modulated fiber optic sensor

2.1 双光束干涉型

双光束干涉型光纤干涉仪主要包括马赫-曾德尔干涉仪(Mach-Zehnder Interferometer,MZI)、迈克尔逊干涉仪(Michelson Interferometer,MI)和萨格纳克干涉仪(Sagnac Interferometer,SI)三种,其基于的基本原理是将光纤中传输的一束光分成两路,在光纤中传输一定长度后,再次汇合发生干涉,并随后到达光探测器。

2.1.1 马赫-曾德尔干涉仪

图3所示为全光纤型MZI原理示意图,该干涉仪是最典型的双光束干涉型光纤干涉仪。激光器发出的单色激光被光纤耦合器1分成光强度相等的两束光波,并分别入射到参考光纤臂和传感光纤臂(传感光纤臂被外界待测物理场调制),之后两路光纤传输的光波在光纤耦合器2中再次汇合后发生干涉,并由两路分别送入两个光探测器转为电信号,最后由信号处理单元分析两臂的相位差及其变化情况,实现待测量的检测。

图3 全光纤型马赫-曾德尔光纤干涉仪原理示意图Fig.3 Schematic diagram of all-fiber Mach-Zehnder fiber interferometer

由双光束干涉原理可知,MZI所产生的干涉场的光强度为

当两臂的相位差Δφ=βΔL=2nπ时,干涉为极大值。其中β为传输常数、n为干涉级次,且有

从式(2)可以看出,当外界待测参量引起两臂相对光程差ΔL或相对光程时延Δt发生变化,或者传输的光波波长λ或光波频率ν发生变化时,都会使n发生变化,即引起干涉条纹的移动。如外界因素(如应变、温度等)可直接引起干涉仪传感光纤臂的光纤长度和折射率发生变化,导致两臂相对光程差ΔL发生变化,从而引起干涉条纹的移动,于是通过测量干涉条纹的移动量可感测相应的物理量,如温度、折射率、压力、曲率、距离等。

在温度方面,2015年,付兴虎等[20]采用单模光纤(Single Mode Fiber,SMF)与锥形双包层光纤(Tapered Double Clad Fiber,TDCF)熔接的SMFTDCF-SMF结构对温度进行测量,当拉锥长度为16 mm,温度在32～65.3 ℃范围内时,温度灵敏度最高可达-1.297 nm/℃。刘强等[21]采用由SMF与少模光纤(Few-Mode Fiber,FMF)偏芯熔接而成的SMF-FMF-SMF结构实现温度测量,在25.3～75.3 ℃范围内,传感器长度为16 mm时,温度灵敏度为158.06 pm/℃。

针对测量过程中温度交叉敏感的问题,科研人员对光子晶体光纤(Photonic Crystal Fiber,PCF)进行拉锥,用得到的锥形光子晶体光纤(Tapered Photonic Crystal Fiber,TPCF)与SMF熔接,构成SMF-TPCF-SMF结构,实现对曲率的测量[22]。

2021年,另有在两段SMF之间融合由三包层石英特种纤维组成的D型微腔结构形成MZI,可以避免温度和折射率同时测量时的交叉灵敏[23]。2023年,有研究者提出用SMF和纳米铒-镱共掺杂光纤组成的级联MZI进行温度和曲率双参数测量,可用于三维重建、机器人形状检测、人体医学等领域[24]。张静等[25]采用无芯光纤(Coreless Fiber,CLF)与少模光纤级联的CLF-FMF-CLF结构实现了对温度与折射率的同时测量。除此之外,多种MZI与其他结构混合的测量方案也成为了研究的热点,如光纤光栅[26-27]和Sagnac干涉仪[28]等。

为改善常规MZI滤波器的滤波性能,产生了微环谐振器辅助MZI滤波器结构,将一个或多个微环与MZI相耦合,利用环形谐振器更陡的相位和振幅响应来锐化传统MZI的衰减,使得在滤波器的输出端获得顶部平坦、边沿陡峭的输出光谱[29-30]。

M-Z干涉结构的解调方法包括相位载波调制解调技术[31]、3×3耦合器解调与相位载波结合[32]等。2023年,齐跃峰等[33]提出了一种基于新型马赫-曾德尔干涉结构的差分相移键控(Differential Phase Shift Keying,DPSK)解调系统,系统结构如图4所示。与传统干涉仪相比,这种新型解调结构对臂长差适配的鲁棒性更强,具有更好的温度稳定性,能够在-20～120 ℃范围内正常工作,且系统误码率小于3.54×10-143,在0～70 ℃的条件下,系统的Q值都能达到10以上,同时能较好地解决光源线宽与成本之间的问题,降低了对光源相干性的要求。

图4 DPSK调制与解调系统结构图Fig.4 Structure diagram of DPSK modulation and demodulation system

2.1.2 迈克尔逊干涉仪

MI与MZI的理论原理基本一致,结构如图5所示。MI是反射型,将可移动反射端面与外界参量(如位移、振动等)关联,即可实现相位调制。

图5 迈克尔逊光纤干涉仪结构示意图Fig.5 Schematic diagram of Michelson fiber optic interferometer

实际上,除了可移动反射端面可以作为光敏感器件外,多数情况下经调节后两个反射端面被固定,而传感光纤臂本身作为光敏感器件,此时MI和MZI的相位调制机理完全相同,唯一不同点为激光发射和检测是否在同一端。值得注意的是,由于MI使用的是反射光干涉和检测,故一般需要在激光器输出后配置一个光纤隔离器,以防止反射光进入激光器面影响其性能及输出稳定性。

针对折射率的测量,2021年,张红岭等[34]利用双芯光纤提出了一种基于MI的新型折射率传感器。通过对双芯光纤端部和锥度的反射,形成Michelson干涉谱。由于双芯光纤的结构特点,这种干涉仪可以实现折射率和温度的测量,在锥腰直径8.76 μm处,其折射率灵敏度为2 377.8 nm/RIU。在30～60 ℃温度范围内,温度灵敏度为70.48 pm/℃。其他科研人员使用两个分别基于SMF和多模光纤(Multimode Fiber,MMF)设计的MI构成新型L类结构,可以同时测量折射率和温度[35]。

这种干涉仪还可用于其他待测物的检测,如加速度[36-37]、振动[38-40]、物质浓度[41-42]等。杨震等[43]利用二维角度激光测量及迈克尔逊干涉原理,针对三维加速度的测量提出了一种新型加速度光纤传感器,它以弹性平膜片与角锥棱镜的组合作为敏感元件,可以在较高精度下同时提取并实时测量三维加速度信号。此外,将氧化石墨烯与侧面抛光双芯的MI结合,也可制成湿度传感器,在2%～72%相对湿度范围内,超高湿度灵敏度能接近40.75nm/RH%[44]。

在解调方面,毛欣等[45]基于3×3耦合器的解调系统,采用对称解调算法实现大动态范围、稳定解调。周宏扬等[46]基于迈克尔逊干涉原理搭建出变压器光纤超声传感系统,该系统的平均检测灵敏度以及峰值监测灵敏度较传统压电陶瓷传感器均有较大改善。胡珍源等[47]通过调整光纤长度,实时补偿由温度变化等环境因素引起的时延变化,有效地抑制了短距离光纤频率传递的噪声。针对相位生成载波解调中产生的非线性误差,有研究人员通过激光驱动温度的恒定变化进行主动激光扫描,以代替椭圆拟合法中的目标运动,校正后非线性误差减小到1 nm以下[48]。

2.1.3 萨格纳克干涉仪

SI是利用Sagnac效应构成的干涉仪,即将一束激光分成两東后在由同一光纤绕成的光纤环中沿相反方向前进,在外界因素作用下产生不同的相移,再通过干涉效应进行检测。

图6为SI结构及原理示意图,用一根长为L的光纤,绕制成半径为R的光纤环。激光器发出的激光由光纤耦合器均分为两束,分别从光纤两端输入,再从另一端输出。两输出光再次相遇后在光纤耦合器处产生干涉效应,此干涉光强度由光探测器检测,并由信号处理单元分析数据。

图6 萨格纳克光纤干涉仪结构示意图Fig.6 Structure diagram of Sagnac fiber interferometer

SI最典型的应用就是光纤陀螺仪,为了增强光学陀螺仪输出精度,惠俊等[49]提出了一种基于纠缠光子数态和奇偶校验方案的双端口输入/输出光纤陀螺仪结构。2023年,杨志怀等[50]采用双环单轴光纤陀螺仪,较传统单环单轴光纤陀螺寻北方法精度大幅提高。目前已报道的全光纤电流互感器也大多基于光纤陀螺的理论与技术[51-52]。但基于渡越时间的相位调制方式不可避免地受限于本征频率,2019年,齐跃峰等[53]提出了一种适用于短环Sagnac的空间非互易相位调制器方案,可以消除本征频率的限制,降低系统复杂度与成本,其结构如图7所示。实验最终获得的相位调制器插入损耗为3.6 dB,相位偏置角度约为89.961°,计算得到最小变比误差小于0.02%,该系统为集成化光纤电流互感器与光纤陀螺提供了一种设计思路。2022年,该课题组将此非互易式相位调制结构用于光纤陀螺,实现了米级超短环光纤陀螺闭环解调,且适用三角波、锯齿波、正弦等多种调制信号,调制解调电路更加简单[54]。

图7 基于无源相位调制器的AFOCT结构图Fig.7 Structural diagram of AFOCT with passive phase modulator

使用多种材料填充PCF,如向列液晶[55-56]、磁流体[57-59]、乙醇[60]等,可以实现不同待测物的测量。樊晓亚等先后提出多种采用向列液晶薄膜插入Sagnac环路的温度传感结构[61-62],2022年,提出级联Sagnac干涉仪,其中一种Sagnac干涉仪采用熊猫型保偏光纤作为参考臂,另一种Sagnac干涉仪采用插在套筒内的两条单模插接电缆作为传感臂,将向列液晶薄膜渗透到套筒的微米级间隙中。2023年,提出了一种插入一段向列液晶薄膜的紧凑型光纤Sagnac环路,同样将向列液晶填充插入套圈匹配套筒的两根单模光纤之间的微米级间隙中,通过旋转两根单模接线进行向列液晶膜分子定向。传感器的温度传感性能随Sagnac环路中向列液晶膜厚度的减小而提升,这种光纤温度传感器具有结构紧凑、高稳定性、超高灵敏度、低滞后效应和高分辨率等优点,在生物分子、医学等需要精确测温的科学领域具有广阔的应用前景。

2.2 多光束干涉型

多光束干涉型光纤干涉仪主要包括法布里-珀罗干涉仪(Fabry-Perot Interferometer,FPI)和环形腔干涉仪两种,其基本原理是光纤中传输的光束在法布里-珀罗腔和光纤环形腔中形成振荡,每传输一个有效谐振光程将输出一部分光场,最终的输出光场是无数次谐振输出光场的干涉叠加。

2.2.1 法布里-珀罗干涉仪

FPI通常由两块平行的内表面镀有高反射率镜面的玻璃板构成,如图8所示。左侧的入射光在镜面之间多次反射,因此右侧透射的实际上是多光束的干涉条纹。当波长满足相长干涉条件,透射谱中相应的波长位置就出现峰值;反之,满足相消干涉条件,出现谷值,并且反射率越大,干涉光强度变化越显著,分辨率越高。基于以上原理,通过在光纤端面镀高反射膜后,将两个光纤端面彼此靠得很近时,即可制成FPI。精细度越高的FPI越适合光纤传感,对于相位的变化越敏感。

图8 法布里-珀罗干涉仪原理示意图Fig.8 Schematic diagram of the principle of Fabry-Perot interferometer

2019年,陈颖等[63]以F-P腔为传感单元,基于倏逝波共振原理,提出了一种气隙-多孔硅-气隙F-P腔的光子晶体传感结构,该结构的Q值可达1.23×104,折射率灵敏度约为8 661.71 nm/RIU。2022年,周世男等[64]设计了基于F-P标准具多光束干涉成像的微小角度测量系统,并对测量结果进行修正,经修正后的标准具间隔为(2 014.986 5±0.000 3)μm,相对误差限为1.5×10-7。

为了进一步提高F-P干涉结构的灵敏度,光学游标效应成为了研究的热点。2019年,刘燕燕等[65]基于游标效应,提出了一种分离式双F-P增敏结构,这种传感腔和辅助腔分离的结构能避免辅助腔受到传感量影响,并消除交叉敏感对测量结果的影响。增敏结构的压强灵敏度值由单F-P结构的4.85 nm/MPa提高到43.95 nm/MPa,温度灵敏度由单F-P腔的67.5 pm/℃提高至403.64 pm/℃。同年,其他研究人员同样基于游标效应,将一段空芯光纤熔接在两段单模光纤之间制作成级联的F-P结构,并且通过调整空芯光纤和末端单模光纤的长度可进一步提高温度灵敏度[66]。

2.2.2 环形腔干涉仪

利用光纤耦合器将单模光纤连接成闭合回路,即可构成环形腔光纤干涉仪,如图9所示。这种环形腔光纤干涉仪的原理与法布里-珀罗光纤干涉仪类似,都是基于腔内光场形成的多光束干涉,并且通过控制光纤耦合器的耦合比,可以实现对该环形腔欠耦合、临界耦合以及过耦合的状态控制。

图9 环形腔光纤干涉仪原理示意图Fig.9 Schematic diagram of ring cavity fiber interferometer

这种环形腔干涉仪可以用作滤波器,针对光子晶体的环形腔滤波器,陈颖等[67]通过在环形腔的输出负载通道中引入点缺陷,将环形腔和点缺陷相结合作为负载波导来实现对特定波长的滤波,形成了一种复合缺陷光子晶体滤波器结构,从而消除光子晶体环形腔滤波器的多模特性。后又将镜像结构引入光子晶体的中心处形成凹陷腔,通过分析谐振峰值波长的漂移对气体进行检测[68]。同年,为了提高异质结构光子晶体环形腔滤波器的滤波特性,该团队采用粒子群算法对其结构参数进行全局优化,从而实现单模窄带滤波,并使归一化透射率由53%提高到97%,为该滤波结构在光电器件中的应用奠定了基础[69]。

2017年,陈颖团队[70]提出一种含金属双缝的金属-电介质-金属波导耦合环形腔结构。通过形成的法诺共振实现慢光。结果表明,优化后的结构群折射率可达205,优化结构的品质因数值可以达到5.74×1044,共振波长与折射率漂移的灵敏度约为825 nm/RIU。检测到的折射率范围适用于所有气体。

基于相位调制型的光纤传感器具有灵敏度高、探头结构灵活多样、可测量对象广泛以及可实现长距离分布式测量的优点,但上述光纤干涉仪有几个共同缺点,即对温度敏感、需要长相干长度的光源、信号处理电路复杂等,由此多种基于混合结构的光纤传感器、可同时分辨多参量的干涉仪、超高灵敏度光纤陀螺仪等均成为了研究热点。另外,基于相位调制型光纤传感原理的分布式光纤传感技术目前大部分还处于实验室研究阶段,如何降低成本并实用化将成为未来面临的一大难点。

3 波长调制型

波长调制型的光纤传感技术是通过检测由外界待测参量引起光纤中传输的光波变化的光谱特性,来对外界物理量及其变化量进行测量。

3.1 光纤光栅传感

光纤光栅传感器件具有体积小、熔接损耗低、与光纤完全兼容、可嵌入智能材料等特点,且共振波长对外界环境(温度、应力、折射率、浓度等)的变化十分敏感,是一种最具应用前景的波长调制光纤传感器件。以光纤光栅为基础的传感过程是利用外部待测参量对光纤光栅反射中心波长进行调制,从而得到待测参量信息,其数学表达式为

式中,λ为光纤光栅反射中心波长,neff为纤芯的有效折射率,Λ为光纤光栅的周期。

可以看出,当外界影响纤芯的有效折射率或者光纤光栅的周期时,其反射中心波长也会发生变化,利用这一特性可以将光纤光栅用于多种物理量的测量。其中,应用最为广泛的是光纤布拉格光栅(Fiber Bragg Grating,FBG),2017年,张燕君等[71-72]利用两个不同中心波长的FBG,分别实现了可调量程的拉绳式位移测量与轮辐式扭矩测量,2021年,该团队提出了基于磁控溅射技术的FBG应力传感器封装方法[73],针对完全嵌套(整个栅区嵌套毛细铜管)和两端嵌套(栅区两端嵌套毛细铜管)两种封装方法进行了实验,仿真实验结果表明,该模型下FBG传感器的灵敏度能提高约7.5%。另外,FBG因其独特的特性在医疗应用领域也显示出巨大的潜力,例如,科研人员将FBG封装在硅橡胶中制成易于佩戴、无创、有弹性的柔性传感器,实现对呼吸和心率的监测,如图10所示[74]。

图10 基于FBG可穿戴系统示意图Fig.10 Schematic diagram of FBG wearable system

近几年来,基于长周期光纤光栅(Long Period Fiber Grating,LPFG)、啁啾光纤光栅(Chirped Fiber Bragg Grating,CFBG)和倾斜光纤光栅(Tilted Fiber Bragg Grating,TFBG)的研究也时有报道。2017年,毕卫红等[75]通过建立LPFG中心波长、透射谱峰值损耗与混合油品中柴油含量的关系,检测出柴油煤油混合油的折射率特性。2018年,刘强等[76]为了克服折射率测量过程中温度交叉敏感的影响,提出并制备了一种少模光纤LPFG传感器,实验结果表明:两个谐振峰差值在折射率1.333 3～1.376 6范围内的灵敏度为143 nm/RIU,在温度20～70 ℃范围内的灵敏度为-2.5 pm/℃。针对LPFG用作折射率传感器时对低浓度溶液不敏感的问题,齐跃峰等[77]提出了一种纳米膜修饰的光栅生物传感器,实现了兔IgG的低浓度测量。2019年,夏晓鹏等[78]将CFBG胶封于等强度梁上,进行应变与温度双参量同时测量。

使用多个光纤光栅形成级联结构,可以实现多种待测物的检测,并且具有更高的精度。例如,将在单模光纤与双包层光纤熔接点处形成的粗锥与两个周期不同的LPFG级联,实现温度、折射率和轴向应变的同时测量[79]。2022年,王翀等[80]将光纤光栅与SMF相结合构成微秒级别级联结构,在中心波长1 550～1 553 nm范围内可实现4种不同的时延效果。

通过复用技术将多个光纤光栅传感系统组合起来,可以构成不同拓扑结构的光纤光栅传感网络,如总线型、环形、星形以及混合拓扑结构等。但使用单一复用技术已无法满足传感网络大容量的需求,因此近年来波分/时分复用、波分/空分复用等混合复用技术相继被提出,极大地提升了传感器网络的复用容量。例如,有科研人员采用码分复用与波分复用混合的方案,可以处理从几米到几公里范围的传感器网络长度的询问[81]。

3.2 表面等离子体共振传感

表面等离子体共振(Surface Plasmon Resonance,SPR)是一种光学现象,当入射光在金属表面发生全内反射产生的倏逝波与表面等离子体波(Surface Plasmon Wave,SPW)满足相位匹配条件时会激发SPR,当SPW被局限在纳米结构,并与倏逝波满足条件时,就会产生局域表面等离子体共振(Localized Surface Plasmon Resonance,LSPR),此时,倏逝波耦合到SPW中,入射光能量下降,损耗谱上出现损耗共振峰,共振峰的位置随外界待测物质的折射率、温度等因素变化而变化,通过建立数学模型可以计算得到外界待测物质的相关待测量。

2021年,李曙光团队[82]设计了多模光纤-微结构光纤-多模光纤结构组成的SPR折射率传感器,该传感器在25～46 ℃的温度波动范围内具有很高的温度不敏感性,在1.332 8～1.399 0折射率检测范围内具有良好的线性度(R2=0.969 1),灵敏度高达3.2×103nm/RIU。2022年,该团队将马赫-曾德尔干涉和SPR结合,应用双芯光纤通过错位熔接和银镜反应等进行折射率的测量[83],在1.333 3～1.380 4折射率检测范围内,灵敏度达到3×103nm/RIU。同年,王一晴等[84]基于SPR原理和三芯光纤的强耦合特性,设计了一种基于锥形三芯光纤的银膜/高纯铟薄膜SPR传感器,传感器的灵敏度为4.99×103nm/RIU,质量分数测量范围为1.4%～3.6%,能实现水下5 000 m深度范围内的海水盐度测量。

2020年,陈海良等[85]在D形高双折射光子晶体光纤的平面上涂敷材料金,实现对折射率和温度的实时监测,在1.43～1.50的折射率范围和36～86 ℃的温度范围内,灵敏度最高分别达到44 850 nm/RIU和-16.875 nm/℃,并且可以通过调整金膜厚度来调整折射率和温度检测范围。2022年,该团队提出了一种空心负曲率光纤中具有两个损耗峰的SPR自验证温度传感器[86],在反共振管内壁镀金膜,在空芯负曲率光纤的气孔中填充甲苯和氯仿的热光混合物,从而调节核心模式和表面等离子体极化子模式(Surface Plasmon Polaron Modes,SPPMs)之间的耦合。两个SPPM的温度测量灵敏度分别为-3.976 nm/℃和1.071 nm/℃,当检测到两个SPPM损失峰之间的波长间隔时,灵敏度达到-5.047 nm/℃。2023年,该团队在光子晶体光纤外围涂敷银膜,采用聚二甲基硅氧烷作为传感器探头的温度敏感材料[87],实验得出折射率灵敏度在1.333～1.3953范围内为3.34×103nm/RIU,在50～100 ℃范围内温度灵敏度可达2.02 nm/℃。

基于SPR的光纤传感器也常用于免疫标记生化检测技术,目前被广泛应用于光热治疗[88-89]、抗原抗体反应、模拟细胞膜与药物作用、蛋白质相互作用分析和病毒测定等研究。2019年,国外研究人员首次提出一种基于氧化石墨烯和葡萄球菌蛋白A共修饰TFBG的高灵敏度SPR生物传感器,实现了人免疫球蛋白G的检测[90]。同年,何雷等[91]应用SPR仪对候选核酸适体进行亲和力检测,为后续检测血清中DKK1提供了解决思路。2023年,有研究人员[92]设计了一种双信号放大的SPR生物传感器,并使用三明治结构高效地检测SARS-CoV-2 N蛋白,检测限为0.083 ng/mL。

与棱镜型SPR传感器相比,这种基于光纤的SPR传感器具有体积小、响应快、成本低、可实时在线检测等优点,在生命科学、药物开发、医学诊断、公共安全和环境污染等领域有更广阔的应用前景和经济价值。

3.3 光纤荧光传感

物质分子在吸收了入射光后,从基态跃迁到激发态,经过振动等过程退激发到基态,辐射出的光被称为荧光。由于物质的荧光光谱只与物质本身的成分及分子结构有关,因此可以根据物质的光谱位置、强度、荧光寿命等方面,进行物质成分及含量的检测[93]。

针对荧光发射光谱的研究,2019年,周昆鹏等[94]以化学需氧量(Chemical Oxygen Demand,COD)标准液为研究对象,分析了在不同温度、浊度、pH值以及多种环境因素共同作用下荧光发射光谱的数据,并在此基础上建立了多参量共同作用时对水质COD预测模型的补偿校正方法,以降低外界因素对荧光光谱带来的干扰。2020年,该团队分别以COD标准溶液和实际水样为研究对象,建立和验证了基于单激发波长下荧光发射光谱数据的主成分回归和偏最小二乘回归模型[95],针对特定水样,对比分析了上述两种回归模型下的预测效果。发现偏最小二乘回归模型在有机物浓度较高时检测误差会变大,因此更适用于检测有机污染物浓度较低的水体。该方法不需要经过复杂的化学处理,能够很好地实现水质的实时检测。

2021年,倪锦等[96]使用荧光光纤技术对冷藏车的温度进行监测,由于其温度函数只与荧光光纤材料发出荧光寿命有关,不受外界系统因素的干扰,并且所使用的光纤探头耐腐蚀、抗高压及强电磁场等,所以这种测温方法较传统测温方法具有更大优势[97]。

基于波长调制型的光纤传感技术中,光纤光栅传感器未来的主要发展方向是新型高分辨率与低成本光纤光栅解调仪的研制、多参量同时可分辨测量、多点准分布式传感实现与多路复用以及传感网络建设等研究。

其他类型波长调制型光纤传感器基本都是面向特殊和特定应用的传感测量,且大部分为分立式、非功能型光敏感器件进行波长调制,很多传感探头需要精确和针对性的设计,因此未来的发展方向主要针对探头小型化、微型化、简易化开展研究,同时设法不断提高传感测量的灵敏度、分辨率、探测极限和探测范围。此外,对于需要长期监测液体折射率、浓度等特性参数的传感器,如何进行特殊封装从而提高测量的长期稳定性是今后的一个研究重点。

4 偏振态调制型

光波是横电磁波,而其振动方向相对于传播方向的不对称性称为偏振。光敏感外界因素可以改变光在传输过程中的偏振特性,可通过检测和分析光通过待测物理场后偏振态的变化得到待测参量信息。

偏振态主要基于旋光现象和双折射。较典型的偏振态调制效应有泡克尔斯效应、克尔效应、法拉第效应和弹光效应。其中,磁光式电流传感器的基本原理就包括法拉第效应,又称磁致旋光效应,当偏振光通过磁光晶体时,会由于磁致旋光效应产生一个偏振旋转角,通过测量该线偏振光的旋转角,即可实现电流测量。

偏振态调制除常用于电流传感器外,还可用于其他参量检测。2022年,高超等[98]设计出波导式偏振调制测距系统,消除体相位调制器工作过程中热效应对偏振调制测距精度的影响,重复性测试实验中测量平均误差为0.44 mm,测量重复性为0.54 mm,变距离实验中测量平均误差为0.39 mm。张诚等[99]采用1/4波片和偏振片搭建偏光调制结构对偏振光信号进行调制,检测光波偏振态的斯托克斯参量。张玉存和刘海滨通过在光子晶体光纤的气孔上选择性地涂覆金膜,设计了一种可调谐的单偏振滤波器[100],并采用有限元法对光子晶体光纤滤波器的偏振特性进行了分析。当PCF长度为500 μm时,消光比大于-20 dB的带宽仅为60 nm,通信窗口为1 550 nm,这有利于窄带偏振滤波器的制作。

基于偏振态调制型的光纤传感器具有较高的灵敏度,并且其结构简单,容易根据需要进行调整,因此这种传感技术的应用潜力是不容小觑的。随着各种光纤传感技术的不断发展,基于偏振态调制技术和其他类型调制技术相结合的多参量同时传感技术,将成为未来的一个研究热点和重点。

5 频率调制型

相对于其余四种调制类型,频率调制型光纤传感器的种类比较少,仅可以对有限的几个物理量进行测量。频率调制型光纤传感器主要是利用光学中的多普勒频移效应来对物体的运动速度进行检测,这是目前研究较多的频率调制型光纤传感器。

2022年,李争等[101]利用激光多普勒效应实现了对多自由度球面电机角速度进行非接触测量,该方法的X轴和Y轴坐标误差小于2 mm,Z轴坐标误差小于0.2 mm,能较好地测量电机的球形转子位置信息。这种基于激光多普勒效应的测速技术具有非接触测量、精度高、响应快等优点,被广泛应用于各个领域。传统的CCD成像在外界光纤干扰较大时会产生光学拖影现象[102],使得误差较大,2023年,马向东等[103]提出基于多普勒测振的阵列式光纤超声成像系统,见图11,这种系统适合全部通道并行传感,成像速度为100 fps,实现了快速光学超声成像。

图11 基于多普勒测振的阵列式光纤传感器Fig.11 Array optical fiber sensor based on Doppler vibration measurement

频率调制还有一些其他方法,如光纤中的非线性特性产生的布里渊和拉曼散射频移也是一种频率调制现象。以布里渊散射频移为例,当外界待测物理量发生变化时,光纤各处的布里渊散射谱也会改变,通过分析其与待测量之间的关系,可以实现对物理量的测量[104-105]。

由于光纤尺寸小巧,可以做成微型探头,如将这种基于频率调制型的光纤传感技术与光学相干层析成像结合,可以用于医学检测、监测与治疗,其相关低成本、小型化测量仪器设备的研发将成为一大热点。另外,对于频率调制型光纤传感器应用类型和可测量参量种类也将是未来一个重要的发展方向。

6 光时域反射传感技术

除了上述按光波调制方式列举出的多种光纤传感技术外,分布式传感中的光时域反射技术(Optical Time-Domain Reflectometry,OTDR)也成为了近年研究热点,因此单独对此进行简单介绍。

OTDR最早由Barnoski于1976年提出,主要是基于脉冲光波信号在光纤中传输往返时间信息和反射光强度信息进行测量。在传统的OTDR结构中,光脉冲传输到待测光纤环后,产生的背向瑞利散射光又传输回耦合器,最终由光探测器接收。但OTDR在其空间分辨率、动态范围和测量时间三者之间会相互制约,针对这一问题,张芳等[106-108]将扩频技术引入传统OTDR,利用光DPSK技术在OTDR中直接使用双极性扩频码,较好地解决了解扩中的难题。

光纤外部的环境变化或干扰以及光纤自身的问题不仅会引起背向瑞利散射光强度变化,还会引起其诸如偏振态、相位等方面的变化,由此产生了多种新型光时域反射技术,如相位敏感光时域反射(Phase Sensitive Optical Time-Domain Reflectometry,Φ-OTDR)技术、偏振光时域反射(Polarization Optical Time-Domain Reflectometry,POTDR)技术、相干光时域反射(Coherence Optical Time-Domain Reflectometry,COTDR)技术等。

Φ-OTDR由于具备监测范围广、灵敏度高等优点被广泛应用于周界安防、结构监测等领域[109-111],但随着传感任务的多样化,传统的信号处理方法已无法满足Ф-OTDR系统的应用需求,科研人员从降噪和扰动分类等方面进行了改进。例如,熊兴隆等[112]结合小波变换和经验模态分解进行去噪,李岳阳等[113]将传统的Φ-OTDR与频分复用技术相结合,提升了解调信号波形的信噪比,程亚楠等采用改进的压缩感知技术,使信噪比较其他方法有不同程度的提升。在扰动分类算法方面,罗天林等[114]采用一维卷积神经网络对地埋光纤检测振动事件进行分类,准确率达94.6%。梅春[115]将反向传播(Back Propagation,BP)神经网络分类器应用于基于Φ-OTDR的海缆防锚害系统,该试验中模式识别准确率可达100%。除此之外,这种分布式传感技术在定位等方面,也具有比传统方法更大的优势[116-117]。

光纤中光波的偏振态对温度、振动、应变等非常敏感,所以POTDR传感技术常用于光缆中对上述事件的监测。在传统POTDR的基础上,窦蓉蓉等[118]提出两种新型的光缆布线方案,极大提高了POTDR的传感灵敏度。李伟德等[119]设计出电缆安全状态监测系统,可将误报率降至0.5%以下。刘丹蕾等[120]利用POTDR获取光缆不同状态下的后向散射数据,可对故障点进行精确定位。高擎昊等[121]基于传统的POTDR结构,以多模光纤作为传感介质,应用比值定位法和快速傅里叶变化进行信号处理,获得了0.01 Hz的频率精度。

COTDR的传感系统利用相干探测技术抑制相关内部噪声,可以实现长距离传输情况下的光纤断点、温度与应变等多参量的测量。针对环境复杂的海底光缆监测问题,张成等[122]使用一种基于线性相关系数的COTDR事件判定方法,可有效地对事件点进行定位以及识别。周琪等[123]提出了一种有效的基于小波变换和线性相关系数的滑动平均算法,提升了测量曲线的平滑度并成功实现事件的自动识别。此外,科研人员还将COTDR技术与Φ-OTDR结合使用,利用支持向量机进行分类识别,系统的识别准确率平均达到92.62%,在周界安防方面有一定的前景[124]。

这种OTDR传感技术有着其他类型传感器无可比拟的诸多优点,如单位距离传感成本低、可实现长距离、全分布式传感等,其研究与应用具有重要的科学与经济意义。在未来发展方面,仍应致力于进一步提高信号接收与处理的能力,并解决多参量同时测量时的交叉敏感问题。此外,随着测量参量不断增加,对网络的容量、结构和管理等方面的研究也将成为一大重点。

7 结论

光纤传感技术近几十年飞速发展,得到了广泛的研究和应用,在航空航天、石油化工、电子电力、土木工程、生物医药等领域有着广阔的前景。本文按照调制方式对该技术进行了分析、总结,其中重点介绍了相位调制型和波长调制型光纤传感技术的研究进展,伴随着如分布式光纤传感、FBG阵列传感、光纤陀螺等新技术的日益发展,以及保偏光纤、抗弯光纤等特种光纤的不断出现,光纤传感技术的性能指标不断提高,应用领域不断增加,其发展潜力是巨大的。但随之而来的是更多的新问题、新挑战,比如光电器件大规模集成的需求、极端环境的应用需求以及光纤传感网络的优化布设等。因此,光纤传感技术仍然存在许多关键技术难题,有待研究人员深入探究,一一攻克。