干涉型光纖傳感用光電子器件技術（簡體書）

《干涉型光纖傳感用光電子器件技術》以干涉型光纖傳感器的應用需求和光電子器件自身特性為基礎，以兩者之間的關係為主線，著重論述干涉型光纖傳感用光電子器件的設計、工藝、測試、特性及應用要求。首先介紹干涉型光纖傳感器的原理、分類及應用特點，闡述干涉型光纖傳感用光電子器件的分類及特點，然後對光電子器件相關技術進行重點論述，包括光纖、光纖耦合器、光纖偏振器件、相位調製器、光源、探測器及其他光電子器件，最後論述光纖傳感用光電子器件的可靠性技術。《干涉型光纖傳感用光電子器件技術》可供從事干涉型光纖傳感及光電子器件技術研究、產品研製與應用的科技人員和高等院校相關專業師生參考。

《干涉型光纖傳感用光電子器件技術》由王巍、丁發東、夏君磊著，該書以光纖傳感器和光電子器件的關系為主線，首先介紹干涉型光纖傳感器的類型、各自的特點及對光電子器件的一般要求。然后系統論述干涉型光纖傳感用光纖、光纖耦合器、相位調制器、半導體光源、摻鉺光纖光源、光電探測器等主要器件的原理、設計方法和制備工藝，重點論述各器件的工作特性及其性能與傳感器性能之間的關系，闡述光纖傳感器對光電子器件性能指標、環境適應性、可靠性等方面的要求。該書還論述了產品設計和工程化應用中十分重要的光電子器件可靠性相關技術。

序前言第1章緒論1．1光纖傳感技術發展歷程1．1．1干涉型光纖傳感器的發展1．1．2光纖光柵傳感器的發展1．1．3分布式光纖傳感器的發展1．1．4其他類型光纖傳感器1．2光纖傳感器的分類1．3光纖傳感技術中涉及的典型物理效應1．4光纖干涉儀原理及特點1．4．1邁克耳孫干涉儀1．4．2馬赫曾德爾干涉儀1．4．3薩格納克干涉儀1．4．4法布裡珀羅干涉儀1．5干涉型光纖傳感器相位解調方法1．5．1零差相位解調法1．5．2外差解調法1．6干涉型光纖傳感用光電子器件1．6．1干涉型光纖傳感用光電子器件分類及特點1．6．2光纖傳感系統設計與光電子器件的關係1．6．3干涉型光纖傳感用光電子器件發展及應川中的主要技術問題參考文獻第2章干涉型光纖傳感器及其光電子器件的技術特點2．1邁克耳孫干涉型光纖傳感器及其典型應用2．1．1邁克耳孫干涉型光纖水聽器2．1．2邁克耳孫干涉型光纖加速度傳感器2．1．3邁克耳孫干涉型光纖傳感器用光電子器件的技術特點2．2烏赫曾德爾干涉型光纖傳感器及其典型應用2．2．1馬赫曾德爾干涉型光纖水聽器2．2．2馬赫曾德爾干涉型光纖擾動傳感器2．2．3馬赫曾德爾干涉型光纖傳感器用光電子器件的技術特點2．3薩格納克干涉型光纖傳感器及其典型應用2．3．1干涉型光纖陀螺儀2．3．2光纖電流互感器2．3．3薩格納克干涉型分布式光纖傳感器2．3．4薩格納克干涉型光纖傳感器用光電子器件的技術特點2．4法布裡珀羅干涉型光纖傳感器及其典型應用2．4．1法布裡珀羅干涉型光纖溫度傳感器2．4．2法布裡珀羅干涉型光纖應變傳感器2．4．3法布裡珀羅干涉型光纖壓力傳感器2．4．4法布裡珀羅干涉型光纖傳感器用光電子器件的技術特點2．5白光干涉型光纖傳感器及其典型應用2．5．1基於掃描干涉儀的白光干涉型光纖傳感器2．5．2光譜域白光干涉型光纖傳感器2．5．3白光干涉型光纖傳感器用光電子器件的技術特點參考文獻第3章光纖及其在干涉型光纖傳感中的應用技術3．1光纖的結構與分類3．1．1單模光纖3．1．2保偏光纖3．2光纖性能參數及測試方法3．2．1光學特性參數3．2．2幾何特性參數3．2．3機械特性參數3．3光纖製備工藝3．3．1單模光纖製備工藝3．3．2保偏光纖製備工藝3．3．3抗輻照保偏光纖製備工藝3．4光纖的特性及干涉型光纖傳感應用要求3．4．1干涉型光纖傳感用光纖的分類及應用要求3．4．2三種應力型保偏光纖的特點3．4．3光纖的應用環境適應性3．5光纖在干涉型光纖傳感中應用的主要物理效應3．5．1光纖中的光波偏振交叉耦合3．5．2光纖的非線性效應3．5．3光纖的法拉第效應……第4章光纖耦合器第5章光纖偏振器件第6章相位調製器第7章其他光無源器件第8章半導體光源器件第9章摻鉺光纖有源器件第10章光電探測器第11章光電子器件可靠性技術附錄縮略語索引

第1章 緒論
1.1 光纖傳感技術發展歷程
自20世紀60年代以來，以半導體激光器和光纖技術為代表的光電子技術得到快速發展。在光纖技術的研究過程中發現光纖不僅可以作為光波的傳輸介質，而且光波在光纖中傳播時，光波的特征參量會受到外界物理量的調制。將光纖作為敏感元件，可實現對多種物理量的探測，隨后基于光纖的各種傳感原理和技術方案相繼提出，并逐漸發展成為一種新型的傳感測量技術――光纖傳感技術。
光纖傳感技術以光波為載體，光纖為媒介，感知和測量外界物理量。目前，光纖傳感器可測量的物理量包括溫度、壓力、位移、應變、角速度、線加速度、流量、電場、磁場、電磁場和液位等。與傳統傳感器相比，光纖傳感器具有靈敏度高、抗電磁干擾、電絕緣、抗腐蝕、本質安全、對被測物理量干擾小、便于復用和組網等特點。光纖傳感技術的以上優點彌補了傳統傳感器的不足，拓寬了傳感器的應用領域，被廣泛應用于航空航天、軍事裝備、過程控制、石油化工、電力系統、地球物理、安全監控等諸多領域，并取得了很多具有開創性的成果。
在光纖傳感技術的發展早期，主要以結構簡單的強度調制型光纖傳感器為主。20世紀80年代后，以干涉型光纖陀螺、光纖水聽器和光纖電流互感器為代表的干涉型光纖傳感器得到了研究人員的廣泛關注，并且帶動了相關光電子器件的發展。80年代末，隨著光纖光柵的發明，光纖光柵傳感技術成為研究熱點，與此同時干涉型光纖傳感技術逐漸成熟。2000年后，隨著各種光電子器件及信號處理技術的成熟，研究人員逐漸解決了干涉型光纖傳感器、光纖光柵傳感器、分布式光纖傳感器等多種傳感器的工程應用問題，光纖傳感器進入了實用化階段。光纖傳感技術已成為光纖通信產業發展之后光電子技術的又一重大產業。
1.1.1 干涉型光纖傳感器的發展
根據光路結構不同，干涉型光纖傳感器可分為邁克耳孫（Michelson）型、馬赫-曾德爾（Mach-Zehnder）型、法布里-珀羅（Fabry-Perot）型和薩格納克（Sagnac）型。
1.邁克耳孫和馬赫-曾德爾干涉型光纖傳感器
利用邁克耳孫干涉儀和馬赫-曾德爾干涉儀可構成光纖水聽器、光纖溫度傳感器、光纖壓力傳感器和光纖振動傳感器等。光纖水聽器的研究始于20世紀70年代末的美國海軍實驗室，1977年美國海軍研究室（NRL）的Bucaro等演示了一套基于光纖技術的水聲傳感系統［1］。隨后，其他國家也相繼投入研究，促進了光纖水聽器的發展。光纖水聽器專家Nash在1996年指出，干涉型光纖水聽器是最有可能構成未來聲吶系統的一種新型傳感器［2］。1999年，英國國防評估和研究局（DERA）與NRL聯合開始研制采用時分/頻分多路復用技術的光纖水聽器陣列［3］。2000年，洛杉磯級和海狼級潛艇裝備了由光纖水聽器陣列組成的寬孔徑陣聲吶［4］。目前，干涉型光纖水聽器是現有各種光纖水聽器陣列中使用最多、發展前景最好的一種水聽器。在我國，光纖水聽器經過30年的發展，技術已日趨成熟，目前已進入工程研究和實用化階段。
2.法布里-珀羅干涉型光纖傳感器
1988年，Lee和Talyor等首次報道基于本征型法布里-珀羅干涉儀（IFPI）結構的光纖傳感器［5］；1991年，Murphy等報道基于非本征型法布里-珀羅干涉儀（EFPI）的應變光纖傳感器，將光纖插入準直毛細管內，通過環氧樹脂將光纖與準直毛細管固定在F15戰斗機的機身，測試了機身的疲勞性能［6，7］。1991年，Wolthuis利用硅膜片作為法布里-珀羅干涉儀的一個反射鏡和壓力敏感元件，構成了EFPI光纖壓力和溫度傳感器，用于醫療領域［8］。2000年至今，研究人員利用激光器熔接、電弧熔接、微機械加工和顯微加工等方法研制出多種EFPI光纖傳感器，實現了無膠粘封裝，提高了EFPI光纖傳感器的可靠性和長期穩定性。EFPI光纖傳感器被廣泛應用于油井等極端惡劣場合的壓力、溫度和應變的測量、燃氣渦輪發動機和高電壓功率變壓器的動態壓力測試、植入人體的壓力測量等［9，10］。自20世紀90年代初，我國相關高校和研究院所開始進行EFPI光纖傳感器方面的研究工作，目前，EFPI光纖應變傳感器已在橋梁和油井壓力監測等領域得到了工程應用［11，12］。
3.薩格納克干涉型光纖傳感器的發展
1976年，美國Utah大學Vali和Shorthill在實驗室利用光纖演示了光纖薩格納克干涉儀，并實現對載體角速度和角位移的測量，研制出了第一個光纖陀螺［13］。隨后，一系列重大技術的突破，如1978年閉環相位補償方案被提出［14］，1980年光纖陀螺最小互易性結構被提出［15］，1981年超輻射發光二極管（SLD）首次作為光纖陀螺光源［16］，1983年光纖線圈的二極對稱繞法和四極對稱繞法［17］被提出，這些技術促進了光纖陀螺的發展。1984年成功研制出采用數字階梯電壓驅動和Y波導多功能集成光學器件的數字閉環光纖陀螺［18］。1991年報道了采用摻鉺光纖光源的光纖陀螺［19］，使高性能光纖陀螺成為現實。1993年采用保偏方案的導航級干涉型光纖陀螺研制成功［20］。目前，光纖陀螺已成為導航、制導與控制領域的主流慣性儀表。國內從20世紀80年代開始光纖陀螺的研究工作，自主研制了滿足光纖陀螺應用要求的光電子器件，2004年光纖陀螺首次經過了飛行試驗。目前我國自主開發的光纖陀螺精度覆蓋了10～0.001（°）/h（1σ），已開始廣泛應用于空間飛行器、飛機、艦船、武器裝備等領域。
光纖電流互感器是薩格納克干涉儀的另一個典型應用。自20世紀70年代，光纖電流互感器就成為研究的熱點。1977年英國電力研究中心的Rogers等從原理方面對全光纖電流互感器進行了研究［21］，在實驗室對實驗裝置進行試驗并獲得成功，在1979年成功安裝在發電站上，開始試運行。90年代起，各國對光纖電流互感器的研究進一步深入。1994年，ABB公司研發出了多種電壓等級的交流、直流數字光電式光纖電流互感器。1997年Nxtphase公司也研制成功了光纖電流互感器，隨后進行了較大規模的應用，該公司及光纖電流互感器的相關業務于2009年并入Alstom公司。我國光纖電流互感器于2008年在國家電網系統中得到了正式應用，目前累積應用的數量已超過了歐美等國家應用的總和。
此外，利用薩格納克干涉儀和譜缺損定位技術，還可實現對外界擾動的測量和定位。經過幾年的發展，這種傳感器已基本成熟，目前正在進行工程應用。
1.1.2 光纖光柵傳感器的發展
光纖光柵的研究始于20世紀70年代。1978年，加拿大通信研究中心的Hill等采用雙向488nm氬離子激光在摻鍺光纖內干涉形成駐波的方法，使光纖折射率沿軸向產生周期性的改變，實現了反向模式間耦合的光纖布拉格光柵（FBG）［22］，但是Hill光柵受到寫入方法和光纖器件發展水平的限制，制備效率低，光譜特性較差。1989年，Meltz等采用244nm紫外光雙光束全息曝光技術制作出光纖光柵［23］，為光纖光柵的制作提供了一種實用的方法。1989年，Mo-rey等在發展紫外光側面寫入光纖光柵技術的同時，首次對光纖光柵的溫度和應變傳感特性進行了研究，發現光纖光柵的中心波長與溫度、應變之間具有良好的線性關系［24］。1993年，貝爾實驗室提出載氫技術提高光纖光敏性［25］，同年Hill又提出了制作光纖光柵的相位掩模法［26］，成為目前應用最廣泛的光纖光柵制作方法。光纖光柵刻寫技術的成熟為光纖光柵的批量生產和大范圍推廣應用提供了有力的保障。
1993年，Kersey等利用可調諧法布里-珀羅濾波器檢測的方法實現了光纖光柵陣列的復用傳感［27］。利用熱穩定法布里-珀羅干涉儀的透射光譜或氣體吸收譜作為波長參考，使基于可調諧濾波器或可調諧激光器的光纖光柵測量技術具有優良的精度和長期穩定性。InGaAs探測器陣列和光柵技術的成熟，促進了小型化光譜儀的發展，從而為光纖光柵的測量提供了簡單易行的解決方案。對于低反射率的光纖光柵，美國國家航空航天局（NASA）發展了基于波長掃描激光器和光頻域反射計（OFDR）的光纖光柵測量技術，實現了低反射率光纖光柵的大規模復用測量。
在光纖光柵傳感器的結構設計和封裝工藝方面，針對溫度、應變交叉敏感，提出了雙光纖光柵參考法、溫補封裝、長周期光纖光柵等方法，實現了溫度、應變的區分測量；通過采用金屬封裝、玻璃化封裝、聚合物封裝等技術，提高了光纖光柵在惡劣環境下的可靠性和長期穩定性；通過設計相應的敏感結構，光纖光柵實現了對溫度、應變、壓力、振動、聲場、電場、磁場等多種參量的敏感和測量。
2000年后，隨著光纖光柵的刻寫技術、波長檢測技術和封裝工藝技術的成熟，光纖光柵傳感器實現了商品化發展，在航空航天、建筑工程、電力、石油化工、海洋、核能、醫學等多個領域都取得了廣泛應用。
1.1.3 分布式光纖傳感器的發展
分布式光纖傳感器利用光波在光纖中傳輸的特性，可沿光纖長度方向連續地傳感被測物理量，光纖既是光波傳輸介質，又是被測物理量的傳感介質。分布式光纖傳感器解決了原有傳感器只能進行單點測量的問題，并且具有測量空間范圍大、結構簡單、使用方便、性價比高等其他傳感器無可比擬的優點。1977年，Barnoski等成功研制出光時域反射計（OTDR），以光纖后向瑞利散射光作為被測信號，用于光纖故障診斷［28］。1980年，Rogers利用單模光纖中的偏振態對光纖所受到的電場、磁場、應變場、溫度場等物理量的敏感特性，提出了偏振光時域反射測量技術（POTDR）［29］。1983年，Hartog等利用液芯光纖的瑞利（Rayleigh）散射在數百米長度光纖上實現了溫度的分布式測量［30］。1985年，Dakin等提出利用拉曼散射效應測量沿光纖方向溫度場的方法［31］，并開始了樣機研制。同年，Hartog等［32］和Dakin等［33］分別用半導體激光器作為光源，研制出基于拉曼散射的光纖溫度傳感器樣機，實現了對溫度場的分布式測量。1987年，英國York公司推出了基于拉曼散射的分布式溫度傳感器產品。據報道，目前基于拉曼散射的分布式溫度傳感器產品的傳感距離達到30km，溫度分辨率達到了0.05℃，空間分辨率達到了2m。
1989年Horiguchi和Culverhouse等發現了布里淵散射頻移和溫度、應變之間的關系，提出利用布里淵散射可以實現對溫度和應變的分布式測量［34～36］。同年Horiguchi提出了布里淵光時域分析（BOTDA）法［37，38］，1993年Kurashima提出了基于光外差相干檢測的布里淵光時域反射計（BOTDR）法［39］，這兩種方法提高了布里淵散射譜的測量精度，解決了利用布里淵散射進行檢測的可行性和精度問題。
在BOTDR技術方面，英國南安普頓（Southampton）大學和York公司合作對BOTDR技術進行了廣泛的研究［40］。1994年，日本NTT公司和Ando公司合作最先推出了商品化的BOTDR產品［41］。不久英國Sensornet公司推出了DTSS系列BOTDR產品［42］。目前基于外差相干檢測技術的BOTDR產品已經比較成熟，日本Ibaraki大學和YokogawaElectric公司在提高產品的空間分辨率上進行了
深入的研究，而其他的一些研究機構也在嘗試采用不同的光源或脈沖編碼技術以降低成本和提高測量精度。
在BOTDA技術方面，瑞士Omnisens公司推出了DITEST系列BOTDA產品［43］，日本的Neubrex公司推出了NEUBRESCOPE系列BOTDA產品［44］，加拿大OZOptics公司和Ottawa大學合作推出了DSTS系列BOTDA產品［45］。目前空間分辨率1m以上的單脈沖BOTDA光路方案和信號處理方法已經比較成熟。OZOptics公司和Neubrex公司已經推出空間測量分辨率10cm的BOTDA產品，但由于BOTDA技術在提高空間測量分辨率上顯現出巨大的潛力，高空間測量分辨率的BOTDA仍然是光纖傳感器領域研究的熱點之一［46］。
1.1.4 其他類型光纖傳感器
1.聚合物光纖傳感器
自20世紀60年代美國杜邦公司發明聚合物光纖以來，聚合物光纖傳感器取得了很大的發展。1983年，日本NTT公司將全氘化聚甲基丙烯酸甲酯塑料光纖在650nm波長處的損耗降低到20dB/km［47］。近年來聚合物光纖的性能不斷提高，具有折射率可調、抗彎曲性能好等優點，已被廣泛應用。利用聚合物光纖代替普通石英光纖，可研制各種類型的聚合物光纖傳感器，具有低彈性模量、抗腐蝕、高柔軟性、大拉伸強度、抗振動沖擊、不易折斷、選材范圍廣和相容性好等特點。
聚合物光纖傳感器可進行輻射、液面、放電、磁場、折射率、溫度、風速、旋轉、振動、位移等方面的測量。目前已報道的聚合物光纖傳感器包括結構安全監測傳感器、濕度傳感器、生物傳感器、化學傳感器、氣體傳感器等。
2.熒光光纖傳感器
1985年，英國南安普頓大學的Payen等發現了摻雜稀土元素的光纖有激光振蕩和光放大的現象［48］，隨后研究人員對這種熒光光纖進行了深入的研究，發現這種光纖的熒光強度、熒光壽命、雙波長熒光強度比等參數會隨溫度、壓力等環境因素變化。根據熒光光纖的上述特性，研究人員開始利用熒光光纖代替普通石英光纖研制各種傳感器，如溫度傳感器、pH傳感器、氣體濃度傳感器、液面傳感器等。其中，熒光光纖溫度傳感器適于進行高溫探測，可以與普通光纖良好連接，可采用光纖放大器等成熟器件，受到關注和廣泛研究。
3.光子晶體光纖傳感器
光子晶體光纖通過特殊設計，可具有無截止單模傳輸、可控光學非線性、低色散、強雙折射、大模場等特點。這些特點使得光子晶體光纖在傳感器應用方面具有廣闊的前景，如利用光子晶體的多孔性，可研制吸收型氣體傳感器；利用光子晶體的非線性效應，可研制檢測物質成分的傳感器；利用光子晶體的各向異性，可研制與偏振相關的傳感器。由于光子晶體光纖傳感器具有特殊性能，使其迅速成為光纖傳感技術領域研究的熱點。