光纤传感技术用特种光纤基础知识『摘要』本文较全面地介绍了用于光纤传感器的各种光纤，开发传感器 用特种光纤的主要技术途径，制作工艺及传感特性包括声学敏感光纤、磁 敏光纤、低双折射光纤、圆双折射光纤、椭圆双折射光纤、线性双折射光纤、 保偏光纤、偏振光纤、稀土离子掺杂光纤及特种材料多组份光纤及光纤光栅1引言众所周知，光纤传感技术的起步并不比光纤通信滞后，但由于光纤通信 给信息技术的发展提供的诱人前景和巨大市场，使得光纤技术的发展主要依 从于光纤通信技术的发展目前几乎已覆盖全球的庞大的光纤通信网，要求 光纤有极低的损耗和极小的色散，以满足高速率、大容量、远距离传输的要 求光纤产品对光纤通信的要求几乎是尽善尽美、精益求精地去满足，但对 用于传感技术的光纤所投入的力量则小得多因此早期用于传感器的光纤， 大多数是从通信用光纤中选择直接使用或作某些特殊处理(如包层处理后) 再使用这对于某些传感器，如外部传感器或某些简单的内部传感器，已能 满足一定的要求但随着光纤传感技术的发展，在许多情况下，仅仅使用通 信光纤是极勉强的例如，光纤电流传感器中，如果直接使用通信光纤，将 有两个致命问题，一是通信用石英光纤的费尔德(Verolet)常数很小；二 是为了使光纤环绕被测电流需把光纤绕成线圈，这将使光纤产生弯曲，从而 产生很强的线性双折射，其结果是将光纤本来很低的费尔德常数又大大降低 (约为原来的1 /50 )以至无法实际应用。
因此，开发各种适合于传感技 术要求的光纤是非常必要的传感器用光纤一直是光纤技术领域中的一个重要研究课题归纳起来主 要通过以下几个途径开发特殊类型的光纤：(1) 对石英光纤进行某些特殊处理，可以改变光纤的偏振特性或其它 预期的传感特性2) 对石英光纤在结构设计上进行改造，以改变其偏振特性3) 改变光纤的掺杂材料，或在光纤结构中插入金属材料，以使光纤 产生新的特性或获得预期的偏振特性4) 利用其它材料制成特种光纤，以获得某种特性5) 紫外写人光纤光栅2特殊处理的石英光纤2.1对光纤外套进行特殊处理对包层的特殊处理可以用于声学和磁场、电场、加速场、电流等干涉型 光纤传感系统中它的声学灵敏度是外套材料弹性模量和外套截面积乘积的 函数材料的弹性模量较高时，第二包层的厚度可较薄，反之亦然磁性材 料在磁场的作用下对光纤产生轴向应力，而实现对磁场的传感2.2进行热处理的光纤在磁场和电流光纤传感器中，为了克服缠绕时光纤弯曲产生的线性双折 射，一个有效的方法是对光纤进行退火处理由于线圈直径很小产生很强的 内应力如果不消除，内应力造成的线性双折射将使光纤线圈无法用于磁场 电流的传感退火方法是将光纤线圈与陶瓷线圈骨架一起加热到800 °C， 保持一段时间后逐渐冷却，则光纤弯曲引起的线性双折射可完全消除，成为 低双折射或无双折射的光纤。
2.3拉丝时进行特殊处理的光纤在光纤拉丝时，采取某些措施可以使光纤成为低双折射的光纤、圆双折 射或椭圆双折射光纤，以满足光纤传感器在偏振特性上对光纤的要求1) 自旋型光纤：在光纤拉丝时，一边拉丝一边同轴旋转光纤的预制 律，可以得到自旋型光纤预制棒的旋转速度可以控制在每分钟数千转这 样可以使光纤任意方位角的旋转节距非常短光在这样的光纤中传输时，线 性偏振光跟不上双折射轴的这种高速旋转这对传输模而言，意味着光纤呈 圆对称，因此光纤内部的线性双折射和偏振模失2pm这给光纤的制造和 光纤间的耦合带来了困难但也有好的一面，即光纤的弯曲损耗小，且半导 体激光器辐射光斑的形状与椭圆芯相近，因此易于实现与激光器的直接耦 合2) 蝴蝶结光纤：其结构在靠近光纤芯处有两个扇形应力区，光纤材 料为播错石英玻璃(GeO2 /SiO2 )应力区的材料为掺硼(高浓度)石英 玻璃，由于掺硼区域周围区域的热压缩不同，因而在光纤中引人很强的内应 力应力的作用使光纤产生线性双折射在各种线性双折射光纤中，蝴蝶结 光纤是双折射最强的光纤，其双折射参数B可达4.8 X10 —4为了获得 尽可能大的双折射，应当使扇形应力区尽可能接近光纤芯，但也不能过分靠 近，否则在包层中将产生消失场，导致光纤损耗增加。
这对其它应力双折射 光纤也是适用的3）熊猫光纤：熊猫光纤的名称来自于英文缩写PANDA，其真实含义 是偏振保持和吸收还原（Polarization-maintaining and absorption-reducing ）为了形成线性双折射，需在光纤预制律中，光纤 芯区两边对称的位置各钻一个圆孔，并在每个圆孔中各插入一个尺寸相当的 掺硼预制律通常，光纤预制棒是用VAD法制成的，而掺棚的预制律则是 用普通的MCVD法制成的因此熊猫光纤预制棒是〜个复合预制棒然后用 普通的方法拉成光纤，光纤冷却后，在掺棚的预制律中产生对称于光纤芯的 扇形应力区，使熊猫光纤成为线性双折射光纤3.偏振光纤偏振光纤是以另一种方式工作的特殊光纤其特点是在光纤中引人一种 强衰减但光纤中的两个正交偏振模中只有一个模受到衰减，而另一个模仍 以极低的损耗在光纤中传输因此即使互相垂直的两个偏振模同时注入光 纤，由于其中一个模衰减很快，因此光纤输出端只有一个线性偏振模输出 与保偏光纤相比，偏振光纤可以提高注人光的消光比，具有起偏作用，因此 偏振光纤的输出光与输入光相比可以具有很高的消光比而保偏光纤在理论 上只能保持往火光的偏振态，输出光的消光比不会高于注入光的消光比。
偏 振光纤的工作原理是迅衰场原理，使某一个偏振模迅速衰减的光纤结构有如 下两种1）D形截面光纤：D形截面光纤是将单模光纤预制律沿轴向的一侧 进行研磨去掉一部分包层直至被研磨的平面接近光纤芯使预制棒的形状半 圆形（形），然后进行抛光拉丝过程中适当控制温度，使光纤截面仍保持 D形同时高温火焰中的拉丝对D平面（即抛光平面）进一起火焰抛光作 用，使D平面成为极其光滑的低散射表面用这种方法拉制出的D形截面 光纤，可以使光纤中与光滑平面相平行的偏振光不受衰减，但垂直于光滑平 面的偏振光迅速衰减，成为只有单一偏振输出的偏振光纤通过适当控制预 制律材料被磨去的厚度，也即调整光滑平面到光纤芯的距离，可以确保迅衰 场的衰减最大，而又保证非迅衰场的衰减最小，使偏振光纤获得最大消光比2) 中空截面光纤：这是对D形光纤的一种发展和改进由于D形光 纤的截面不是完整的圆形，给使用带来不便中空截面光纤是在D形光纤 预制棒的外面套上一个尺寸相配的套管，形成一个包含D形光纤截面和中 空截面的复合型预制棒在对复合预制棒拉丝时，适当控制拉丝温度，使D 形光纤保持D形截面不变，同时又要使D形光纤与包层套良好熔接在一起 最后拉制成的光纤截面仍保持的形状，因此称为中空截面光纤。
中空截面光 纤的优点是可以像普通光纤那样进行处理、切割和连接3) 金属玻璃光纤：这种光纤是在中空光纤的空洞中注入低温合金而 成的由于合金的注入使得这种光纤具有极强的偏振特性，可以制成金属玻 璃光纤起偏器金属玻璃光纤光纤的数值孔径约为0.16，截止波长约为 1.25pm，中空截面到光纤芯的距离约为3pm空洞中填充的金属是低熔点 的SnIn合金，熔点为120 °C用一个装有合金的不锈钢注射器在130 °C 的温度和4 X105Pa大气压力下，将合金缓缓地注入到光纤的空洞中大 约每分钟可以填充2m长的光纤光纤的外面套上丙烯树脂包层5cm长的 光纤可获得40dB的消光比，波长范围为1300〜1600nm通过调整光纤芯 到金属平面的距离，可以控制光纤的消光比因此光纤偏振器的消光比可以 做得很高，长度为1cm甚至更短的一段光纤，其最大消光比可超过100dB4改变光纤的掺杂材料前述的光纤都是以石英光纤为基础，对其进行某些特殊处理或特殊设计 而成为特殊光纤因而光纤的低损耗特性基本上得到保证人们还可以用其 它方法如在光纤中掺入少量其它材料或完全使用其它玻璃材料制成特殊光 纤，因而使光纤具有新的特性如使光纤具有光放大作用、强旅光作用或光 克尔效应。
4.1接稀土全属高于光纤早期，人们对在石英光纤中掺入稀土金属离子曾持怀疑甚至否定态度 这是因为在光纤技术发展过程中，曾绞尽脑汁去掉各种金属离子以降低光纤 损耗但Poole S B和Town send J E等人证明了如果严格控制光纤芯和 包层中稀土离子的含量，可以利用基于MCVD法的光纤技术，制造出低损耗 的掺稀土离子光纤可以掺杂的金属离子有很多种，如钛Nd，钦Ho，饵 Er，错Pr，镝Dy，钛Tb，铈Ce，铕Eu，铥Tu，钇Yb等不同的 掺杂可使光纤有不同的特性例如掺钛光纤的吸收与温度变化有良好的线性 关系，掺钦光纤具有非常尖锐的吸收边带掺铽或铈离子的光纤具有强旋光 特性，渗饵或错可使光纤具有主动性，即具有放大或振荡功能掺杂的程度 可以2 X10-7〜3 X10-3质量百分比范围内变动掺稀土光纤的制造工 艺可以以接钦为例来说明，它以MCVD工艺为基础，在某些问题上进行了特 殊处理这主要是在室温下稀土离子的卤化物是固体，它们熔点高，蒸气压 低并且以水合物的形式出现为了解决这一问题，将需要掺杂的物质(如纯 度为99.9 %的NdCl3 - 6H2O )引入沉积管进气端的特殊气室内，在氯气 环境下被加热烘干形成无水晶体，并熔化沉积在气室壁上。
然后对沉积管内 部进行清理以去掉干燥过程中产生的任何杂质接下来是用常规方法形成包 层在沉积料芯时，气室内的掺杂物质被加热到1000 °C以产生少量NdCl3 蒸气，它被反应气流带到沉积管的下游并被氯化与光纤芯结合在一起与常 规MCVD相比，芯子的沉积温度较低，因此芯子的组份最初是未被熔化的 在氯气环境中继续加热后，芯子被熔化形成透明的元气孔层，经过缩棒后形 成坚硬的光纤预制律掺杂光纤中钕的含量为5 X 10 —6质量百分比，吸 收衰减的温度变化率为0.2 %C — 1还有人采用铁掺杂的稀土光纤，掺 杂浓度为10-3质量百分比，如果把它作为分布式温度传感器，灵敏度为 1 C时，分辨率为3 . 5m，温度线性范围为一200〜+ 100 C掺钦光 纤除具有敏感的温度特性，还具有陡峭的吸收边带特性，可以构成灵巧的滤 波器例如7m长的掺钦光纤对633nmHe —Ne的泵源和反斯托克斯赖曼散 射谱线616nm之间的衰减差可达109，因此可对泵光波长有非常好的抑制 特性掺杂光纤的更大热点是接饵或掺错光纤由于它们对光的放大作用， 已在光纤通信中作为光纤放大器或光纤振荡器获行了巨大进展和实际应用 因有很多文章对其详细介绍，本文不再详述。
4.2特种材料光纤可以完全利用某种光学材料制成光纤，如含武玻璃光纤或含钵玻璃光 纤由于玻璃内所含成分较多，所以一般称为多组份光纤或软玻璃光纤这 些特殊的光学材料具有某些特殊的光学特性，如旋光特性、非线性等光纤 的制造工艺一般采用插律法(rod intube )该光纤所使用的铽玻璃中铽 的含量为56 %，光纤的折射率分布为W型，二次插棒法的工艺过程经 二次插棒和两次拉丝过程制造的铽玻璃光纤具有极强的旋光特性，费尔德常 数 V — 9.52 n X 10-2min /A，芯径^ 1= 4.5mm，内包层直径^ 2= 25.3mm，外包层直径^ 2= 125mm5紫外写入光纤光栅这是利用光纤折射率对紫外光照射具有敏感性而发展起来的一种特殊 光纤器件，早在1978年K.O.Hill就发现了这种敏感性，但直到1989年 G.Melth才第一次实现了用干涉法写入的可用于通信波长的光纤光栅光纤 光栅可广泛用于色散补偿器、波分复用器和光纤传感器等各个领域早期的 光纤光栅采用的是普通光纤，它对紫外光的敏感性较差，写入灵敏度低因 此增敏技术的研究是很重要的如曾有人在掺错光纤上采用高压荷氢 (H2Loading)。