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第3 8 卷第4 期2 0 0 9 年4 月光子学报A C T AP H O T o N I C AS I N I C AV 0 1 3 8N o 4A p“l2 0 0 9温度对光纤布喇格光栅化学传感器性能的影响*孟照方，颜玢玢，桑新柱，余重秀，王葵如，徐大雄(北京邮电大学光通信与光波技术教育部重点实验室，北京l 0 0 8 7 6)摘要：阐述了光纤B r a g g 光栅化学传感的基本原理，推导并利用数值计算得出了腐蚀掉包层后的光纤B r a g g 光栅的纤芯有效折射率随外界折射率变化的关系分析了温度对这种传感器造成的误差研究表明，温度会造成光纤光栅变化和改变溶液折射率的大小，从而对传感器的测量造成影响设计了一种温度补偿方案实验分别研究了低浓度溶液和高浓度溶液中传感头两段不同光栅区的B r a g g 波长随温度的变化结果表明：在清水中，传感头两段光栅区B r a g g 波长受到温度变化的影响基本相同，通过测量波长的差值可消除温度的影响；高浓度溶液中，传感头受温度影响造成的总波长漂移量约为未被腐蚀光栅区的波长漂移量的O 6，与理论的结果基本一致传感头受温度影响造成的总波长漂移量可由未被腐蚀光栅区波长漂移量的大小得出，进而可消除温度对溶液传感的影响关键词：光纤布喇格光栅；化学传感器；折射率；温度补偿中图分类号：T P 2 1 2 2；T N 2 5 3文献标识码：A文章编号：1 0 0 4 4 2 1 3(2 0 0 9)0 4 7 7 5 50引言近年来，光纤布喇格光栅(F i b e rB r a g gG r a t i n g，F B G)由于其特有的性质得到了普遍的关注和广泛的应用，尤其是在传感领域倍受青睐 1 _ 5 光纤光栅化学传感器是基于光纤光栅布喇格波长对外界物质折射率的敏感特性制成的一种新型的光纤传感器，可以测量多种化学溶液的浓度，在环境污染、化学物质检测和生态环境保护中有着广泛的应用在光纤布喇格光栅中，只产生芯模之间的耦合，由于包层的存在，它的谐振波长对外界折射率的变化很不敏感，如果去掉其包层，光栅的谐振波长对外界折射率变化的敏感性就会大大加强，采用氢氟酸腐蚀光纤布喇格光栅包层之后，可以实现其对外界环境折射率的测量，前人在这方面已做了很多工作L 6-8 但是，在测量过程中，温度会引起光栅布喇格波长的漂移，使传感器产生误差，影响传感的准确度本文就温度对光纤布喇格光栅在化学溶液的测量过程中的影响进行分析，并设计了一种补偿方案1基本原理在光纤布喇格光栅传感器中，一般是通过监测(布喇格波长的移动来判断被测量的变化光栅的布北京市教委科技发展计划(2 0 0 4 1 1 2 3 2 0 0 5)、国家自然科学基金项目(6 0 6 7 7 0 0 3)和现代通信系统中新型探测技术与接受模块的研究(X K l o o l 3 0 6 3 7)资助T e l：0 1 0 一6 2 2 8 3 5 2 0E m a i l：m z h a o f a n g y a h o o c o 札c n收稿日期：2 0 0 7 1 2 一l l喇格中心波长为A B 一2 咒。“A(1)式中，A 是布喇格光栅的周期，行硪是纤芯的有效折射率普通布喇格光栅中，倏逝波在包层内传输时衰减很快，无法达到包层，对外界折射率变化不敏感若要测量外界折射率的变化，必须除去光纤光栅的包层，这时光栅只是波导结构的弱微扰，在倏逝波的作用下，光纤纤芯的有效折射率与外界折射率存在着一定的依赖关系【g J 光纤布喇格光栅导模的有效折射率与归一化频率V 有关，表示，rr、Z，z：H 一咒毛一f 号l(以毛一他：。)(2)、V，一式中起。是纤芯折射率；哟是包层折射率(原包层腐蚀掉后，表示的是外界折射率)利用光纤中基模传输的特征方程可以得出U 和V 的关系，将其关系代入式(2)，可得出纤芯有效折射率随外界折射率变化的关系，表达式较为复杂，这里略去特征方程是一个超越方程，可利用数值方法求解，纤芯有效折射率随外界折射率变化的关系也可通过数值计算得出，如图1 化学溶液浓度的变化会引起其折射率的改变，利用被腐蚀掉包层的布喇格光栅对外界折射率敏感的特性，可以测量化学溶液的浓度光纤光栅布喇格中心波长随溶液浓度的变化量可以由数值计算得出，通过光谱仪或其它解调装置监测布喇格波长的变化可间接地测量溶液浓度 万方数据7 7 6光子学报3 8 卷S u 舯岫d i l 培i n d c x图1光纤布喇格光栅纤芯有效折射率随外界折射率变化的曲线F i g 1T h er e l a t i o nb e t w e e ne f f e c t i v ei n d e xa n ds u r r o u n d i n gi n d e x2 温度对传感器影响光纤光栅用做化学折射率传感器时，温度变化不可避免地会对整个传感过程产生影响，会引起光纤光栅布喇格波长的漂移，造成不可忽略的误差从物理本质上看，温度变化会同时影响光纤光栅和待测量溶液2 1温度对光纤光栅的影响从光栅布喇格方程(1)出发，两边微分可以得到温度变化T 导致光纤光栅的相对波长移动猷B=2 宅警T+(，z。H)。，+寒警口 以+q a“j 2 豫。“等T(3)o 上式中口。=(1 靠。H)(a n e f f a T)代表光纤光栅的热光系数；(咒。“)。代表热膨胀引起的弹光效应；a 咒。f f 劫代表由于热膨胀导致光纤芯径变化而产生的波导效应；口。一(1 A)(a A a T)代表光纤的线性热膨胀系数由热膨胀引起的弹光效应以及热膨胀带来的光纤纤芯变化，从数值上要比光纤热光效应和光纤热膨胀效应要小几个数量级，这样在实际计算或估算时可以忽略这些细微的变化，而只保留主要的影响这样，式(3)则可以改写为猷B=(a。+a A)A B T(4)对于石英光纤，其热光系数和线性热膨胀系数都是常量，其值分别为口。=6 8 1 0 _ 6，口A 一5 5 1 0 叫当光纤光栅工作波长为15 5 0n m 时，温度每变化l，将导致1 1 4p m 的波长漂移2 2 温度对溶液折射率的影响折射率是溶液的重要物理参量，它受到温度、压力等因素的影响溶液折射率随温度的升高而减小，且不同溶液在温度变化量相同时，其折射率变化量是不同的，这是因为不同液体的热膨胀系数不相同溶液折射率随温度的变化町表示为竹，=起挈口(一2 0)(5)，z 翟是温度为2 0 时溶液的折射率，口是溶液折射率随温度变化的系数温度对溶液折射率的影响会造成传感过程中布喇格波长的漂移，若化学溶液的浓度灵敏度定义为浓度变化1 引起的波长移动，则可以得出温度影响溶液折射率造成的波长漂移量和灵敏度的关系猷B=口陋丁y(6)式中a 是溶液折射率随温度变化的系数，口是化学溶液的灵敏度，y 是浓度变化1 引起的折射率变化，同一种溶液，的值为常量3温度补偿由分析町知，温度变化会引起溶液折射率的改变和光纤光栅的变化它们又影响光纤光栅布喇格波长的漂移，温度升高导致溶液折射率的改变引起波长漂移的方向与导致光纤光栅变化引起波长漂移的方向正好相反这样会抵消掉一部分由于温度影响光纤光栅引入的波长正漂移，见表1 当溶液的浓表l 温度变化引起的波长漂移表(丙二醇)豢娄黧麓鬻翼麟1 0 1 6 3 31 2 72 O1 1 49 42 0 1 8 9 61 5 O一2 81 1 48 63 0 2 1 5 91 7 53 71 1 47 74 0 Z 4 2 22 0 Z一4 81 1 46 65 0 2 6 8 52 5 26 61 1 44 86 0 2 9 4 83 1 29 11 1 42 37 0 3 2 1 14 0 11 2 61 1 4一1 28 0 3 4 7 45 3 61 8 21 1 46 89 0 3 7 3 77 8 32 8 61 1 41 7 2度较低时(7 0)，温度影响溶液折射率造成的波长漂移较大，在测量过程中造成的误差又不能被消除，只能在测量结果中，加入修正项来消除，修正项包括由温度造成的正负波长漂移J：I B=A。+猷B A。+(口y 一1 1 4)T(7)式中A。为不受温度影响的光栅布喇格波长，A。为测量得到的光栅布喇格波长)(等IlQI芍邕叫 万方数据4 期孟照方，等：温度对光纤布喇格光栅化学传感器性能的影响7 7 7为了消除温度对这种化学传感器的影响，本文设计了温度补偿方案，选用了特殊的光纤光栅的结构本方案采取半光栅蚀刻法，即：将光纤光栅栅区的一半采用氢氟酸进行腐蚀，另一半则不作任何处理，如图2 经腐蚀处理过的光栅区对溶液折射率的变化敏感，用作传感头来测量化学溶液的浓度；未经处理的光栅区则对溶液折射率的变化不敏感，但对温度变化敏感，用来测量温度变化图2 半光栅蚀刻方案F i g 2T h es c h e m eo fh a l f-F B(；e t c h e d当被测溶液的浓度较低时，温度影响溶液折射率造成的波长漂移较小，温度对传感器的影响主要是温度对光栅影响造成的波长漂移温度对光栅的影响并不因光栅截面的大小不同而不同，两段栅区受温度影响产生的波长漂移量相同，通过取两段栅区的波长漂移差值可消除温度变化对光纤光栅影响引入的波长漂移，但不能消除由温度对溶液折射率影响造成的波长漂移这种补偿方式不需测量温度的变化，对任何可测量的溶液都适用当溶液浓度较高时，温度影响溶液折射率引入的波长漂移较大，未经腐蚀的光栅区对折射率变化不敏感，不能利用两段栅区的波长漂移差值来消除，只能在测量结果中，加入修正项式(7)来消除利用未经腐蚀的光栅区测量温度的变化，代入修正项可以消除温度对传感器的影响这种补偿方式可将温度对传感器的影响完全消除，但不同的被测溶液，修正项中的系数不同，在测量时需要首先确定溶液修正项的系数4实验验证实验中采用工作波长为2 4 8n m 的K r F 准分子激光器和相位掩模版在光敏光纤中写入布喇格光栅，获得布喇格光栅的反射率为9 9 6，波长为15 5 2 0 4n m 利用氢氟酸腐蚀光纤布喇格光栅减小包层的直径，首先采用4 5 氢氟酸溶液对部分光栅区进行腐蚀，大约4 0m i n 后，光栅区的直径减小到2 0 肛m 以下，然后改用1 5 的氢氟酸进行腐蚀，直至光栅区的直径降低到约为6p m，得到本方案中的光栅传感头，通过E D F A、光环行器和光谱仪进行测量首先研究两段光栅区低浓度溶液中受温度的影响，将光栅放入纯净水中，同时监测反射谱随温度的变化随着温度增加，两段光栅区的布喇格波长都向长波长方向漂移，但是两段光栅区的波长差值不会改变温度变化由2 0 到9 5，两段光栅区布喇格波长的漂移见图3 可以看出传感头不同光栅区的布喇格波长受到温度变化的影响基本相同，通过测量波长的差值可消除温度的影响】缸l p e r a 山f 别图3半腐蚀光栅两光栅区的布喇格波长随温度的变化F 谵3W a v e l e n g t hs h i f to ft h ee t c h e dI l a l fv e r s u st 锄p e r a t u r ef o rt w oF B G s其次研究两段光栅区在高浓度溶液中受温度的影响，将传感头放入浓度为8 0 的丙二醇溶液中，同时监测反射谱随温度的变化随着温度增加，未被腐蚀光栅区的布喇格波长向长波长方向漂移，而被腐蚀光栅区的布喇格波长向短波长方向移动温度变化由2 0 到9 5，两段光栅区布喇格波长的漂移见图4 在高浓度溶液中，被腐蚀光栅区受温度影响溶液折射率变化造成的波长漂移超过了受温度影响光纤光栅造成的漂移，此时传感头受温度影响造成的总波长漂移量可由修正项得出由实验测量得出的数据可以得出传感头受温度影响造成的总波长漂移量约为未被腐蚀光栅区的波长漂移量的0 6(见图4)，与理论结果基本一致因此，测量高浓度溶液时，传感头受温度影响造成的总波长漂移量可T c m 拼疵哪e，图4高浓度丙二醇溶液下半腐蚀光栅两光栅区的布喇格波长随温度的交化4W a v d e n g t hs h i f to ft h ee t c h e dh a l fv e 弗u st 哪p e r a t u r ef o rt w oF B G si nh i g hc o n c e n t r a t i o no fp I o p y l e n eg l y c o ls o l u t i o n暑u，毫一Il蔚口013日事口_薹一tIslll嚣口Q冒磊参 万方数据7 7 8光子学报3 8 卷由未被腐蚀光栅区波长漂移的大小带入修正项得出，从而消除温度对溶液传感的影响由实验测量可知，在高温下，传感头两段光栅区的波长差值变化不大(见图3)，此温度补偿方案在高温下也同样适用5结论本文从理论上阐述基于光纤光栅的化学传感器的基本原理，利用数值计算得出了光栅布喇格中心波长随外界环境折射率变化的关系，进而可得出光栅布喇格波长随溶液浓度变化的关系最后从温度对光栅本身和对溶液折射率的影响出发，分析了温度在传感过程中，造成布喇格种波长的漂移对传感准确度的影响提出了一种温度补偿方案，并通过实验测量对此方案进行验证，实验结果证明了此方案切实可行该传感器可以用于液体环境中化学或生物成分的变化，并可以实现多点同时监测，在医疗、制药、环境监测等有良好的应用前景参考文献 1 K E R s E YAD，D A V I sMA，P A T R I C KHJ，“F i b e rg r a t i n gs e n s o r s J L f g t 似伽陬 打o z，1 9 9 7，1 5(8)：1 4 4 2 1 4 6 3 2 s H Ux，c H I s H o L MK，F E L M E R IL，以4 z H i g h l ys e n s i t i v et r a n s v e r s el o a d i n gs e n s i n gw i t hr e v e r s i b l es a m p l e df i b e rB r a g gg r a t i n 9 8 J A 声p z P y sL P 肛，2 0 0 3，8 3(1 5)：3 0 0 3 3 0 0 5 3 Z H A N GX i a n g-d o n g，uY u l I n，P E N Gw e n-d a。盯n z D e s i g na n dr e a l i z a t i o no ft e m p e r a t u r ea n dr e l a t i v eh u m i d i t ys e n s o rb a s e do nF B(；J A c 缸P o D 行f s i 行i，2 0 0 3，3 2(1 0)：1 1 6 6 1 1 6 9 张向东，李育林，彭文达。等光纤光栅型温湿度传感器的设计与实现 J 光子学报，2 0 0 3，3 2(1 0)：1 1 6 6 1 1 6 9 4 c u Ic h u n l e i，L l Uw e 卜p i n g。H u 人N GH o n g-b i n。“以C l a d d i n gm o d e sc h a r a c t e r i s t i ca n di t sa f f e c t so nt r a n s m i s s i o ns p e c t r u mo fl o n gp e r i o df i b e rg r a t i n g s J A f 4P o f o n i c 口S n f f n。2 0 0 5。3 4(1 0)：1 5 6 9 15 7 2 崔春雷，刘伟平，黄红斌，等长周期光纤光栅包层模特性及其对传输谱的影响 J 光子学报，2 0 0 5，3 4(1 0)：1 5 6 9 一】5 7 2 5 L I A()Y i，R A 0Y u f I j i a n g H uY o n g-m i n g，甜口z Al o v P c o s tl o n g p e r i o df i b e rg r a t i n g b a s e ds e n s o rd e v i c e J A f f 口P o o 竹f c 口S i 竹i c 口。2 0 0 7，3 6(4)：7 0 2 7 0 5 廖毅，饶云江，胡永明。等低成本长周期光纤光栅传感系统 J 光子学报，2 0 0 7，3 6(4)：7 0 2 7 0 5 6 L I A N(jw。H u A N GY，x uY，盯以H i g h l ys e n s i t i v ef i b e rB f a g gg r a t i n gr e f r a c t i v ei n d e xs e n s o r s J A 户夕zP y sL P“，2 0 0 5，8 6(1 5)：1 5 1 1 2 2 7 c H R Y s S l sAN，L E ESM L E EsB H j g hs e n s i t i v i t ye v a n e s c e n tf i e l df i b e rB r a g gg r a t i n gs e n s o r J r E EP o f D 以丁如玎D，L P“，2 0 0 5。1 7(6)：12 5 3 1 2 5 5 8 S A N Gx i n 一茹h u，Y uc h o n g x i u。Y A NB i n _ b i n，甜口C h e m i c a ls e n s o rb a s e do naf i b e rB f a g gg r a t i n g J (功t i f 5 口n dP r 酣i，i o 以肪g i 竹e P 一竹厅，2 0 0 6。1 4(5)：7 7 卜7 7 4 桑新柱，余重秀，颜玢玢等基于光纤布喇格光栅的化学传感器 j 光学精密工程。2 0 0 6，1 4(5)：7 7 l 一7 7 4 9 Y A R I VA 0 p t i c a le I e c t r o n i c si nm o d e r nc o m m u n i c a t i o n s M 5 t he do x f o r d：0 x f o r dU n i v e r s i t yP r e s s。1 9 9 7 1 8 0 8 8 1 0 s A N Gxz，Y uC h o n g x i u。M A Y T E E V A R u N Y O OT，以“T e m p e r a t u f e-i n s e n s i t i v ec h e m i c a ls e n s o rb a s e do n af m e rB r a g gg r a t i n g J s F 行邝口栉dA f f“4 f D 彤B，2 0 0 7，1 2 0(2)：7 5 4-7 5 7 1 1 s A N Gx i n _ z h u，Y uC h o n g-x i u，Y A NB i n b i n。甜以T e m p e r a t u r e i n s e n s i t i v ec h e m i c a ls e n s o rw i t h t w i nB r a g gg r a t i n g si na n0 p t i c a If i b e r j 既f 撇P L F“，2 0 0 6，2 3(1 2)：3 2 0 2 3 2 0 4 万方数据4 期盂照方，等：温度对光纤布喇格光栅化学传感器性能的影响7 7 9一I n n u e n c eo fT e m p e r a t u r eo nP e r I o r m a n c eo fF i b e rB r a g gG r a t i n gB a s e do nC h e m i c a lS e n s o rM E N GZ h a o-f a n g，Y A NB i n-b i n，S A N GX i n z h u，Y UC h o n g x i u，W A N GK u i r u，X UD a x i o n g(K PL 口6 0 m o 纠o，f i c 口C o m m 姗i 倒i D 纷鲫dL i g 伽wn 如珂D z o g f 口s 盯施，l 幻删o，础“f n f i D 挖，B P 巧i，l gU 咒i 优 i 砂o，P o j 拈口一dT O Z F f o m 研“聍i f 4 i D 船，B P 巧i 柙g1 0 0 8 7 6，C 矗i 挖口)R e c e i v e dd a t e：2 0 0 7 一1 2 1 1A b s t r a c t：T h ec h e m i c a ls e n s i n gp r i n c i p l eb a s e do nF i b e rB r a g gG r a t i n g(F B G)w a sp r e s e n t e d T h er e l a t i o nb e t w e e ne i t e c t l y ec o r el n d e xa n ds u r r o u n d i n gi n d e xo fe t c h e dF B Gw a sd e r i v e da n do b t a i n e db yn u m e r i c a lc a l c u l a t i o n T h ee r r o ro fs e n s i n ga f f e c t e db yt e m p e r a t u r ew a sd i s c u s s e d T h er e s u l t ss h o wt h a tt h es e n s o rs e n s l t l V l t yl sa f e c t e db yt e m p e r a t u r et h r o u g hb o t ht h eF B G sa n dt h er e f r a c t i v ei n d e xo fc h e m i c a ls o l u t i o n sc h a n g e As c h e m eo ft e m p e r a t u r e i n s e n s i t i V ec h e m i c a ls e n s o rb a s e do nF B G sw a sd e s i g n e d W a v e l e n g t hs h n to ts e n s o rV e r s u st e m p e r a t u r ef o rt w oF B G si nl o wa n dh i g hc o n c e n t r a t i o no fp r o p y l e n eg】y c o ls o l u t i o nI se x p e r i m e n t a n yi n V e s t i g a t e d T h er e s u l ti n d i c a t e st h a t，t w ow a v e l e n g t hs h i f t so ft h es e n s o ri np u r i f i e dw a t e re x h i b i ta l m o s tt h es a m et h e r m a le f f e c t s，s ot h a tt h et h e r m a le f f e c tc a nb ee I i m i n a t e db ym e a s u r i n gt h e 一w a V e l e n g t hd i f f e r e n c e T h er a t i ob e t w e e ne n t i r ew a v e l e n g t hs h i f tw i t ht h e r m a le f f e c ta n dw a v e l e n g t hs h i f to tg r a t l n gn o te t c h e di sO 6，w h i c hi sb a s i c a n yt h es a m ea st h e o r e t i c a lr e s u I t T h ee n t i r ew a v e l e n g t hs h i f tw I t ht h e r m a le f f e c tc a nb ee d u c e db yw a V e l e n g t hs h i f to fg r a t i n gn o te t c h e d，e“m i n a t i n gt h et h e r m a le f f e c t 1i ns o I u t i o ns e n s i n g K e yw o r d s：F i b e rB r a g gg r a t i n g；C h e m i c a ls e n s o r；R e f r a c t i v ei n d e x；T e m p e r a t u r e-i n s e n s i t i v eM E N GZ h a o-f a n gw a sb o r ni nl9 8 4a n dr e c e i v e dt h eB Sd e g r e ef r o mS c h o o lo fE l e c t r o n i c E n g i n e e r i n g，B e i j i n gU n i V e r s i t yo fP o s t sa n dT e l e c o m m u n i c a t i o n s N o wh ei sag r a d u a t es t u d e n tf o rt h eM S d e g r e ea tB e i j i n gU n i v e r s i t yo fP o s t sa n dT e l e c o m m u n i c a t i o n s，a n dr e s e a r c hi n t e r e s t sf o c u so nt h eo p t i c a lf i b e rs e n s o r sa n dn o n l i n e a ro p t i c s 万方数据温度对光纤布喇格光栅化学传感器性能的影响温度对光纤布喇格光栅化学传感器性能的影响作者：孟照方，颜玢玢，桑新柱，余重秀，王葵如，徐大雄，MENG Zhao-fang，YAN Bin-bin，SANG Xin-zhu，YU Chong-xiu，WANG Kui-ru，XU Da-xiong作者单位：北京邮电大学,光通信与光波技术教育部重点实验室,北京,100876刊名：光子学报英文刊名：ACTA PHOTONICA SINICA年，卷(期)：2009,38(4)被引用次数：1次 参考文献(11条)参考文献(11条)1.YARIV A Optical electronics in modern communications 19972.桑新柱;余重秀;颜玢玢 基于光纤布喇格光栅的化学传感器期刊论文-光学精密工程 2006(05)3.CHRYSSIS A N;LEE S M;LEE S B High sensitivity evanescent field fiber Bragg grating sensor外文期刊 2005(06)4.LIANG W;HUANG Y;XU Y Highly sensitive fiber Bragg grating refractive index 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