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等。
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 ℃ ，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，光纤材料为播锗石英玻璃（ 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 × 10 － 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。
3.2 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 ℃ 。用一个装有合金的不锈钢注射器在 130 ℃ 的温度和 4 × 105Pa 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 100dB 。
4 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 ，镨 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，掺钬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，渗饵或镨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 × 10-7 ～ 3 × 10-3 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 ℃ 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 × 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 ℃ 时，分辨率为 3 ． 5m ，温度线性范围为一 200 ～＋ 100 ℃ 。掺钬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 633nm He － 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镨光纤。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 一 9.52 π× 10-2min ／ A ，芯径φ 1= 4.5mm ，内包层直径φ 2= 25.3mm ，外包层直径φ 2= 125mm 。
5 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。如曾有人在掺锗光纤上采用高压荷氢（ H2Loading ）增敏技术来制造光纤光栅。这种方法的优点是光纤是普通光纤，不必特殊制作，但缺点是降低了光纤的强度，不便于光纤的连接，不能实现大批量快速生产。增敏的另一解决办法是开发用于光纤光栅的特殊光纤，使之对紫外写入有更高的灵敏度和适合批量生产，如高掺锗光纤、共掺棚光纤、共掺锡光纤等。此外有些其它共掺光纤，如共掺钵、共接钽、共掺铅等，但性能都不如共掺锡光纤，未获得实际应用。单纯的高掺锗光纤有一些缺点，如光纤数值孔径过大，不利于与普通光纤连接，光折射率的变化较低（ 10-4 数量级）。共掺棚光非石英材料的光纤损耗都很大，只能用于光纤传感或制造特殊的光纤器件，而不能用于光的传输。纤可使光致折射率提高一个数量级，约为 10 － 3 。另外掺硼降低了纤芯折射率，数值孔径随之降低，因而降低了与普通光纤的连接损耗。但掺棚的缺点是光纤自身损耗增大，温度系数增大，掺杂不均匀和拉丝不均匀导致光纤轴向光敏性的不均匀。接锡光纤是其中最好的一种特殊光纤，可降低温度系数，降低自身损耗，光敏性更强，光敏均匀性提高等优点。 光纤光栅是一个仍在继续发展的领域，一种性能优良的用于光纤光栅的侍殊光纤，不仅靠材料的改进，也可以通过工艺的改进来获得。目前制作光纤光栅用的特种光纤的工艺主要是 MCVD 法和 VAD 法。 MCVD 法的主要缺点是光纤的光敏均匀性较差。这主要是由于氢氧焰喷灯的螺旋式前进，形成局部沉积温度差，造成预制律的局部不均匀性。但通过改进 MC VD 法的工艺控制过程，将能提高其均匀性。用 VAD 法制出的光纤光栅，将有较好的均匀性。
6 结束语
本文从对石英光纤的特殊处理，改变石英光纤的结构，改变石英光纤的掺杂材料及利用特殊材料等方法论述了光纤传感器用特种光纤的研究开发、制作工艺及其传感特性。