摘要：分析光纖光柵解調的基本原理和常用解調方法的工作機理、性能和特點，從光纖傳感技術的優勢出發，介紹了光纖光柵傳感智能結構的優點，對波長解調方法如匹配解調法、可調諧激光器法、干涉法、濾波法等做了詳細的討論， 闡述了相應的系統設計方案，并對各種方法的優、缺點進行了分析和討論。提出光纖光柵傳感器在實際應用中所面臨的主要技術難題，分析現有的解決方案，討論光纖光柵傳感器在進一步實用化中需要解決的難題及其未來的發展趨勢。

關鍵詞：光纖光柵，傳感解調，干涉，XPM

1 引言

隨著經濟的發展，我國基礎設施建設的規模不斷加大，新建的高樓、道路、橋梁、大壩幾乎遍地開花。對于這些建筑物健康狀況的傳感、測控成為一項重要課題。加拿大通信中心的Hill K O等人在1978年首次在摻鍺光纖中采用駐波寫入法制成光纖Bragg光柵( FBG)。使得光纖光柵傳感器和傳感技術成為科學研究和技術開發的熱點。光纖光柵具有幾個突出主要優點: 1)光的頻率數量級為THz，其頻帶范圍很寬，動態范圍很大，不受電磁場干擾; 2)信號采用波長編碼，不受光源強度的起伏、光纖微彎損耗引起的隨機起伏和耦合損耗等因素的影響，對環境干擾不敏感；3)光纖光柵的材料是二氧化硅，具有較強的耐腐蝕能力；4)自定標和易于在同一根光纖內集成多個傳感器復用;芯徑細且柔韌，易于布設; 5)易于實現大面積分布式測量。因此，光纖光柵傳感器具有推動光纖光柵傳感器進入前沿發展的潛力。

我國對光纖光柵傳感器的研究相對晚一些, 目前我國的光纖傳感器的產業化和大規模推廣應用方面還遠不能滿足國名經濟發展的需求。因此，近期的光纖傳感技術研究和產業化特點是以成熟的光纖通信技術向光纖傳感技術轉化為重點，目前對光纖光柵傳感器的研究方向主要有以下幾個方面：

1、對傳感器本身及進行橫向應變感測和高靈敏度、高分辨率、且能同時感測應變和溫度變化的傳感器研究；

2、對光柵反射信號或透射信號分析和測試系統的研究，目標是開發低成本、小型化、可靠且靈敏的探測技術；

3、對光纖光柵傳感器的實際應用研究，包括封裝技術、溫度補償技術、傳感器網絡技術。

4，開展各應用領域的專業化成套傳感技術的研發，如航空航天、航海、土木工程、醫學和生物、電力工業、核工業及化學和環境等。

目前限制光纖光柵傳感器應用的最主要障礙是傳感信號的解調, 正在研究的解調方法很多, 但能夠實際應用的解調產品并不多, 且價格較高。光纖光柵的信號解調，即波長微小移位的檢測問題，是光纖光柵傳感器能否實用化的關鍵。

2 光纖光柵傳感原理

溫度、應變和應力的變化會引起光纖光柵的柵距和折射率的變化，從而使光纖光柵的反射和透射譜發生變化。通過檢測光纖光柵反射譜或透射譜的變化，就可以獲得相應的溫度、應變和壓力信息，這就是用光纖光柵測量溫度、應變和壓力的基本原理。由耦合模理論可知，均勻的、非閃耀光纖Bragg光柵可將其傳輸的一個導模耦合到另一個沿相反方向傳輸的導模而形成窄帶反射，峰值反射波長為（Bragg波長）：式中為導模的有效折射率，為光柵周期。光纖光柵的Bragg波長是隨和而變化的，因此Bragg波長對于外界力、熱負荷等極為敏感。應變和壓力影響Bragg波長是由于光柵周期的伸縮以及彈光效應引起的，而溫度影響Bragg波長是由于熱膨脹效應和熱光效應引起的。當外界的溫度、應力和壓力等參量發生變化時，Bragg波長的變化可表示為 。

2.1溫度靈敏度

溫度影響Bragg波長是由熱膨脹效應和熱光效應引起的。假設均勻壓力場和軸向應力場保持恒定，由熱膨脹效應引起的光柵周期變化為 。

式中為光纖的熱膨脹系數。Bragg波長的變化與溫度之間的變化有良好的線性關系。

2.2 應變（力）靈敏度

應變（力）影響Bragg波長是由于光柵周期的伸縮和彈光效應引起的。

假設光纖光柵僅受軸向應力作用，溫度場和均勻壓力場保持恒定。軸向應力引起光柵的柵距改變，即：

由應變引起的Bragg波長變化可表示為。

2.3 壓力靈敏度

壓力影響也是由光柵周期的伸縮和彈光效應引起的。假設溫度場和軸向拉力保持恒定，光纖處于一個均勻壓力場P中，軸向應變會使光柵的柵距改變，即：

有效折射率的變化為：

其壓力靈敏度為：

由于摻雜成分和摻雜濃度的不同，各種光纖光柵的壓力靈敏度差別較大。

3 解調原理

3.1 匹配光柵解調原理

利用一個與傳感光柵呈匹配關系的參考光柵，實現參考光柵對傳感光柵信號的解調法如圖一所示。輸出信號的位相是與被測量成比例的載波。為了測出傳感光柵的信號，測量時調諧參考光柵，通過測量最大反射功率或最小透射功率便可測出傳感光柵的波長移動量，進而推知待測量。該傳感方法結構簡單、造價低廉，測試結果不受光源譜線包絡可能存在的精細結構疊加的影響。其靜態軸向應變分辨率約為

圖一 匹配光柵法解調原理圖

3.2 非平衡M-Z干涉解調法

相干解調法具有最高精度，用這種方法解調可以大大提高傳感分辨率。1992年，由A.D.Kersey等人提出的非平衡M-Z干涉解調法，如圖二所示：

圖二 非平衡M-Z干涉儀解調FBG波長原理圖

寬帶光源發出的光經過耦合器入射到傳感光柵上，被反射后送入非平衡M-Z干涉儀，通過干涉儀把Bragg波長漂移量轉化為相位變化式中n為光纖的折射率，d為干涉儀的兩臂長度差。由上式可見，只要用相位計探測出相位的變化，便可得知波長的移動量，另外，為了抵消直流零點漂移，可以利用一鋸齒型電壓（由圖中的信號源產生）控制壓電陶瓷，以調節干涉儀的一個臂，使干涉儀輸出為一調制光，以信號源為參考用相位計檢測輸出信號的相位，因相位計可檢測±1800，故波長可檢測范圍寬。

實驗表明，此方案具有低于納級相對應變的傳感分辨率，當所檢測的應變振源頻率為10HZ時，分辨率為2n/ ,振源頻率為500Hz時，分辨率為0.6n。

此方案具有寬帶寬、分辨率高等優點，但其隨機相移的影響決定了該方案只能適應于動態解調系統中。

3.3 基于邁克耳遜干涉儀的解調法

邁克耳遜干涉解調原理如圖三所示：

圖三 邁克耳遜干涉儀解調原理圖

寬帶光源發出的光由耦合器進入傳感光柵，經其反射后進入由兩鏡面及光纖構成的邁克耳遜干涉儀，由3dB耦合器一端輸出干涉光，再經光電轉換、放大、濾波處理后的信號（干涉信號）與信號發生器的信號（參考信號）一起進入相位計檢測其相位，調整驅動信號（由圖中信號發生器發出的）的幅值及其直流電平的大小，使干涉信號變化的頻率與參考信號的頻率一致，此時相位計所顯示值與傳感光柵的波長移動量呈現一定的關系。波長變化引起的相位改變可表示為

該裝置具有檢測動態和準靜態應變的能力，對工作環境要求不高，應變分辨率為5.5，靈敏度為1.8o/。

3.4 XPM解調法

XPM是指由不同波長、傳輸方向或偏振態的光波共同傳輸時，一種光場引起另一種光場的非線性相移。非線性光學介質中，XPM可表現為其折射率對光強的依賴關系。

由兩個光纖耦合器及一定長度的光纖串聯構成一個全光纖M—Z干涉儀。如圖四所示:

圖四 反饋控制的M-Z干涉儀

M-Z干涉儀的輸出端口的光強為：

其中,分別為兩臂的光振幅衰減系數，為兩臂的相位差。

由兩部分決定：XPM引入的非線性相移和兩臂的光程差引入的相移。

I. XPM產生的非線性相移：

II.兩臂光程差產生的相移：

得：

由上式可得如下結論：

I.信號光在兩個輸出端口的光強分布取決于信號光的波長和對信號光產生交叉相位調制的輔助光的強度。

II.信號光在兩個輸出端口的光強分布隨呈余弦變化，且在時光強隨波長變化靈敏度最高，時靈敏度為零。

式中和是未知量且存在一一對應關系，因此當反饋網絡調整至兩輸出臂光強相等時，CPU通過輔助光強度可計算出FBG的中心波長，并顯示給液晶顯示屏或發送到PC機。

4 總結

自光纖光柵(FBG) 出現以來，光纖光柵傳感技術得到了快速發展，并逐漸應用到民用工程領域。解調技術是光纖光柵傳感系統的關鍵，直接決定了傳感系統的性能，人們發展了許多用于波長編碼的解調技術，可降低成本，方便快捷。本文就已有的光纖光柵傳感器解調技術進行了總結，其中干涉法解調方案，以其分辨率高、易于實現多路解調、結構相對簡單等優點,故此方案被廣泛應用于光纖光柵波長移位的檢測中。

張錦龍（1977.5—），男，在讀博士，講師，河南開封人，現就讀于北京郵電大學電子工程學院，主要從事光纖傳感、光纖通信方面的研究，感興趣的方向有：光纖光柵傳感、光放大、光交換。