基于石英光纖特性的相關研究及新型光纖傳感器方面的綜述

摘 要：文章主要就石英光纖在現階段的一些特定用途而展現的特性作闡述。主要包括石英光纖的摻雜特性、光學特性做描述；后面會針對石英光纖在當代的主要制作工藝進行詳細的介紹。除此，在最后的部分作者就當前最新的光纖傳感器作了相應的描述。

關鍵詞：石英光纖；光纖傳感器；研究

中圖分類號：TN253 文獻標志碼：A 文章編號：2095-2945（2018）30-0062-02

Abstract： In this paper， the characteristics of silica optical fiber in some special applications at the present stage are described. It mainly includes the doping characteristics and optical properties of the silica fiber. The main fabrication process of the quartz fiber in the contemporary will be introduced in detail. In the last part， the author describes the latest optical fiber sensors.

Keywords： quartz optical fiber； optical fiber sensor； research

1 基于石英光纖的光敏特性的概述

紫外光誘導折射率變化形成永久性光纖光柵是由于Si-Ge缺陷所致[1]。在此后的討論中，作者主要是通過基于摻雜后的石英光纖的光學特性的一個方向——紫外光誘導光敏特性進行說明。

摻雜離子鍺是輻射誘導缺陷機構產生的主要原因之一。根據紫外光照射前后對比各種缺陷濃度的測量結果即摻鍺石英光纖材料的紫外吸收譜，幾乎可以斷定的是摻鍺石英光纖材料光敏特性的主要來源之一是紫外光照下光纖材料缺氧鍺缺陷的光電離。除此，基于載氫參量如壓力、時間對石英光纖材料折射率的改變可以進而對石英光纖光敏性改進。

2 基于石英光纖摻雜特性的研究

2.0μm摻銩光纖激光器和傳統摻鉺光纖激光器和傳統的摻鐿光纖激光器相比有更高的受激布里淵散射（SBS）和受激拉曼散射閾值（SRS）閾值，在輸出窄線寬和高脈沖能量方面有更大的優勢。

摻銩光纖放大器主要包括功率放大器和光纖預放大器，其中摻銩光纖預放大器主要構成為（2+1）×1的抽運合束器、6m長的雙包層單模摻銩光纖、總輸出功率為10W的多模半導體激光器、該摻銩增益光纖的內包層直徑為130μm，直徑為10.0μm，并且增益光纖在790nm處包層抽運吸收率大約為3dB/m。除此，摻銩光纖放大器主要包括（2+1）×1的抽運合束器、4.7m長的大模場面積雙包層摻銩光纖、總輸出功率為69W的6個790nm半導體激光器、該摻銩增益光纖的內包層直徑為400μm，直徑為20.0μm，該增益光纖在790nm處包層抽運吸收率大約為4.5dB/m[2]。

3 基于石英光纖的制作工藝概述[3]

3.1 改進型氣相沉積工藝

目前商用的稀土摻雜光纖預制棒最主要的工藝即為MCVD結合溶液摻雜法的工藝。所謂溶液摻雜法即從沉積車床取下內壁沉積有疏松SiO2層的石英沉積管，并且將其豎直浸潤于摻雜有稀土離子和共摻離子的溶液中，經過大約一小時或更長的時間后，等待摻雜離子進入至疏松新層，然后將沉積管裝回沉積車床，經過一系列的工藝如干燥、燒結、縮棒等處理，最終得到光纖的預制棒。該方法制備的損耗低、光學質量優異、由于簡便靈活而應用廣泛。然而，為適應高功率激光器對大模場直徑的要求，在200℃具有較高蒸汽壓的稀土螯合物應運而生，由于產生氣相的設備較為簡單，因此它相比于稀土離子的氧化物具有更大的優勢。同時200℃具有較高蒸汽壓的稀土螯合物在傳輸過程中不易發生凝結，因而可以實現與SiCl4的共沉積。

除此，在線溶液摻雜工藝改變了傳統溶液中豎向放置位置。南安普頓大學光電子研究中心提出了稀土摻雜物直接在沉積車床上的沉積管的內部靠近沉積區外加熱，即化學坩堝沉積法；這對于增加沿套管長度方向摻雜物質的均勻性十分有利。

3.2 外部氣相沉積工藝

利用OVD制備稀土摻雜石英芯棒的工藝是美國康寧公司開發的，這種方法以氧氣作為載氣，燒嘴處接受含有Yb、Al的氣相前驅物（Yb、Al的金屬有機螯合物），這樣可以使其在氫氧焰處發生水解反應生成粉塵微粒并沉積在基棒（通常為Al2O3陶瓷或高純石墨材質）上。最后通過移除基棒，將帶有中心孔的疏松棒體放入高溫爐內進行純化、燒結等處理以得到無氣泡的透明的實心玻璃棒，即為芯棒。

3.3 納米粒子直接摻雜

還有一種類似OVD技術的納米粒子直接沉積工藝是由美國nLIGHT公司開發。而DND區別于OVD工藝的地方是，DND工藝是分別用氫氧焰加熱通過兩個燒嘴注入稀土化合物和其他共摻化合物等原子化的液體物料及SiCl4等氣體物料，該方法通過物料在氫氧焰處發生反應已達到部分反應物以顆粒的形式直接沉積在基棒上。通過計算機的控制可以實現注入兩個燒嘴的物料的量的精確比例。當沉積過程完成后，移去基棒，在高溫爐內通過干燥、清潔、燒結和縮棒等工藝就可以得到實心的芯棒。在熱處理之前在芯棒外套上圓形或者其他特定形狀的石英套管后，經熱處理工藝即得到預制棒。

4 新型光纖傳感結構[4]

4.1 光纖光柵傳感器

FBG傳感器是基于分布式結構的靈敏度高傳感器。它的目的是在一根光纖內實現多點測量。對于實際的大型器件及工程進行安全檢測而言該傳感器具有絕對的優勢；同時在化工生產中它更可以替代其他類型的化工生產傳感器。由于該光纖光柵傳感器的交叉傳感靈敏度，如溫度與應力交叉的傳感低于單一傳感器的靈敏度，所以該傳感器并沒有廣泛應用于實際過程中。

4.2 陣列復用傳感系統

陣列復用傳感系統的設計思想是采用復用、空分復用、時隙復用等方式進行傳輸。它陣列化了單點光纖傳感器并以此在三維空間實現多點分時或者同時傳輸信號。采用WDM/TDM的FBG型陣列系統與各種復用技術兼容，它可以在應力多點采集的分布式系統同時完成對溫度以及應力的數據采集及測量，應用十分廣泛。

4.3 分布式光纖傳感系統

分布式光纖傳感器以實現長距離、大范圍的傳感為宗旨而設計。目前基于散射機理的分布式傳感系統是分布式傳感器的一個研究熱點。該種技術涉及后向瑞利散射分布式光纖傳感技術，前向傳輸模耦合技術。

4.4 智能化光纖傳感系統

光纖傳感與通信技術和當今成熟的計算機技術相融合是光纖傳感器的智能化主要體現。智能化光纖傳感系統也在很多新的領域受到廣泛關注與應用，例如在智能材料、聲發射檢測、石油勘探等一些實際工程案例中具有良好的應用。

4.5 摻雜光纖放大器發展及其應用

而EDTFA可以工作在整個C+L波段。在L波段（1581-1616nm）EDTFA的噪聲和增益特性在2000年被A.Mori首次報道。

EDTFA與EDFA的工作原理相同，但是EDTFA改善了EDFA的石英基而采用碲酸鹽玻璃基質。這樣增大了鉺離子的受激發射截面和增益帶寬，同時較氟化物玻璃有較好的化學穩定性。

5 總結與展望

石英作為最基本的光纖材料在光纖的發展史上獨樹一幟，成為了每一個團隊競相研究的熱點。在文章中，作者主要就石英光纖材料的特性做了詳細的概述。在基于石英光纖材料特性的基礎上可以方便讀者理解石英光纖成為光纖材料研究熱門的原因。在石英光纖材料的眾多研究中，光纖傳感成為了研究的熱點之一。在文章的后半部分作者羅列了有關光纖傳感的一系列應用，可見光纖傳感，特別是基于基本石英材料的光纖傳感已經成為了光纖發展史上濃墨重彩的一筆。在此，作者謹向為光纖材料發展做過貢獻的每一位研究者以及作者團隊的每一位成員致以最崇高的謝意。

參考文獻：

[1]孫英志，余重秀，林金桐.基于色心模型摻雜硼鍺光纖材料紫外光誘導光敏特性的實驗分析[J].通信學報，2000.

[2]王璞，劉江.2.0μm摻銩超短脈沖光纖激光器研究進展及展望

[J].中國激光，2013.

[3]劉雙，陳丹平.稀土摻雜石英光纖預制棒制備工藝最新進展[J]，激光與光電子學進展，2013.

[4]吳軍玲.光纖傳感技術的應用進展[J].甘肅科技縱橫，2017.

[5]陳冀景.基于石英光纖材料的發展歷程以及當今基于石英光纖材料從事研究和進展方向概述[J].科技創新與應用，2018（25）：89-90.