石英光纖應用

摘 要：文章是相對于各種新型的光纖通信材料而以最原始的石英材料為主線討論了石英光纖材料傳感應用。即針對石英光纖材料的應用——光纖傳感、包括微腔傳感原理——WGM（whispering gallery mode，回音壁模），以及基于WGM的作者目前從事的課題研究——電流傳感作簡單介紹和概述。

關鍵詞：回音壁模；光纖傳感；研究進展

中圖分類號：TP212 文獻標志碼：A 文章編號：2095-2945（2018）29-0066-02

Abstract： In this paper， the application of quartz fiber sensing material is discussed based on the original quartz material in contrast to all kinds of new optical fiber communication materials. That is， the application of quartz optical fiber materials-optical fiber sensing， including the micro-cavity sensing principle-WGM （whispering gallery mode）， as well as the current research based on WGM-current sensing is briefly introduced and summarized.

Keywords： echo wall mode； optical fiber sensing； research progress

光纖傳感，顧名思義即以光電子學器件為基礎，以光纖通信和集成光學的技術為前提創造性發展起來的[1]。光纖傳感器按照傳感原理被分為兩類：即功能型傳感器和非功能型傳感器。本人從事課題即以光纖作為傳輸介質，外界因素作為調制信號來調制光纖的傳輸光譜，屬功能性傳感。而非功能性傳感就是僅以光纖作為傳輸介質，而以其他敏感元件來感測被測量的變化。下面就光纖傳感具體應用實例略敘述一二。

1 光纖生物傳感

生物傳感已經是光纖傳感中最重要的分支之一。它旨在于區別傳統的生物檢測技術，采用光纖的高靈敏度以及高速性。通過生物制膜技術與鍍膜技術使光纖與檢測生物分子發生生化反應。如采用光纖表面硅烷偶聯技術而形成的生物素——鏈霉親和素系統，即采用了抗原與抗體的特異性結合從而影響了光纖的傳輸特性等[2]。基于此的光纖端面可以衍生出多種結構本文不予贅敘。

2 錐形光纖與微腔傳感

基于光纖傳感的理論基礎，我們在光纖的結構中進一步優化得到了新的傳感機制——回音壁模式（Whispering Gallery Mode，WGM）光學微腔。與其相輔相成的結構即為錐形光纖（fused tapper fiber）。將普通石英光纖通過一定加工工藝變成在中間錐區具有高激發模式的光場，通過將該光場與微腔耦合，即 逝場耦合以形成可以在微腔中振蕩的WGM。通過測量錐形光纖的光譜就可以感知外界因素的變化。這也是光纖傳感中的一大創舉。WGM微腔傳感因其高的Q值和獨特的耦合方式在光纖傳感領域獨樹一幟，其幾何示意圖與耦合方式請見圖1、圖2[3]。下文作者將介紹自己的研究方向。

2.1 基于石英光纖材料的微腔傳感應用——電流傳感

WGM最早是基于聲學現象的描述，在圣保羅大教堂的環形走廊上，對著墻壁輕聲說話會有回音從背后傳來。基于這種聲學現象，即聲波在內徑遠大于波長的光滑壁上傳播時，能夠以十分微小的衰減不斷發生反射，從而能夠傳播很遠的距離。

WGM光學微腔具有高Q值和小的模式體積，這就使其在一些要求窄線寬、高能量密度的生化傳感領域應用前景廣泛[3]。基于WGM光學微腔，即以石英材料為基本組成，通過不同工藝以實現不同的微腔形式從而實現不同的傳感特性。

2.2 高靈敏度光學微腔傳感器

WGM光學微腔的高Q值、高集成度特點可構建小型、高靈敏度、低探測限的生物化學傳感器[3]。Science在2007年發表的有關微腔生物傳感器研究結果表明：使用品質因子高于10^8的諧振微腔可以實現血漿白細胞介質單分子的無標記檢測[4]。

2.3 非對稱垂直耦合的光子分子微盤激光器

在垂直方向對F-P模式進行有效地抑制，同時增加了回音壁模式自發輻射耦合效率，降低了激光閾值。三個相同的垂直耦合半導體激光器由于垂直方向的耦合周期增多，導致F-P模式更有效的被抑制，從而增大了自發輻射耦合因子。不同模式的強耦合導致的模式劈裂，比量子與腔模的耦合強度高至少一個數量級[4]。

2.4 電流電壓傳感器

用微腔的高Q值與高靈敏度可以產生比OCT更好的傳輸與檢測效果[5]。光學傳感器解決了原始的繼電保護裝置磁飽和、勵磁等情況。由于高壓側信息是通過有絕緣材料做成的玻璃光纖傳輸到低電位的，因此其絕緣結構簡單，且由于高低壓之間只存在光纖聯系，消除了電磁干擾對互感器性能的影響。常見的測量電壓的微腔原理如圖3[5]。

2.5 光學微腔與電流傳感

不同的光學微腔其結構與特性不同，如圖4示。在此，僅對有關電流傳感微腔應用作說明。

3 結束語

文章就目前最基本的石英光纖為主線討論了現代石英光纖材料的一個應用亮點——光纖傳感。從最開始的傳感的應用到作者現階段從事的研究——電流傳感做了基本的概述。在文中作者用了大量的篇幅描述了光纖微腔傳感的原理以及微腔的制作，將基于石英光纖材料的傳感技術如數家珍。光纖傳感的應用數不勝數，在現代光纖通信中配合先進光源使得光纖傳感的發展更加先進與迅猛，在未來的通信技術中光纖材料必然成為主流。

參考文獻：

[1]Zhongyin Xiao，Wenyun Luo，Jianxiang Wen，et. Defect Induced by Heated Treatment in Silica Fiber Material[C]. Advenced Materials Research Vol.304（2011） pp 160-164.

[2]周雨萌.光纖傳感技術在生化領域的應用研究[D].中國計量學院，2016.

[3]高嚴.薄壁柱對稱微腔耦合系統設計及其實驗研究[D].南京郵電大學，2017.

[4]Armani A M.，Kulkarni R P.，Fraser S E.，et al. Label-free，single-molecule detection with optical microcavities[J]. science，2007，317（5839）：783-787.

[5]Tindaro Ioppolo，Volkan ？tügen，Ulas Ayaz. Development of Whispering Gallery Mode Polymeric Micro-optical Electric Field Sensors[J]. Vis Exp，2013.

[6]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].科技創新應用，2018（25）：89-90.