金 靖， 侯云霞， 劉紀(jì)勛

(北京航空航天大學(xué) 儀器科學(xué)與光電工程學(xué)院，北京 100191)

基于光纖輻射效應(yīng)的溫度傳感器工作波長(zhǎng)研究

金 靖， 侯云霞， 劉紀(jì)勛

(北京航空航天大學(xué) 儀器科學(xué)與光電工程學(xué)院，北京 100191)

輻射后光纖的損耗值顯著增加，這種現(xiàn)象被稱(chēng)為光纖輻射致衰減(RIA)效應(yīng)。基于RIA效應(yīng)的溫度特性,搭建了一種新型的光纖溫度傳感器。為選擇合適的傳感器工作波長(zhǎng)，基于位形坐標(biāo)模型理論對(duì)鍺磷(Ge/P)共摻雜光纖在825～1 500 nm范圍內(nèi)的RIA譜特性進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)短波段光纖RIA對(duì)溫度的依賴(lài)性明顯優(yōu)于長(zhǎng)波段。選用了常見(jiàn)的850 nm普通單模光纖作為敏感光纖，搭建光纖溫度傳感器，最后對(duì)所搭建溫度傳感器的性能指標(biāo)做出了評(píng)估。

輻射致衰減； 溫度依賴(lài)性； 波長(zhǎng)； 光纖溫度傳感器

0 引 言

對(duì)光纖輻射致衰減(radiation induced attenuation,RIA)及其溫度特性的研究已有數(shù)十年歷史。研究表明輻射會(huì)使光纖中產(chǎn)生大量的色心缺陷點(diǎn)，色心的形成大大增加了光纖對(duì)光的吸收，進(jìn)而引起光纖RIA效應(yīng)[1～3]。色心有穩(wěn)定和不穩(wěn)定兩種，不穩(wěn)定色心在高于自身穩(wěn)定溫度的環(huán)境溫度下，會(huì)發(fā)生分解或轉(zhuǎn)化為其他色心，即發(fā)生退火，而穩(wěn)定色心則能穩(wěn)定存在于光纖中[4～6]。輻射后的光纖在經(jīng)充分高溫退火后，其RIA值對(duì)溫度有單調(diào)穩(wěn)定的依賴(lài)性[7～9]。基于RIA的這一溫度特性可以研制一種新型的光纖溫度傳感器。影響光纖RIA溫度特性的因素有很多，如輻射總劑量、光功率、傳輸光波長(zhǎng)等[8]。傳感器工作波長(zhǎng)的選擇與傳輸光波長(zhǎng)對(duì)RIA溫度特性的影響緊密相關(guān)。

本文基于位形坐標(biāo)模型理論，探究了傳輸光波長(zhǎng)對(duì)光纖RIA溫度特性的影響機(jī)制,發(fā)現(xiàn)短波段的光纖RIA對(duì)溫度的依賴(lài)性和敏感度要優(yōu)于長(zhǎng)波段。選用了常見(jiàn)的850 nm光纖作為敏感光纖來(lái)搭建溫度傳感器，測(cè)試實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：所搭建溫度傳感器的靈敏度可達(dá)0.006 7 dB/℃，非線性誤差為±3.376 %，重復(fù)性誤差為0.963 %。

1 光纖RIA的譜特性

1.1 位形坐標(biāo)模型理論

輻射粒子作用于光纖使光纖內(nèi)部產(chǎn)生大量的色心，引起RIA效應(yīng)。色心是一種帶有效電荷的缺陷點(diǎn)，在近紅外光譜范圍內(nèi)，色心對(duì)光的吸收為振動(dòng)轉(zhuǎn)動(dòng)吸收模式[11,12]。位形坐標(biāo)模型可用于分析色心的吸收譜特性，它是一種用來(lái)描述晶體中電子處于某一狀態(tài)時(shí)，離子晶格振動(dòng)的勢(shì)能曲線與離子平均位置關(guān)系的物理模型[9～11]。

在位形坐標(biāo)的曲線的基態(tài)和激發(fā)態(tài)中分布著一系列的離子晶格振動(dòng)能級(jí)，用n表示。當(dāng)黃昆因子S較大時(shí)，位形坐標(biāo)模型更適合分析色心吸收譜的特性，此時(shí)色心的吸收譜線近似為高斯線形[9]。常溫下，電子主要占據(jù)基態(tài)中n=0的狀態(tài)，電子躍遷范圍較小，所以,電子吸收光子能量由基態(tài)躍遷到激發(fā)態(tài)時(shí)，形成的吸收譜線寬度較小。溫度升高，電子處于較高的振動(dòng)能級(jí)n，電子躍遷范圍加大，所以,吸收譜線加寬。同時(shí)，振動(dòng)態(tài)n的升高使電子從基態(tài)到激發(fā)態(tài)躍遷的距離變短，這就導(dǎo)致吸收光譜的峰值位置向低能，也就是長(zhǎng)波長(zhǎng)方向移動(dòng)。溫度升高使處于高振動(dòng)態(tài)的粒子數(shù)增加，低振動(dòng)態(tài)的粒子數(shù)減少，而總的粒子數(shù)并未發(fā)生變化，吸收譜線的總強(qiáng)度不變，因而,譜線展寬的同時(shí)吸收峰值下降。

通過(guò)上述分析可知，溫度升高引起色心吸收譜線寬度增加，吸收譜峰位向低能方向移動(dòng)同時(shí)吸收譜峰值降低。色心吸收譜隨溫度的變化關(guān)系如圖1所示。

圖1 色心吸收譜線隨溫度變化關(guān)系示意圖

1.2 光譜實(shí)驗(yàn)

選取輻射總劑量10000Gy，普通單模，經(jīng)過(guò)充分高溫退火的鍺磷(Ge/P)摻雜光纖為測(cè)量對(duì)象，測(cè)量其在不同溫度下的RIA譜。測(cè)量溫度點(diǎn)依次設(shè)為-40, -20, 0, 20, 40,60 ℃，測(cè)量光譜范圍為825～1 500 nm(1.5～0.83 eV)。為便于分析，對(duì)所得RIA譜進(jìn)行適當(dāng)?shù)钠交?，平滑后衰減譜隨溫度變化的關(guān)系如圖2所示。

圖2 825～1500nm范圍內(nèi)Ge/P摻雜RIA

在825～1 500 nm的近紅外光譜范圍內(nèi)，Ge/P摻雜光纖的RIA主要受與Ge-NBOHC，GeX色心和P1色心的影響，所以,理論上可以用這三種色心的吸收譜擬合出RIA譜[9,12,13]。因色心吸收譜線可以近似為高斯線形，故用下面的高斯函數(shù)作為擬合函數(shù)

(1)

其中，E為電子勢(shì)能，En,ωn,an與色心種類(lèi)有關(guān)。

表1給出了Ge-NBOHC，GeX和P1三種色心的主要參數(shù)在常溫下的參考值[9,13～15]。

表1 色心主要參數(shù)

從圖3中的擬合結(jié)果可以看出:6組不同溫度下的RIA譜完全可以用相應(yīng)溫度下三種色心的吸收譜擬合出來(lái)，有力地證明了用位形坐標(biāo)模型分析RIA譜隨溫度變化關(guān)系的可行性，即可以用這一理論來(lái)探究傳輸光波長(zhǎng)對(duì)RIA溫度特性的影響。

圖3 RIA譜與三種色心吸收譜的擬合結(jié)果

從實(shí)驗(yàn)結(jié)果和對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的擬合結(jié)果看出：短波段(高能)光纖RIA的溫度特性?xún)?yōu)于長(zhǎng)波段(低能)。圖3(a)給出了三個(gè)溫度點(diǎn)下RIA譜和對(duì)應(yīng)溫度下三種色心吸收譜的關(guān)系圖，可以發(fā)現(xiàn)，在0.83～1.06 eV范圍內(nèi)，RIA主要受到P1色心一種色心的作用，而在1.5～1.06 eV范圍內(nèi)，RIA受到Ge-NBOHC和GeX兩種色心的作用。色心的吸收譜線形為高斯線形，當(dāng)隨溫度變化時(shí)其變化量是非線性的，但是對(duì)于兩條吸收峰位置間隔一定距離的高斯線形，其合成量的變化量具有優(yōu)于單一高斯線形變化時(shí)的線性度，且具有更好的靈敏度。所以，在受兩種色心影響的1.5～1.06 eV波段內(nèi)，RIA隨溫度的變化具有更好的線性度和靈敏度。

從圖3(b)可以看出:在1.32～1.5 eV范圍內(nèi)，光纖的RIA值隨溫度升高而單調(diào)穩(wěn)定的增加，這一范圍內(nèi)不同溫度下的RIA譜間隔較大，說(shuō)明光纖RIA對(duì)溫度的敏感度更好。普通單模光纖的常見(jiàn)工作波長(zhǎng)有850,1310,1 550 nm，根據(jù)上述研究結(jié)果，本文選取了工作波長(zhǎng)為850 nm的普通單模Ge/P共摻雜光纖作為敏感光纖，搭建光纖溫度傳感器。

2 光纖溫度傳感器的搭建

光纖溫度傳感器的原理框圖如圖4所示，測(cè)試溫度范圍為-40～60 ℃。實(shí)驗(yàn)采用了中心工作波長(zhǎng)為850 nm的超輻射發(fā)光二極管(SLD)作為光源，輻射劑量為100 Gy，工作波長(zhǎng)為850 nm，充分高溫退火后的Ge/P共摻雜光纖作為敏感光纖。選取相同廠家生產(chǎn)的同種850 nm光纖設(shè)置參考光路，與敏感光纖并行纏繞，置于溫箱內(nèi)。耦合器將光源發(fā)出的光分成功率相等的兩束光，分別導(dǎo)入敏感光纖和參考光纖。光功率計(jì)將接收到的兩路光信號(hào)傳輸?shù)缴衔粰C(jī)，由LabVIEW功率采集程序采集光信號(hào)。高精度溫度計(jì)用來(lái)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)溫箱內(nèi)溫度。

圖4 光纖溫度傳感器原理框圖

利用所搭建系統(tǒng)進(jìn)行了5次實(shí)驗(yàn)，以評(píng)估光纖溫度傳感器的性能指標(biāo)。為消除光功率計(jì)測(cè)試通道不同及其他因素引入的誤差，將每組實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)用其20℃的測(cè)得值進(jìn)行歸一化，得到如圖5所示的結(jié)果。

圖5 光纖溫度傳感器性能測(cè)試結(jié)果

本文選取850 nm的普通單模Ge/P摻雜光纖所搭建的溫度傳感器，靈敏度可達(dá)0.006 7 dB/℃，非線性誤差為±3.376 %，重復(fù)性誤差為0.963 %。

3 結(jié) 論

利用充分退火后光纖輻射致衰減對(duì)溫度的穩(wěn)定依賴(lài)性提出了一種新型光纖溫度傳感器。為確定傳感器工作波長(zhǎng)，本文基于位形坐標(biāo)模型理論對(duì)傳輸光波長(zhǎng)影響光纖RIA溫度特性的機(jī)制進(jìn)行了研究。研究發(fā)現(xiàn)短波段光纖RIA對(duì)溫度的依賴(lài)性明顯優(yōu)于長(zhǎng)波段，在1.32～1.5 eV波段內(nèi)，RIA溫度特性相對(duì)最好，所以,選取了光纖中常見(jiàn)工作波長(zhǎng)處于這一波段范圍內(nèi)的850 nm的普通單模Ge/P摻雜光纖作為敏感光纖，搭建了光纖溫度傳感器。對(duì)所搭建溫度傳感器的性能指標(biāo)進(jìn)行評(píng)估，得出傳感器的靈敏度為0.006 7 dB/℃，非線性誤差為±3.376 %，重復(fù)性誤差為0.963 %。

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Study on working wavelength of temperature sensor

based on optical fiber radiation effect JIN Jing， HOU Yun-xia， LIU Ji-xun

(School of Instrument Science and Optic-electronics Engineering，Beihang University， Beijing 100191，China)

Attenuation of optical fiber will augment largely after irradiated,this phenomenon is called radiation induced attenuation(RIA).A fiber temperature sensor is established based on temperature characteristics of RIA.To determine appropriate working wavelength,spectrum properties of temperature dependent RIA in irradiated fiber is analyzed according to configurational coordinate model.It is found that temperature dependence of RIA at short waveband is better than that at long waveband in spectrum range of 825～1 500 nm.As a result,850 nm is chosen as working wavelength because of its good monotony and sensitivity after sufficient annealing,and a series of confirmatory tests were done to evaluate its performance.

radiation induced attenuation(RIA); temperature dependence; wavelength; optical fiber temperature sensor

2014—09—22

10.13873/J.1000—9787(2015)04—0027—03

TN 212

A

1000—9787(2015)04—0027—03

金 靖(1975-)，男，內(nèi)蒙古呼和浩特人，副教授，高級(jí)工程師，主要研究方向?yàn)楣饫w傳感與空間應(yīng)用技術(shù)。