微納光纖布拉格光柵 (micro/nanofiberBragg grating, MNFBG) 是一種直徑在微米或納米量級的新型光波導器件, 結合了微納光纖倏逝場傳輸和光纖布拉格光柵強波長選擇的光學特性,被用作感測器不但具備體積小、回響速度快、可靠性強、不受電磁干擾以及在易燃易爆環境中安全工作等優點外, 還具有倏逝場傳播易受環境折射率變化影響的特點, 可將外界環境折射率變化信息轉化為波長的變化, 因此可被套用於氣體或液體折射率感測測量, 在生物化學、環境監測以及食品加工等領域具有潛在套用價值.
基本介紹
- 中文名：光柵折射率
- 外文名：refractive indexgrating
短周期光纖光柵折射率感測器原理,短周期光纖光柵折射率研究,腐蝕FBG折射率感測研究現狀,微納FBG折射率感測研究現狀,未來發展,
物質折射率的測量在基礎研究、化學分析、環境污染評估、醫療診斷和食品工業、生物感測等領域有著廣泛的套用。 國內外在這方面做了大量的研究，提出了光纖邁克耳涉儀檢測法、光纖法布里—珀羅（ F-P）法、光纖感測檢測法、表面電漿波共振法、線陣 CCD 幾何信息調製法等。 但是這些方法中有的測量範圍受到限制，有的要求對被測樣品進行加工，有的儀器調整複雜，儀器價格昂貴，且無法進行多點同時測量。 為了尋求一種價格低廉、操作簡單和可同時進行多點並行測量的折射率感測器，由於光纖光柵感測器不僅具有高靈敏度、回響速度快、不受電磁干擾以及在易燃易爆等惡劣環境中安全工作優點外，而且還具有體積小、可靠性高以及能夠實現線上式實時檢測等特點，因此光纖光柵折射率感測器就應運而生。 光纖光柵感測器按周期分為：周期為幾十至幾百微米的長周期光纖光柵（ LPG或 LP⁃FG）、周期小於 1 μm 的短周期光纖光柵（ FBG） 兩種。 隨著微納光纖的產生，它具有低傳輸損耗，大比例倏逝波、大波導色散、小尺度等特性，在光纖通信、光纖感測領域具有潛在的套用價值。 近年來又出現了微納光纖 FBG，它結合了微納光纖倏逝場傳輸的光學特性和光纖光柵強波長選擇的特性，波長變化受到外界環境折射率變化的影響，因此可用於溶液折射率的測量，並且具有體積小、測量準確、可靠性高等特點。 作為納米光子學的一個研究領域，微納光纖光柵折射率感測正受到全世界研究者越來越多的關注。
短周期光纖光柵折射率感測器原理
基於耦合模式理論， 光纖光柵中周期性折射率調製引起滿足相位匹配條件的波長處的模式耦合，光纖布拉格光柵的纖芯基模耦合的共振波長是由下式決定
λB = 2neff Λ …………………………………（ 1）
式中， λB 為光纖布拉格光柵的纖芯基模耦合的諧振波長； neff 為纖芯導模的有效折射率； Λ 為光纖光柵周期。 neff 與光纖的直徑和外部折射率有關，外部折射率將引起 neff 隨之發生的變化，由式（ 1）則進一步引起布拉格中心波長的漂移。 在 FBG中，模式耦合發生在正向與反向傳輸的芯層導模中。 由於芯層導模的絕大部分能量限制在光纖的芯層中，在光纖外的倏逝波場很小，所以共振波長几乎不受外界折射率影響。 通過探測 λB 的偏移量就可以對外部折射率進行檢測。 當短周期光柵的直徑減小到微納尺度時，就具有倏逝場傳輸的光學特性和光纖光柵強波長選擇的特性。根據倐逝場的特性可知，微納尺度的短周期光纖光柵的中心波長易受外界環境的折射率變化的影響。 為了將 FBG 套用於折射率感測或提高靈敏度，就必須設法增加光纖外的倏逝波場，使倏逝波與外界介質的相互作用增強。 人們提出了 HF腐蝕光纖光柵、側面拋磨的 FBG等手段來提高折射率測量靈敏度。
式中， λB 為光纖布拉格光柵的纖芯基模耦合的諧振波長； neff 為纖芯導模的有效折射率； Λ 為光纖光柵周期。 neff 與光纖的直徑和外部折射率有關，外部折射率將引起 neff 隨之發生的變化，由式（ 1）則進一步引起布拉格中心波長的漂移。 在 FBG中，模式耦合發生在正向與反向傳輸的芯層導模中。 由於芯層導模的絕大部分能量限制在光纖的芯層中，在光纖外的倏逝波場很小，所以共振波長几乎不受外界折射率影響。 通過探測 λB 的偏移量就可以對外部折射率進行檢測。 當短周期光柵的直徑減小到微納尺度時，就具有倏逝場傳輸的光學特性和光纖光柵強波長選擇的特性。根據倐逝場的特性可知，微納尺度的短周期光纖光柵的中心波長易受外界環境的折射率變化的影響。 為了將 FBG 套用於折射率感測或提高靈敏度，就必須設法增加光纖外的倏逝波場，使倏逝波與外界介質的相互作用增強。 人們提出了 HF腐蝕光纖光柵、側面拋磨的 FBG等手段來提高折射率測量靈敏度。
短周期光纖光柵折射率研究
1978年，加拿大渥太華通信研究中心 K·O·Hill等人首次在摻鍺石英光纖中發現光纖的光敏效應，並採用駐波寫入法製成世界上第一根光纖布拉格光柵。 1989 年，美國聯合技術研究中心 G·Meltz等人利用 UV雷射側面寫入技術實現了光纖 Bragg光柵（FBG）的製作。 1993 年， Hill等人又提出用紫外光垂直照射相位掩膜版形成衍射條紋曝光氫載光纖寫入光纖布拉格光柵的相位掩膜法，使得光纖光柵走向實用化和產業化。 此方法不僅克服了對光源和環境較高的要求，而且克服了對光源相干長度很嚴格的要求，還降低了寫入裝置的複雜度。因此大規模生產光纖光柵得以實現，更是極大地推動了光纖光柵在通信領域和感測領域的套用。 在1995年長周期光纖光柵才逐漸套用於折射率感測，隨後幾年才出現了布拉格光纖光柵套用於折射率感測，一直到現在光纖光柵折射率感測的研究仍是學者關注的熱點。
腐蝕FBG折射率感測研究現狀
1998年， Asseh等最早提出將腐蝕光纖包層的方法用於實現折射率感測測量，理論計算出外界折射率非常接近包層折射率時的靈敏度可達到 4.6 ×10-6 riu 。 2004年， Dionisio A Pereira等用雙 FBG 實現了溫度和濃度同時測量， FBG 腐蝕後對摺射率靈敏度為 7.3 nm/riu。 而後， Athanasios N Chryssis等將 FBG 的光纖包層幾乎全部腐蝕掉，在 1.45 和 1.33附近的解析度分別為 10-5 和 10-4 。 2005年， Chryssis[15]等將 FBG 的光纖直徑腐蝕到 3.4 μm， 獲得 1 394nm/riu 的高靈敏度倏逝場感測器，這是迄今為止報導 FBG 折射率感測的最高靈敏度。 同年， AgostinoIadicicco等又提出了一種將 FBG 中間的一小段光纖包層腐蝕掉的微結構 FBG，光譜特性會隨著外界折射率的變化而變化，當直徑被腐蝕到 10.5 μm時，其對摺射率測量解析度為 4 × 10-5 。 Liang Wei[17]等提出了全光纖 F-P 干涉儀結構，具有更窄的干涉條紋便於波長測量，腐蝕兩個 FBG 中間的那段光纖直徑為 1.5 μm，可測到 4 × 10-5 的折射率的微小變化。將多模斜光柵腐蝕到直徑為 12 μm後進行折射率測量，在 1.33~1.442的測量範圍內，對應 LP 0 - 1co - co 耦合的波 長 移 動 為 5.35 nm， 在 1.43 附 近 靈 敏 度 為 0.23nm/%（ %為蔗糖濃度單位）。 K Zhou等利用寫在 D型光纖上的 FBG 進行折射率測量，不腐蝕幾乎對摺射率不敏感，而腐蝕後其折射率變化的靈敏度為 11nm/riu。 秦穎通過計算機數值模擬，給出了理論模擬的光柵反射率和反射波長隨腐蝕時間的變化關係圖，對不同化學溶液進行了測試（ 甲醇、乙醇、IPA 等溶液），將腐蝕後的光纖 Bragg光柵放置在溶液中時，Bragg 光柵的反射波長隨折射率的增大往長波方向移動，反射波長相對摺射率的變化量約在7.3± 0.3 nm；通過曲線擬合給出了光纖 Bragg 光柵反射波長隨溶液折射率變化的曲線關係圖，驗證了光纖 Bragg光柵的化學敏感性及其理論模擬的正確性。 惲斌峰等將光纖布拉格光柵包層直徑腐蝕到十幾微米，採用不同濃度的丙三醇水溶液來改變外界折射率，測量不同外界折射率對第四階包層模式的諧振波長偏移的實驗，結果表明，在接近光纖包層折射率時，第四階包層模式有很高的折射率靈敏度（ 最大 172 nm）。
Na Chen等人在經典耦合模式理論的基礎上，考慮多模之間的相互作用和最佳化的三層階躍折射率光纖結構，建立了包層腐蝕光纖布拉格光柵（ FBG）反向包層模共振環境折射率感測的理論模型，並分析了腐蝕過程和環境折射率改變對諧振模式的影響特性，用實驗驗證了理論模型的正確性。 徐俊嬌等通過對圓形少模光纖基模之間及基模與 LP02高階模之間耦合對應的布拉格波長隨外界折射率變化的理論分析和實驗測量，得出採用檢測基模與高階模之間耦合對應的布拉格波長變化的方法和溫度有近似相同的特性，提高感測器對外部折射率變化的靈敏度，並且通過測量計算這兩個布拉格波長移動量的差值消除溫度對測量結果的影響。 在 2008年，陳敏哲研究了腐蝕對光纖有效折射率的影響、光纖光柵的光譜影響，腐蝕相移光纖光柵的製作，提出了相移光纖光柵折射率感測器，試驗多種製作方式和解調方式，獲得了對溫度不敏感的折射率感測器。 在1.33~1.45 範圍內， 感測精度在 1.33 左右為 0.3/nm，在 1.45左右為 1/nm，具有很高的可重複性。 苗銀萍等研究利用 HF 腐蝕傾斜光纖光柵得到具有不同包層直徑時對外界折射率的感測特性，得出 HF腐蝕其包層前後的纖芯模式與包層模式具有相同的溫度敏感特性，以纖芯模與任一包層模之間的中心波長差去探測外界環境的改變能夠解決溫度交叉敏感效應，還可利用 HF酸溶液腐蝕包層使得包層直徑減小的方法來提高傾斜光纖光柵對外界折射率感測的靈敏度，而且可以通過不同的腐蝕程度來定製所需要的靈敏度。 在 2010年，趙明富]等用實驗驗證 Bragg波長漂移量與光柵包層直徑的關係，用 HF腐蝕包層的方法製作出光纖 Bragg光柵倏逝波感測器，實現了對化學物質折射率的測量。 2011 年，羅彬彬等對不同腐蝕深度的高斯切趾 FBG 基模的諧振波長隨外界折射率的變化特性進行理論分析和實驗測量，實驗結果與理論仿真基本吻合。 而後，羅彬彬等又 研 究 單 端 腐 蝕 FBG 在 低 折 射 率 區（ 約 1.333~1.360）的折射率與溫度同時測量的理論模型，分析其主要結構參數對摺射率測量的靈敏度和線性度的影響，建立相應的折射率測量的線性近似和誤差分析。 2012 年，曹雪梅對單端腐蝕 FBG 折射率感測進行研究，用 HF 腐蝕法製作單端倏逝波 FBG 感測器並對蔗糖溶液及溫度進行了同時測量，能有效地消除環境溫度變化對蔗糖溶液濃度測量的影響。 實驗證明，隨著蔗糖溶液折射率的增加， Bragg 波長近似線性地往長波方向漂移，蔗糖溶液折射率靈敏度達到 5.42 nm/riu。 2013 年， B N Shivananju[29]等提出了一種室溫下檢測 CO2氣體濃度的包層腐蝕並在纖 芯 表 面 塗 覆 聚 烯 丙 胺 氨 基 碳 納 米 管 的新型FBG 氣體感測器， 其測量範圍為 1 000~4 000 ppm，最低檢測限為 75 ppm， 具有良好的短期及長期的重複性和再現性。 Qi Zhang等人給出了一種基於化學腐蝕高 Q π相移 FBG（ πFBG）到其纖芯的折射率感測器， 當πFBG 的長度為 7 mm、直徑約為 9.3μm， 外 界 折 射 率 為 1.318 時 響 應 為 2.9 nm/riu。Kim， Kwang Taek等研究了包層腐蝕雙芯光纖布拉格光柵套用於同時檢測的液體的溫度和折射率，其中由內芯模的布拉格波長獲得液體溫度，而液體的折射率是通過內芯模和外芯模的兩個布拉格波長的間隔獲得。 Jitendra Kumar等人利用紫外雷射寫入法製作了反射率為 11%和 93%的兩個 FBG 並用HF 進行腐蝕， 腐蝕速率分別為 2.03 μm/min 和 1.96μm/min，還對不同剩餘包層直徑的 FBG對乙醇和乙二醇在不同蝕刻時間下的折射率感測進行了實驗研究，指出測量乙醇和乙二醇要具有相同的折射率靈敏度可根據較少的腐蝕時間來實現。 2014 年，Shivananju B等證實了碳納米管塗覆在腐蝕 FBG表面上可製作高度敏感濕度感測器，其室溫下檢測濕度的範圍為 20%~90%，靈敏度約為 31 pm%RH，最低檢測極限約為 0.03 RH，是現有基於 FBG 的濕度感測器的最高靈敏度。 G Tsigaridas[34]等從理論和實驗上研究了蝕刻工藝對 FBG折射率感測器性能的影響，給出了腐蝕後的 FBG半徑與有效折射率的解析表達式，並計算了 FBG 的腐蝕速率約為 0.818μm/min。
Na Chen等人在經典耦合模式理論的基礎上，考慮多模之間的相互作用和最佳化的三層階躍折射率光纖結構，建立了包層腐蝕光纖布拉格光柵（ FBG）反向包層模共振環境折射率感測的理論模型，並分析了腐蝕過程和環境折射率改變對諧振模式的影響特性，用實驗驗證了理論模型的正確性。 徐俊嬌等通過對圓形少模光纖基模之間及基模與 LP02高階模之間耦合對應的布拉格波長隨外界折射率變化的理論分析和實驗測量，得出採用檢測基模與高階模之間耦合對應的布拉格波長變化的方法和溫度有近似相同的特性，提高感測器對外部折射率變化的靈敏度，並且通過測量計算這兩個布拉格波長移動量的差值消除溫度對測量結果的影響。 在 2008年，陳敏哲研究了腐蝕對光纖有效折射率的影響、光纖光柵的光譜影響，腐蝕相移光纖光柵的製作，提出了相移光纖光柵折射率感測器，試驗多種製作方式和解調方式，獲得了對溫度不敏感的折射率感測器。 在1.33~1.45 範圍內， 感測精度在 1.33 左右為 0.3/nm，在 1.45左右為 1/nm，具有很高的可重複性。 苗銀萍等研究利用 HF 腐蝕傾斜光纖光柵得到具有不同包層直徑時對外界折射率的感測特性，得出 HF腐蝕其包層前後的纖芯模式與包層模式具有相同的溫度敏感特性，以纖芯模與任一包層模之間的中心波長差去探測外界環境的改變能夠解決溫度交叉敏感效應，還可利用 HF酸溶液腐蝕包層使得包層直徑減小的方法來提高傾斜光纖光柵對外界折射率感測的靈敏度，而且可以通過不同的腐蝕程度來定製所需要的靈敏度。 在 2010年，趙明富]等用實驗驗證 Bragg波長漂移量與光柵包層直徑的關係，用 HF腐蝕包層的方法製作出光纖 Bragg光柵倏逝波感測器，實現了對化學物質折射率的測量。 2011 年，羅彬彬等對不同腐蝕深度的高斯切趾 FBG 基模的諧振波長隨外界折射率的變化特性進行理論分析和實驗測量，實驗結果與理論仿真基本吻合。 而後，羅彬彬等又 研 究 單 端 腐 蝕 FBG 在 低 折 射 率 區（ 約 1.333~1.360）的折射率與溫度同時測量的理論模型，分析其主要結構參數對摺射率測量的靈敏度和線性度的影響，建立相應的折射率測量的線性近似和誤差分析。 2012 年，曹雪梅對單端腐蝕 FBG 折射率感測進行研究，用 HF 腐蝕法製作單端倏逝波 FBG 感測器並對蔗糖溶液及溫度進行了同時測量，能有效地消除環境溫度變化對蔗糖溶液濃度測量的影響。 實驗證明，隨著蔗糖溶液折射率的增加， Bragg 波長近似線性地往長波方向漂移，蔗糖溶液折射率靈敏度達到 5.42 nm/riu。 2013 年， B N Shivananju[29]等提出了一種室溫下檢測 CO2氣體濃度的包層腐蝕並在纖 芯 表 面 塗 覆 聚 烯 丙 胺 氨 基 碳 納 米 管 的新型FBG 氣體感測器， 其測量範圍為 1 000~4 000 ppm，最低檢測限為 75 ppm， 具有良好的短期及長期的重複性和再現性。 Qi Zhang等人給出了一種基於化學腐蝕高 Q π相移 FBG（ πFBG）到其纖芯的折射率感測器， 當πFBG 的長度為 7 mm、直徑約為 9.3μm， 外 界 折 射 率 為 1.318 時 響 應 為 2.9 nm/riu。Kim， Kwang Taek等研究了包層腐蝕雙芯光纖布拉格光柵套用於同時檢測的液體的溫度和折射率，其中由內芯模的布拉格波長獲得液體溫度，而液體的折射率是通過內芯模和外芯模的兩個布拉格波長的間隔獲得。 Jitendra Kumar等人利用紫外雷射寫入法製作了反射率為 11%和 93%的兩個 FBG 並用HF 進行腐蝕， 腐蝕速率分別為 2.03 μm/min 和 1.96μm/min，還對不同剩餘包層直徑的 FBG對乙醇和乙二醇在不同蝕刻時間下的折射率感測進行了實驗研究，指出測量乙醇和乙二醇要具有相同的折射率靈敏度可根據較少的腐蝕時間來實現。 2014 年，Shivananju B等證實了碳納米管塗覆在腐蝕 FBG表面上可製作高度敏感濕度感測器，其室溫下檢測濕度的範圍為 20%~90%，靈敏度約為 31 pm%RH，最低檢測極限約為 0.03 RH，是現有基於 FBG 的濕度感測器的最高靈敏度。 G Tsigaridas[34]等從理論和實驗上研究了蝕刻工藝對 FBG折射率感測器性能的影響，給出了腐蝕後的 FBG半徑與有效折射率的解析表達式，並計算了 FBG 的腐蝕速率約為 0.818μm/min。
微納FBG折射率感測研究現狀
目前關於微納光纖光柵的研究處於實驗階段，已有報導通過把微米光纖繞在微結構圓柱上構造光柵用於微流體折射率測量。 2005 年，童利民等在納米光纖感測器文章中就已經提出了微納光纖感測。 童利民[7]等研究了亞波長直徑光纖的光學傳輸特性及其套用。 2007年，童利民等人基於 Maxwell方程組的精確解，給出了微納光纖的內部及其周圍光的模場分布，計算了各階模式特別是 HEll模的傳播常數隨光纖直徑變化的關係，給出了電場、磁場分量以及能量在光纖纖芯內部和包層的分布情況。 同年，浙江大學王珊珊等人採用圓形微粒的Rayleigh-Gans散射模型從理論上計算出微納光纖的倏逝場與微粒相互作用的情況。 2010， 鄭之偉介紹一種簡便有效的方法來解析複雜的複本征方程，從而計算出包層的增益係數和複數模參數，為包層增益的微納光纖的設計和製備提供一定的理論依據。 香港理工大學則採用飛秒雷射器在微米光纖上刻寫光纖布拉格光柵用於折射率的測量。 張羽建立了微納光纖布拉格光柵的物理模型，並理論分析了將 MFBG用於折射率感測時，直徑較小的 MFBG 比直徑較大的 MFBG 具有更高的感測靈敏度，同樣直徑的 MF⁃BG，基模對應的反射峰比高階模式對應的反射峰的感測靈敏度更高。 作了折射率測量實驗，其高階模的靈敏度可以達到 102 nm/riu。 吳平輝對微納光纖Mach-Zehnder建立模型，並給出靈敏度計算公式，還對白光干涉微納光纖感測作了實驗研究，感測器靈敏度約為 3 665 nm/riu，對摺射率的最小解析度約為10-5。 因此，該感測器可用於液體折射率和各種氣體感測。 在 2011年，余小草等使用紫外光刻法製作微納光纖布喇格光柵並測得不同直徑下微納光纖布喇格光柵的反射譜。 結果顯示，在直徑幾個微米的微納光纖上仍可以刻出布喇格光柵來。 仿真理論和實驗表明，隨著微納光纖的直徑變小（ 20 μm 左右）有效折射率先是迅速減小而後變化速度減緩從而導致光柵的中心波長向短波長方向飄移和反射率降低。 最後給出了一個直徑為 25.9 μm微納光纖布喇格光柵的測量光譜曲線，其 3 dB頻寬約 0.3 nm，可用於 WDM 信道濾波和對靈敏度要求很高的生物感測中。 劉艷鑫對 MNFBG 的製作、感測中的套用做了詳細介紹。 梁瑞冰]等提出一種基於微納尺度光纖布拉格光柵（ MNFBG） 的折射率感測器，結合微納光纖倏逝場傳輸和光纖布拉格光柵（ FBG） 強波長選擇的特性來實現高精度折射率感測， 使用 Opti⁃Grating 軟體進行數值模擬，顯示出 MNFBG 折射率測量的靈敏度隨著光纖半徑的減小而增加，其中光纖半徑為 400 nm 的 MNFBG 靈敏度可達到 993 nm /riu， 相比於包層蝕刻的 FBG 靈敏度增加 170 倍。2013 年， 劉穎剛等建立了 MNFBG 反射波長隨環境折射率變化的數學模型，數值模擬並詳細討論了有效折射率隨纖芯半徑和環境折射率的變化規律。考慮到 MNFBG 的機械強度以及實際折射率測量範圍， 提出按小折射率區間內的高線性關係進行折射率感測測量， 並擬合了纖芯半徑為 0.5 μm 的MNFBG 的反射波長隨環境折射率的變化關係， 在1.20~1.30 和 1.33~1.43 環境折射率範圍內， 分別獲得了 477.33 nm/riu 和 856.30 nm/riu 的波長靈敏度，論證了折射率區間劃分測量方案的可行性。 BaiOu Guan等指出了超細 FBG 感測器對於周圍介質折射率變化的檢測是基於倐逝場的相互作用，該感測器具有低剛度和小尺寸的優勢。 衛正統等將常規光敏光纖的包層利用 HF 腐蝕到直徑為 17μm，然後用超細光纖製造系統將光纖直徑刻蝕到 6μm，最後利用 KrF準分子雷射在載氫常規光敏光纖上寫入 FBG。 該感測器套用於鹽水的濃度測量，在折射率為 1.33時其最小解析度可達 7.2 × 10-5 。 WeiZhang等基於階躍型光纖基膜的有效折射率函式建立了MNFBG 波長飄移的理論模型。
未來發展
通過對短周期光纖光柵的折射率感測現狀的研究，發現經過腐蝕和拋磨的 FBG 雖然是大幅度提高了折射率感測靈敏度，但仍存在著缺點，需要進一步改進腐蝕和拋磨技術，使得腐蝕後的 FBG 機械強度得到提高和拋磨後的 FBG 尺寸更小更加精確。 近年來，隨著納米技術的興起，又出了微納光纖，其在折射率感測方面有著獨特的優勢，引起了國內外學者的廣泛關注，尤其是微納光纖布拉格光柵套用於折射率感測方面。 微納光纖布拉格光柵不僅具有倏逝場傳輸的光學特性和強波長選擇的特性，還具有體積小，不受電磁干擾，測量準確、可靠性高，可套用於化學分析、環境污染評估、醫療診斷、食品工業、生物感測等領域。 改善 MNFBG的製作法和封裝技術，有助於提高 MNFBG 的機械強度、光學可靠性，進一步提高 MNFBG的靈敏度和實用性。
