石英光纖應(yīng)用

摘 要：文章是相對(duì)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(xiàn)討論了石英光纖材料傳感應(yīng)用。即針對(duì)石英光纖材料的應(yīng)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(jiǎn)單介紹和概述。

關(guān)鍵詞：回音壁模；光纖傳感；研究進(jìn)展

中圖分類(lèi)號(hào)：TP212 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：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(xué)器件為基礎(chǔ)，以光纖通信和集成光學(xué)的技術(shù)為前提創(chuàng)造性發(fā)展起來(lái)的[1]。光纖傳感器按照傳感原理被分為兩類(lèi)：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(zhì)，外界因素作為調(diào)制信號(hào)來(lái)調(diào)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(zhì)，而以其他敏感元件來(lái)感測(cè)被測(cè)量的變化。下面就光纖傳感具體應(yīng)用實(shí)例略敘述一二。

1 光纖生物傳感

生物傳感已經(jīng)是光纖傳感中最重要的分支之一。它旨在于區(qū)別傳統(tǒng)的生物檢測(cè)技術(shù)，采用光纖的高靈敏度以及高速性。通過(guò)生物制膜技術(shù)與鍍膜技術(shù)使光纖與檢測(cè)生物分子發(fā)生生化反應(yīng)。如采用光纖表面硅烷偶聯(lián)技術(shù)而形成的生物素——鏈霉親和素系統(tǒng)，即采用了抗原與抗體的特異性結(jié)合從而影響了光纖的傳輸特性等[2]?；诖说墓饫w端面可以衍生出多種結(jié)構(gòu)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(chǔ)，我們?cè)诠饫w的結(jié)構(gòu)中進(jìn)一步優(yōu)化得到了新的傳感機(jī)制——回音壁模式（Whispering Gallery Mode，WGM）光學(xué)微腔。與其相輔相成的結(jié)構(gòu)即為錐形光纖（fused tapper fiber）。將普通石英光纖通過(guò)一定加工工藝變成在中間錐區(qū)具有高激發(fā)模式的光場(chǎng)，通過(guò)將該光場(chǎng)與微腔耦合，即 逝場(chǎng)耦合以形成可以在微腔中振蕩的WGM。通過(guò)測(cè)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(chuàng)舉。WGM微腔傳感因其高的Q值和獨(dú)特的耦合方式在光纖傳感領(lǐng)域獨(dú)樹(shù)一幟，其幾何示意圖與耦合方式請(qǐng)見(jiàn)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(yīng)用——電流傳感

WGM最早是基于聲學(xué)現(xiàn)象的描述，在圣保羅大教堂的環(huán)形走廊上，對(duì)著墻壁輕聲說(shuō)話(huà)會(huì)有回音從背后傳來(lái)?；谶@種聲學(xué)現(xiàn)象，即聲波在內(nèi)徑遠(yuǎn)大于波長(zhǎng)的光滑壁上傳播時(shí)，能夠以十分微小的衰減不斷發(fā)生反射，從而能夠傳播很遠(yuǎn)的距離。

WGM光學(xué)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(xiàn)寬、高能量密度的生化傳感領(lǐng)域應(yīng)用前景廣泛[3]?；赪GM光學(xué)微腔，即以石英材料為基本組成，通過(guò)不同工藝以實(shí)現(xiàn)不同的微腔形式從而實(shí)現(xiàn)不同的傳感特性。

2.2 高靈敏度光學(xué)微腔傳感器

WGM光學(xué)微腔的高Q值、高集成度特點(diǎn)可構(gòu)建小型、高靈敏度、低探測(cè)限的生物化學(xué)傳感器[3]。Science在2007年發(fā)表的有關(guān)微腔生物傳感器研究結(jié)果表明：使用品質(zhì)因子高于10^8的諧振微腔可以實(shí)現(xiàn)血漿白細(xì)胞介質(zhì)單分子的無(wú)標(biāo)記檢測(cè)[4]。

2.3 非對(duì)稱(chēng)垂直耦合的光子分子微盤(pán)激光器

在垂直方向?qū)-P模式進(jìn)行有效地抑制，同時(shí)增加了回音壁模式自發(fā)輻射耦合效率，降低了激光閾值。三個(gè)相同的垂直耦合半導(dǎo)體激光器由于垂直方向的耦合周期增多，導(dǎo)致F-P模式更有效的被抑制，從而增大了自發(fā)輻射耦合因子。不同模式的強(qiáng)耦合導(dǎo)致的模式劈裂，比量子與腔模的耦合強(qiáng)度高至少一個(gè)數(shù)量級(jí)[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(chǎn)生比OCT更好的傳輸與檢測(cè)效果[5]。光學(xué)傳感器解決了原始的繼電保護(hù)裝置磁飽和、勵(lì)磁等情況。由于高壓側(cè)信息是通過(guò)有絕緣材料做成的玻璃光纖傳輸?shù)降碗娢坏模虼似浣^緣結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，且由于高低壓之間只存在光纖聯(lián)系，消除了電磁干擾對(duì)互感器性能的影響。常見(jiàn)的測(cè)量電壓的微腔原理如圖3[5]。

2.5 光學(xué)微腔與電流傳感

不同的光學(xué)微腔其結(jié)構(gòu)與特性不同，如圖4示。在此，僅對(duì)有關(guān)電流傳感微腔應(yīng)用作說(shuō)明。

3 結(jié)束語(yǔ)

文章就目前最基本的石英光纖為主線(xiàn)討論了現(xiàn)代石英光纖材料的一個(gè)應(yīng)用亮點(diǎn)——光纖傳感。從最開(kāi)始的傳感的應(yīng)用到作者現(xiàn)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(shù)如數(shù)家珍。光纖傳感的應(yīng)用數(shù)不勝數(shù)，在現(xiàn)代光纖通信中配合先進(jìn)光源使得光纖傳感的發(fā)展更加先進(jìn)與迅猛，在未來(lái)的通信技術(shù)中光纖材料必然成為主流。

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