多芯少模光纖在傳感領(lǐng)域的應(yīng)用

        ICCSZ訊  基于多芯光纖和少模光纖的空分復(fù)用技術(shù)，一方面可以顯著提升光纖通信系統(tǒng)的傳輸容量；另一方面，由于多芯光纖中不同纖芯、少模光纖中不同空間模式在同一光纖中共同傳輸時(shí)擁有不同的空間分布，這些空分光場(chǎng)特性會(huì)對(duì)周?chē)h(huán)境參數(shù)的變化產(chǎn)生不同的響應(yīng)，在此基礎(chǔ)上可利用多芯光纖和少模光纖開(kāi)展更前沿的傳感技術(shù)研究。

        作為全球光纖光纜行業(yè)的領(lǐng)導(dǎo)者，長(zhǎng)飛公司一直致力于高性能特種光纖在多個(gè)領(lǐng)域的應(yīng)用。近年來(lái)，長(zhǎng)飛公司已聯(lián)合華中科技大學(xué)光通信與光網(wǎng)絡(luò)工程研究團(tuán)隊(duì)，聯(lián)合研究空分復(fù)用技術(shù)的同時(shí)，也開(kāi)展了基于多芯光纖和少模光纖的系列傳感技術(shù)研究，并通過(guò)對(duì)多芯/少模光纖的物理、結(jié)構(gòu)特性的探索，實(shí)現(xiàn)了多種新型高性能光纖傳感器。

基于多芯光纖傳感技術(shù)研究進(jìn)展

              
圖1 七芯光纖截面圖 圖                                            2七芯光纖耦合器

      憑借聯(lián)合研發(fā)團(tuán)隊(duì)研制的高質(zhì)量多芯光纖（注：光纖在1550nm衰減0.20dB/km左右，串?dāng)_低于-40dB/100km，見(jiàn)圖1）以及空分復(fù)用/解復(fù)用器（注：插入損耗<1.5dB，串?dāng)_<-45dB，回波反射<-50dB，見(jiàn)圖2），多種高性能的光纖傳感器已經(jīng)得到實(shí)現(xiàn)。

1）多芯光纖矢量彎曲傳感器

        如圖3所示，在異質(zhì)型多芯光纖同位置的不同芯上刻制布拉格光柵，由于中間芯與外圍芯折射率差異，它們的布拉格系數(shù)也不相同。為了同時(shí)測(cè)量這兩種不同的布拉格光柵的反射結(jié)果，我們利用一段多模光纖將多芯光纖中纖芯和一個(gè)外圍芯與普通單模光纖相連接。

圖3（a）異質(zhì)性七芯光纖截面圖 （b）外圍芯 （c）中間芯 （d）傳感器結(jié)構(gòu)

      測(cè)試結(jié)果表明，外圍芯布拉格光柵的曲率系數(shù)是光纖彎曲方向角的正弦。并且由于中間芯與外圍芯的系數(shù)不同，可以用中間芯來(lái)補(bǔ)償環(huán)境的溫度變化，最終不僅實(shí)現(xiàn)了曲率的測(cè)量，也實(shí)現(xiàn)了光纖彎曲方向的測(cè)量，如圖4所示

圖4（a）溫度系數(shù)測(cè)量結(jié)果 （b）應(yīng)力系數(shù)測(cè)量結(jié)果

2）多芯光纖高溫傳感器

        如圖5所示，通過(guò)對(duì)多芯光纖和單模光纖進(jìn)行拉錐，并在多芯光纖末端進(jìn)行電弧放電形成一個(gè)反射面，實(shí)現(xiàn)線內(nèi)的邁克爾遜干涉結(jié)構(gòu)。從單模光纖進(jìn)入的光信號(hào)先在拉錐區(qū)域耦合進(jìn)多芯光纖中的外圍芯，然后通過(guò)末端反射，重新在拉錐區(qū)域形成干涉。

圖5（a）多芯光纖截面（b）光纖示意結(jié)構(gòu)（c）顯微鏡下光纖照片（d）顯微鏡下末端反射面

      由于多芯光纖中的空分復(fù)用和多徑干涉結(jié)構(gòu)，大大增強(qiáng)了該邁克爾遜干涉儀的溫度響應(yīng)系數(shù)，最終實(shí)現(xiàn)了165 pm/°C的靈敏度，遠(yuǎn)高于普通的邁克爾遜干涉儀。同時(shí)實(shí)現(xiàn)了900℃以上的高溫測(cè)量，如圖6所示。

圖6（a）溫度系數(shù)測(cè)量結(jié)果（b）兩次測(cè)量結(jié)果比較

3）多芯光纖多參量傳感器

        如圖7(a)所示，通過(guò)對(duì)異質(zhì)型多芯光纖進(jìn)行電弧放電拉錐處理，在拉錐處增強(qiáng)了纖芯之間的耦合，兩個(gè)拉錐點(diǎn)以及中間的多芯光纖構(gòu)造成了一個(gè)線內(nèi)的馬赫澤德干涉儀結(jié)構(gòu)。由于異質(zhì)型多芯光纖各個(gè)纖芯材料不同，它們的折射率變化對(duì)外界環(huán)境的響應(yīng)也不同，因此各個(gè)芯的干涉系數(shù)也不相同。利用我們的低損耗復(fù)用/解復(fù)用器，最終實(shí)現(xiàn)了中間芯溫度系數(shù)47.37pm/°C、應(yīng)力系數(shù)1.10pm/με，外圍芯溫度靈系數(shù)53.20pm/°C、應(yīng)力系數(shù)0.84pm/με，如圖7（b）(c)所示。最終，實(shí)現(xiàn)了利用一根多芯光纖對(duì)溫度和應(yīng)力進(jìn)行同時(shí)測(cè)量，測(cè)量誤差小于5%。

圖7 （a）多芯光纖多參數(shù)測(cè)量實(shí)驗(yàn)裝置（b）應(yīng)力系數(shù)測(cè)量結(jié)果（c）溫度系數(shù)測(cè)量結(jié)果

4）多芯光纖三維形變分布式測(cè)量技術(shù)

        通過(guò)對(duì)異質(zhì)型多芯光纖的布里淵頻移的研究，研發(fā)團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)當(dāng)多芯光纖纏繞在直徑15cm的光纖盤(pán)上時(shí)，外圍芯的布里淵頻移會(huì)發(fā)生明顯的變化，如圖8（a）所 示，而中間芯則無(wú)變化。通過(guò)進(jìn)一步研究，發(fā)現(xiàn)外圍芯的布里淵頻移與光纖彎曲有明顯的關(guān)系，并進(jìn)行了定標(biāo)得到了曲率系數(shù)：2.0576±0.02132 MHz/m^-1。通過(guò)該技術(shù)，光纖分布式曲率和形變的測(cè)量得到了實(shí)現(xiàn)。

圖8 （a）外圍芯布里淵增益譜（b）外圍芯彎曲半徑與布里淵頻移關(guān)系

基于少模光纖的分布式彎曲傳感技術(shù)研究進(jìn)展

        少模光纖是一種單芯光纖，與普通單模光纖相比擁有較大的模場(chǎng)面積，允許少量的光纖模式在光纖中共同傳輸。通過(guò)中心對(duì)準(zhǔn)熔融拉錐，將少模光纖與單模器件相連接，并且保證只激勵(lì)起少模光纖中的基模。通過(guò)（如圖9所示）布里淵時(shí)域分析儀對(duì)少模光纖的彎曲布里淵系數(shù)進(jìn)行測(cè)量，結(jié)果表明少模光纖的彎曲布里淵頻移比單模光纖要靈敏得多，最終測(cè)得少模光纖的彎曲布里淵頻移系數(shù)為11.49MHz•cm²，如圖10所示。

圖9 基于少模光纖的分布式曲率測(cè)量裝置

圖10 單模光纖和少模光纖彎曲布里淵頻移響應(yīng)結(jié)果

        利用該成果實(shí)現(xiàn)了基于少模光纖的三維形貌測(cè)量。將少模光纖均勻繞至在如圖11（a）所示的泡沫模型上，通過(guò)對(duì)該段光纖的布里淵頻移測(cè)量，得到了該段光纖的彎曲半徑以及不同彎曲半徑情況下的光纖長(zhǎng)度。最終恢復(fù)出了所測(cè)物體的三維形貌，如圖11（b）所示，藍(lán)色為真實(shí)物體，金色為測(cè)量恢復(fù)結(jié)果。

   （a）                                                                                                         （b）
圖11 （a）待測(cè)物體                                                                            （b）三維形貌測(cè)量結(jié)果

        展望未來(lái)，多芯光纖和少模光纖將在彎曲、高溫傳感、多參量傳感和三維形變分布式傳感等技術(shù)應(yīng)用中發(fā)揮越來(lái)越重要和獨(dú)特的作用，也將不斷突破單多模光纖或常規(guī)光纖傳感器在傳感應(yīng)用中的瓶頸，拓寬特種光纖在傳感應(yīng)用領(lǐng)域的嶄新維度。

附：參考文獻(xiàn)

[1]Ming Tang, Zhiyong Zhao, Lin Gan, Hao Wu, Ruoxu Wang, Borui Li, Songnian Fu, ShuangLiu,

Deming Liu, Huifeng Wei and Weijun Tong, "Spatial-division multiplexed optical sensing using MCF and FMF," in Advanced Photonics 2016, OSA Technical Digest, paper SoM2G.3.

[2] Hailiang Zhang, Zhifang Wu, Perry Ping Shum, Ruoxu Wang, XuanQuyenDinh, Songnian Fu, Weijun Tong and Ming Tang, “Fiber Bragg gratings in heterogeneousmulticore fiber for directional bendingsensing,” Journal of Optics, Volume 18, Number 8 (2016).

[3] Li Duan, Peng Zhang, Ming Tang, Ruoxu Wang, Zhiyong Zhao, Songnian Fu, Lin Gan, Benpeng Zhu, Weijun Tong, Deming Liu, and Perry Ping Shum, "Heterogeneous all-solid multicore fiber based multipath Michelson interferometer for high temperature sensing," Opt. Express 24, 20210-20218 (2016).

[4] Lin Gan, Ruoxu Wang, Deming Liu, Li Duan, Shuang Liu, Songnian Fu, Borui Li, ZhenhuaFeng, Huifeng Wei, Weijun Tong, Ping Shum and Ming Tang, “Spatial-Division Multiplexed Mach–Zehnder Interferometersin Heterogeneous Multicore Fiber for Multiparameter Measurement,” IEEE Photonics Journal, Volume 8, Number 1, February 2016.

[5] Zhiyong Zhao, Marcelo A. Soto, Ming Tang, Luc Thévenaz, “Curvature and shape distributed sensing using Brillouin scattering in multi-core fibers,” in Advanced Photonics 2016, OSA Technical Digest, paper SeM4D.4.

[6] Hao Wu, Ruoxu Wang, Deming Liu, Songnian Fu, Can Zhao, Huifeng Wei, Weijun Tong, Perry Ping Shum, and Ming Tang, "Few-mode fiber based distributed curvature sensor through quasi-single-mode Brillouin frequency shift," Opt. Lett. 41, 1514-1517 (2016).