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擁有不同的空間分布，這些空分光場特性會對周圍環(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，長飛公司一直致力于高性能特種光纖在多個領(lǐng)域的應(yīng)用。近年來，長飛公司已聯(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，聯(lián)合研究空分復(fù)用技術(shù)的同時，也開展了基于多芯光纖和少模光纖的系列傳感技術(shù)研究，并通過對多芯/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。為了同時測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，可以用中間芯來補(bǔ)償環(huán)境的溫度變化，最終不僅實(shí)現(xiàn)了曲率的測量，也實(shí)現(xiàn)了光纖彎曲方向的測量，如圖4所示

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

2）多芯光纖高溫傳感器

        如圖5所示，通過對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)入的光信號先在拉錐區(qū)域耦合進(jìn)多芯光纖中的外圍芯，然后通過末端反射，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。同時實(shí)現(xiàn)了900℃以上的高溫測量，如圖6所示。

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

3）多芯光纖多參量傳感器

        如圖7(a)所示，通過對異質(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，兩個拉錐點(diǎn)以及中間的多芯光纖構(gòu)造成了一個線內(nèi)的馬赫澤德干涉儀結(jié)構(gòu)。由于異質(zhì)型多芯光纖各個纖芯材料不同，它們的折射率變化對外界環(huán)境的響應(yīng)也不同，因此各個芯的干涉系數(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溫度和應(yīng)力進(jìn)行同時測量，測量誤差小于5%。

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

4）多芯光纖三維形變分布式測量技術(shù)

        通過對異質(zhì)型多芯光纖的布里淵頻移的研究，研發(fā)團(tuán)隊發(fā)現(xiàn)當(dāng)多芯光纖纏繞在直徑15cm的光纖盤上時，外圍芯的布里淵頻移會發(fā)生明顯的變化，如圖8（a）所 示，而中間芯則無變化。通過進(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。通過該技術(shù)，光纖分布式曲率和形變的測量得到了實(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面積，允許少量的光纖模式在光纖中共同傳輸。通過中心對準(zhǔn)熔融拉錐，將少模光纖與單模器件相連接，并且保證只激勵起少模光纖中的基模。通過（如圖9所示）布里淵時域分析儀對少模光纖的彎曲布里淵系數(shù)進(jìn)行測量，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，通過對該段光纖的布里淵頻移測量，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度。最終恢復(fù)出了所測物體的三維形貌，如圖11（b）所示，藍(lán)色為真實(shí)物體，金色為測量恢復(fù)結(jié)果。

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

        展望未來，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).