多芯少模光纖在傳感領域的應用 - 訊石光通訊網-做光通訊行業的...

        ICCSZ訊  基於多芯光纖和少模光纖的空分復用技術，一方面可以顯著提升光纖通信系統的傳輸容量；另一方面，由於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境參數的變化產生不同的響應，在此基礎上可利用多芯光纖和少模光纖開展更前沿的傳感技術研究。

        作為全球光纖光纜行業的領導者，長飛公司一直致力於高性能特種光纖在多個領域的應用。近年來，長飛公司已聯合華中科技大學光通信與光網絡工程研究團隊，聯合研究空分復用技術的同時，也開展了基於多芯光纖和少模光纖的系列傳感技術研究，並通過對多芯/少模光纖的物理、結構特性的探索，實現了多種新型高性能光纖傳感器。

基於多芯光纖傳感技術研究進展

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

      憑藉聯合研發團隊研製的高質量多芯光纖（註：光纖在1550nm衰減0.20dB/km左右，串擾低於-40dB/100km，見圖1）以及空分復用/解復用器（註：插入損耗<1.5dB，串擾<-45dB，回波反射<-50dB，見圖2），多種高性能的光纖傳感器已經得到實現。

1）多芯光纖矢量彎曲傳感器

        如圖3所示，在異質型多芯光纖同位置的不同芯上刻制布拉格光柵，由於中間芯與外圍芯折射率差異，它們的布拉格係數也不相同。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）異質性七芯光纖截面圖 （b）外圍芯 （c）中間芯 （d）傳感器結構

      測試結果表明，外圍芯布拉格光柵的曲率係數是光纖彎曲方向角的正弦。並且由於中間芯與外圍芯的係數不同，可以用中間芯來補償環境的溫度變化，最終不僅實現了曲率的測量，也實現了光纖彎曲方向的測量，如圖4所示

圖4（a）溫度係數測量結果 （b）應力係數測量結果

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行拉錐，並在多芯光纖末端進行電弧放電形成一個反射面，實現線內的麥可遜幹涉結構。從單模光纖進入的光信號先在拉錐區域耦合進多芯光纖中的外圍芯，然後通過末端反射，重新在拉錐區域形成幹涉。

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

      由於多芯光纖中的空分復用和多徑幹涉結構，大大增強了該麥可遜幹涉儀的溫度響應係數，最終實現了165 pm/°C的靈敏度，遠高於普通的麥可遜幹涉儀。同時實現了900℃以上的高溫測量，如圖6所示。

圖6（a）溫度係數測量結果（b）兩次測量結果比較

3）多芯光纖多參量傳感器

        如圖7(a)所示，通過對異質型多芯光纖進行電弧放電拉錐處理，在拉錐處增強了纖芯之間的耦合，兩個拉錐點以及中間的多芯光纖構造成了一個線內的馬赫澤德幹涉儀結構。由於異質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境的響應也不同，因此各個芯的幹涉係數也不相同。利用我們的低損耗復用/解復用器，最終實現了中間芯溫度係數47.37pm/°C、應力係數1.10pm/με，外圍芯溫度靈係數53.20pm/°C、應力係數0.84pm/με，如圖7（b）(c)所示。最終，實現了利用一根多芯光纖對溫度和應力進行同時測量，測量誤差小於5%。

圖7 （a）多芯光纖多參數測量實驗裝置（b）應力係數測量結果（c）溫度係數測量結果

4）多芯光纖三維形變分布式測量技術

        通過對異質型多芯光纖的布裡淵頻移的研究，研發團隊發現當多芯光纖纏繞在直徑15cm的光纖盤上時，外圍芯的布裡淵頻移會發生明顯的變化，如圖8（a）所 示，而中間芯則無變化。通過進一步研究，發現外圍芯的布裡淵頻移與光纖彎曲有明顯的關係，並進行了定標得到了曲率係數：2.0576±0.02132 MHz/m-1。通過該技術，光纖分布式曲率和形變的測量得到了實現。

圖8 （a）外圍芯布裡淵增益譜（b）外圍芯彎曲半徑與布裡淵頻移關係

基於少模光纖的分布式彎曲傳感技術研究進展

        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。通過中心對準熔融拉錐，將少模光纖與單模器件相連接，並且保證只激勵起少模光纖中的基模。通過（如圖9所示）布裡淵時域分析儀對少模光纖的彎曲布裡淵係數進行測量，結果表明少模光纖的彎曲布裡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裡淵頻移係數為11.49MHz•cm2，如圖10所示。

圖9 基於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裡淵頻移響應結果

        利用該成果實現了基於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裡淵頻移測量，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。最終恢復出了所測物體的三維形貌，如圖11（b）所示，藍色為真實物體，金色為測量恢復結果。

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

        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應用中發揮越來越重要和獨特的作用，也將不斷突破單多模光纖或常規光纖傳感器在傳感應用中的瓶頸，拓寬特種光纖在傳感應用領域的嶄新維度。

附：參考文獻

[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).