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華中科技大學考研成績!長飛與華科大多芯光纖研究成果

訊石光通訊2020-08-17 14:20:05

導讀

近年來,長飛光纖光纜聯合華中科技大學光學與電子信息學院唐明、付松年教授團隊,在空分復用技術聯合研究的同時,也開展了基于多芯光纖和少模光纖的系列傳感技術研究,并通過對多芯/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。

  ICCSZ訊 ? ?基于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境參數的變化產生不同的響應,從而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,長飛光纖光纜股份有限公司一直致力于高性能特種光纖在多個領域的應用。近年來,已聯合華中科技大學光學與電子信息學院唐明、付松年教授團隊,在空分復用技術聯合研究的同時,也開展了基于多芯光纖和少模光纖的系列傳感技術研究,并通過對多芯/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[1]。

  1.基于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

  憑借聯合研發團隊研制的高質量多芯光纖(注:光纖在1550nm衰減0.20dB/km左右,串擾低于-40dB/100km)以及空分復用/解復用器(注:插入損耗<1dB,串擾<-45dB,回波反射<-50dB),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,由于中間芯與外圍芯折射率差異,它們的布拉格系數也不相同[2]。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系數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,同時實現了光纖彎曲方向的測量,如圖4所示。 

圖4(a)溫度系數測量結果 (b)應力系數測量結果

  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,并在多芯光纖末端進行電弧放電形成一個反射面,實現線內的邁克爾遜干涉結構[3]。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,然后通過末端反射,重新在拉錐區域形成干涉。

  


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

  由于多芯光纖中的空分復用和多徑干涉結構,大大增強了該邁克爾遜干涉儀的溫度響應系數,最終實現了165 pm/°C的靈敏度,遠高于普通的邁克爾遜干涉儀。同時實現了900℃以上的高溫測量,如圖6所示。  

圖6(a)溫度系數測量結果 ? ?(b)兩次測量結果比較

  3)多芯光纖多參量傳感器

  如圖5(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干涉儀結構[4]。由于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,因此各個芯的干涉系數也不相同。利用我們的低損耗復用/解復用器,最終實現了中間芯溫度系數47.37 pm/°C、應力系數1.10pm/με,外圍芯溫度靈系數53.20 pm/°C、應力系數0.84 pm/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,測量誤差小于5%。  

圖7 (a)多芯光纖多參數測量實驗裝置(b)應力系數測量結果(c)溫度系數測量結果

  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里淵頻移的研究,研發團隊發現當多芯光纖纏繞在直徑15cm的光纖盤上時,外圍芯的布里淵頻移會發生明顯的變化如圖8(a),而中間芯則無變化[5]。通過進一步研究,發現外圍芯的布里淵頻移與光纖彎曲有明顯的關系,并進行了定標得到了曲率系數: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)外圍芯布里淵增益譜 ? ? ? ? (b)外圍芯彎曲半徑與布里淵頻移關系

  2.少模光纖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,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進行了測量,結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為11.49MHz?cm2,如圖10[6]。  

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結果

  利用該成果實現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)所示的泡沫模型之上,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。


圖11 (a)待測物體

圖11 (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).

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