少模光纤光栅温度和应变双参量传感研究

【目的】针对光纤布拉格光栅(FBG)传感时温度和应变的交叉敏感问题,文章对少模光纤(FMF)-FBG各个模式温度和应变的响应特性进行了研究,提出了一种四模FBG的温度和应变双参量传感器。【方法】FMF内可以同时传输基模和少数几个高阶模,兼顾单模光纤(SMF)低模式色散和多模光纤低非线性的优势,可以同时用于多个物理量的传感。通过分析FMF-FBG中LP 01模式在不同温度下应变的光功率灵敏度的不同,结合该模式下波长与温度和应变都有良好的线性度,从而实现了FMF-FBG的温度和应变双参量传感。【结果】研究结果表明,文章所提传感器可以较好地解决FBG传感时温度和应变的交叉敏感问题。【结论】相比于SMF-FBG,FMF-FBG同时拥有几个不同模式的反射峰,不仅可以解决温度和应变的交叉敏感问题,还可以大大提高传感的精度和稳定性,在新型传感领域有着很好的应用前景。

基于保偏光纤与少模光纤的激光温度传感器

本文提出了一种基于保偏光纤与少模光纤的激光温度传感器,并对其进行了实验研究。将20 cm的保偏光纤与10 cm的少模光纤熔接在一起,之后与3 dB耦合器组成Sagnac环,作为传感探头。光经过少模光纤激发出高阶模,由于少模光纤与保偏光纤直径不匹配,高阶模与纤芯模耦合到保偏光纤的应力区,激发出包层模,从而提高温度灵敏度。实验结果表明,加入少模光纤后,传感器的温度灵敏度从−0.51 nm/℃提高到−0.91 nm/℃。该传感器具有精度高、制造方便、本质安全等优点,在工程结构安全监测中具有广阔的应用前景。

基于少模光纤布拉格光栅的模分复用系统实验研究

本文提出了一种基于少模光纤布拉格光栅(Few-mode FBG)的模分复用通信系统,阐述了基于少模光纤布拉格光栅的模分复用/解复用原理,建立了2×2的模分复用实验系统,分别利用LP01和LP11模作为独立信道,实现了1.25Gbps和622Mbps两路伪随机序列(PRBS)的10km传输实验,给出了传输后的眼图,分析了当激光器波长为1549.228nm时,实验系统的误码特性.实验验证了基于少模光纤布拉格光栅的模分复用通信系统的可行性,为进一步实现长距离高速率的模分复用通信奠定了实验基础.

具有下陷纤芯与沟槽辅助包层结构的少模光纤

为了降低模间串扰,提高抗弯曲性能,提出了一种具有下陷纤芯与沟槽辅助包层结构的少模光纤。该光纤在1.36~1.56μm波长范围内可支持7个LP模式的传输。包层中沟槽的引入使得各阶模式弯曲损耗在弯曲半径1cm时均小于1×10^(-7)dB/m,模式间有效折射率差均高于10^(-3)。基于有限元法分析了下陷纤芯和沟槽的结构参数对模式有效折射率和模场面积和弯曲特性的影响,重点分析了包层沟槽对弯曲性能的改善作用。研究表明,沟槽有利于降低高阶模式的弯曲损耗。

少模光纤通信系统中的自适应频域均衡算法

少模光纤模式复用存在模式耦合和差分模式时延,必须通过自适应均衡算法补偿。为了降低长距离少模光纤通信系统中自适应均衡算法的复杂度,采用基于变步长-频域块最小均方算法的多输入多输出均衡器对2×2模分复用系统解复用。利用频域块最小均方自适应算法修正均衡器权系数,并通过变步长函数调整步长因子,兼顾算法收敛速度和收敛性能。算法可通过快速傅里叶变换降低计算复杂度。在112Gbit/s的1000km少模光纤高速通信仿真系统中,保证相同收敛速度情况下,提高信号Q2因子3.7d B,并在可编程现场门阵列上验证了100km少模光纤通信系统时的算法性能。结果表明,该算法能够实现模分复用系统的信号解复用,达到快速收敛、低稳态失调的目的。

基于少模光纤长周期光栅叠栅的折射率传感特性

为了克服折射率测量过程中温度交叉敏感的影响,提出并制备了一种少模光纤长周期光栅传感器.该传感器利用CO_2激光器在少模光纤上先写入周期为654μm、长度为30mm的长周期光栅,然后用旋转平台将光纤旋转180°,再写入相同长度周期为819μm的长周期光栅制作而成,其传输光谱在1 487.2nm和1 533.0nm处出现两个由不同模式耦合形成的谐振峰,通过监测两个谐振峰差值的变化减少温度串扰,实现折射率的测量.实验结果表明:两个谐振峰差值在折射率1.333 3~1.376 6范围内的灵敏度为143nm/RIU,在温度20~70℃范围内的灵敏度为-0.002 5nm/℃,温度灵敏度远低于折射率灵敏度,具有对温度不敏感的特性.与传统光纤传感器相比,该传感器具有温度干扰小,折射率灵敏度高等优势,并且尺寸较小、结构紧凑,可在工业、水利、医学等领域广泛应用.

空间光到少模光纤的耦合效率及影响因素

建立了不同影响因素下空间光-少模光纤耦合效率的理论模型.以两模光纤为例分析了相对孔径对耦合效率的影响,当相对孔径为0.17时,耦合效率最高为82.96%.研究了倾斜、离焦、随机角抖动等因素对少模光纤耦合效率的影响.实验测得当横向偏移量为4μm时,两模光纤的耦合效率比单模光纤高10.23%;当轴向偏移量为125μm时,两模光纤的耦合效率比单模光纤高11.24%;当随机抖动幅度标准差为5μm时,两模光纤的耦合效率比单模光纤高12.1%.结果表明少模光纤对信号光接收过程中的干扰因素如倾斜、离焦和随机角抖动都有很好的抑制作用.

基于少模光纤组合传感器的温度及折射率传感特性研究

基于模式干涉理论和布拉格光纤光栅的传感特性,提出了一种单模-少模光纤布拉格光栅(FBG)-单模结构的组合传感器。利用光纤熔接机将一定长度的少模光纤(FMF)熔接在两段单模光纤(SMF)中间构成SFS结构干涉仪,再在FMF上刻制FBG,通过光谱仪得到模式干涉与耦合共同作用后的传输光谱。首先分析了组合传感器的传感原理,由于外界环境的改变会引起FMF中纤芯模式有效折射率的改变,从而导致SFS结构的干涉光谱和FBG的波长发生移动,因此可以通过检测组合传感器传输光谱的波长漂移量,实现对待测参数的测量。然后仿真了FMF长度对干涉光谱的影响,FMF越长,干涉光谱越明显,自由光谱范围FSR越小,为了便于观测组合传感器的整体光谱,最终选择长度为110 mm的FMF进行传感实验。实验所用FMF可稳定传输LP01,LP11,LP21和LP02四种模式,通过对比分析不同模式间的干涉和耦合,确定此组合传感器的干涉光谱是由LP01-LP11干涉形成,FBG透射谱是由LP02-LP02,LP11-LP11,LP01-LP02和LP01-LP01耦合形成。最后进行温度和折射率的传感实验,结果表明,随着外界温度的升高,SFS结构的干涉光谱发生明显的蓝移,而FBG透射谱发生红移,其温度灵敏度分别为-62.04和10.87 pm·℃-1,线性度良好;将FMF包层直径腐蚀至22μm,在1.366~1.455的折射率变化范围内,组合传感器的传输光谱并未发生明显的移动,灵敏度最大仅为3.933 nm·RIU-1。该传感器利用干涉峰和谐振峰同时监测外界的变化,提高了检测准确度,减小测量过程中出现的偶然误差,结构简单新颖、灵敏度高、易于制备,且FBG的4个谐振峰具有很强的传感一致性,使得传感变得更加灵活方便。

少模光纤的不同模式布里渊散射特性

少模光纤可以传输有限的正交模式,具有模间干涉小、模式易于控制等优点.基于少模光纤的布里渊散射传感器能够有效地减小多参量测量过程中的交叉敏感,实现多物理量的测量.本文基于波动光学理论对阶跃型少模光纤各个模式布里渊散射谱的频移、线宽、峰值增益等参数进行了分析.首先对少模光纤进行了模式分析,其次分析了少模光纤不同模式的频移、线宽、增益的数学模型,以及不同模式叠加的布里渊散射谱频移、线宽、增益.结果表明:少模光纤各模式布里渊散射谱的频移在10.19—10.23 GHz范围内,且随模式阶数的减小而增加;各模式布里渊散射谱的线宽在32—34 MHz,且随模式阶数的减小而增加;各模式布里渊散射增益谱相对幅度因为模式阶数的减小而增大.少模光纤中各个模式布里渊增益谱和多模式联运布里渊增益谱均符合洛伦兹曲线分布,多模式联运导致布里渊增益谱线宽展宽,且多模式联运布里渊增益谱相对振幅一般小于单个模式的布里渊相对振幅.

实用化少模光纤的研究

针对大容量光纤通信系统,设计了一种实用化的椭圆纯硅芯少模光纤,给出了光纤的设计原理与参考标准,运用全矢量有限元法结合完美匹配层边界条件分析了光纤的传输特性.在1.4~1.65μm波长处,光纤处于稳定的HE_(11)和HE_(21)双模运转,模式有效折射率差大于1.8×10^(-3),避免了模间耦合和串扰;在工作波长1.55μm处,HE_(11)和HE_(21)模的色散系数分别为19.61和4.41ps/(nm·km),色散斜率分别为0.048和0.002ps/(nm^2·km),模场面积分别为97.17和143.96μm2,模式的衰减系数均小于0.21dB/km.该光纤的传输特性基本符合G.652和G.655光纤标准,可利用现有成熟的"预制棒拉丝工艺"制备,同时与波分复用技术相结合可以成倍提升光网络的传输容量,对于下一代通信网络带宽的提升具有重要意义.

少模光纤倾斜光栅制备及扭转传感研究

设计了一种基于少模光纤倾斜布拉格光栅的反射型扭转传感器,小角度倾斜光栅中的纤芯基模与二阶模在光栅处发生互耦,通过测量该过程形成的反射峰强度变化实现扭转测量。分析了光栅倾斜角度对模式耦合效率的影响,采用相位掩模板法在线刻写光栅技术,在少模光纤上刻写了不同的小角度倾斜光栅;在此基础上选择倾斜角度为1°的光栅进行了单点、双点扭转传感实验,实验表明其反射光谱中基模与二阶模的互耦合峰(LP-LP)对光纤扭转敏感,可以实现对扭转角度大小的测量。在-50°~-150°逆时针扭转过程中,扭转灵敏度为0.52 dB/(rad·m),而在40°~190°顺时针扭转的角度范围内,扭转灵敏度为0.34 dB/(rad·m)。这种传感器具有在单根光纤上实现多点扭转传感的潜力,在多点扭转监测方面具有应用前景。

基于少模-无芯-少模光纤结构的高灵敏度折射率传感器

光纤折射率传感器广泛应用于各种复杂环境的监测。设计了一种基于少模光纤(fewmode fiber,FMF)–无芯光纤(coreless fiber,CLF)–FMF结构的高灵敏度折射率传感器。该传感器由2小段FMF之间熔接1段减薄的CLF组成马赫-增德尔干涉仪(Mach–Zehnder interference,MZI),测量外界折射率,利用光纤布拉格光栅(fiber Bragg grating,FBG)进行温度补偿。MZI干涉光谱中的谐振波谷同时受折射率和温度影响,FBG只受温度的影响。利用MZI和FBG的折射率和温度灵敏度系数构建灵敏度矩阵,实现折射率和温度的同步测量。实验结果表明,MZI折射率灵敏度为345.66 nm/RIU,温度灵敏度为0.013 4 nm/℃;FBG的温度灵敏度为0.010 4 nm/℃。

低弯曲损耗少模光纤传输特性研究

提出一种采用少模阶跃光纤与单模光纤连接的方法,实现低弯曲损耗传输的新型光纤通信系统。采用有限元法研究了在模场直径相同的情况下少模光纤纤芯半径与折射率差的关系,以及不同参数下光纤的弯曲损耗;采用光束传播法计算了少模光纤的各种模式与普通单模光纤的基模的连接损耗。证明了采用少模光纤可以利用模式间的正交性实现有效的单模传输,并具有低的弯曲损耗和连接损耗。

基于少模光纤的SBS光谱阈值特性分析

受激布里渊散射会影响少模光纤传输系统中的信噪比、传输距离与传输容量,是影响传输系统入纤功率提高的重要因素。对阶跃型少模光纤的受激布里渊散射谱的阈值进行了研究,运用了布里渊散射谱、模式联运谱的数学模型对少模光纤散射特性进行了分析,探讨了少模光纤布里渊散射增益谱、阈值增益系数,以及光纤各参量对少模光纤阈值的影响。分析结果表明:SI-10阶跃型少模光纤中存在五种不同的传播模式,不同模式有各自的传输常数以及有效折射率,各模式相互作用导致模式展宽、增益降低,且布里渊散射谱峰值增益系数为3.9×10-11 m·W-1。阈值增益系数受到光纤传感距离的影响,在相对较短距离传输中阈值急速下降,且其趋势随长度增加渐趋平缓,当光纤长度达到22km时阈值增益系数趋于常数18.1。少模光纤的阈值因光纤长度的递增而递减,且递减趋势渐缓趋于常数20.5dBm;少模光纤不同模式受激布里渊散射的阈值也因光纤长度的递增而递减最终趋于常数,且不同模式的阈值因模式阶数的递增而递增;少模光纤的阈值随着光纤衰减系数和纤芯半径的递增而递增,且增加趋势缓慢增大。不同衰减系数的光纤其阈值在不同长度趋于常数,衰减系数越大受激布里渊散射阈值越大越容易趋于一常数。

少模光纤中模式选择性激励技术

基于少模光纤的模分复用系统能继续提高光纤通信系统的传输容量,目前已成为全球的研究热点。在介绍了少模光纤设计后,文章对3种模式选择性激励技术(偏移注入、长周期光纤光栅和空间光调制)的激励机制、特点及实现进行了研究,并重点介绍了基于空间光调制的模式选择性激励技术。

基于多芯少模光纤的传输与传感应用(特邀)

基于多芯少模光纤的空分复用技术被认为是解决传统单模光纤通信容量危机的可行方案。同时,随着支撑空分复用技术的光纤器件的快速发展和逐步成熟,空分复用技术亦可以应用于多参量分布式传感,解决传统基于单模光纤的单参量传感器交叉敏感性问题。文章综述了近年来少模光纤、多芯光纤、多芯少模光纤的设计制备及测试研究,也总结了这些特种光纤在光纤传输与光纤传感上的应用进展,在此基础上,对多芯少模光纤的传输与传感应用的研究前景与方向进行了展望。

基于少模光纤的单端BOTDA温度传感研究

提出了一种基于少模光纤的分布式温度传感系统,理论分析了少模光纤的布里渊散射谱和温度传感特性,将光纤末端产生的菲涅尔反射光作为探测光,搭建单端结构的布里渊光时域分析(BOTDA)系统,实现阶跃折射率两模光纤的温度传感测量。实验结果表明,阶跃两模光纤的布里渊频移与温度呈良好的线性关系,并在1 km长光纤上实现了4.5 m的空间分辨率、6.29℃的温度测量精度。

基于弱耦合少模光纤的模分复用技术进展(特邀)

近年来模分复用技术被广泛认为是突破传统单模光纤通信系统和网络容量"瓶颈"的有效途径,其典型方案包括强耦合和弱耦合两种。在弱耦合模分复用方案中,模式串扰应尽量被抑制,使得各模式中的信号可独立传输和接收。文章首先对强耦合和弱耦合模式技术原理进行了介绍,之后设计制作了一种弱耦合双环型纤芯结构少模光纤,设计制作了基于模式选择耦合器的模式复用/解复用器,在此基础上演示了6模式、10km弱耦合模分复用传输实验,仅采用强度调制和无数字信号处理的直接检测设计了一种简并模式解复用方案,并基于熔融拉锥工艺制作了该器件,最终首次实现了模分复用实时视频传输,这表明模分复用技术向实际应用迈进了重要一步。

低差分模式群时延少模光纤的变分法分析及优化

基于少模光纤的模分复用技术可使传输容量增加数倍,是目前光纤通信系统的研究热点.当复用模式数量较多时,模式之间的串扰可在接收端采用多输入多输出数字信号处理算法解决.差分模式群时延(DMGD,DMGD)越大,算法复杂度越高,为了降低接收机的复杂度需要使用低DMGD的少模光纤.本文提出了使用变分法分析任意芯层折射率高于包层的少模光纤,推导出了这类光纤中基模的模斑尺寸、各个模式归一化传播常数、相对于基模的DMGD的解析表达式,以及它们与归一化频率和光纤制造参数的关系.在此基础上,以梯度型少模光纤为研究对象,优化了光纤参数,得到能够传输前6个LP模,在C和L波段|τ_(DMGD)|<15 ps/km的少模光纤的优化参数为:最大芯层折射率与包层折射率之差n_(1)-n_(2)=0.01,纤芯半径a=14μm,折射率分布指数α=1.975.最后讨论了光纤制造误差对DMGD的影响.

少模光纤光栅的飞秒激光制备及其特性

利用飞秒激光和相位掩模法在少模光纤中成功制备了光纤布拉格光栅(FBG),并对其反射光谱特性和高温应变传感特性进行了研究。结果表明:少模FBG的反射光谱中具有3个主反射峰,分别对应不同模式的自耦合和模式之间的互耦合。该FBG在800℃以下具有很好的温度响应特性,温度灵敏度为14. 27 pm/℃,且在500℃时具有很好的应变响应特性,应变灵敏度为1. 77 pm/10-6。其有望在高温应变传感和多波长光纤激光器方面得到一定的应用。