CN104246448B - 感测系统和用于这种系统的少模光纤 - Google Patents
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Abstract
一种感测光纤，包括：少模多段纤芯，所述纤芯包括由另一纤芯段围住的一个纤芯段，以及围住所述纤芯的至少一个包层；所述纤芯具有100μm2至350μm2的F因数(μm2)，并且被构造成提供(i)光导基模和声导基模之间的大于0.7的重叠积分；以及(ii)LP11光导模和声导基模之间的至少0.45的重叠积分。
Description
相关申请的交叉参照
本申请要求2012年2月21日提交的美国专利申请13/401239的优先权益，且基于其内容并将其内容整体援引包含于此。
技术领域
本公开总地涉及感测系统，并尤其涉及分布式布里渊感测系统以及用于这类系统中的少模感测光纤。
背景技术
基于布里渊散射的分布式传感器对于形成用于测量建筑、桥梁、隧道、坝和管线以及船只和飞机的结构一体性的光纤感测系统是吸引人的。最流行的布里渊光纤感测系统是布里渊光时域反射计(BOTDR)。这种技术非常类似于基于雷利的OTDR，其中从强脉冲后向散射的自发布里渊光作为时间函数被记录。对于每个时间步长测量后向散射的信号的频率分布，以确定在每个位置的应变或温度变化。与传统OTDR类似，BOTDR需要仅访问单个光纤端，这对于许多应用来说是方便的。然而，BOTDR的空间分辨率实践中被限制在1m。
另一光纤感测系统利用布里渊光时域分析(BOTDA)。这项技术基于泵浦探测技术利用激励布里渊散射(SBS)，在泵浦探测技术中，强泵浦脉冲在其传播期间局部地与弱的反向传播的连续波(CW)探测相互作用。由探测在每个位置经历的增益可通过记录探测在时域中的振幅而被分析。泵和探测之间的频率差被逐级地扫描，并且可对于给定的泵浦探测频率差重新得到局部放大。然后可通过分析因变于频率在给定位置的增益来重建局部增益谱。BOTDA需要访问对光纤两端进行访问，因为泵浦脉冲和CW探测必须在感测光纤内反向传播，这在一些情况下是一种限制。BOTDA受到与BOTDR相同的空间分辨率限制，即大约1m，因为：(1)空间分辨率和感测灵敏性之间的权衡，以及(2)随着脉宽减小至与弛豫时间(～10ns)相当的值时布里渊增益谱的显著变宽和降低。
为了提高空间分辨率，已提议使用形成在偏振保持单模光纤内的布里渊动态光栅(BDG)。在该手法中，通过泵浦在一个偏振上产生声波，并用其在来自泵浦的不同光频率下反射正交偏振探测。报告试验结果，其中分布应变被测得在105m的偏振保持单模光纤中具有10cm的空间分辨率。然而，偏振保持单模光纤一般具有较高的衰减并且比标准光纤更贵。另外，偏振保持光学单模光纤系统所需的感测机制需要偏振保持组件，这为感测系统增加了额外的成本和复杂性。此外，难以在长光纤(例如几公里或更长)上保持给定的偏振，这限制了传感器系统长度。
因此需要具有提高的空间分辨率的低成本光纤感测系统以及与这类系统一起使用的光纤。
发明内容
本公开的实施例是一种感测光纤，包括：少模多段纤芯；以及围住纤芯的至少一个包层。纤芯被构造成具有100μm2-350μm2的F因数，并提供(i)光导基模和声导基模之间的大于0.7的重叠积分；以及(ii)LP11光导模和声导基模之间的至少0.45的重叠。优选地，纤芯半径为4μm-20μm并且LP11光导模和声导基模L01之间的重叠积分至少为0.45，更优选地为至少0.5。在一些示例性实施例中，LP11光导模和声导基模之间的重叠积分至少为0.6。
在一些实施例中，感测光纤的有效光面积Aeff为至少100μm2，在一些实施例中至少120μm2，并且在一些实施例中为150μm2，或者对LP01光学模式而言在1550nm下更大。在一些实施例中，感测光纤具有至少两个纤芯段，并且两个纤芯段的折射率变化量之间的差为Δ2-Δ1>0.05。在一些实施例中，两个纤芯段的折射率变化量之间的差为至少0.15％。在一些实施例中，LP11光导模和L01声学模式之间的重叠积分大于0.7，并优选地大于0.8。
一个实施例是分布式布里渊光纤感测系统。该系统包括被配置成支持基导模和至少一个较高阶导模的感测光纤。感测光纤被构造成具有：(i)大于0.7的光导基模和声导基模之间的重叠积分；以及(ii)至少0.45的LP11光导模和声导基模之间的重叠。系统包括被配置成将泵浦光引入导模之一以定义泵浦光导模的泵浦光源。泵浦光在感测光纤内形成布里渊动态光栅(BDG)。系统也具有探测光源，其被配置成将输入探测光引入到泵浦光导模以外的一个或多个导模中以从BDG产生反射的探测光。反射的探测光和输入探测光通过布里渊频移而相对于彼此发生频移。系统也包括光耦合至感测光纤的接收机。接收机被配置成检测反射的探测光以确定布里渊频移和反射位置，并在一个例子中是或包括光谱分析仪。
本公开的另一实施例是分布式布里渊光纤感测系统。系统具有被配置成支持至少第一和第二导模的感测光纤。感测光纤被构造成具有：(i)大于0.7的光导基模和声导基模之间的重叠积分；以及(ii)至少0.45的LP11光导模和声导基模之间的重叠。感测光纤不是偏振保持光纤。系统也包括光耦合至感测光纤的第一泵浦光源。第一泵浦光源被配置成产生第一泵浦光，该第一泵浦光以第一导模在感测光纤中行进并形成包含感测光纤的局部布里渊频率的信息的BDG。系统也包括光耦合至感测光纤的探测光源。探测光源被配置成产生以第二导模在感测光纤内行进的脉冲式探测光。脉冲式探测光具有选定的波长，以使脉冲式探测光的至少一部分从布里渊动态光栅反射并包括关于局部布里渊频率的信息。系统也具有接收机，其光耦合至感测光纤并被配置成接收所反射的探测光并确定局部布里渊频率和反射位置，并由此确定沿感测光纤的至少一个条件。
将在以下详细描述中阐述附加的特征和优点，这些特征和优点在某种程度上对于本领域的技术人员来说根据该描述将是显而易见的，或者通过实施包括以下详细描述、权利要求书以及附图的本文所述的内容可认识到。
应当理解的是，以上一般描述和以下详细描述两者给出了一些实施例，这些实施例旨在提供用于理解权利要求书的本质和特性的概观或框架。
所包括的附图用于提供对本公开的进一步理解，且被结合到本说明书中并构成其一部分。附图示出各实施例并与说明书一起用来解释原理和操作。
附图简述
图1A是根据本公开的分布式布里渊感测系统的示例性实施例的示意图；
图1B是根据本公开的分布式布里渊感测系统的另一示例性实施例的示意图；
图2A和图2B是示出泵浦光源(图2A)和探测光源(图2B)的示例性实施例的示意图；
图3A是图1的系统的示例性接收机的示意图；
图3B是图1B中示出的系统配置的示例性探测光源和接收机部分的示意图；
图4A是感测光纤的输入/输出端的示意图，其示出泵浦光、探测光、反射的探测光的示例性配置以及经由泵浦光的SBS形成在感测光内的BDG；
图4B类似于图4A，并进一步示出一示例性配置，其中采用在感测光纤中沿相反方向行进的第一和第二泵浦光；
图5A是示出当泵浦光由具有比探测光的导模更低阶的导模支持时的感测过程中所涉及的相对频率的频谱；
图5B类似于图5A并示出牵涉到当泵浦光由具有比探测光的导模更高阶的导模支持时的感测过程的相对频率；
图6A是比较感测光纤的示意性折射率分布；以及
图6B示意地示出对于感测光纤的实施例的两个示例性折射率分布。
具体实施方式
现在详细参照本公开的实施例，在附图中示出了这些实施例的示例。在任何可能的时候，相同附图标记用来表示相同的组件或部件。在一些附图中通过参照示出了笛卡尔坐标。
在下面的描述和权利要求书中，对“第一导模”和“第二导模”的引用不一定分别指最低阶和一阶导模，而是更一般地旨在表示可用导模中不同的一个。
另外在下面的讨论中，下面的定义和命名以业内常用的方式使用。
折射率分布：折射率分布是相对折射率百分比(Δ％)与光纤的选定段上的光纤半径r(从光纤的中心线测得)的关系。
相对折射率百分比Δ(％)或Δ：术语Δ代表由下列方程定义的折射率的相对度量：Δ(％)＝100x(nm 2-nr 2)/2ni 2，其中nm是被表示为m的折射率分布段的最大折射率，而nr是基准折射率(例如包层)。该段中的每个点具有相对于基准折射率测得的相关联的相对折射率。
图1A是根据本公开的分布式布里渊感测系统(“系统”)10的示例性实施例的示意图；系统10包括：泵浦光源20，其产生波长λ1(频率ν1)的泵浦光22；以及探测光源30，其产生可调谐波长λ2(可调谐频率ν2)的探测光32。系统10也包括“少导模”感测光纤50，其支持至少第一和第二导模。在一个示例中，感测光纤50是非偏振保持的。感测光纤50具有输入/输出端52。泵浦光源20和探测光源30在输入/输出端52光耦合至感测光纤50。系统10也包括光耦合至输入/输出端52的接收机100。在一个例子中，接收机100包括数字信号处理器，其可操作地连接至平衡相干检测器，所述平衡相干检测器通过50：50光耦合器和平衡光检测器形成。下面更详细地描述示例性接收机100。
在一个例子中，到泵浦和探测光源20、30和接收机100的感测光纤输入/输出端52的光耦合是使用多模光纤F的不同的段和多模1x2 50：50光纤耦合器40来完成的。在一个实施例中，多模光纤F和多模耦合器40由与感测光纤相同的少模光纤制成以最小化插入损失。由此，在一个实施例中，泵浦光源20经由第一光纤区段F1光耦合至第一光耦合器40-1，而探测光源30和接收机100分别地经由光纤区段F2和F3光耦合至第二光耦合器40-2。第二光耦合器40-2经由第四光纤区段F4光耦合至第一光耦合器40-1。第一光纤光学耦合器40-1也光耦合至感测光纤输入/输出端52。
在一个例子中，泵浦光源20包括窄线宽激光器。图2A是示出泵浦光源20的示例性实施例的示意图，泵浦光源20包括利用适当配置的单模光纤60的光纤激光器24以及光纤放大器26。泵浦光源22的波长λ1可在500-1600nm的范围内。在各实施例中，泵浦光波长大于800nm，大于1000nm，大于1300nm，并且在1500nm至1600nm的波长范围内，在该范围内光纤损失一般处于最小值。在一个例子中，泵浦光源20包括可调谐滤波器27以滤除在泵浦波长带宽之外的自发发射。
图2A示出其中单模光纤60使用耦合部件70光耦合至多模光纤区段F1的例子。在一个例子中，耦合部件70是激励光纤F1中的基模的简单拼接件。在另一例子中，耦合部件70包含模式选择或“模式转换器”71，其被配置成在光纤区段F1中发射特定的模式。模式转换器71可包括例如相位板的基于自由空间的元件或例如长周期光纤光栅(比如倾斜的光纤布拉格光栅)的基于光纤的元件。
不同类型的激光器可用作泵浦光源20的泵浦激光器，其包括半导体激光器和光纤激光器，如图2A所示。在一个例子中，泵浦光源20包括CW源，即产生CW泵浦光22。在另一例子中，泵浦光源20产生脉冲式泵浦光22。如果使用脉冲式泵浦光源20，则在各实施例中脉宽大于10ns、大于100ns并大于1000ns。
在一个例子中，探测光源30包括激光器，例如窄线宽可调谐激光器34。图2B类似于图2A并示出探测光源30的一个示例性实施例，该探测光源30包括基于适当配置的单模光纤60的可调谐光纤激光器34，以及光纤放大器36。在一个例子中，探测光源30使用自由空间光连接例如经由光耦合光学系统80光耦合至多模光纤区段F2。这种配置允许选择感测光纤50的导模以用于支持探测光32。在另一例子中，基于长周期光栅(例如倾斜的光纤布拉格光栅)的光学模式转换器被用来将基模转换至选定的较高阶模。探测光32可被称为“输入探测光”以与反射的探测光32R作出区别。
图1B类似于图1A并示出系统10的另一示例性实施例。在图1B的系统10中，泵浦和探测光源20、30分别经由光纤区段F1、F2光耦合至光耦合器40。光耦合器40进而经由光纤区段F3光耦合至光循环器42的端口P1，光循环器42具有三个端口P1、P2和P3。光纤区段F4将端口P2光连接至感测光纤50的输入/输出端52。光纤区段F5将端口P3光连接至接收机100。系统10的这种配置允许泵浦光22和探测光32在光耦合器40被组合并随后经由循环器42经由光纤区段F3、F4被引向至感测光纤50。反射的探测光32R随后经由循环器42经由光纤区段F4、F5从感测光纤50的输入/输出端52被引向至接收机100。
再次参见图1A和图1B，并另见图3A，在一个示例性实施例中，接收机100包括多频率(多波长)光检测器单元102，其可操作地耦合至处理器单元(“处理器”)104。接收机100也包括存储器单元(“存储器”)106。在一个示例性实施例中，接收机100包括光谱分析仪。
图3B是系统10的示例性接收机部分和示例性探测光源部分的特写图。接收机100被图示为包括处理器104，该处理器104被配置为数字信号处理器，并也包括由50：50光耦合器40形成的平衡相干检测器112以及平衡光检测器110。光耦合器40光连接至单模光纤区段60，该单模光纤区段60包括可调谐滤波器27并光连接至光纤区段F6，该光纤区段F6光耦合至探测光源30内的可调谐激光器34。这种配置界定局部振荡器以产生用于平衡相干检测器112的基准光(即探测光32的一部分)。
通过示例示出探测光源30以包括光调制器36，光调制器36用来光调制来自CW可调谐激光器34的CW探测光32以在探测光经由模转换器71被耦合入光纤区段F2之前产生脉冲式探测光，所述模转换器71用来将选择地模引入到光纤区段F2中。
位于(多模)光纤区段F5和单模光纤区段60之间的模转换器71用来将转换器反射探测光32R从LP11导模转换成LP01导模，如果反射的探测光在感测光纤50内处于LP11导模的话。如果探测光在感测光纤50内已处于LP01导模下，这种模转换器是不需要的。窄带宽滤波器27用于仅使反射的探测光32R通过并滤除所有其它反射光。
在图1A所示的系统10的一般操作中，由泵浦光源20产生的泵浦光22行进经过第一光纤区段F1至第一光耦合器40-1并在输入/输出端52进入感测光纤50。泵浦光22随后仅在其中一个导模下行进进入感测光纤50。
现在再参见图4A，在该实施例中，当泵浦光22的功率达到激发布里渊散射(SBS)阈值时，布里渊动态光栅(BDG)54和斯托克司(SBS)波(未示出)被产生在感测光纤50中。SBS波的频率从泵浦光频率v1的频率向下变频。泵浦光和SBS波之间的频差被称为布里渊频移vB，它依赖于感测光纤50以及光导模和声导模的性质。
如果泵浦光22在感测光纤50中在导模i下传输并且受激声波在声导模m下传播，则布里渊频移被表示为：
并且相应的波长偏移为：
其中λ1是泵浦的光波长，ni是阶i的光导模的有效折射率，而Vm是m阶的声导模的有效声速。如果频率v2的短脉冲探测光32被传送通过导模j(即与泵浦光22的导模不同的导模)，则频率ν2-νB的信号由BDG 54反射，如果满足相位匹配条件的话，即如果探测和泵浦之间的频率变化为：
并且相应的波长偏移为：
其中Δnij＝ni-nj是光导(引导)模i和j之间的有效折射率的差。
图4B类似于图4A，并示意地示出另一实施例系统10，该实施例系统10利用第二泵浦光源20’，其在图1A中以虚线表示。在该实施例中，来自泵浦光源20的处于频率ν1(波长λ1)的窄线宽泵浦光22和来自泵浦光源20’的处于频率ν’1(波长λ’1)的窄线宽泵浦光22’在感测光纤50中被反向转播以产生BDG 54。泵浦光波长可以在500nm-1600nm的范围内。在各实施例中，波长大于800nm，大于1000nm，大于1300nm，并且在1500nm至1600nm的波长范围内，在该范围内光纤损失一般处于最小值。
当频差(ν1-ν'1)与布里渊频移νB匹配时，BDG 54被产生在感测光纤50内。如同在单泵浦光实施例中那样，布里渊频移νB依赖于感测光纤50的光纤性质以及光导模和声导模。如果泵浦光22和泵浦光22’被传输通过光导模i并且受激声波处于声导模m下，则布里渊频移νB和相应波长偏移是通过前面的方程1、1a给出。
如果频率ν2的探测光32被传送通过沿与泵浦光22相同方向传播的光导模j，则ν2-νB的信号由BDG 54反射，如果满足相位匹配条件的话，即如果探测光32和泵浦光22之间的频率变化满足方程2，或者探测光32和泵浦光22之间的波长变化满足方程2a。
在两实施例中，稳定BDG 54可通过窄带布里渊增益(也称窄带BDG)形成，它也可通过宽带、短脉冲探测光32在时域中沿感测光纤50定位和扫描，该短脉冲探测光32具有纳秒脉宽并由与泵浦光22不同的导模支持。
这里注意，如图1A和图1B中所示的系统10的实施例是示出了系统的一般工作原理的示例性实施例，并且取得与所示实施例相同功能的其它实施例可被配置。
由不同导模支持的泵浦光和探测光
本公开的一个实施例是泵浦光22在与探测光32不同的导模下行进。在一个例子中，泵浦光22由比探测光32更低阶的导模支持，并且该导模可被称为泵浦光导模。图5A是示出当泵浦光22由比探测光32的导模更低阶的导模支持时感测过程中牵涉到的相对频率的频谱。
在另一例子中，泵浦光22由比探测光32更高阶的导模支持。图5B类似于图5A并示出当泵浦光22由比探测光的导模更高阶的导模支持时感测过程中牵涉到的相对频率。
在一个例子中，泵浦光22由单导模支持，并且探测光32由除泵浦光导模以外的多个其它导模支持。
由于感测光纤50经历的热膨胀和热变形，BDG 54是温度和应变依赖的。由此，反射探测光32R的峰值频率随着温度和应变而改变，即：
vB(T)＝CTT+vB0 (3)
vB(ε)＝CεT+vB0 (4)
其中CT是以MHz/℃为单位的温度系数，T是以℃为单位的温度，νB0是基准布里渊频率，Cε是以MHz/με为单位的应变系数，而ε是应变。对于
因此，沿感测光纤50的不同位置上的温度和应变可使用BDG 54通过确定探测光32和反射探测光32R之间的频差来评估。由于BDG 54的窄谱带宽，可取得高分辨率感测。同时，由于探测光32可具有相对短的脉宽，因此高空间分辨率被获得。
应变和温度的同时测量
如前所述，由于感测光纤50经历的热膨胀和变形，BDG 54是温度和应变依赖的。由此，反射的探测光32R的峰值频率变化(或布里渊频移的变化)随着温度变化(δT)改变，并且应变变化(δε)也可通过下式描述：
其中Kν T是温度系数，T是以℃为单位的温度，Kv ε是应变系数，而ε是应变。
由于少模光纤(FMF)的两个光纤模式之间的有效折射率差可随着应变和温度而改变，则泵浦和探测之间的波长差也是相对于应变和温度的。泵浦和探测之间的波长差随应变变化(δε)和温度变化(δT)的改变(Δλ＝λ1-λ2)(它在这里也被称为泵浦和探测光之间的波长间隔)可被表示为：
其中Kλ ε和Kλ Τ是对于泵浦和探测之间的波长差的应变和温度系数。通过求解方程(3A)和(4A)，应变变化和温度变化通过下式给出：
如果则对于矩阵方程(4B)而言存在解。由此，可取得同时的分布的应变和温度测量值。
因此，沿感测光纤50的不同位置上的温度和应变可通过确定探测光32和反射探测光32R之间的频差或测量探测和泵浦之间的波长间隔来评估。沿感测光纤50的不同位置上的同时温度和应变测量值可同时使用BDG 54通过确定探测光32和反射探测光32R之间的频差或测量探测和泵浦之间的波长间隔来评估。由于BDG 54的窄谱带宽，可取得高分辨率感测。同时，由于探测光32可具有相对短的脉宽，因此高空间分辨率被获得。
空间分辨率
从感测光纤50的输入/输出端52至探测光32被反射的位置的距离Z通过下式给出：
其中t是发射探测光32和接收反射的探测光32R之间的时间，ng是其中发射探测光32的感测光纤50的导模的群折射率，而c是真空中的光速。
空间分辨率ΔZ是通过探测光脉宽τ确定的：
τ＝100ns的探测光脉宽对应于ΔZ＝10m的空间分辨率。为了得到小于1m的空间分辨率，探测光脉宽τ应当小于10ns。在各实施例中，探测光脉宽τ小于5ns并小于1ns。在各实施例中，探测光脉宽在0.1ns至5ns之间并且在0.1ns至1ns之间。
在采用反向传播泵浦光22、22’的第二实施例中，这两个泵浦光束包括短泵浦光脉冲，其被选择以在两个短的反向传播的泵浦脉冲在时域上重叠的位置产生具有宽带布里渊增益的稳定BDG 54(即宽带BDG 54)。
这个位置离感测光纤50的输入/输出端52的距离为：
其中Δt是发射泵浦光脉冲22、22’之间的时延。空间分辨率是通过较长泵浦脉冲的脉宽τs确定的：
具有窄谱带宽的探测光32可用来确定不同位置处的温度和应变。
反射探测光32的测得谱是探测光谱和BDG反射谱的卷积。这允许窄线宽探测光32被用于获得测得的谱反射探测光32R的窄谱宽，这允许温度或应变的相对高程度的测量灵敏度。因此，可使用本文披露的系统和方法同时获得高空间分辨率ΔZ和高程度的测量灵敏度。
在实践中，空间分辨率ΔZ是感测距离Z(即离感测光纤50的输入/输出端52的距离)的函数。下面的表1列出可使用本文描述的系统和方法获得的示例性感测距离Z连同相应的空间分辨率ΔZ。
探测功率和反射的探测功率的演化
泵浦光22和反射探测光32R的光功率的演化可通过求解非线性麦克斯韦方程来获得。结果示出功率变化通过因数F关联于感测光纤50的设计系数。因数F关联于泵浦光、探测光和声波之间的相互作用效率，并被定义为：
其中和是重叠积分(分别是具有声场的泵浦光和具有声场的探测光)，其通过下式定义：
和是用于泵浦和探测的相应的光有效面积。
在前面的方程中，E0和ES分别为泵浦光22和探测光32的电场，ρu是由泵浦光产生的声场，而标记*代表场的复共轭。因数F示出光纤设计如何影响探测光32和反射的探测光32R的功率传播，并可用来针对特定感测应用优化感测光纤50的设计。一般来说，较小的F值意味着BDG 54、泵浦光22和探测光32之间更有效的相互作用。
为了改善F因数，人们可减少泵和探测的有效面积，或增加重叠积分。然而，申请人发现，如果探测的有效面积过小，则自相位调制的非线性效果变得重要，这可能限制可使用的探测功率的量。申请人发现，可(并期望)具有较大的探测有效面积，同时增加LP01和声基模L01之间的重叠积分。申请人又发现令人惊讶的是，当LP11光学模式和声基模L01之间的重叠增加(例如增加至0.5或更高)时，BOTDR应用的光纤性能大为提高。由此，感测光纤50的纤芯优选地被设计成提高LP11模和声基模之间的重叠。例如，具有少模“环形”纤芯外形(少模纤芯的外部具有比内纤芯部分更大的折射率)的传感器光纤50的一个实施例的表现比具有带阶梯形折射率的少模纤芯的光纤(例如图6A所示的那个)好很多。优选地，感测光纤50的F因数为100至350μm2，例如150μm2≤F≤350μm2。
更具体地，具有图6A所示的简单阶梯折射率纤芯外形的少模光纤在光基模LP01和声基模之间具有大的重叠。然而，LP11光学模式和声基模(L01)之间的层叠限于大约0.4。令人惊讶的是，(在LP11光导模和声导基模之间)具有0.45和更高的重叠积分的少模光纤的表现比在LP11光(探测)模和声基模之间具有较低重叠的光纤好得多。例如，我们已发现，在LP11光学模式和L01声学模式之间的重叠积分为0.5的感测光纤50的表现比具有阶梯折射率设计的类似纤芯好上大约20％-30％，并且LP11探测模和L01声学模式之间的0.6或更大的重叠积分提供优于阶梯折射率分布多模(MM)光纤设计达50％或更多的改善。在LP11光学模式和L01声学模式之间的这类高重叠积分导致较高的DBG效率，并因此导致更好的BOTDR系统性能。
感测光纤的示例性设计
在一个例子中，通过增加较高阶导模的截止波长，感测光纤50被配置成支持两个或更多个导模。在这些实施例中，感测光纤50被构造成使LP11模式和L01声学模式之间的重叠积分达到最大。例如，在具有图6B所示的折射率分布的光纤50内，LP11模式和L01声学模式之间的重叠积分大于0.5，并优选地大于0.6，这导致高的DBG效率。优选地，在这些实施例中，LP01模和LP11模两者的有效面积在1550nm下大于120μm2。另外，在下面的实施例中，感测光纤50的光基模LP01和声基模(LP01)之间的重叠积分至少为0.7，优选为0.75或更大，并且最优选为0.8或更大。申请人发现，取得光泵浦、探测和声学模式之间大的重叠积分是有利的，因为这提高了BOTDR效率。另外，在1550nm下的基模(LP01)和LP11模的大有效面积Aeff有助于减少不期望的非线性效果。
图6B是感测光纤50的示例性折射率分布的示意图。感测光纤50包括纤芯56和包层58。纤芯56是分段的纤芯并包括至少两个段56A、56B。更具体地，在图6B所示的实施例中，内纤芯段56A具有最大折射率变化量Δ1和外径r1，而外纤芯段56B具有最大折射率变化量Δ2和外径r2，并且Δ1<Δ2。优选地，Δ1在0-0.4％之间，更优选地在0-0.3％之间，相对于包层58而言。外纤芯段56B的相对折射率变化量(Δ2)相对于包层58在大约0.2-1％之间(例如0.2％≤Δ2≤0.6％)，更优选地在0.3-0.5％之间(即0.3％≤Δ2≤0.5％)。纤芯外径r2优选地在4-20μm之间，更优选地在5-10μm之间，更优选地为6-9μm，且甚优选地为6.5-8.7μm，而纤芯内径r1例如在0.3-6μm之间，例如0.3-3μm。优选地，在感测光纤50中，纤芯的两部分之间的折射率变化量之间的差为Δ2-Δ1>0.05％，例如0.05％≤Δ2-Δ1≤1.0％。在下面的示例性实施例中Δ2-Δ1>0.15％，例如0.15％≤Δ2-Δ1≤0.55％。优选地，3μm≥r2-r1≥9μm。
纤芯56可以是Ge掺杂的。期望数量的光导模可由纤芯56支持，该纤芯56具有对纤芯的Δ1、Δ2和纤芯的半径r1和r2适当选择的值。下面的表2示出八个设计例子。在这些实施例中，光基模和L01声学模式之间的重叠大于0.7，而LP11光学模式和L01声学模式之间的重叠大于0.5。(在这些示例性实施例中，LP11光学模式对应于探测光，而LP01光学模式对应于泵浦光。然而，LP01光学模式可用来传播探测光，而LP11光学模式传播泵浦光。LP01和LP11光学模式两者的有效面积优选地大于120μm2。表2的感测光纤50的F因数在150和300μm2之间。在表2的光纤50实施例中，0.15％≤Δ2-Δ1≤0.55％且3.5μm≥r2-r1≥8.5μm。
更具体地，下面的表2给出了感测光纤50的总共八个示例性设计。中心纤芯Δ在0.0％-0.3％的范围内，而外纤芯变化量在0.33％和0.51％之间。在这些实施例中，纤芯外径(r2)在7.5-8.5微米之间。例1和例2具有三个导模，而例2-8具有两个导模LP01和LP11。光导基模LP01和声导基模L01之间的重叠在0.74和0.96之间，并且LP11光导模和声导基模L01之间的重叠对于表2中的所有例子为大约0.5和0.65。在这些例子中，LP01光导模被用来引导泵浦光22，并且探测光32由LP11光导模引导(但也可由LP02和/或LP21光导模来引导。(替代地，LP01光导模可被用来引导探测光，并且泵浦光可由LP11引导(但也可由LP02和/或LP21导模来引导))。如果较高阶导模的组合被用来运载探测光32，则反射探测光32R将具有在不同波长下的多个峰。
表2.八个光纤设计例子的参数
尽管在这里已参照其实施例和特定例解说和描述了本公开，然而本领域内技术人员容易理解，其它实施例和例子可执行相同的功能和/或取得相同的结果。所有这些等效的实施例和例子落在本公开的精神和范围内，并旨在由所附权利要求书覆盖。对本领域的技术人员又显而易见的是，可在不背离本公开的精神和范围的情况下对本公开作出各种修改和变化。由此，本公开旨在涵盖本公开的所有这些修改和变型，只要它们落在所附权利要求书及其等价技术方案的范围中即可。
Claims (17)
1.一种感测光纤，包括：
少模多段纤芯，所述纤芯包括由另一纤芯段围住的一个纤芯段，以及围住所述纤芯的至少一个包层；所述纤芯具有F因数(μm2)，150μm2≤F≤350μm2，并且被构造成提供(i)在光导基模和声导基模之间的大于0.7的重叠积分以及(ii)在LP11光导模和声导基模之间的至少0.45的重叠积分。
2.一种感测光纤，包括：
少模多段纤芯，所述纤芯包括由另一纤芯段围住的第一纤芯段，以及围住所述纤芯的至少一个包层；其中所述第一纤芯段的最大折射率变化量Δ1低于所述另一纤芯段的最大折射率变化量Δ2，所述纤芯具有4μm≤r≤20μm的纤芯半径以及100μm2至350μm2的F因数(μm2)，并且被构造成提供(i)在光导基模和声导基模之间的大于0.7的重叠积分以及(ii)在LP11光导模和声导基模之间的至少0.45的重叠积分。
3.如权利要求2所述的感测光纤，其特征在于，在所述LP11光导模和声导基模之间的重叠积分为至少0.5。
4.如权利要求3所述的感测光纤，其特征在于，在所述LP11光导模和声导基模之间的重叠积分为至少0.6。
5.如权利要求3所述的感测光纤，其特征在于，对于光导基模在1550nm下的有效面积Aeff≥100μm2。
6.如权利要求5所述的感测光纤，其特征在于，对于光导基模在1550nm下的有效面积Aeff≥150μm2。
7.如权利要求2所述的光纤，其特征在于，所述纤芯半径为4μm至10μm，并且所述纤芯段的折射率变化量之间的差为0.05％≤Δ2-Δ1≤1％。
8.如权利要求2所述的光纤，其特征在于，所述第一纤芯段具有最大折射率变化量Δ1而所述另一纤芯段具有最大折射率变化量Δ2，以使(i)Δ1＜Δ2；(ii)相对于包层，Δ1在0-0.4％之间；以及(iii)Δ2在0.2％-1％之间。
9.如权利要求7所述的光纤，其特征在于，所述第一纤芯段具有最大折射率变化量Δ1而所述另一纤芯段具有最大折射率变化量Δ2，以使(i)Δ1＜Δ2；(ii)相对于包层，Δ1在0-0.4％之间；以及(iii)Δ2在0.2％-0.6％之间。
10.如权利要求7所述的光纤，其特征在于，所述纤芯段的折射率变化量之间的差为0.15％≤Δ2-Δ1≤0.55％。
11.一种分布式布里渊光纤感测系统，包括：
权利要求1的感测光纤；
泵浦光源，其被配置成将泵浦光引入到导模中的一个中以定义泵浦光导模，所述泵浦光形成布里渊动态光栅(BDG)；以及
探测光源，其被配置成将输入探测光引入到除了所述泵浦光导模以外的一个或多个导模中，以形成从布里渊动态光栅(BDG)反射的探测光，其中所反射的和输入的探测光通过布里渊波长偏移而发生频移。
12.一种分布式布里渊光纤感测系统，包括：
权利要求2、7或8的感测光纤；
泵浦光源，其被配置成将泵浦光引入到导模中的一个中以定义泵浦光导模，所述泵浦光形成布里渊动态光栅(BDG)；以及
探测光源，其被配置成将输入探测光引入到除了所述泵浦光导模以外的一个或多个导模中，以形成从布里渊动态光栅(BDG)反射的探测光，其中所反射的和输入的探测光通过布里渊波长偏移而发生频移。
13.如权利要求12所述的光纤感测系统，其特征在于，还包括接收机，其被配置成根据沿所述感测光纤的距离来确定所述感测光纤中的温度和应变中的至少一个。
14.一种分布式布里渊光纤感测系统，包括：
权利要求9的感测光纤；
泵浦光源，其被配置成将泵浦光引入到导模中的一个中以定义泵浦光导模，所述泵浦光形成布里渊动态光栅(BDG)；以及
探测光源，其被配置成将输入探测光引入到除了所述泵浦光导模以外的一个或多个导模中，以形成从布里渊动态光栅(BDG)反射的探测光，其中所反射的和输入的探测光通过布里渊波长偏移而发生频移；以及
接收机，其光耦合至所述感测光纤并被配置成检测所反射的探测光以确定所述输入探测光的布里渊频移和反射位置。
15.一种分布式布里渊光纤感测系统，包括：
感测光纤，其被配置成支持至少第一和第二导模，所述感测光纤具有纤芯，所述纤芯被构造成提供(i)在光导基模和声导基模之间的大于0.7的重叠积分以及(ii)在LP11光导模和声导基模之间的至少0.45的重叠积分；
第一泵浦光源，其光耦合至所述感测光纤并被配置成产生第一泵浦光，所述第一泵浦光以第一导模在所述感测光纤中行进并形成布里渊动态光栅(BDG)，所述布里渊动态光栅(BDG)包含所述感测光纤的局部布里渊频率的信息；
探测光源，其光耦合至所述感测光纤并被配置成产生以所述第二导模在所述感测光纤内行进的脉冲式探测光，所述脉冲式探测光具有选择的波长以使所述脉冲式探测光的至少一部分从所述布里渊动态光栅反射并包括关于局部布里渊频率和探测光反射位置的信息；以及
接收机，其光耦合至所述感测光纤并被配置成接收所反射的探测光并确定局部布里渊频率、反射位置以及沿所述感测光纤的至少一个条件，其中所述至少一个条件包括与离所述感测光纤的输入/输出端的距离有关的温度和应变中的至少一个。
16.如权利要求15所述的光纤感测系统，其特征在于，还包括作为所述感测光纤的基导模的第一导模以及作为所述感测光纤的较高阶导模的第二导模。
17.如权利要求15所述的光纤感测系统，其特征在于，还包括所述光纤感测系统感测具有空间分辨率ΔZ的至少一个条件，所述ΔZ在范围1cm≤ΔZ<1m内。
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