CN109085676B - 一种具有相近强度多峰布里渊增益谱的渐变折射率光纤 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种具有相近强度多峰布里渊增益谱的渐变折射率光纤，该渐变光纤的折射率分布为：纤轴处的折射率最高，沿径向则随半径的增大而减小，在包层与纤芯的分界面处最低。对于1550nm的入射光，光纤纤轴处的折射率n1＝1.4742，包层的折射率n2＝1.4447，纤芯半径为a＝1.3μm。在纤芯内部，折射率服从平方律曲线分布。当入射光波长为1550nm时，该渐变折射率光纤的布里渊增益谱中出现峰值功率相差为3dB左右的三个峰。本发明可有效用于基于布里渊散射拍频谱探测的分布式光纤传感系统中，实现温度和应变的高精度快速分布式测量。
Description
技术领域
本发明涉及基于布里渊散射的分布式光纤传感领域，具体涉及一种具有相近强度多峰布里渊增益谱的渐变折射率光纤。
背景技术
当光纤中发生布里渊散射时，后向的散射光会产生相对于入射光的频率下移，我们称之为斯托克斯光。而斯托克斯光的频移和强度则蕴含了周围环境的温度和应变的物理信息。基于此原理，我们可以利用光纤来进行分布式传感，实现温度与应变的连续分布式测量。该项技术可作为建筑、能源、交通和国防等诸多重要领域中的故障诊断和健康监测手段。该技术的一个重要缺陷，是在应用时为了获得布里渊增益谱需要对散射光进行扫频，这将消耗较长的时间，限制了传感系统的监测速度，很难应用于需要快速预警或快速故障诊断的场合。
2013年，Y.Lu等人提出了一种基于布里渊拍频谱探测的零差布里渊光时域反射(Brillouin optical time-domain reflectometry,BOTDR)分布式光纤传感技术，仅通过测量拍频谱的功率即成功实现了对光纤上温度和应变的快速分布式测量(参考文献1,Y.Lu,Z.Qin,P.Lu,D.Zhou,L.Chen,and X.Bao.Distributed strain and temperaturemeasurement by Brillouin beat spectrum[J].IEEE Photon.Technol.Lett.,2013,25(11):1050-1053)。这种检测方法需要布里渊增益谱中具有至少三个峰，并且强度相近，这样互拍而形成的布里渊拍频谱才可能有较强的信号，信噪比更强，得到的测量结果才更准确可靠。参考文献1中所使用的光纤为康宁公司的大有效面积光纤，实测其布里渊增益谱中三个峰的归一化强度分别为0，-15，-19dB。因为三个峰的峰值功率相差较大，导致测得的拍频谱信号也相应较弱，限制了测量精度。因此，设计出具有多峰且强度相近的布里渊增益谱的光纤可以提高基于布里渊拍频谱探测的光纤传感的测量精度。此外，这种新型光纤的制造也应当具有方便可行的优势，如结构简单、制造成本低和适宜批量生产等。
2017年，路元刚等提出了一种新型光子晶体光纤结构(参考文献2，路元刚、于若玮、赖奕、汤一乇、赵赟钦、王吉明、刘友文，一种具有相近强度多峰布里渊散射谱的光子晶体光纤，专利申请号：201710229057.2)。根据理论计算，这种光纤的布里渊增益谱中的四个峰的峰值功率相差都在2dB以内。但是由于光子晶体光纤的制作工艺复杂，成本较高，并且损耗比较大，很难应用于需要长距离传感的监测系统。另外，2004年，Y.Koyamada等人(参考文献3，Y.Koyamada,S.Sato,S.Nakamura,H.Sotobayashi and W.Chujo.Simulating anddesigning Brillouin gain spectrum in single-mode fibers[J].J.Lightw.Technol,2004,22(2):631-639.)提出了一种纤芯掺锗的传统实芯光纤，其布里渊增益谱三个峰的归一化强度分别为0，-5和-4dB。这是目前报道的峰值强度最接近的光纤，但是由于纤芯掺锗含量较多，导致光纤的散射损耗较大，其损耗大约是0.6～0.7dB/km。而一般用于较长距离通信或传感的光纤损耗需要小于0.5dB/km。因此，发明一种制造方便、损耗低的强度相近的多峰布里渊增益谱光纤，对基于布里渊拍频谱探测的分布式光纤传感系统具有重要意义。
发明内容
本发明的目的是提供一种低损耗的、具有相近强度多峰布里渊增益谱的实芯光纤，可用于基于布里渊拍频谱探测的分布式光纤传感系统中，实现温度和应变的高精度快速分布式测量。
为实现上述目的，本发明提供的技术方案是：
一种具有相近强度多峰布里渊增益谱的渐变折射率光纤，纤芯半径为1.3μm，从纤轴到纤芯与包层的交界处，折射率按平方率分布曲线随半径逐渐衰减至包层折射率；纤芯部分的材料为掺杂二氧化锗的石英，并随着半径增大降低掺杂浓度，以形成平方率分布的折射率曲线；布里渊增益谱中三个峰的归一化强度分别为0、-3.3和-2.7dB，即第2峰比第1峰的峰值强度低3.3dB,第3峰比第1峰的峰值强度低2.7dB。
在这种参数设置情况下，光纤的散射损耗为0.5dB/km。
在1550nm的入射光情况下，纤轴处的折射率为1.4742，声速为4997m/s；包层的材料为纯石英玻璃，折射率为1.4447,声速为5944m/s，密度为2203kg/m3。
进一步的，这里的渐变折射率分布如公式(1)所示：n1＝1.4742为纤轴处的折射率，n2＝1.4447为包层的折射率，a＝1.3μm为纤芯半径，g为折射率分布参数，当g＝2时代表平方律折射率分布光纤；
其光学模式为单模，其模场能量分布于纤芯，呈高斯型分布。
与光学模式共同决定布里渊增益谱特征的声学模场，由于实芯光纤各向同性的特点，其声模式是圆对称分布的，每个声模式单独与光学基模的光模式相互作用而形成布里渊增益谱中的一个峰。
光纤的三个声模式分布中，声模式1的分布情况与光学基模的分布情况相似，均呈高斯型分布，所以声模式1与光模式的相互作用最强，所对应产生的布里渊增益谱第一个峰也最高；声模式2和3的分布也都是圆对称的，与声模式1不同的是，在随着半径变化时，出现了正负交替变化的情况，所以对应的声光作用强度低于声模式1，从而导致布里渊增益谱第二和第三个峰比主峰低的结果。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明设计了一种具有相近强度的多峰布里渊增益谱的渐变折射率分布光纤，当纤轴折射率n1＝1.4742，包层折射率n2＝1.4447，纤芯半径a＝1.3μm，g＝2为平方律折射率分布时，在入射光波长为1550nm的情况下，该渐变折射率光纤的布里渊增益谱中出现了强度相差为3dB左右的三个峰，可获得信噪比较高的布里渊拍频谱，可以利用在基于布里渊拍频谱探测的分布式光纤传感系统中。
与复杂折射率光纤和光子晶体光纤相比，其结构更为简单，制造成本大大降低，适宜批量生产，更具实际应用价值。与参考文献1中的大有效面积光纤相比，布里渊增益谱中的峰值强度差异更小，对应的布里渊增益更高。在传感中将获得更高的信噪比，有效提升基于布里渊拍频谱探测的分布式光纤传感精度和效率。
附图说明
图1为本发明光纤的折射率分布示意图。
图2为本发明光纤的光学基模的模场分布图，左侧为俯视图，右侧为对应的三维分布图。
图3为本发明光纤的声学模式模场分布图，3(a)、3(b)和3(c)分别为第1、第2和第3个声学模式的俯视图和三维分布图。
图4为本发明光纤的归一化布里渊增益谱。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明作进一步说明。
如图1所示，一种强度相近的多峰布里渊增益谱渐变折射率光纤，其纤轴处的折射率最高，在1550nm的波长下，纤轴折射率n1＝1.4742，随着半径的增大折射率在减小，直至纤芯半径a＝1.3μm，在包层与纤芯分界面处达到最低，包层折射率n2＝1.4447。这里的折射率变化服从平方律曲线分布，具体如公式(1)所示。
包层材料为纯石英玻璃，声速为5944m/s，纤芯采用纯石英掺杂二氧化锗的方法来调控增高折射率，在纤芯处掺杂浓度最高，掺杂浓度随半径增加而减小。掺杂浓度与折射率的变化关系由公式(2)给出，掺杂浓度与声速的变化关系由公式(3)给出。
其中，
为掺杂浓度[wt％]，VL为纵向声速[m/s]。
本发明采用有限元分析法，计算得到了在该光纤参数下的光场和声场分布，再根据布里渊散射的相关理论，得到了传感所需的布里渊增益谱。
如图2所示，可以看出本发明的光学模场分布特性。在该渐变折射率单模光纤中，光波的能量被集中在纤芯内传播，同时声波的能量也被集中在纤芯分布。光场和声场之间的相互作用而形成布里渊增益谱中的峰。图3给出了本发明的声模式分布情况，3(a)、3(b)、3(c)分别对应了声模式1、2、3的声场分布，它们都是圆对称分布且能量集中在纤芯的，同时也对应着布里渊增益谱中的第1、第2和第3峰。
如图4所示，可以看出本发明的布里渊增益谱特性。图4中出现了三个频移相差较大，形状很明显的峰。它们的强度也很接近，具体表现为第1峰的峰值最高，第2峰比第1峰的峰值强度低3.3dB，第3峰比第1峰的峰值强度低2.7dB，这样对于形成的布里渊拍频谱峰值功率大，信噪比高，用于基于布里渊拍频谱探测的光纤传感系统可以获得更精确的测量结果。
所述的第一个声学模式(声模式1)也呈高斯型分布，能量分布集中在纤芯，与光场的作用效果最强。在声学模式里声场分布对应的物理量是位移，所以在声模式2中出现的中心为负值的情况并不代表能量为负，其能量也是集中在纤芯的，只不过中心的位移场为负值，随着半径的变化逐渐变成正值，最终归零。第三个声模式(声模式3)中心为正值，随着半径的变化，位移场经过正值、负值、正值这样的变化周期，最终归零。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明作任何形式上的限制，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围内，依据本发明的技术实质，对以上实施例所作的任何简单的修改、等同替换与改进等，均仍属于本发明技术方案的保护范围之内。
Claims (1)
1.一种具有相近强度多峰布里渊增益谱的渐变折射率光纤，其特征在于：其光学模式为单模，其模场能量分布于纤芯，呈高斯型分布；与光学模式共同决定布里渊增益谱特征的声学模场，由于实芯光纤各向同性的特点，其声模式是圆对称分布的，每个声模式单独与光学基模的光模式相互作用而形成布里渊增益谱中的一个峰；光纤的三个声模式分布中，声模式1的分布情况与光学基模的分布情况相似，均呈高斯型分布，所以声模式1与光模式的相互作用最强，所对应产生的布里渊增益谱第一个峰也最高；声模式2和3的分布也都是圆对称的，与声模式1不同的是，在随着半径变化时，出现了正负交替变化的情况，所以对应的声光作用强度低于声模式1，从而导致布里渊增益谱第二和第三个峰比主峰低的结果；
从纤轴到纤芯与包层的交界处，折射率按平方率分布曲线随半径逐渐衰减至包层折射率；纤芯部分的材料为掺杂二氧化锗的石英，并随着半径增大降低掺杂浓度，以形成平方率分布的折射率曲线；渐变折射率分布如公式(1)所示：n1=1.4742为纤轴处的折射率，n2=1.4447为包层的折射率，a=1.3μm为纤芯半径，g为折射率分布参数，当g=2时代表平方律折射率分布光纤；
在1550nm的入射光情况下，布里渊增益谱中三个峰的归一化强度分别为 0、-3.3、-2.7dB，即第2峰比第1峰的峰值强度低3.3 dB, 第3峰比第1峰的峰值强度低2.7dB；光纤的散射损耗为0.5dB/km。
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Legal Events
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| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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