CN109959987B - 用于同时测量温度和应变的光纤 - Google Patents
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Abstract
本公开涉及用于同时测量温度和应变的光纤。本文公开了一种光纤，该光纤在光纤的纤芯中包括多个掺杂剂浓度分布；其中第一掺杂剂浓度和第二掺杂剂浓度各自以逐步方式变化，并且其中第一掺杂剂浓度与第二掺杂剂浓度的比率能够操作以导致给定波长处的基本光学模式与多种声学模式的相互作用，从而在布里渊散射光谱中将二级峰、三级峰或四级峰的布里渊散射强度比相对于初级峰的布里渊散射强度的比率增加到大于0.4。
Description
相关申请的交叉引用
本申请是要求于2017年12月14日提交的美国临时申请No.62/598,515的权益的非临时申请，该临时申请通过引用整体并入本文。
技术领域
本文公开了可以用于测量温度和应变的光纤。更具体而言，本文公开了可以用于独立测量温度和应变的光纤。
背景技术
光纤中的布里渊(Brillouin)散射用于分布式应变和温度测量，因为(在光纤中)后向散射布里渊斯托克斯(Brillouin Stokes)的频率偏移取决于在操作期间施加到光纤的温度和应变两者。为了独立地测量温度或应变，布里渊散射峰的整体频率偏移需要被解耦成温度引起的偏移和应变引起的偏移。
为了区分温度和应变引起的偏移的影响，已经提出并应用了几种方法：1)使用其中两根光纤被部署成其中一根光纤与应变隔离的传感器系统；2)使用至少两根光纤或双纤芯光纤的传感器系统，其中每根光纤或每个纤芯具有不同的温度和应变偏移系数；3)使用少模(few-mode)光纤；或者4)具有带不同温度和应变偏移系数的多个布里渊散射峰的色散偏移光纤。
所有这些区分温度和应变引起的偏移的方法都存在缺陷。
发明内容
本文公开了一种光纤，在光纤的纤芯中包括多个掺杂剂浓度分布；其中该多个掺杂剂浓度分布包括第一掺杂剂浓度分布和第二掺杂剂浓度分布；其中第一掺杂剂浓度分布从第一掺杂剂获得，该第一掺杂剂使纤芯的折射率增加到其基础折射率以上，并且第二掺杂剂浓度分布从第二掺杂剂获得，该第二掺杂剂使纤芯的折射率减小到其基础折射率以下；其中第一掺杂剂浓度和第二掺杂剂浓度各自以逐步(stepwise)方式变化，并且其中第一掺杂剂浓度与第二掺杂剂浓度的比率能够操作以导致给定波长处的基本光学模式与多种声学模式的相互作用，从而在布里渊散射光谱中将二级峰、三级峰或四级峰的布里渊散射强度比相对于初级峰的布里渊散射强度的比率增加到大于0.4。
本文还公开了一种方法，包括用第一掺杂剂和第二掺杂剂涂覆玻璃管的内表面；使玻璃管塌陷(collapse)，以形成固体预制件；拉制固体预制件，以形成光纤；其中，在光纤中，第一掺杂剂浓度和第二掺杂剂浓度各自以逐步方式变化，并且其中第一掺杂剂浓度与第二掺杂剂浓度的比率能够操作以导致给定波长处的基本光学模式与多种声学模式的相互作用，从而在布里渊散射光谱中将二级峰、三级峰或四级峰的布里渊散射强度比相对于初级峰的布里渊散射强度的比率增加到大于0.4。
附图说明
图1是布里渊增益谱相对于光纤的频率偏移的图。虽然峰之间的频率间隔足够大，但二级布里渊散射峰和三级布里渊散射峰的强度太弱而无法进行准确的测量；
图2A反映了所公开的光纤的掺杂剂浓度分布；
图2B是描绘具有图2A的掺杂剂浓度分布的光纤的模拟布里渊散射光谱的图；
图3反映了所公开的光纤的另一种掺杂剂浓度分布；
图4描绘了对于具有图2A的掺杂剂浓度分布的光纤，位于大于10.8GHz的频率的强峰，其强度为在10.48GHz处的初级峰的强度的约98％；以及
图5是描绘实验光纤的三个峰的作为温度的函数的测量频率偏移的图。
具体实施方式
本文公开了能够同时用作温度传感器和应变传感器的单根单模或少模光纤。光纤具有允许初级、二级、三级等布里渊散射峰之间的频率有显著差异的阶梯(step)折射率分布。通过使掺杂剂在光纤中的浓度分布以阶梯状(step-like)方式急剧改变来获得阶梯折射率分布。此外，初级、二级和三级布里渊散射峰的强度足够高，以允许准确的测量。峰之间的足够大的频率差异以及二级峰和三级峰的高强度允许单模或少模光纤同时用作各种操作中的温度传感器和应变传感器。
图1是目前市售光纤的布里渊增益谱相对于布里渊频率偏移的图。图1描绘了光纤的布里渊散射光谱。虽然峰之间的频率间隔足够大，但是二级布里渊散射峰和三级布里渊散射峰的强度太弱而无法进行准确的测量。由于温度测量和应变测量的不确定性太大，因此这使得光纤不能操作为同时测量温度和应变的温度和应变传感器。
通过使用具有源自多个掺杂剂的浓度的阶梯状变化的阶梯折射率分布(在本文中被称为阶梯折射率分布)的单模或少模光纤来克服该缺陷。通过使用包含具有不同玻璃成分的部分的复合纤芯来实现阶梯折射率分布。在实施例中，通过使用掺杂剂以阶梯函数方式改变纤芯的成分来实现阶梯折射率。在另一个实施例中，为了获得阶梯折射率分布，纤芯中的掺杂剂成分分布将是促进折射率分布中的阶梯的阶梯函数。
在具有阶梯折射率浓度分布的少模光纤或单模光纤中，布里渊散射峰由(在给定波长处)基本光学模式与若干种声学模式的相互作用产生。波长可以在400纳米至2100纳米之间变化，优选地为600纳米至1800纳米，并且更优选地为1300纳米至1600纳米。(针对由于基本光学模式与若干种声学模式的相互作用而引起布里渊散射峰)优选的波长是1550纳米。
在具有复合折射率分布的单模光纤中，纤芯的不同玻璃成分可以改变声学模式的分布，从而增强在不同频率处多个布里渊散射峰的形成。(布里渊散射峰的)相对峰强度是基本光学模式和声学模式之间的重叠的函数。
对于用于可靠地同时测量温度和应变的这种单模光纤，两个选定峰(一个用于温度，一个用于应变)之间的间隔需要足够大，诸如图1中所示的主峰和它旁边的峰之间的频率上的间隔。此外，它们的峰强度需要在幅度上相当，以确保温度和应变的可靠测量。如上所述，能够通过增加基本光学模式与更高声学模式的重叠来实现初级散射峰与其它峰(二级峰、三级峰、四级峰等)之一的散射强度之间的可比较的峰强度。
使用具有合适掺杂剂分布的单根光纤是有利的，因为它提供了用于使用单根单模或少模光纤作为温度传感器和应变传感器的简单且有效的方法。为了实现低的测量不确定性，布里渊频率中两个峰的间隔需要足够大。此外，峰的频率偏移的温度或应变系数显著不同并且任何两个峰的峰强度需要是可比较的。
在实施例中，任何两个布里渊峰之间的频率差大于0.2千兆赫(GHz)，优选地为0.3GHz至2GHz，并且优选地为0.35GHz至1GHz。大于2GHz的频率差对于感测也是可接受的。
其它散射峰(二级峰、三级峰、四级峰等)之一的强度与初级散射峰的强度之间的峰强度的比率应大于0.4，优选地大于0.5，优选地大于0.75，优选地大于0.8，并且更优选地大于0.9。在实施例中，其它散射峰(二级峰、三级峰、四级峰等)之一的强度与初级散射峰的强度之间的峰强度的比率优选地为0.95到1.0。
在实施例中，单模或少模纤芯掺杂有两种或更多种掺杂剂。每种掺杂剂包括不同的掺杂元素。在实施例中，纤芯掺杂有多种掺杂剂。掺杂剂之一(产生第一掺杂剂浓度分布的第一掺杂剂)使纤芯的折射率增加到其基础折射率以上，而另一种掺杂剂(产生第二掺杂剂浓度分布的第二掺杂剂)使纤芯的折射率减小到其基础折射率以下。相对于纤芯的折射率来增加折射率的掺杂剂和减小折射率的掺杂剂的组合也可以用于创建第一掺杂剂浓度分布和/或第二掺杂剂浓度分布。
第一掺杂剂和第二掺杂剂的浓度分布被控制，以增加给定波长处的基本光学模式与多种声学模式之间的相互作用，从而增加给定波长处布里渊散射光谱中二级峰、三级峰、四级峰的布里渊散射强度与初级峰的布里渊散射强度的比率。
在实施例中，纤芯优选地包括二氧化硅。在二氧化硅光纤的情况下，典型的提高折射率掺杂剂是氧化锗(GeO2，锗硅酸盐光纤)、五氧化二磷(P2O5，磷硅酸盐)、二氧化钛(TiO2)、氧化铝(Al2O3，铝硅酸盐)或其组合。替代地或附加地，可以例如通过使用氟、氧化硼(B2O3)掺杂剂或其组合来减小包层的折射率。如果其它期望的掺杂剂使折射率差异太高，则也可以在纤芯中使用减小折射率的掺杂剂。
图2A反映了所公开的光纤的示例性掺杂剂浓度分布。图2A中指示了锗掺杂剂浓度分布和氟掺杂剂浓度分布(分别对于锗和氟)。在图2A中，图2A的设计目标是在1550nm处在光学上维持其单模操作，同时允许基本光学模式与更高阶声学模式的更大重叠。图2B描绘了模拟的布里渊散射光谱，其指示位于足够远离主峰并具有相当强度的第三峰(也被称为三级峰)的存在。
图3中示出了具有如图2A所示的设计的掺杂剂分布的实验光纤的测得的布里渊光谱，其展现出位于大于10.8GHz的频率的强峰，其强度为主峰的强度的约97％。出于比较，如图1所示，市售
光纤的布里渊光谱展现出强度小于主峰的强度的1/3的更高阶的散射峰。
如从图2A的示例性描绘中能够看出，掺杂剂浓度包括阶梯函数。阶梯函数是纤芯的径向上的掺杂剂浓度的急剧增加或减少。用于实现纤芯的期望特性的掺杂剂可以包括使折射率增加成高于纤芯折射率的第一掺杂剂和使折射率减小成低于纤芯折射率的第二掺杂剂。每种掺杂剂的掺杂剂浓度关于纤芯的纵轴对称。
对于第一掺杂剂(例如，使折射率增加到高于纤芯折射率的第一掺杂剂)，纤芯的外半径处的浓度通常为零。在半径的25％至75％(从纤芯的中心线测量)处，掺杂剂浓度第一次急剧增加(第一次增加)到期望值。随着半径减小，掺杂剂浓度然后可以保持恒定。在径向上保持恒定之后，掺杂剂浓度可以再一次在半径的20％至60％(从纤芯的中心线测量)处急剧增加(第二次增加)，或者替代地，它可以急剧地减少(第一次减少)直到纤芯的中心线。纤芯的中心线也被称为纵轴。
第一掺杂剂浓度的第一次增加可以是纤芯中第一掺杂剂的总摩尔浓度的20％至70％，优选地30％至60％。第一掺杂剂浓度的第二次增加可以是纤芯中第一掺杂剂的总摩尔浓度的30％至80％，优选地40％至70％。第一掺杂剂浓度的第一次减少可以是纤芯中第一掺杂剂的总摩尔浓度的25％至65％，优选地35％至55％。
对于第二掺杂剂(例如，使折射率减小至低于纤芯折射率的第二掺杂剂)，掺杂剂的浓度从纤芯的外圆周到位于纤芯半径的10％至50％(从中心线测量)的点为零。掺杂剂的浓度可以保持恒定，直到达到纤芯的中心线。第二掺杂剂浓度的第一次增加可以是纤芯中第二掺杂剂的总摩尔浓度的5％至50％，优选地10％至40％。
虽然图2A仅示出第一掺杂剂浓度的两次增加和第二掺杂剂浓度的一次增加，但是对于掺杂剂可以具有浓度的多次增加和减少。图3示出了多种掺杂剂的另一种掺杂剂分布，其可以用在纤芯中以产生能够用作温度和应变两者的传感器的光纤。如在图3中可以看到的，第一掺杂剂和第二掺杂剂在纤芯中具有包括两次或更多次急剧增加以及两次或更多次急剧减小的浓度分布。在实施例中，第一掺杂剂和第二掺杂剂在纤芯中具有包括三次或更多次急剧增加以及三次或更多次急剧减少，优选地四次或更多次急剧增加以及四次或更多次急剧减少，优选地五次或更多次急剧增加以及五次或更多次急剧减少的浓度分布。
关于图2A，用图中所示的实际掺杂剂分布制造的光纤具有图3中的图所绘出的布里渊散射峰。模拟的光谱图2(b)指示位于足够远离主峰并具有相当强度的第三峰的存在。图3中示出了具有如图2(a)所示的设计的掺杂剂分布的实验光纤的测得的布里渊光谱，其展现出位于大于10.9GHz的频率的强峰，其强度为主峰的强度的约97％。出于比较，如图1所示，LEAF光纤的布里渊光谱展现出小于主峰的强度的1/3的更高阶的散射峰的强度。
可以使用各种光纤制造技术中的任何一种来制造上述光纤，例如，外部气相沉积(OVD)、化学气相沉积(CVD)、改进的化学气相沉积(MCVD)、气相轴向沉积(VAD)、等离子体增强CVD(PCVD)等，或其组合。
在一个实施例中，在制造所公开的光纤的一种方式中，具有内壁和外壁的玻璃管被加热到1100+℃和1300℃之间的温度。使多种反应性气体(该气体包含具有期望掺杂剂摩尔比的相应掺杂剂)以1-30百帕斯卡的压力通过玻璃管。
反应性气体在玻璃管的进气端处被引入到管中。在管内部形成非等温等离子体以使气体混合物反应以直接在玻璃管的内壁上沉积玻璃层而不形成玻璃烟。在管内的第一反转点和第二反转点之间形成往复等离子体，第一反转点比第二反转点更靠近管的进气端，以在管的内壁上沉积掺杂有期望量的期望掺杂剂的多层玻璃。然后使内涂玻璃管热塌陷以形成固体预制件。然后拉制预制件以形成具有期望掺杂剂浓度分布的光纤。
本文公开的光纤可以通过以下非限制性示例举例说明。
示例
在该实例中，图2A中所示的掺杂剂分布(其模拟的布里渊散射分布在图2B中描绘)实际上经受照射以测量实际布里渊散射。实际分布在图4中绘出，并且其描绘了位于大于10.8GHz频率的强峰，该强峰的强度为主峰的强度的约97％。
相比之下，如图1所示，LEAF光纤的布里渊光谱展现出小于主峰的强度的1/3的更高阶散射峰的强度。
图5中绘制了实验光纤的三个峰(来自图5)的作为温度的函数的测量频率偏移。如可以看到的，三个峰的频率偏移的温度系数对于温度和应变的同时测量而言显著不同。
所公开的光纤使得单根光纤能够同时测量温度和应变，并且它不需要单独的光纤用于测量温度和应变。这便于针对光纤使用更简单的制造和组装工艺。所公开的光纤也比目前市售的其它商用光纤更便宜。
Claims (12)
1.一种光纤，包括：
在所述光纤的纤芯中的多个掺杂剂浓度分布；其中所述多个掺杂剂浓度分布包括第一掺杂剂浓度分布和第二掺杂剂浓度分布；其中第一掺杂剂浓度分布从第一掺杂剂获得，所述第一掺杂剂使所述纤芯的折射率增加到所述纤芯的基础折射率以上，并且第二掺杂剂浓度分布从第二掺杂剂获得，所述第二掺杂剂使所述纤芯的折射率减小到所述纤芯的基础折射率以下；
其中第一掺杂剂浓度和第二掺杂剂浓度各自以阶跃方式变化，并且其中第一掺杂剂浓度与第二掺杂剂浓度的比率能够操作以导致给定波长处的基本光学模式与多种声学模式的相互作用，从而在布里渊散射光谱中将三级峰或四级峰的布里渊散射强度比相对于初级峰的布里渊散射强度的比率增加到大于0.4。
2.如权利要求1所述的光纤，其中所述光纤是单模光纤或少模光纤。
3.如权利要求1所述的光纤，其中所述给定波长在400纳米至2100纳米之间变化。
4.如权利要求1所述的光纤，其中第一掺杂剂是氧化锗、五氧化二磷、二氧化钛、氧化铝或其组合。
5.如权利要求1所述的光纤，其中第二掺杂剂是氟、氧化硼或其组合。
6.如权利要求1所述的光纤，其中，三级峰或四级峰的布里渊散射强度比相对于初级峰的布里渊散射强度的比率大于0.5。
7.如权利要求1所述的光纤，其中，三级峰或四级峰的布里渊散射强度比相对于初级峰的布里渊散射强度的比率大于0.75。
8.如权利要求1所述的光纤，其中第一掺杂剂浓度和第二掺杂剂浓度均关于所述纤芯的中心纵轴对称。
9.如权利要求1所述的光纤，其中以阶跃方式变化第一掺杂剂浓度和第二掺杂剂浓度包括在第一掺杂剂浓度和第二掺杂剂浓度中的每一个中的三次或更多次急剧增加以及三次或更多次急剧减小。
10.如权利要求1所述的光纤，其中以阶跃方式变化第一掺杂剂浓度和第二掺杂剂浓度包括在第一掺杂剂浓度和第二掺杂剂浓度中的每一个中的四次或更多次急剧增加以及四次或更多次急剧减小。
11.如权利要求1所述的光纤，其中单根光纤用作传感器以同时测量温度和应变。
12.一种用于制造光纤的方法，包括：
用第一掺杂剂和第二掺杂剂涂覆玻璃管的内表面；
使所述玻璃管坍塌，以形成固体预制件；
拉制所述固体预制件，以形成光纤；其中，在所述光纤中，第一掺杂剂浓度和第二掺杂剂浓度各自以阶跃方式变化，并且其中第一掺杂剂浓度与第二掺杂剂浓度的比率能够操作以导致给定波长处的基本光学模式与多种声学模式的相互作用，从而在布里渊散射光谱中将三级峰或四级峰的布里渊散射强度比相对于初级峰的布里渊散射强度的比率增加到大于0.4。
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