CN110462476A - 采用混合纤芯光纤的分布式光纤传感器和系统 - Google Patents

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Abstract

根据一些实施方式，光纤传感器包括：光纤，其构造成用于在约300nm至约2000nm的波长运行，并且还被传输端、另一端、光纤外直径和光纤长度所限定，所述光纤包含：(a)混合纤芯，其包括单模纤芯部分和多模纤芯部分；和(b)围绕混合纤芯的包层。

Description

采用混合纤芯光纤的分布式光纤传感器和系统
本申请要求2017年01月19日提交的美国临时申请系列第62/448,053号的优先权，本文以该申请为基础并将其全文通过引用结合于此。
技术领域
本公开一般地涉及分布式光纤传感器和光纤传感器系统。更具体地，本公开涉及采用混合多纤芯光纤的此类传感器和传感器系统，其依赖瑞利散射机制进行感测。
背景技术
将依赖瑞利散射的分布式光纤传感器和系统用于许多应用，包括但不限于，结构健康监测(SHM)、岩土工程、电力线、石油和天然气管道、以及石油和天然气焊接。具体来说，这些传感器和系统可以采用瑞利散射机制来测量温度、压力、应变、声波和其他参数，空间分辨率小于1m。
依赖瑞利散射的常规方法通常在分布式光纤传感器和系统中采用电讯等级光纤，以获得这些测量(例如，温度、压力、应变等)。依赖此类光纤的分布式光纤传感器和系统存在许多缺点。例如，发射信号的光学功率会受到光纤中的低阈值非线性效应的限制。作为结果，散射的信号通常是低的，特别是在远离传输端的光纤远端而言。作为另一个例子，这些光纤中的衰减还会限制光纤远端的散射信号强度，特别是对于跨越了数十千米的光纤而言。此外，构造用于单模运行的电讯等级光纤中的光学功率通常是低的，这是由于此类光纤的小的数值孔径所导致的。所有这些影响倾向于降低与采用电讯等级光纤的常规分布式光纤传感器和系统相关的信噪比。
随着依赖光纤和瑞利散射机制的分布式光纤传感器和系统不断用于各种应用(例如，岩土工程、电力线等)，在越来越长的距离上，这些传感器和系统的使用最终受到它们的有效性的限制。
因此，存在对于能够以较小损耗和较高信噪比传输光学信号的采用光纤的分布式光纤传感器和光纤传感器系统的需求。
发明内容
根据本公开的一个方面，光纤传感器包括：-n光纤，其构造成用于在约300nm至约2000nm的波长运行，并且还被传输端、另一端、光纤外直径和光纤长度所限定，所述光纤包含：
混合纤芯，其包括单模纤芯部分和多模纤芯部分；和
围绕混合纤芯的包层。
根据本公开的另一个方面，单模纤芯部分包含GeO2，以及单模纤芯部分中的GeO2的最大量是6重量％至50重量％。
在一些实施方式中，多模纤芯部分包含0至45重量％GeO2，例如5至45重量％GeO2或者5.5至45重量％GeO2。在一些实施方式中，多模纤芯部分中的GeO2的最大量是5.5重量％至35重量％。在一些实施方式中，多模纤芯部分中的GeO2的最大量是5-20重量％。在一些实施方式中，多模纤芯部分包含0至45重量％GeO2和0.5至3重量％Cl。
在这些光纤传感器方面的其他实践方式中，多纤芯光纤构造成使得其长度范围是约10m至约100km。此外，光纤长度可以设定如下，约为：10m、20m、30m、40m、50m、60m、70m、80m、90m、100m、150m、200m、250m、300m、350m、400m、450m、500m、550m、600m、650m、700m、750m、800m、850m、900m、950m、1km、5km、10km、15km、20km、25km、30km、35km、40km、45km、50km、55km、60km、65km、70km、75km、80km、85km、90km、95km、100km，以及在某些实践方式中，这些具体长度之间的所有长度值。
在其他实践方式中，单模纤芯部分具有最大相对折射率Δ31，以及多模差异纤芯部分具有最大相对折射率Δ32，并且0.2％≤Δ31-Δ32≤1％。
根据权利要求1的传感器，其中，光纤的传输端的纤芯部分被布置和构造成位于光纤内，从光斑尺寸约5微米至约100微米(直径)的单光源接收入射光。
此外，光纤光纤传感器的一些实践方式包括：
光纤，其构造成用于在约300nm至约2000nm的波长运行，并且还被传输端、另一端、光纤外直径和光纤长度所限定，所述光纤包含：
混合纤芯，其包括单模纤芯部分和多模纤芯部分；和
围绕混合纤芯的包层，以及
其中，在光纤的传输端将来自光源的光注入纤芯之后，光纤的传输端展现出从单模纤芯部分和多模纤芯部分这两者发射出的总反向散射信号。
在一些实施方式中，从混合纤芯发射出的总反向散射信号的信噪比大于从参比单模纤芯光纤获得的反向散射信号，以及在一些实施方式中，从混合纤芯发射出的总反向散射信号的信噪比比从参比单模纤芯光纤获得的反向散射信号的信噪比大了至少25％(例如，大了至少30％、至少40％或者至少50％)。在一些实施方式中，从混合纤芯发射出的总反向散射信号的信噪比比来自 光纤的反向散射信号的信噪比大了至少25％(例如，大了至少30％、至少40％或者至少50％)。
在混合纤芯光纤的一些实施方式中，从混合纤芯发射出的总反向散射信号比来自参比单模光纤的反向散射信号强了至少1dB(例如，强了至少1.5dB)。在一些实施方式中，从混合纤芯发射出的总反向散射信号比来自光纤的反向散射信号强了至少1dB(例如，强了至少1.5dB)。
在一些实施方式中，从混合纤芯发射出的总反向散射信号的信噪比比来自参比单模光纤的反向散射信号的信噪比大，是至少100％、至少200％、至少250％、至少300％、至少350％或者400％。在一些实施方式中，从混合纤芯发射出的总反向散射信号的信噪比比来自光纤的反向散射信号的信噪比大，是至少100％、至少200％、至少250％、至少300％、至少350％或者400％。
根据这些光纤传感器系统的另一个示例性实践方式，包括：
光纤，其构造成用于在约300nm至约2000nm的波长以单模或少模中的一种运行，并且被传输端、另一端、光纤外直径和光纤长度所限定，所述光纤包含：
混合纤芯，其包括多模纤芯部分和单模纤芯部分；和
围绕混合纤芯的包层，
光源，其构造成在光纤的传输端，将入射光的光斑引导进入纤芯的至少一部分中；
接收器，其构造成接收总反向散射信号，所述总反向散射信号是在光纤的传输端使得入射光的光斑被注入到混合纤芯中之后从混合纤芯发射出来的；以及
信号询问元件，其构造成处理反向散射信号以获得传感器测量，其对应于靠近光纤或者与光纤接触的特征。
根据一些实施方式，传感器测量包括选自下组的一个或多个特性：温度、压力、应变、位移和噪音。
根据光纤传感器系统的其他实施方式，本公开所列出的任意前述混合纤芯光纤和光纤传感器构造都可以用于该系统。在光纤传感器系统的某些方面中，传感器测量可以包括选自下组的一个或多个特性：温度、压力、应变、位移和噪音。
在光纤传感器系统的某些实践方式中，系统构造成用于监测结构、电力线、石油线或石油管线、气体线或气体管线、载水线或载水管线、地基、道路、通道、水道、储器、井或其他岩土特征的健康情况、完整性、性能和/或特性。
根据一些实施方式，光纤包括：
(i)混合纤芯，其包括单模纤芯部分和多模纤芯部分；和
(ii)围绕混合纤芯的包层，其中
多模纤芯部分中的GeO2的最大量是5.5重量％至35重量％。
根据一些实施方式，单模纤芯部分中的GeO2的最大量是6重量％至50重量％。根据一些实施方式，单模纤芯部分具有最大相对折射率Δ31，以及多模差异纤芯部分具有最大相对折射率Δ32，并且0.2％≤Δ31-Δ32≤1％。
在以下的详细描述中提出了本文的其他特征和优点，其中的部分特征和优点对本领域的技术人员而言，根据所作描述就容易看出，或者通过实施包括以下详细描述、权利要求书以及附图在内的本文所述的各种实施方式而被认识。
应理解，上面的一般性描述和下面的详细描述都仅仅是示例性的，用来提供理解权利要求书的性质和特点的总体评述或框架。所附附图提供了进一步理解，附图被结合在本说明书中并构成说明书的一部分。附图说明了一个或多个实施方式，并与文字描述一起用来解释各个实施方式的原理和操作。
附图说明
图1A是采用根据本公开方面的混合纤芯光纤的光纤传感器的轴向截面示意图；
图1B是图1A所示光纤的光纤传感器部分的横向截面示意图；
图1C-1G是图1A和1B所示的光纤50的一些实施方式的相对折射率分布的示意图；
图2是另一光纤传感器的轴向截面示意；
图3显示的是图1A和1B所示光纤(分布A)的一个制造实施方式的相对折射率；
图4示意性显示具有图3所示的折射率分布的混合纤芯光纤50，其与 光纤拼接；
图5显示光纤(～1km)的OTDR迹线，所述光纤如图4所示那样与图3的混合纤芯光纤50(～1km)放置。光射入SMF-28光纤(OTDR迹线的左边部分)。
图6显示采用根据本公开方面的混合纤芯光纤的光纤传感器系统的透视示意图；
图7A是从光源引导的入射光进入图6所示的光纤传感器系统的光纤的纤芯中的放大端面示意图；
图7B是从光源引导的入射光进入图6所示的光纤传感器系统的光纤的纤芯中的放大端面示意图；以及
图7C是从图6所示的光纤传感器系统的光纤的纤芯发射出来的反向散射光信号的放大端面示意图。
具体实施方式
以下术语将与本文所述的光纤结合使用：
如本文所用，术语“折射率分布”或“相对折射率分布”是折射率或相对折射率与光纤半径R之间的关系。
如本文所用，术语“相对折射率”定义如下：
式中，除非另有说明，否则n(r)是光纤半径r处的折射率，并且r＝0对应于光纤的中心线。除非另有说明，否则相对折射率限定在1550nm处。在本文所述的实施方式中，参比折射率nREF是纯(即，未掺杂)二氧化硅玻璃的折射率。除非另有说明，否则如本文所用的相对折射率用Δ表示，并且其数值以“％”为单位。除非另有说明，否则在区域的折射率小于参比折射率nREF的情况下，相对折射率百分比是负的，并且称作凹陷区域或者凹陷折射率，以及在相对折射率最为负值的点计算最小相对折射率。在区域的折射率大于参比折射率nREF的情况下，相对折射率百分比是正的，并且该区域可以被称为是提升的或者具有正折射率。
如本文所使用，术语“正掺杂剂”指的是增加玻璃相对于纯的未掺杂SiO2折射率的掺杂剂。如本文所使用，术语“负掺杂剂”指的是具有降低玻璃相对于纯的未掺杂SiO2折射率的倾向的掺杂剂。正掺杂剂可以存在于光纤中具有负的相对折射率的区域中，同时伴有一种或多种不是正掺杂剂的其他掺杂剂。类似地，不是正掺杂剂的一种或多种其他掺杂剂可以存在于光纤中具有正的相对折射率的区域中。负掺杂剂可以存在于光纤中具有正的相对折射率的区域中，同时伴有一种或多种不是负掺杂剂的其他掺杂剂。类似地，不是负掺杂剂的一种或多种其他掺杂剂可以存在于光纤中具有负的相对折射率的区域中。
如本文所用，光纤的数值孔径(NA)是指采用题为“测量方法和测试程序：数值孔径(Measurement Methods and Test Procedures:Numerical Aperture)”的IEC-60793-1-43(TIA SP3-2839-URV2FOTP-177)所提出的方法测量的数值孔径。
术语“微米”和“μm”在本文中可互换使用。术语“纳米”和“nm”在本文中可互换使用。
下面详细参考本文的优选实施方式，这些实施方式的例子在附图中示出。只要有可能，在所有附图中使用相同的附图标记来表示相同或类似的部分。
表征为低信号损耗和较高的信噪比的依赖瑞利散射机制进行感测的分布式光纤传感器和光纤传感器系统在本公开中以示例性方式列出。更具体来说，本公开详细描述了采用具有混合纤芯光纤的分布式传感器和传感器系统。
参见图1A、1B和1C，示意性显示根据本公开方面的光纤传感器100。光纤传感器100包括：光源110，耦合到其的光纤50，和光学耦合到光纤50的接收器110a用于接收/检测光纤50所提供的反向散射光。反向散射光被转移回来撞击到光源上并通过光学组件112(例如，分束器、光纤耦合器或者循环器)被引导到接收器110a。光纤50受到长度52、光纤外直径54、传输端10a(光纤的第一端)、另一端(第二端)10b和混合纤芯30所限定。如图1、1A和1B的示例性方式所示，光纤30含有单模纤芯部分31(内纤芯部分)和多模纤芯部分32(外纤芯部分)。光纤50还包括包层40，其围绕混合纤芯30且具有外包层直径44。光纤包括保护涂层51，其包括绕着包层40的一层或多层涂层。经涂覆的光纤具有外直径54。
在光纤传感器100的一些实施方式中，光纤50限定为长度52的范围是约10m至约100km。在某些实施方式中，光纤长度52可以设定如下，约为：10m、20m、30m、40m、50m、60m、70m、80m、90m、100m、150m、200m、250m、300m、350m、400m、450m、500m、550m、600m、650m、700m、750m、800m、850m、900m、950m、1km、5km、10km、15km、20km、25km、30km、35km、40km、45km、50km、55km、60km、65km、70km、75km、80km、85km、90km、95km、100km，以及这些具体长度之间的所有长度值。此外，本公开的其他方面包括光纤长度52超过100km的光纤50，这对于光纤传感器100具有较不严格信噪比和/或空间分辨率要求(例如，>1m)的一些应用是可行的。
在一些方面中，用于本公开的光纤传感器100的光纤50具有约50微米至约500微米的包层直径44。此外，用于这些方面的光纤50可以构造成具有如下包层直径44，约为：50微米、75微米、100微米、125微米、150微米、200微米、300微米、400微米、500微米，以及这些具体直径之间的所有直径。
在一些方面中，用于本公开的光纤传感器100的经涂覆的光纤50具有约100微米至约1000微米的光纤外直径54。此外，用于这些方面的光纤50可以构造成具有如下光纤外直径54，约为：100微米、150微米、200微米、250微米、300微米、400微米、500微米、750微米、1000，以及这些具体直径之间的所有直径。
再次参见图1、1A和1B，光纤50(以及更具体来说，纤芯30和包层40)通常是由二氧化硅组合物制造的。此外，光纤50(以及更具体来说，纤芯30的单模部分31和多模部分32以及包层40)优选构造成具有各种掺杂剂水平，从而在光纤中实现足以在约300nm至约2000nm波长进行单模和多模运行的整体折射率分布。在某些方面中，纤芯30是掺杂了一种或多种掺杂剂的二氧化硅，从而(相对于纯二氧化硅的情况)提升纤芯30的折射率(例如，GeO2、P2O5、Al2O3)。在某些实践方式中，包层40掺杂了一种或多种掺杂剂，以降低包层的折射率(例如，F、B2O3)。
例如，如所示，在图1A、1B和1C所示的实施方式中，根据本公开的光纤传感器100的实践方式，光纤50构造成使得其纤芯部分31、32绕着光纤的中心轴80对称排列。例如，在这个实施方式中，纤芯部分31以光学轴为中心，并且对于300nm至2000nm(例如，1200nm至1600nm)的波长λ1是单模的。优选地，纤芯部分31的外半径是3-6μm。纤芯部分32具有环状形状，绕着纤芯部分31，并且在一些实施方式中(参见图1C-1F)是位于与纤芯部分31直接相邻的。根据一些实施方式，纤芯部分32的内半径和外半径分别是3至10μm(例如，2-6μm)和10-100μm。
在一些实施方式中，对于相同的波长λ1(例如，对于300nm至2000nm)，纤芯部分32是多模的。在一些实施方式中，对于600nm至1600nm或者1200nm-1600nm的波长，纤芯部分32是多模的。1200nm-1600nm波长位于基于二氧化硅的纤芯光纤低损耗(低衰减)窗口中，并且在位于1200nm-1600nm范围内的波长运行光纤传感器100提供了对于接收器110a而言最大的反向散射光收集量，并且因此最大化了信噪比和系统检测灵敏度。因此，接收器110a优选构建成在1200nm-1600nm波长范围内接收反向散射光。
在一些实施方式中，(参见例如图1G)内纤芯部分31和外纤芯部分32被低折射率层33(即，被最大折射率低于纤芯部分31、32的最大折射率的层33)分隔开。这种被低折射率层33分开使得来自耦合进入多模纤芯部分32的传播通过光纤纤芯部分31的光量最小化(从光纤的传输端10a朝向端10b)。在一些实施方式中，纤芯部分32的外半径是10-50μm，以及外层40的外半径是50-75μm(外直径44是约100-150μm，例如125μm)。在一些实施方式中，纤芯部分32的外半径是10-50μm(例如，20μm、22μm、25μm、30μm、35μm、40μm、45μm、50μm，或者之间的任意值)。
在对应于图1G的一个示例性实施方式中，光纤具有：(i)内纤芯部分(单模纤芯部分31)，其是掺杂了最大量约为25重量％GeO2且外半径是约4μm的二氧化硅；和(ii)最外纤芯部分(多模纤芯部分32)，其掺杂了最大量约为18重量％GeO2且内半径是约20μm和外半径是约50μm。在这个实施方式中，光纤纤芯30的低折射率纤芯层33(即，折射率低于纤芯部分31、32的折射率的纤芯层)具有最大相对折射率Δ33(相对于纯(未掺杂)二氧化硅玻璃而言)以及掺杂了15重量％GeO2且被夹在纤芯部分31与32之间。可以看出，这个示例性光纤的整个纤芯30相对于纯二氧化硅是正掺杂的，在这个情况下，纤芯的每个部分具有含至少15重量％GeO2的区域。在这个示例性实施方式中，包层40是纯二氧化硅以及不含有氟且不含有硼。在一些实施方式中，包层40用氟和/或硼进行了负掺杂。
在一些实施方式中，层33可以是掺杂了少于15重量％GeO2(例如，3重量％或更大)的二氧化硅。在一些示例性实施方式中，层33是掺杂了5重量％GeO2、10重量％GeO2、15重量％GeO2(或者其间任意量)的二氧化硅。在一些实施方式中，层33具有超过15重量％GeO2，只要它的最大相对折射率Δ33小于纤芯部分32的最大相对折射率Δ32即可。
此外，如图1C所示，光纤50构造成使得其单模纤芯部分31在600至1600nm(例如，1200至1600nm)的波长处具有明显高于多模纤芯部分32的折射率。在一些实施方式中，(相对于纯(未掺杂)二氧化硅玻璃而言)纤芯部分31的最大相对折射率Δ31是约0.4％至3％。此外，纤芯部分31可以构造成具有约0.4％、0.5％、0.6％、0.7％、0.8％、0.9％、1％、1.2％、1.5％、1.8％、2％、2.2％、2.5％或者3％的相对折射率Δ31，以及这些具体值之间的所有范围。(相反地，例如，对于相对于纯二氧化硅，纤芯的最大相对折射率是0.34)。
在一些实施方式中，(相对于纯(未掺杂)二氧化硅玻璃而言)多模纤芯部分32在600至1600nm波长处的最大相对折射率Δ32可以是约0至约2.7％(相对于纯二氧化硅)，以及在一些实施方式中是0.1％至2.7％。此外，纤芯部分32可以构造成具有约0.1％、0.2％、0.3％、0.4％、0.5％、0.6％、0.7％、0.9％、1％、1.5％、2％、2.3％、2.5％或者2.7％的Δ32，以及这些具体值之间的所有范围。在本文所述的实施方式中，Δ31>Δ32。
在一些实施方式中，Δ31与Δ32之差是约0.3％至约0.6％。在一些实施方式中，0.33％≤Δ31-Δ32≤0.5％。例如，Δ31-Δ32可以是0.3％、0.31％、0.33％、0.37％、0.4％、0.43％、0.46、0.5％、0.55％、0.6％，以及这些具体值之间的所有范围。
包层具有相对于纯二氧化硅的最大相对折射率Δ40。在一些示例性实施方式中，0％≤Δ40≤-1％。在一些示例性实施方式中，0.1％≤Δ40≤-0.7％。在一些示例性实施方式中，4％≥Δ31-Δ40≥0.4％。在一些示例性实施方式中，3％≥Δ31-Δ40≥0.4％。在一些示例性实施方式中，1.5％≥Δ31-Δ40≥0.3％。在一些示例性实施方式中，1.5％≥Δ31-Δ40≥0.4％。例如，Δ31-Δ40可以是0.3％、0.4％、0.5％、0.6％、0.7％、0.8％、0.9％、1％、1.5％、2％、2.5％、3％、3.5％、4％，以及其间的任意值。
在一些示例性实施方式中，2.7％≥Δ31-Δ40≥0％。在一些示例性实施方式中，1.5％≥Δ32-Δ40≥0.1％(例如，0.1％、0.15％、0.2％、0.25％、0.3％、0.4％、0.5％、0.6％、0.7％、0.8％、0.9％、1％、1.25％、1.5％，以及其间的任意值)。
在含有纤芯层33的一些实施方式中，Δ31>Δ32以及Δ32>Δ33，并且Δ32与Δ33之差是约0.1％至1％。
在本公开的一些方面，光纤50的纤芯30构造成具有约20微米至约100微米的纤芯外直径34。在其他方面中，优选地，光纤50的纤芯30构造成具有约30微米至约100微米或者40至100微米的纤芯外直径34。
在基于瑞利散射的分布式传感系统中(参见例如图2)，由于源自光纤内的位置z处的瑞利散射所导致的被接收器检测到的反向散射光信号150d的功率PS是：
式中，P0是在位置z＝0处提供到光纤的入射光150a的功率，C是散射光的俘获系数，αs是瑞利散射系数(由于瑞利散射的损耗系数)，以及α0是由于其他因素所导致的损耗的损耗系数。
在光纤中，反向散射光的俘获效率与光纤的俘获系数C相关，其定义为：
式中，NA是纤芯的数值孔径，n1是纤芯的折射率，κ是取决于光纤纤芯类型的参数。对于仅具有单模纤芯的典型单模光纤(具有步阶状折射率纤芯部分)，κ是约0.38，以及对于典型的分级折射率分布单模光纤，κ是约0.25。对于用于如图2所示的光纤传感器100的混合纤芯光纤50，κ也是在0.25至0.38的范围内(取决于纤芯分布的形状)，但是光纤50的数值孔径NA大于典型的单模传输光纤。
对于典型的现代单模传输光纤(例如，光纤)，由于低瑞利散射系数(高质量的光纤纤芯材料)和光纤的小NA所导致的小的俘获效率，使得反向散射瑞利功率非常小。典型的单模传输光纤的数值孔径(NA)是约0.11至0.12(例如，对于光纤是0.12)。本文所述的混合纤芯光纤50具有大于0.15的数值孔径(例如，约0.2至0.4，例如0.2至0.3)。混合纤芯30较大的数值孔径导致更高的检测功率PS(相对于参比单模光纤所提供的情况而言)。(如本文所指的参比单模纤芯光纤具有与光纤50的单模纤芯部分31相同的单模纤芯直径和纤芯组成以及与光纤50相同的光纤包层直径、包层组成和长度)。类似地，混合纤芯30较大的数值孔径导致更高的检测功率PS(相对于参比光纤所提供的情况而言)。
不受限于理论，相比于在采用参比单模的传感器系统进行传输的情况，在光纤50的混合纤芯30中传输的反向散射信号到达光纤传感器100中的接收器110a的振幅更高且具有更大功率PS的原因在于：(i)内纤芯部分31中的高掺杂水平；和(ii)传播通过单模部分31(内纤芯部分)和多模外纤芯部分32这两者的反向散射光的更高效的俘获。(在本文所述的至少一些实施方式中，参比单模光纤是购自纽约州康宁市康宁有限公司的光纤)。因此，相比于采用单模传输光纤(例如，光纤)作为感测光纤的典型传感器系统的情况，采用具有混合纤芯构造的光纤50的传感器系统可以导致较小的信号损耗、更高的信噪比和/或更好的空间分辨率。
因此，我们发现采用高数值孔径(例如，NA>0.15或者0.15≤NA≤0.4或者0.2≤NA≤0.4)、位于与单模纤芯部分31相邻的大直径多模纤芯部分32(参见例如图1B、1C-1G或者图3)，可以增加反向散射光的俘获效率。
因此，在一个实施方式中，单模纤芯部分31被多模纤芯部分32所围绕，以及来自光源的光主要(例如，发射光的光功率的>80％光功率和优选>90％光功率或者甚至>95％光功率)发射进入纤芯30的单模纤芯部分31。反向散射光通过单模纤芯31和多模纤芯32这两者来收集，并且提供到光检测器(接收器110a)。因此，反向散射光会被包括多模纤芯部分32的整个纤芯30引导到感测系统的光检测器。相比于通过典型单模传输光纤所提供的情况，通过混合纤芯光纤50提供到检测器的与反向散射光相关的光信号功率会大得多。因此，相比于采用参比单模光纤的对比系统和/或还相比于采用光纤的对比系统，使用混合纤芯光纤50会改善感测系统100的信噪比。
图1C显示混合纤芯光纤50的相对折射率分布。这个光纤采用具有步阶式折射率分布的单模纤芯部分31，其被步阶式折射率多模纤芯部分32所围绕。如图1D-1F所示，混合纤芯30也可以是其他设计。要注意的是，在光纤50中，不论是步阶式折射率(step index)或者分级折射率(graded index)单模纤芯部分31，它们都可以被步阶式折射率或者分级折射率多模纤芯部分32所围绕。
在另一个示例性实施方式中，光纤传感器100通过仅以混合纤芯的基模运行，在分布式光纤传感器100中使用混合纤芯光纤50。也就是说，光脉冲仅以基模(LP01)发射进入光纤，并且反向散射光(信号)也是以基模收集并提供到接收器。(这可以通过例如将小段单模光纤拼接到混合纤芯光纤50的传输端10a来实现，这会剥除更高阶模式使它们不能抵达接收器)。因此，在这个实施方式中，这个小段单模光纤可以耦合到光纤50，并且可以被用于以基模发射信号光进入光纤50，并且还用于以基模从光纤50接收反向散射光。这些实施方式的光纤50可以具有类似于图1C-1F所示的光纤的折射率分布。但是，在其他实施方式中，如果需要的话，也可以检测更高阶的模式并且还可以采用来自此类更高阶模式的反向散射信号。
因为单模纤芯部分31具有比参比单模光纤更大的相对折射率，光纤50的纤芯30会产生更多的瑞利反向散射信号以改善光纤50的感测性能。纤芯部分31中，高水平的Ge(例如，大于6重量％、大于8重量％，例如10至50重量％或者60重量％)也增加了反向散射。最后，用F(例如，2-5重量％)掺杂纤芯30(一个或者两个纤芯部分)也增加了反向散射，并且改善了光纤的反向散射光俘获效率，从而改善了光纤传感器光纤50的感测性能。
根据一个示例性实施方式，制造的混合纤芯光纤50具有如图3所示的相对折射率分布(分布A)，其中，在850nm测量Δ31、Δ32和Δ31。这种光纤50包括纤芯30，其具有单模纤芯部分31，所述单模纤芯部分31具有约1.28％的最大相对折射率Δ31。这个光纤还包括具有约0.88％的最大相对折射率Δ32的多模纤芯部分32。
在1550nm处，图3(分布A)光纤的MFD(模场直径)是9.7μm。典型的单模光纤(例如，购自康宁有限公司的光纤)在1550nm波长的MFD是约10μm。因此，图3(分布A)光纤50的MFD与典型单模光纤(例如，光纤)基本上相同。光纤的纤芯尺寸(纤芯的外直径)也与对应于图3(分布A)的混合纤芯光纤50的纤芯部分31近似相同。对应于图3分布A的光纤50具有内纤芯部分(单模纤芯部分31)(其是掺杂了约23重量％GeO2的二氧化硅)和外纤芯部分(多模纤芯部分32)(其掺杂了约16重量％GeO2)。在这个实施方式(分布A)中，包层40是纯二氧化硅以及不含有氟且不含有硼。因此，其具有的最大相对折射率Δ40是0。在这个实施方式中，Δ31-Δ40是约1.3％，以及Δ32-Δ40是约0.8％。要注意的是，在光纤中，纤芯的最大折射率与包层的最大折射率之间的折射率差异是0.34(光纤的包层是纯二氧化硅包层)。
在其他实施方式中，包层40可以包括氟和/或硼掺杂的二氧化硅(图3中的分布B)。更具体来说，分布B光纤类似于分布A光纤，但是由于在纤芯和包层中存在氟，使得整个光纤分布相对于分布A光纤向下偏移。
根据一个实施方式，将近似1km的具有如图3(分布A)所示的折射率分布的混合纤芯光纤50与约1km的(参比光纤)拼接，如图4所示。如这个附图所示，这两根光纤对齐使得光纤的纤芯部分与光纤50的单模纤芯部分31拼接。为了确保这两根光纤之间的合适对齐，通过如下方式完成拼接之前的光纤-光纤对齐：在光纤50的输出处，采用波长1550nm的光源(光发射进入光纤)和(市售可得的)光束分布仪，来监测束形状，从而确保仅基模发射进入单模纤芯部分31。在这个实施方式中，完成对齐，使得主要激发混合纤芯光纤50中的基模，没有以更高阶模式使得光发射进入光纤50。在完成拼接之后，使用标准OTDR单元来监测通过这个双光纤系统的反向散射光。图5是OTDR迹线，显示当传播通过这两个拼接光纤时，反向散射光的功率(dB)。更具体来说，光纤(对比光纤)连接到光时域反射仪(OTDR)，并且测量了1310nm和1550nm波长处的OTDR迹线(反向散射光量，作为功率(dB)进行测量)(图5)。可以看出，来自混合纤芯光纤50的反向散射信号明显大于来自典型单模光纤(例如，光纤)的情况。测量得到的光纤的单模纤芯与图3(分布A)的纤芯的单模部分31之间的反向散射光差异是约1.3dB。但是，在这个实验中，没有测量传播通过光纤50的多模部分32的光量。计算被光纤50的多模纤芯部分32所收集到的这个额外的光，对于总收集到的信号，提供了额外4dB的改善。在这个示例性实施方式中，当使用光纤50替代光纤(参比光纤)时，计算得到总改善是约5.3dB，这转化为信噪比是比来自参比单模纤芯光纤(例如，光纤)的反向散射信号的信噪比大，是约3.5倍(或者，是约350％)。这个光纤50的NA是约0.2。
在一些混合纤芯光纤50实施方式中，NA是0.3，以及在一些实施方式中，是0.4。对于总体改善而言，这些光纤的信噪比比来自参比单模纤芯光纤(例如，光纤)的反向散射信号的信噪比大，是约6倍(当NA是0.3时)或者是约11倍(当NA是0.4时)。
对于本公开的光纤传感器100，光纤50的混合纤芯特性相比于典型单模纤芯光纤对于收集更多的反向散射光是有利的。例如，入射光可以在光纤50的传输端10a发射进入单模纤芯部分31，并且会朝向光纤的另一端传播通过单模纤芯部分31，就如同会在单模光纤中传播的那样。但是，因为光纤50还包括多模纤芯部分32，反向散射光会被收集到大得多的纤芯(整个纤芯30)中，并且因此会俘获更多的光并提供到接收器，实现更好更多的信号收集。这导致光纤传感器100的信噪比改善(更灵敏)。
检测器或接收器110a接收来自整个纤芯30(来自单模纤芯部分31以及多模纤芯部分32)而不仅仅是来自纤芯的单模部分的反向散射信号，它会接收更高振幅的反向散射光信号(更高功率)。因此，对于从纤芯30发射出来的总反向散射信号，光纤50的特性导致更好的信噪比(S/N)，导致用于分布式感测应用的光纤传感器100中更高的空间分辨率。此外，本公开内容领域的技术人员可以将光纤50构造成具有纤芯部分31和32的特定尺寸和相对折射率，以适应选择用于光纤传感器100的光源110的光斑尺寸。例如，在一些实施方式中，来自单光源的入射光可以具有约5微米、10微米、15微米、20微米的光斑尺寸(以及这些具体光斑尺寸之间的所有光斑尺寸)，同时光纤50的纤芯部分31可以具有匹配的直径(或者基本相同的直径)。此外，例如，在一些实施方式中，来自单光源的入射光可以具有直径是20微米、30微米、40微米、50微米、60微米、70微米、80微米、90微米、100微米的光斑尺寸(以及这些具体光斑尺寸之间的所有光斑尺寸)，同时光纤50的纤芯部分32可以具有匹配的直径(或者基本相同的直径)。
因此，根据光纤传感器100的实践方式，光纤50可以构造成使得在光纤50的传输端10a从纤芯30发射出的总反向散射信号的信噪比大于从参比单模纤芯光纤获得的反向散射信号的信噪比。此外，从光纤50的混合纤芯30发射出的总反向散射信号可以超过与从参比单模纤芯光纤获得的反向散射信号相关的信噪比，倍数至少是约1.5倍。在某些方面，从光纤50的纤芯30发射出的总反向散射信号可以超过与从参比单模光纤获得的反向散射信号相关的信噪比，倍数是约1.5、2、2.5、3、3.5、4、5、5.5、6、6.5、7、7.5、8、8.5、9、9.5、10、11倍，或者这些具体倍数之间的所有值。
根据光纤传感器100的一些实施方式，光纤50可以构造成使得在光纤50的传输端10a从纤芯30发射出的总反向散射信号的信噪比大于从光纤获得的反向散射信号的信噪比。此外，从光纤50的混合纤芯30发射出的总反向散射信号可以超过与从光纤获得的反向散射信号相关的信噪比，倍数至少是约1.5。在某些方面，从光纤50的纤芯30发射出的总反向散射信号可以超过与从光纤获得的反向散射信号相关的信噪比，倍数是约1.5、2、2.5、3、3.5、4、5、5.5、6、6.5、7、7.5、8、8.5、9、9.5、10、11倍，或者这些具体倍数之间的所有值。
参见图6、7A、7B和7C，显示根据本公开另一个方面的采用光纤50的光纤传感器系统200。传感器系统200包括光纤50，其构造成运行在约300nm至约2000nm(例如，1200nm至2000nm)的波长。此外，光纤50受到传输端10a、另一端(第二端)10b和长度52所限定。此外，用于传感器系统200的光纤50包括混合纤芯30以及围绕纤芯30的包层40。纤芯30包括被多模纤芯部分32围绕的单模纤芯部分31。除非另有说明，否则图6、7A和7B所示的混合纤芯光纤50以及其相关的元件(例如，包层40)构造成具有与图1A-1G或图3所示光纤50相同或相似的特征和功能。
图6、7A和7C所示的光纤传感器系统200还包括光源110，其构造成在光纤50的传输端10a，将入射光150a的单光斑160引导进入混合纤芯30。如图7A所示，根据一个实施方式，光源110产生具有光斑尺寸160的光学信号150a(光束)，其在光纤50的传输端10a处优选仅与纤芯30的单模部分31重叠。在这个实施方式中，光斑160仅与光纤50内的纤芯30的单模部分31重叠，以确保注入纤芯的光信号当其沿着光纤50的长度一路向下传输时保持单模。适用于光纤传感器系统200的光源110包括但不限于：可调节激光、LED灯源、半导体激光二极管和VCSEL源。
图6、7B和7C所示的光纤传感器系统200还包括光源110，其构造成在光纤50的传输端10a，将入射光150a的单光斑160引导进入混合纤芯30。如图7B所示，根据一个实施方式，光源110以高斯模式产生具有光斑尺寸160的光学信号150a，其在光纤50的传输端10a处优选与光纤50的整个纤芯30重叠。在这个实施方式中，光斑160与纤芯的单模部分和纤芯的多模部分31、32这两者重叠，以及当光以这个模式传播通过纤芯的两个部分朝向光纤端10b时，保持多模。适用于光纤传感器系统200的光源110包括但不限于：可调节激光、LED灯源、半导体激光二极管和VCSEL源。
再次参见图6、7A、7B和7C，光纤传感器系统200还包括接收器110a，其构造成接收总反向散射信号150d，所述总反向散射信号150d是在来自单光斑160的入射光150a已经在光纤50的传输端10a被注入到纤芯30中之后从纤芯部分31和32发射出来的。如图6、7A、7B和7C具体所示，光源110和接收器110a被容纳在单个单元中，以及信号150a和150d通过本公开内容领域的技术人员所能理解的方式去耦。本领域技术人员还可理解的是，光源110和接收器110a可以构造成传感器系统200中的分开的单元，每个处理相应的光学信号150a和总反向散射信号150d。用于光纤传感器系统200的接收器110a可以包括光检测器，例如，二极管组件、单光二极管或者适合执行系统200中的接收器110a的目标功能的任意其他接收器，这是本公开内容领域的技术人员所理解的。
仍然参见图6、7A、7B和7C，光纤传感器系统200还包括信号询问元件120，其与光源110和接收器110a相连。信号询问元件120构造成处理反向散射信号150d以获得传感器测量，其对应于靠近光纤50或者与光纤50接触的特征。用于光纤传感器系统200的合适的信号询问元件120包括但不限于本公开内容领域的技术人员理解的能够检测或任意其他方式处理与反向散射信号150d相关的信号振幅、信号相位和/或信号频率的装置、元件和组件。
此外，如图6、7A、7B和7C所示，光纤传感器系统200可以根据本公开的方面进行构造，以获得对应于如下特征(例如，靠近光纤50的脚步300)的传感器测量(例如，压力读数)。更具体来说，系统200中的光源110和光纤50构造成使得入射光150a产生的光斑160在光纤50的传输端10a被注入到纤芯30中(参见图1A)。入射光150a传播通过光纤50的纤芯30(如上文所述，通过纤芯的单模部分或者通过整个纤芯)朝向第二端10b。根据瑞利散射机制，入射光150a在光纤的整个长度上散射(例如，从光纤中的微米级和/或纳米级缺陷散射)，以及一部分的入射光被朝向光纤的传输端10a散射回来，并且反向散射光传播通过两个纤芯部分31和32朝向光纤的传输端10a。因为两个纤芯部分31、32的收集效率大于仅纤芯部分31的情况，更多的反向散射光朝向光纤的传输端10a传播，产生更强的反向散射信号150d。
再次参见图6、7A、7B和7C，随着入射光150a传播通过光纤50的纤芯30，反向散射信号150d的强度会基于如下这些发生变化：在特定位置z(例如，图6所示的位置300a)处靠近光纤或者与光纤接触的特征(例如，脚步300)相关的光纤的局部位移、温度变化和/或变形。因此，总反向散射信号150d会具有相对于参比光强度发生变化的强度。由此，从纤芯30的两个部分31、32发射出来的反向散射信号150d会被接收器110a和/或信号询问元件120加和到总反向散射信号中，以计算会与入射光150a和反向散射信号150d之间的波长偏移相关的特征300(例如，压力)有关的特定参数。
光纤传感器系统200还可构造成利用总反向散射信号150d来评估与靠近光纤50或者接触光纤50的特征300有关的位置相关信息。具体来说，光源110、接收器110a和信号询问元件120可以被配置在光纤传感器系统200中，从而采用光时域反射仪(OTDR)来测量经由瑞利散射机制反射回来通过光纤50的那部分光。具体来说，系统200可以在不同时间将总反向散射信号150d中的光量与入射光150a进行对比，以确定靠近或接触光纤50的特征300相关的位置300a。
本文所述的每种分布式光纤传感器和传感器系统(包括光纤传感器100和光纤传感器200)证实了相比于采用典型单模纤芯光纤(例如，商业等级的电讯等级光纤，例如光纤)的常规分布式光纤传感器和传感器系统具有如下一种或多种优点。本公开的光纤传感器和传感器系统的一个优点在于，来自混合纤芯光纤50的反向散射信号会比来自常规单模纤芯光纤的反向散射信号大了至少0.5dB(例如，大了1dB至10dB，对于0.4NA混合纤芯光纤而言)。因此，与本公开的光纤传感器和传感器系统相关的反向散射信号的信噪比(S/N)会相比于常规光纤传感器和系统的信噪比得到明显改善。另一个优点在于，可以将较不容易受到非线性散射效应影响的较低功率信号发射到光纤50的混合纤芯30中，从而实现与当(来自更强光源的)功率高得多的信号Po被传输进入常规单模纤芯光纤时的单模纤芯光纤大致相同的反向散射信号强度PS。
根据第1个方面(方面1)，光纤传感器实施方式包括：
光纤，其构造成用于在约300nm至约2000nm的波长运行，并且还被传输端、另一端、光纤外直径和光纤长度所限定，所述光纤包含：
混合纤芯，其包括单模纤芯部分和多模纤芯部分；和
围绕混合纤芯的包层。
根据第2个方面(方面2)，根据第1个方面的光纤传感器包括单模纤芯部分，所述单模纤芯部分包含GeO2，以及单模纤芯部分的GeO2的最大量是6重量％至50重量％。
根据第3个方面，根据方面1和2的光纤传感器包括多模纤芯部分，所述多模纤芯部分包含0至45重量％GeO2，例如5.5重量％至35重量％GeO2，或者5-20重量％GeO2。
根据任意上述方面，光纤传感器具有单模纤芯部分，所述单模纤芯部分具有最大相对折射率Δ31，以及多模差异纤芯部分具有最大相对折射率Δ32，并且0.2％≤Δ31-Δ32≤1％。
根据任意上述方面的光纤传感器，在光纤的传输端，纤芯被布置和构造成位于光纤内，从光斑尺寸是约1微米至约100微米的单光源接收入射光。
根据任意上述方面的光纤传感器，在光纤的传输端将来自光源的光注入纤芯之后，光纤的传输端展现出从单模纤芯部分和多模纤芯部分这两者发射出的总反向散射信号。根据一些方面，总反向散射信号的信噪比大于来自参比标准单模纤芯光纤的反向散射信号的信噪比，例如：是来自参比单模纤芯光纤的反向散射信号的信噪比的至少2倍；总反向散射信号的信噪比大于来自光纤的反向散射信号的信噪比，是其至少2倍。
根据任意上述方面的光纤传感器，光纤构造成用于在约300nm至约2000nm波长以单模或少模中的一种运行，所述光纤传感器系统还包括：
光源，其构造成在光纤的传输端，将入射光的光斑引导进入纤芯的至少一部分中；
接收器，其构造成接收总反向散射信号，所述总反向散射信号是在光纤的传输端使得入射光的光斑被注入到混合纤芯中之后从混合纤芯发射出来的；以及
信号询问元件，其构造成处理反向散射信号以获得传感器测量，其对应于靠近光纤或者与光纤接触的特征。根据一些实施方式，传感器测量包括选自下组的一个或多个特性：温度、压力、应变、位移和噪音。
根据任意前述方面的光纤传感器，光纤构造成在约600nm至1600nm(例如，1200nm至1600nm)波长运行。根据一些示例性实施方式，光纤构造成在约1200nm至1600nm波长运行，以及光纤传感器还包括光源、接收器，所述光源提供1200nm至1600nm波长的光，所述接收器接收位于1200nm至1600nm波长范围的总反向散射信号。
根据一些实施方式，光纤包括：
(i)混合纤芯，其包括单模纤芯部分和多模纤芯部分；和
(ii)围绕混合纤芯的包层，其中
多模纤芯部分中的GeO2的最大量是5.5重量％至35重量％。
根据一些实施方式，单模纤芯部分中的GeO2的最大量是6重量％至50重量％。根据这些实施方式，单模纤芯部分可以具有最大相对折射率Δ31，以及多模差异纤芯部分具有最大相对折射率Δ32，并且0.2％≤Δ31-Δ32≤1％。
此外，对本领域的技术人员而言，显而易见的是可以在不背离权利要求书的精神或范围的情况下作出各种修改和变动。

Claims (20)

1.一种光纤传感器，其包括：
光纤，其构造成用于在约300nm至约2000nm的波长运行，并且还被传输端、另一端、光纤外直径和光纤长度所限定，所述光纤包含：
混合纤芯，其包括单模纤芯部分和多模纤芯部分；和
围绕混合纤芯的包层。
2.如权利要求1所述的光纤传感器，其中，单模纤芯部分包含GeO2，以及单模纤芯部分的GeO2的最大量是6重量％至50重量％。
3.如权利要求1或2所述的光纤传感器，其中，所述多模纤芯部分包含0至45重量％GeO2。
4.如权利要求3所述的光纤传感器，其中，所述多模纤芯部分包含GeO2，以及多模纤芯部分的GeO2的最大量是5.5重量％至35重量％。
5.如权利要求3所述的光纤传感器，其中，多模纤芯部分中的GeO2的最大量是5-20重量％。
6.如前述权利要求中任一项所述的光纤传感器，其中，所述光纤长度是约10m至100km。
7.如前述权利要求中任一项所述的光纤传感器，其中，所述单模纤芯部分具有最大相对折射率Δ31，以及多模差异纤芯部分具有最大相对折射率Δ32，并且0.2％≤Δ31-Δ32≤1％。
8.如前述权利要求中任一项所述的光纤传感器，其中，在光纤的传输端，纤芯被布置和构造成在光纤内，以从光斑尺寸是约1微米至约100微米的单光源接收入射光。
9.如权利要求1-8中任一项所述的光纤传感器，其中，在光纤的传输端将来自光源的光注入纤芯之后，光纤的传输端展现出从单模纤芯部分和多模纤芯部分这两者发射出的总反向散射信号。
10.如权利要求9所述的传感器，其中，所述总反向散射信号的信噪比大于来自参比标准单模纤芯光纤的反向散射信号的信噪比。
11.如权利要求9所述的传感器，其中，所述总反向散射信号的信噪比大于来自参比单模纤芯光纤的反向散射信号的信噪比，是其至少2倍。
12.如权利要求9所述的传感器，其中，所述总反向散射信号的信噪比大于来自光纤的反向散射信号的信噪比，是其至少2倍。
13.如权利要求1-12中任一项所述的光纤传感器系统，其中，所述光纤构造成用于在约300nm至约2000nm波长以单模或少模中的一种运行，所述光纤传感器系统还包括：
光源，其构造成在光纤的传输端，将入射光的光斑引导进入纤芯的至少一部分中；
接收器，其构造成接收总反向散射信号，所述总反向散射信号是在光纤的传输端使得入射光的光斑被注入到混合纤芯中之后从混合纤芯发射出来的；以及
信号询问元件，其构造成处理反向散射信号以获得传感器测量，其对应于靠近光纤或者与光纤接触的特征。
14.如权利要求13所述的系统，其中，所述传感器测量包括选自下组的一个或多个特性：温度、压力、应变、位移和噪音。
15.如前述权利要求中任一项所述的光纤传感器，其中，所述光纤构造成在约600nm至1600nm波长运行。
16.如前述权利要求中任一项所述的光纤传感器，其中，所述光纤构造成在约1200nm至1600nm波长运行。
17.如权利要求1-8中任一项所述的光纤传感器，其中，所述光纤构造成在约1200nm至1600nm波长运行，所述光纤传感器还包括光源、接收器，所述光源提供1200nm至1600nm波长的光，所述接收器构造成接收位于1200nm至1600nm波长范围的总反向散射信号。
18.一种光纤，其包括：
(i)混合纤芯，其包括单模纤芯部分和多模纤芯部分；和
(ii)围绕混合纤芯的包层，其中
多模纤芯部分中的GeO2的最大量是5.5重量％至35重量％。
19.如权利要求18所述的光纤，其中，单模纤芯部分中的GeO2的最大量是6重量％至50重量％。
20.如权利要求18或19所述的光纤，其中，所述单模纤芯部分具有最大相对折射率Δ31，以及所述多模差异纤芯部分具有最大相对折射率Δ32，并且0.2％≤Δ31-Δ32≤1％。
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