CN111766663B - 光纤尾端反射消除方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种光纤尾端反射消除方法，该方法包括步骤S110、将与光纤尾端连接的光纤段的涂覆层去除；步骤S120、对所述光纤段做微弯处理，所述光纤段经微弯处理后，其包层上具有凸起和凹陷，入射光通过畸变的所述光纤段时发生高次模与辐射模之间的模式耦合，从而引发所述入射光的光功率急剧衰减，消除尾端反射。本发明光纤尾端反射消除方式非常简单，结构稳定，且不需要其他附属结构，占用空间小，无需采用其他材料进行涂覆，不仅可以有效地消除尾端反射，而且可以不必牺牲分辨率来减弱尾端反射。

Description

光纤尾端反射消除方法

技术领域

本发明属于光纤传感技术领域，具体涉及一种光纤尾端反射消除方法。

背景技术

光纤传感器自研发以来就受到了很多关注，光纤的几何形状具有多方面的适应性,可以制成任意形状的光纤传感器；可以制造传感各种不同物理信息(声、磁、温度、旋转等)的器件；可以用于高压、电气噪声、高温、腐蚀、或其它的恶劣环境。基于光纤传感的光时域反射仪(OTDR)和光频域反射仪(OFDR)在很多测量领域得到了广泛的应用。其中OFDR技术在形状测量、温度测量、应力测量等方面大放光彩。OFDR系统的测量信号为光纤中的三种散射信号之一——瑞利散射的后向散射光，当一根光纤选定好后，其瑞利散射便可视为一种稳定的性质，随光纤空间分布的瑞利散射对应力、温度敏感。当外界温度或应力变化时，光纤瑞利散射光谱也会因受到外界应力、温度作用后发生漂移。因此，只要能够测量出瑞利散射光谱的漂移量，便可以对外界应力、温度进行传感。但是由于后向瑞利散射信号能量级较小，容易受到光纤尾端反射信号的干扰，端面反射的存在对整个系统的测量精度和稳定性都有很大的影响。现有的手段可以通过牺牲分辨率以消除尾端反射的影响，但这样极大的限制了光纤传感器的发展。一种完善稳定的光纤尾端反射消除方法及装置，可以极大的提高OFDR系统的稳定性和准确性，促进光纤传感器的跨越式发展。

现有的尾端处理方法有使用折射率匹配液、涂覆折射率匹配膏、尾端打环、熔接多段特种光纤或尾端使用匹配材料装置的方式。但是在实际使用过程中存在很多缺陷，例如，折射率匹配液为液体，使用过程中不宜保护，容易撒漏；折射率匹配膏在使用过程中易脱落，温度测量中易融化等问题；打环结构长时间使用不稳定，易散落；熔接多段特种光纤占用尾部空间且特种光纤部位无法测量；匹配材料装置在有限空间内无法使用等问题。因此发明一种稳定、实现简单且不占用空间的尾端反射消除方式及其重要。

发明内容

本发明提供一种光纤尾端反射消除方法，以解决目前消除尾端反射存在的结构稳定性较差、实现复杂且占用空间大的问题。

根据本发明实施例的第一方面，提供一种光纤尾端反射消除方法，包括以下步骤：

步骤S110、将与光纤尾端连接的光纤段的涂覆层去除；

步骤S120、对所述光纤段做微弯处理，所述光纤段经微弯处理后，其包层上具有凸起和凹陷，入射光通过畸变的所述光纤段时发生高次模与辐射模之间的模式耦合，从而引发所述入射光的光功率急剧衰减，消除尾端反射。

在一种可选的实现方式中，所述光纤段为光纤上从所述光纤尾端沿反射方向延伸的设定长度光纤段。

在另一种可选的实现方式中，所述光纤段上包括至少一个半弧形子光纤段或者至少一个拱形子光纤段。

在另一种可选的实现方式中，所述光纤段为与光纤中的所述光纤尾端熔接，且熔接后与所述光纤发生模场失配效应的特种光纤，所述特种光纤的长度取决于该类型子光纤段的强度分布状态，选取强度最小处作为所述特种光纤的终点。

在另一种可选的实现方式中，所述光纤段由多个子光纤段依次熔接组成，该子光纤段为同种类型或不同类型，各个子光纤段的长度取决于该类型子光纤段的强度分布状态，每个子光纤段上与下一子光纤段的熔接部分均为该子光纤段强度分布最小的位置处，各个子光纤段均与该光纤发生模场失配效应。

在另一种可选的实现方式中，所述光纤段为无芯光纤或多模光纤。

在另一种可选的实现方式中，所述步骤S120中对所述光纤段做微弯处理包括：采用机械方式对所述光纤段进行微弯处理，或者采用加热的方式对所述光纤段的包层对应位置处进行加热，以对所述光纤段进行微弯处理。

在另一种可选的实现方式中，所述光纤段经微弯处理后产生微米级的弯曲，所述光纤为单模光纤。

在另一种可选的实现方式中，所述包层上的凸起和凹陷，致使所述纤芯和包层的结构不再满足全内反射条件，入射光通过畸变的所述光纤段的过程中，部分入射光从所述光纤段中泄露出来，入射光在所述光纤段内发生高次模与辐射模之间的模式耦合。

在另一种可选的实现方式中，入射光在所述熔接处产生一次损耗，因特种光纤的光强周期性变化特性，在所述光纤段的传输过程中会出现损耗，且因所述包层上的凸起和凹陷，部分入射光从所述光纤段中泄露出来，也会产生损耗。

本发明的有益效果是：

1、本发明将与光纤尾端连接的光纤段的涂覆层去除，并对光纤段做微弯处理，使入射光通过畸变的所述光纤段时发生高次模与辐射模之间的模式耦合，从而引发所述入射光的光功率急剧衰减，消除尾端反射，整个方式非常简单，结构稳定，且不需要其他附属结构，占用空间小，无需采用其他材料进行涂覆，不仅可以有效地消除尾端反射，而且可以不必牺牲分辨率来减弱尾端反射；

2、本发明在对光纤尾端进行直接微弯处理时，若采用机械方式进行微弯处理，则入射光通过所述光纤段时不仅存在弯曲损耗，而且包层因受到挤压和拉伸而产生的凸起和凹陷，致使所述纤芯和包层的结构不再满足全内反射条件，入射光通过畸变的所述光纤段的过程中，部分入射光从所述光纤段中泄露出来，由此可以使入射光的光功率急剧衰减；若采用加热方式进行微弯处理，则入射光通过所述光纤段时不仅存在弯曲损耗，而且光纤段包层上不仅存在因挤压和拉伸而产生的微观凸起和凹陷，而且在加热过程中光纤段包层上也产生微观凸起和凹陷，至此纤芯和包层的结构不再满足全内反射条件，入射光通过畸变的所述光纤段的过程中，部分入射光从所述光纤段中泄露出来，由此同样可以使入射光的光功率急剧衰减，而且采用加热方式对光纤段微弯处理时，直接利用包层固化后的形态对光纤段进行微弯状态固定，实现手段非常简单；

3、本发明通过对与光纤尾端熔接的特种光纤进行微弯处理，入射光不仅存在弯曲损耗，而且在所述熔接处产生一次损耗，因特种光纤的光强周期性变化特性，在所述光纤段的传输过程中会出现损耗，因所述包层上的凸起和凹陷，部分入射光从所述光纤段中泄露出来，也会产生损耗，由此可以使入射光在光纤段传输过程中光功率急剧衰减；

4、本发明通过选取强度最小处作为所述特种光纤的终点，使所述光纤段由多个子光纤段依次熔接组成，每个子光纤段上与下一子光纤段的熔接部分均为该子光纤段强度分布最小的位置处，可以进一步增大入射光在光纤段中的衰减量；

5、本发明在对与光纤尾端熔接的特种光纤进行微弯处理时，同样可以采用机械方式或加热方式。

附图说明

图1是本发明光纤尾端反射消除方法的一个实施例流程图；

图2是本发明对光纤直接进行微弯处理的一个实施例结构示意图；

图3是本发明对光纤直接进行微弯处理的另一个实施例结构示意图；

图4是本发明将光纤与特种光纤熔接后进行微弯处理的一个实施例结构示意图；

图5是未经微弯处理时，OFDR系统在光纤尾端采集到的强度谱；

图6是未经微弯处理时的强度谱放大图；

图7是经微弯处理后，OFDR系统在光纤尾端采集到的强度谱。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本发明实施例中的技术方案，并使本发明实施例的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本发明实施例中技术方案作进一步详细的说明。

在本发明的描述中，除非另有规定和限定，需要说明的是，术语“连接”应做广义理解，例如，可以是机械连接或电连接，也可以是两个元件内部的连通，可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语的具体含义。

参见图1，为本发明光纤尾端反射消除方法的一个实施例流程图。该光纤尾端反射消除方法可以包括以下步骤：

步骤S110、将与光纤尾端连接的光纤段的涂覆层去除；

步骤S120、对所述光纤段做微弯处理，所述光纤段经微弯处理后，其包层上具有凸起和凹陷，入射光通过畸变的所述光纤段时发生高次模与辐射模之间的模式耦合，从而引发所述入射光的光功率急剧衰减，消除尾端反射。

本实施例中，光纤可以为单模光纤，所述光纤段可以为光纤上从所述光纤尾端沿反射方向延伸的设定长度光纤段，即直接对单模光纤的尾端进行微弯处理，且所述光纤段上可以包括至少一个半弧形子光纤段或者至少一个拱形子光纤段。结合图2所示，在光纤段1上形成有一个半弧形子光纤段，当然，光纤段1上还可以形成多个半弧形子光纤段，各个半弧形子光纤段之间通过一小段光纤连接，半弧形子光纤段的两端所连接的小段光纤不在同一水平线上。结合图3所示，在光纤段1上形成有一个拱形子光纤段，该拱形子光纤段的一端与左侧光纤连接，另一端可以空置，或者通过另一小段光纤与下一个拱形子光纤段或者半弧形光纤段连接，该拱形子光纤段的两端位于同一水平线上，该半弧形子光纤段可以为拱形子光纤段的一半，具体地，半弧形子光纤段和拱形子光纤段的角度和长度根据实际要求设置。可见，该光纤段上可以形成同为半弧形的多个子光纤段，同为拱形的多个子光纤段，也可以形成包括半弧形和拱形的多个子光纤段。该光纤段上子光纤段的个数可以根据实际需要来确定。

其中，在步骤S120中所述光纤段经微弯处理后可以产生微米级的弯曲。对所述光纤段做微弯处理可以包括：采用机械方式对所述光纤段进行微弯处理，或者采用加热的方式对所述光纤段的包层对应位置处进行加热，以对所述光纤段进行微弯处理。在采用机械方式对所述光纤段进行微弯处理时，可选择对光纤进行锯齿模具挤压，造成弓形微弯结构；或使用冲压法、焊接法、编织法、激光切割法等方法对光纤进行微弯加工，加工方式可以选择先进行微弯处理再进行末端切割，或先进行切割再在尾端进行微弯处理。在采用机械方式完成微弯处理后，光纤段包层受到挤压和拉伸，其在几何上的不完善性造成在相应区域存在微观的凸起和凹陷，入射光本可以在满足全反射条件的纤芯中传输，但经微弯处理后，纤芯和包层的结构不再满足全内反射条件，因此入射光通过光纤段时部分光束会被折射掉，即从纤芯泄露出来，从而使入射光产生损耗，使得入射光强度急剧衰减，入射至光纤尾端的端面的光束极其微弱，从而减弱光纤尾端反射回的反射光强度，消除反射光对信号光的干扰。

在采用加热方式对所述光纤段的包层对应位置进行加热时，可以采用直接点式加热或电弧放电加热等方式。在采用加热方式对光纤段微弯处理时，直接利用包层固化后的形态对光纤段进行微弯状态固定，实现手段非常简单，并且微弯处理后的光纤段包层上不仅存在因挤压和拉伸而产生的微观凸起和凹陷，而且在加热过程中光纤段包层上也产生微观凸起和凹陷。同样地，由于经微弯处理后，光纤段包层上产生了微观的凸起和凹陷，纤芯和包层的结构不再满足全内反射条件，因此入射光通过光纤段时部分光束会被折射掉，即从纤芯泄露出来，从而使入射光产生损耗，使得入射光强度急剧衰减，入射至光纤尾端的端面的光束极其微弱，从而减弱光纤尾端反射回的反射光强度，消除反射光对信号光的干扰。可见，在对光纤尾端直接进行微弯处理时，所述包层上的凸起和凹陷，致使所述纤芯和包层的结构不再满足全内反射条件，入射光通过畸变的所述光纤段的过程中，部分入射光从所述光纤段中泄露出来，入射光在所述光纤段内发生高次模与辐射模之间的模式耦合。在加热光纤段时，加热量应适中，若过小，无法使光纤段出现弯曲，若过大，光纤段弯曲度会较大，对包层造成严重影响，进而影响测量。

另外，结合图4所示，所述光纤段1还可以为与光纤2中的所述光纤尾端熔接，且熔接后与所述光纤发生模场失配效应的特种光纤，例如无芯光纤或多模光纤等，所述特种光纤的长度取决于该类型子光纤段的强度分布状态，选取强度最小处作为所述特种光纤的终点。其中特种光纤在与光纤尾端熔接处会产生损耗，入射光进入特种光纤后(例如在进入无芯光纤后会产生多模干涉)，光强呈周期性变化，选择强度最小处作为无芯光纤的终点，可以使入射光在无芯光纤传输过程中，也出现衰减，以无芯光纤为例，在对无芯光纤进行微弯处理后，由于无芯光纤不存在纤芯结构，入射光不会被束缚在光纤中传输，无芯光纤包层上的凸起和凹陷，致使入射光在无芯光纤传输过程中产生二次损耗。可见，在对光纤尾端熔接的光纤段进行微弯处理时，入射光在所述熔接处产生一次损耗，因特种光纤的光强周期性变化特性，在所述光纤段的传输过程中会出现损耗，且因所述包层上的凸起和凹陷，部分入射光从所述光纤段中泄露出来，也会产生损耗，由此可以使入射光在光纤段传输过程中光功率急剧衰减。

再者，特种光纤内部在不同长度位置处的强度分布状态各不相同，其存在强度最小的对应长度。为了进一步增大入射光在光纤段中的衰减量，所述光纤段可以由多个子光纤段依次熔接组成，该子光纤段可以为同种类型或不同类型，各个子光纤段的长度取决于该类型子光纤段的强度分布状态，每个子光纤段上与下一子光纤段的熔接部分均为该子光纤段强度分布最小的位置处，各个子光纤段均与该光纤发生模场失配效应。此外，为了便于熔接，光纤段的尺寸与光纤的尺寸相匹配(例如包层横截面直径相等)。同样地，所述步骤S120中对所述光纤段做微弯处理包括：采用机械方式对所述光纤段进行微弯处理，或者采用加热的方式对所述光纤段的包层对应位置处进行加热，以对所述光纤段进行微弯处理。

上述实施例中，上述光纤的纤芯内径可以为8～10μm，包层直径可以为通用的125μm等，上述单模光纤可以为普通单模光纤，也可以为特殊结构单模光纤，光纤的涂覆层可以为通用涂覆层或特种涂覆层。光纤尾端反射信号的强度表达式可以为

其中，A为所接收到的所有点瑞利反射信号与参考信号的拍频信号强度，MAX(A)为所接收到的所有点反射信号与参考信号的拍频信号强度最大值。

光纤尾端反射信号的功率表达式可以为：

从上述两个表达式，都可以看出端面反射较强的情况下，后向瑞利散射信号会被淹没，影响测量结果。为此，本发明对与光纤尾端连接的光纤段进行微弯处理，在弯曲损耗中，其损耗计算公式可以表示为：

式中

其中，NA为数值孔径，a_m为纤芯半径，a_mm为数值孔径NA与纤芯半径a_m的突变型多模光纤的微弯损耗，K为常数，k为自由波数，p为弯曲功率光谱因子，w₀为模场半径，n1为纤芯折射率。此外，结合图5至图7所示，从图中可以看出，与光纤尾端连接的光纤段经微弯处理后，光纤尾端反射点的反射信号完全消除。本发明可应用于直接暴露在空气中的光纤传感器中，也可以应用于密闭式的光纤传感器中。

由上述实施例可见，本发明将与光纤尾端连接的光纤段的涂覆层去除，并对光纤段做微弯处理，使入射光通过畸变的所述光纤段时发生高次模与辐射模之间的模式耦合，从而引发所述入射光的光功率急剧衰减，消除尾端反射，整个方式非常简单，结构稳定，且不需要其他附属结构，占用空间小，无需采用其他材料进行涂覆，不仅可以有效地消除尾端反射，而且可以不必牺牲分辨率来减弱尾端反射。

本领域技术人员在考虑说明书及实践这里公开的发明后，将容易想到本发明的其它实施方案。本申请旨在涵盖本发明的任何变型、用途或者适应性变化，这些变型、用途或者适应性变化遵循本发明的一般性原理并包括本发明未公开的本技术领域中的公知常识或惯用技术手段。说明书和实施例仅被视为示例性的，本发明的真正范围和精神由下面的权利要求指出。

应当理解的是，本发明并不局限于上面已经描述并在附图中示出的精确结构，并且可以在不脱离其范围进行各种修改和改变。本发明的范围仅由所附的权利要求来管制。

Claims (9)

1.一种光纤尾端反射消除方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤S110、将与光纤尾端连接的光纤段的涂覆层去除；

步骤S120、对所述光纤段做微弯处理，所述光纤段经微弯处理后，其包层上具有凸起和凹陷，入射光通过畸变的所述光纤段时发生高次模与辐射模之间的模式耦合，从而引发所述入射光的光功率急剧衰减，消除尾端反射；

所述光纤段为光纤上从所述光纤尾端沿反射方向延伸的设定长度光纤段；

所述包层上的凸起和凹陷，致使纤芯和包层的结构不再满足全内反射条件，入射光通过畸变的所述光纤段的过程中，部分入射光从所述光纤段中泄露出来，入射光在所述光纤段内发生高次模与辐射模之间的模式耦合。

2.根据权利要求1所述的光纤尾端反射消除方法，其特征在于，所述光纤段上包括至少一个半弧形子光纤段或者至少一个拱形子光纤段。

3.根据权利要求1所述的光纤尾端反射消除方法，其特征在于，所述步骤S120中对所述光纤段做微弯处理包括：采用机械方式对所述光纤段进行微弯处理，或者采用加热的方式对所述光纤段的包层对应位置处进行加热，以对所述光纤段进行微弯处理。

4.根据权利要求1所述的光纤尾端反射消除方法，其特征在于，所述光纤段经微弯处理后产生微米级的弯曲，所述光纤为单模光纤。

5.一种光纤尾端反射消除方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤S110、将与光纤尾端连接的光纤段的涂覆层去除；

步骤S120、对所述光纤段做微弯处理，所述光纤段经微弯处理后，其包层上具有凸起和凹陷，所述光纤段为与光纤中的所述光纤尾端熔接，且熔接后与所述光纤发生模场失配效应的特种光纤，所述特种光纤的长度取决于该类型光纤段的强度分布状态，选取强度最小处作为所述特种光纤的终点。

6.根据权利要求5所述的光纤尾端反射消除方法，其特征在于，所述光纤段由多个子光纤段依次熔接组成，该子光纤段为同种类型或不同类型，各个子光纤段的长度取决于该类型子光纤段的强度分布状态，每个子光纤段上与下一子光纤段的熔接部分均为该子光纤段强度分布最小的位置处，各个子光纤段均与该光纤发生模场失配效应。

7.根据权利要求5或6所述的光纤尾端反射消除方法，其特征在于，所述光纤段为无芯光纤或多模光纤。

8.根据权利要求5所述的光纤尾端反射消除方法，其特征在于，所述步骤S120中对所述光纤段做微弯处理包括：采用机械方式对所述光纤段进行微弯处理，或者采用加热的方式对所述光纤段的包层对应位置处进行加热，以对所述光纤段进行微弯处理。

9.根据权利要求5所述的光纤尾端反射消除方法，其特征在于，入射光在熔接处产生一次损耗，因特种光纤的光强周期性变化特性，在所述光纤段的传输过程中会出现损耗，且因所述包层上的凸起和凹陷，部分入射光从所述光纤段中泄露出来，也会产生损耗。

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