折射率导引型微结构光纤特性与传感应用

苑立波,戴 强,田凤军,周 爱

(1.哈尔滨工程大学 理学院 光子科学与技术研究中心,哈尔滨 150001;2.黑龙江省光纤传感科学与技术重点实验室,哈尔滨 150001)

0 引 言

微结构光纤大致可分为两类：一类为带隙传光机理的多孔结构光子晶体光纤[1];另一类为折射率导引波导型微结构光纤。近年来,折射率导引波导型微结构光纤得到了进一步发展。按照光纤波导的结构不同,开展了包括双芯光纤,三芯光纤,四芯光纤在内的多芯光纤、纤芯呈线性阵列分布的线性阵列芯光纤以及内部为中空结构,纤芯呈环形波导分布的毛细管光纤等波导型微结构光纤的研究[2-5]。多芯光纤的设想在上世纪70年代末就提出了[6],当时的主要目的是希望通过将这种具有集成特性的新型光纤用于光纤光缆,可降低光纤光缆的制造成本并增加光纤光缆的密集度。1994年法国电信公司设计制作了四芯单模光纤[7]。这些波导型微结构光纤虽然在远程光纤通信的技术发展过程中遇到了诸如串扰与连接的困难,但在光纤器件和光纤传感领域却彰显出其独特的优越性,为光纤传感提供了更多的灵活性并可实现空间多维传感。其中的毛细管光纤更是由于所特有的中空结构在生物,医学,原子导引,智能修复等领域显现出了标准单模光纤所无法具有的优越性。

本文主要讨论了折射率波导型微结构光纤,这种光纤的光波是借助于折射率波导完成光能量传输的。其微结构种类主要有多芯光纤、线性阵列芯光纤、环形阵列芯光纤等多种。概述了这类微结构光纤的制备方法,给出了其折射率分布特性,讨论了若干传感应用实例。

1 折射率导引型微结构光纤的制备方法

折射率导引型微结构光纤多采用管棒组合法进行光纤预制棒的制备。图1(a)为法国电信公司制备的四芯单模光纤,图1(b)为所采用的光纤预制棒制备方法。法国电信公司和阿尔卡特公司都进行了四芯单模光纤的研究开发,在预制棒的制作方面采用了不同的制造工艺。法国电信公司在制造各个芯棒的过程中,采用的是90年代初与阿尔卡特公司联合开发的FCVD新工艺,即利用石墨高频感应炉加热、以精密研磨的大直径厚壁合成石英管为衬底的MCVD工艺[8]。然后把各芯棒侧面磨成两个相互垂直的平面,按照图1(b)所示进行组合,最后用石墨高频炉加热制成四芯光纤预制棒,将预制棒的两端分别焊上尾棒,即可进行拉丝[9]。

阿尔卡特公司制造芯棒最初采用的是标准的MCVD工艺[10],为了保证芯棒具有合格的几何形状及尺寸,采用这种工艺在熔缩成棒时须格外小心。随后该公司开发了APVD工艺来制造芯棒,APVD工艺是在MCVD-plus工艺基础上改进的混合工艺,利用薄壁合成石英管为衬底,以MCVD法制作原始预制棒,然后以原始预制棒为靶棒,通过高频等离子炬将高纯石英粉熔制到原始预制棒上形成外包层,构成光纤芯棒。用套管法将做好的光纤芯棒制造成四芯光纤预制棒,见图1(c)。四芯光纤预制棒是使用4根芯棒和一根起填隙作用的石英玻璃棒 (作为中心棒)固定好之后插入石英玻璃套管。为避免在预制棒中产生气泡,套管及各芯棒和中心棒需进行清洗,套管需进行热抛光。最后用套管玻璃车床将该种管棒组合体熔缩成四芯光纤预制棒,并在熔缩过程中对套管内部抽真空,以保证不遗留任何间隙及气泡,使各石英玻璃构件良好熔合。熔缩后的预制棒即可进行拉丝。

图1 法国电信公司与阿尔卡特公司设计制作的四芯单模光纤Fig.1 Four-core single-mode fiber designed and fabricated by France Telecom and Alcatel

2 折射率导引型微结构光纤的特性参数

采用管棒堆积光纤预制棒制备技术,近年来,哈尔滨工程大学光纤传感器重点实验室设计制作一系列折射率导引型多芯微结构光纤,见图2～图4。图中给出的是光纤截面照片、二维和三维折射率分布图。图2给出的是环形分布的26芯光纤,其外径 125 μm, 纤芯直径为 5 μm, 芯间距为 4 μm 。每个纤芯的数值孔径为0.12。折射率分布的测量结果见图2。图3和图4给出的是两种线性分布多芯光纤,图3为6芯光纤,椭圆纤芯的长轴为6.5 μm, 短轴为4.8 μm,芯间距是5 μm。而图4给出的是方形和长方形芯交互排列的14芯线性分布阵列芯光纤,该光纤的纤芯尺寸分别为3 μm×3 μm和 6 μm ×3 μm, 芯间距 3 μm 。

3 应用举例

多芯微结构光纤可以用于构造各种光学器件及光纤传感器,如：多芯光纤激光器[11-12],双芯光纤温度与应变传感器[13],多芯光纤光栅[14]等。因此,借助于嵌在一根光纤中的多光学通道,可以构造各种新型传感器,为了阐明其在光纤传感与测试方面的独特优点,通过下面3个例子进一步加以说明。

图4 哈尔滨工程大学光纤传感器重点实验室设计制作的双周期线性阵列14芯光纤Fig.4 Linear array 14-cores fiber made by Key Lab of Harbin Engineering University

3.1 纤维集成Michelson微干涉仪

采用双芯光纤,可以构造光纤Michelson微干涉仪[15],见图5。纤维集成Michelson干涉仪由激光光源、光纤环行器、光探测器、单模光纤、锥形耦合区、单模双芯光纤和反射镜组成。光源和光探测器均采用分立式元件,并与光纤环行器的输入端1和输出端3相连接;环行器输出端2连接单模光纤,通过光纤锥体耦合区与双芯光纤相连接;锥体耦合器利用焊接融拉技术实现双芯光纤的功率分配与耦合[2];双芯光纤的末端被镀上高反射率膜或者在双芯光纤中写入同波长的光纤光栅作为反射器,目的是使入射的光按原路返回。这种纤维集成Michelson微干涉仪可以被进一步用来构造光纤传感器,如光纤位移传感器[15]或光纤流速传感器[16]。

图5 集成于单根光纤的Michelson微干涉仪Fig.5 In-fiber integrated Michelson micro interferometer

3.2 三芯光纤非接触形貌检测

非接触物体形貌检测是多芯光纤的又一个特殊的应用事例。在这个应用中,分布在等边直角三角形顶点的三芯光纤可用来构造二维正交格子结构光场[3],这样的结构光可用来作为非接触形貌检测的投影光场。图6(a)给出了采用这种三芯光纤作为结构光生成器,并将该正交格子光场投射到平面上,通过CCD相机获取格子光场的图像作为参考图像,然后放上待测物体,再次由CCD获取正交格子被物体表面调制了的畸变的图像,见图6(b)。经过对两幅图像进行二维傅里叶变换后,减掉正交格子本底的信息,余下的即为物体表面形貌信息,再进行反傅里叶变换和去包裹处理后,就可以重建物体的形貌,见图6(c)。

图6 物体形貌非接触测量实验原理示意图(图中方形格子光场由3个纤芯分布于等腰直角三角形3个顶点的三芯光纤生成)Fig.6 Description of non-contact profilmerty working principle(the square grid pattern is formed by a three core fiber)

3.3 三芯光纤弯曲传感器

采用多芯光纤可以构造多光束Mach-Zehnder干涉仪,文献 [17]借助于四芯光纤给出了一种四光束光纤弯曲传感器。

本文则利用三芯光纤作为敏感单元,建立如图7所示的光纤端坐标系统,得到光纤弯曲或扭曲导致的光纤端蜂巢形远场干涉场图的位移或旋转关系如下：

式中k0=2π/λ是波数;n为光纤芯的折射率;L为多芯光纤的长度;A(T)是一个与温度相关的常数;CT与αf分别代表温度系数和光纤热膨胀参数。对于SMF-28型光纤,αf=5.5×10-7/℃,当工作在波长1 300 nm时CT=0.762×10-5/℃,当工作在波长1 550 nm时CT=0.811×10-5/℃[18]。光纤弯曲曲率R,扭转角度,环境温度 T都是纤芯关于光纤中心的相位差表达式中的参数,这些参数可以通过光纤远场干涉蜂巢格子的位移与转角的测量来获得。

借助于上述传感原理,可以实现弯曲和扭转的传感测量。

图7 三芯光纤弯曲与扭转对应于远场蜂巢格子的位移与旋转Fig.7 Three core fiber based bending and twisting sensor corresponding to the far-field hexagonal grid pattern displacement and rotation

4 结 语

本文简要介绍了折射率波导型微结构光纤的进展情况,讨论了这类光纤的制备方法,给出了几种光纤的折射率剖面结构的测试结果。最后,给出了几个光纤传感应用实例作为其可能的各种应用的说明。

[1]J.Knight,J.Broeng,T.Birks,P.Russell,Photonic band gap guidance in optical fibers[J].Science,1998,282：1 476-1 478.

[2]L.B.Yuan,Z.H.Liu,J.Yang.Coupling characteristics between single core fiber and multi-core fiber,Opt.Lett.,2006,31(22)：3 237-3 239.

[3]L.B.Yuan,J.Yang,C.Y.Guan,et al.Three-core fiber based shape sensing application[J].Opt.Lett.,2008,33(6)：578-581.

[4]L.B.Yuan,Q.Dai,F.J.Tian,et al.A linear-corearray microstructured fiber[J].Opt.Lett.,2009,34(10)：1 531-1 533.

[5]L.B.Yuan,X.L.Zhu,T.Zhang,et al.Capillary optical fiber linking approach for biosensors[C]//Proc.SPIE 7503,750372,2009.

[6]Inao S.High density multicore-fiber cable.Proceedings of International Wire&Cable Symposium,1979：370-384.

[7]L.E.Noane G.Ultra high density cables using a new concept of bunched multicore monomode fibers：a key for the future FTTH networks.Proceedings of International Wire&Cable Symposium,1994：203-209.

[8]Noane G.Le,et al.Preform manufacturing by FCVD(Furance CVD)using very large and precisely bored synthetic silica ingots.IWCS,479-486,1993：

[9]Boscher D,et al.Evolving technologies of optical infrastructure to optimize the FTT H development scenarios[C]//IWCS,1997：826-833.

[10]J.-F.Bourhis,et aI.Manufacturing and characterization of multicore fibers.IWCS,1997：584-589.

[11]P.Glas,M.Naumann,A.Schirrmacher,Th.Pertsch,The multicore fiber–a novel design for a diode pumped fiber laser[J].Opt.Commun.,1998,151：187-195.

[12]M.Wrage,P.Glas,D.Fischer,et al.Phase-locking of a multicore fiber laser by wave propagation through an annular waveguide[J].Opt.Commun.,2002,205,367-375.

[13]J.R.Dunphy,G.M eltz,M.M.EL Leil Abou,et al.Twin-core fiber-optic sensor for simultaneous temperature and strain measurement,Proc.[C]//3rd Conf.On Optical Fiber Communications,New Orleans,1984：58-60.

[14]M.J.Gander,D.Macrae,E.A.C.Galliot,et al.Two-axis bend measurement using multicore optical fiber[J].Opt.Commum.,2000,182,115-121.

[15]L.B.Yuan,J.Yang,Z.H.Liu,et al.In-fiber integrated Michelson interferometer[J].Opt.Lett.,2006,31(18)：2 692-2 694.

[16]L.B.Yuan,Z.H.Liu,J.Yang,A compact fiber optic flow velocity sensor based on a twin-core fiber Michelson interferometer[J].IEEE Journal of Sensors,2008,8(7)：1 114-1 117.

[17]L.B.Yuan,X.Wang.Four-beam single fiber optic interferometer and its sensingcharacteristics[J].Sensors and Actuators,A：Physical,2007,138(1)：9-15.

[18]L.B.Yuan,Effect of temperature and strain on fiber optic refractive index[J].Acta Optica Sinca,1997,17：1 713-1 717.