苑立波,戴 強,田鳳軍,周 愛

(1.哈爾濱工程大學 理學院 光子科學與技術研究中心,哈爾濱 150001;2.黑龍江省光纖傳感科學與技術重點實驗室,哈爾濱 150001)

0 引 言

微結構光纖大致可分為兩類：一類為帶隙傳光機理的多孔結構光子晶體光纖[1];另一類為折射率導引波導型微結構光纖。近年來,折射率導引波導型微結構光纖得到了進一步發(fā)展。按照光纖波導的結構不同,開展了包括雙芯光纖,三芯光纖,四芯光纖在內(nèi)的多芯光纖、纖芯呈線性陣列分布的線性陣列芯光纖以及內(nèi)部為中空結構,纖芯呈環(huán)形波導分布的毛細管光纖等波導型微結構光纖的研究[2-5]。多芯光纖的設想在上世紀70年代末就提出了[6],當時的主要目的是希望通過將這種具有集成特性的新型光纖用于光纖光纜,可降低光纖光纜的制造成本并增加光纖光纜的密集度。1994年法國電信公司設計制作了四芯單模光纖[7]。這些波導型微結構光纖雖然在遠程光纖通信的技術發(fā)展過程中遇到了諸如串擾與連接的困難,但在光纖器件和光纖傳感領域卻彰顯出其獨特的優(yōu)越性,為光纖傳感提供了更多的靈活性并可實現(xiàn)空間多維傳感。其中的毛細管光纖更是由于所特有的中空結構在生物,醫(yī)學,原子導引,智能修復等領域顯現(xiàn)出了標準單模光纖所無法具有的優(yōu)越性。

本文主要討論了折射率波導型微結構光纖,這種光纖的光波是借助于折射率波導完成光能量傳輸?shù)摹Ｆ湮⒔Y構種類主要有多芯光纖、線性陣列芯光纖、環(huán)形陣列芯光纖等多種。概述了這類微結構光纖的制備方法,給出了其折射率分布特性,討論了若干傳感應用實例。

1 折射率導引型微結構光纖的制備方法

折射率導引型微結構光纖多采用管棒組合法進行光纖預制棒的制備。圖1(a)為法國電信公司制備的四芯單模光纖,圖1(b)為所采用的光纖預制棒制備方法。法國電信公司和阿爾卡特公司都進行了四芯單模光纖的研究開發(fā),在預制棒的制作方面采用了不同的制造工藝。法國電信公司在制造各個芯棒的過程中,采用的是90年代初與阿爾卡特公司聯(lián)合開發(fā)的FCVD新工藝,即利用石墨高頻感應爐加熱、以精密研磨的大直徑厚壁合成石英管為襯底的MCVD工藝[8]。然后把各芯棒側面磨成兩個相互垂直的平面,按照圖1(b)所示進行組合,最后用石墨高頻爐加熱制成四芯光纖預制棒,將預制棒的兩端分別焊上尾棒,即可進行拉絲[9]。

阿爾卡特公司制造芯棒最初采用的是標準的MCVD工藝[10],為了保證芯棒具有合格的幾何形狀及尺寸,采用這種工藝在熔縮成棒時須格外小心。隨后該公司開發(fā)了APVD工藝來制造芯棒,APVD工藝是在MCVD-plus工藝基礎上改進的混合工藝,利用薄壁合成石英管為襯底,以MCVD法制作原始預制棒,然后以原始預制棒為靶棒,通過高頻等離子炬將高純石英粉熔制到原始預制棒上形成外包層,構成光纖芯棒。用套管法將做好的光纖芯棒制造成四芯光纖預制棒,見圖1(c)。四芯光纖預制棒是使用4根芯棒和一根起填隙作用的石英玻璃棒 (作為中心棒)固定好之后插入石英玻璃套管。為避免在預制棒中產(chǎn)生氣泡,套管及各芯棒和中心棒需進行清洗,套管需進行熱拋光。最后用套管玻璃車床將該種管棒組合體熔縮成四芯光纖預制棒,并在熔縮過程中對套管內(nèi)部抽真空,以保證不遺留任何間隙及氣泡,使各石英玻璃構件良好熔合。熔縮后的預制棒即可進行拉絲。

圖1 法國電信公司與阿爾卡特公司設計制作的四芯單模光纖Fig.1 Four-core single-mode fiber designed and fabricated by France Telecom and Alcatel

2 折射率導引型微結構光纖的特性參數(shù)

采用管棒堆積光纖預制棒制備技術,近年來,哈爾濱工程大學光纖傳感器重點實驗室設計制作一系列折射率導引型多芯微結構光纖,見圖2～圖4。圖中給出的是光纖截面照片、二維和三維折射率分布圖。圖2給出的是環(huán)形分布的26芯光纖,其外徑 125 μm, 纖芯直徑為 5 μm, 芯間距為 4 μm 。每個纖芯的數(shù)值孔徑為0.12。折射率分布的測量結果見圖2。圖3和圖4給出的是兩種線性分布多芯光纖,圖3為6芯光纖,橢圓纖芯的長軸為6.5 μm, 短軸為4.8 μm,芯間距是5 μm。而圖4給出的是方形和長方形芯交互排列的14芯線性分布陣列芯光纖,該光纖的纖芯尺寸分別為3 μm×3 μm和 6 μm ×3 μm, 芯間距 3 μm 。

3 應用舉例

多芯微結構光纖可以用于構造各種光學器件及光纖傳感器,如：多芯光纖激光器[11-12],雙芯光纖溫度與應變傳感器[13],多芯光纖光柵[14]等。因此,借助于嵌在一根光纖中的多光學通道,可以構造各種新型傳感器,為了闡明其在光纖傳感與測試方面的獨特優(yōu)點,通過下面3個例子進一步加以說明。

圖4 哈爾濱工程大學光纖傳感器重點實驗室設計制作的雙周期線性陣列14芯光纖Fig.4 Linear array 14-cores fiber made by Key Lab of Harbin Engineering University

3.1 纖維集成Michelson微干涉儀

采用雙芯光纖,可以構造光纖Michelson微干涉儀[15],見圖5。纖維集成Michelson干涉儀由激光光源、光纖環(huán)行器、光探測器、單模光纖、錐形耦合區(qū)、單模雙芯光纖和反射鏡組成。光源和光探測器均采用分立式元件,并與光纖環(huán)行器的輸入端1和輸出端3相連接;環(huán)行器輸出端2連接單模光纖,通過光纖錐體耦合區(qū)與雙芯光纖相連接;錐體耦合器利用焊接融拉技術實現(xiàn)雙芯光纖的功率分配與耦合[2];雙芯光纖的末端被鍍上高反射率膜或者在雙芯光纖中寫入同波長的光纖光柵作為反射器,目的是使入射的光按原路返回。這種纖維集成Michelson微干涉儀可以被進一步用來構造光纖傳感器,如光纖位移傳感器[15]或光纖流速傳感器[16]。

圖5 集成于單根光纖的Michelson微干涉儀Fig.5 In-fiber integrated Michelson micro interferometer

3.2 三芯光纖非接觸形貌檢測

非接觸物體形貌檢測是多芯光纖的又一個特殊的應用事例。在這個應用中,分布在等邊直角三角形頂點的三芯光纖可用來構造二維正交格子結構光場[3],這樣的結構光可用來作為非接觸形貌檢測的投影光場。圖6(a)給出了采用這種三芯光纖作為結構光生成器,并將該正交格子光場投射到平面上,通過CCD相機獲取格子光場的圖像作為參考圖像,然后放上待測物體,再次由CCD獲取正交格子被物體表面調(diào)制了的畸變的圖像,見圖6(b)。經(jīng)過對兩幅圖像進行二維傅里葉變換后,減掉正交格子本底的信息,余下的即為物體表面形貌信息,再進行反傅里葉變換和去包裹處理后,就可以重建物體的形貌,見圖6(c)。

圖6 物體形貌非接觸測量實驗原理示意圖(圖中方形格子光場由3個纖芯分布于等腰直角三角形3個頂點的三芯光纖生成)Fig.6 Description of non-contact profilmerty working principle(the square grid pattern is formed by a three core fiber)

3.3 三芯光纖彎曲傳感器

采用多芯光纖可以構造多光束Mach-Zehnder干涉儀,文獻 [17]借助于四芯光纖給出了一種四光束光纖彎曲傳感器。

本文則利用三芯光纖作為敏感單元,建立如圖7所示的光纖端坐標系統(tǒng),得到光纖彎曲或扭曲導致的光纖端蜂巢形遠場干涉場圖的位移或旋轉(zhuǎn)關系如下：

式中k0=2π/λ是波數(shù);n為光纖芯的折射率;L為多芯光纖的長度;A(T)是一個與溫度相關的常數(shù);CT與αf分別代表溫度系數(shù)和光纖熱膨脹參數(shù)。對于SMF-28型光纖,αf=5.5×10-7/℃,當工作在波長1 300 nm時CT=0.762×10-5/℃,當工作在波長1 550 nm時CT=0.811×10-5/℃[18]。光纖彎曲曲率R,扭轉(zhuǎn)角度,環(huán)境溫度 T都是纖芯關于光纖中心的相位差表達式中的參數(shù),這些參數(shù)可以通過光纖遠場干涉蜂巢格子的位移與轉(zhuǎn)角的測量來獲得。

借助于上述傳感原理,可以實現(xiàn)彎曲和扭轉(zhuǎn)的傳感測量。

圖7 三芯光纖彎曲與扭轉(zhuǎn)對應于遠場蜂巢格子的位移與旋轉(zhuǎn)Fig.7 Three core fiber based bending and twisting sensor corresponding to the far-field hexagonal grid pattern displacement and rotation

4 結 語

本文簡要介紹了折射率波導型微結構光纖的進展情況,討論了這類光纖的制備方法,給出了幾種光纖的折射率剖面結構的測試結果。最后,給出了幾個光纖傳感應用實例作為其可能的各種應用的說明。

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