折射率導(dǎo)引型微結(jié)構(gòu)光纖特性與傳感應(yīng)用

苑立波,戴 強(qiáng),田鳳軍,周 愛

(1.哈爾濱工程大學(xué) 理學(xué)院 光子科學(xué)與技術(shù)研究中心,哈爾濱 150001;2.黑龍江省光纖傳感科學(xué)與技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,哈爾濱 150001)

0 引 言

微結(jié)構(gòu)光纖大致可分為兩類：一類為帶隙傳光機(jī)理的多孔結(jié)構(gòu)光子晶體光纖[1];另一類為折射率導(dǎo)引波導(dǎo)型微結(jié)構(gòu)光纖。近年來,折射率導(dǎo)引波導(dǎo)型微結(jié)構(gòu)光纖得到了進(jìn)一步發(fā)展。按照光纖波導(dǎo)的結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu),纖芯呈環(huán)形波導(dǎo)分布的毛細(xì)管光纖等波導(dǎo)型微結(jié)構(gòu)光纖的研究[2-5]。多芯光纖的設(shè)想在上世紀(jì)70年代末就提出了[6],當(dāng)時(shí)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(shè)計(jì)制作了四芯單模光纖[7]。這些波導(dǎo)型微結(jié)構(gòu)光纖雖然在遠(yuǎn)程光纖通信的技術(shù)發(fā)展過程中遇到了諸如串?dāng)_與連接的困難,但在光纖器件和光纖傳感領(lǐng)域卻彰顯出其獨(dú)特的優(yōu)越性,為光纖傳感提供了更多的靈活性并可實(shí)現(xiàn)空間多維傳感。其中的毛細(xì)管光纖更是由于所特有的中空結(jié)構(gòu)在生物,醫(yī)學(xué),原子導(dǎo)引,智能修復(fù)等領(lǐng)域顯現(xiàn)出了標(biāo)準(zhǔn)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(dǎo)型微結(jié)構(gòu)光纖,這種光纖的光波是借助于折射率波導(dǎo)完成光能量傳輸?shù)?。其微結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)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(yīng)用實(shí)例。

1 折射率導(dǎo)引型微結(jié)構(gòu)光纖的制備方法

折射率導(dǎo)引型微結(jié)構(gòu)光纖多采用管棒組合法進(jìn)行光纖預(yù)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(yù)制棒制備方法。法國電信公司和阿爾卡特公司都進(jìn)行了四芯單模光纖的研究開發(fā),在預(yù)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(gè)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(yīng)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(cè)面磨成兩個(gè)相互垂直的平面,按照圖1(b)所示進(jìn)行組合,最后用石墨高頻爐加熱制成四芯光纖預(yù)制棒,將預(yù)制棒的兩端分別焊上尾棒,即可進(jìn)行拉絲[9]。

阿爾卡特公司制造芯棒最初采用的是標(biāo)準(zhǔn)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(shí)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(chǔ)上改進(jìn)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(yù)制棒,然后以原始預(yù)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(yù)制棒上形成外包層,構(gòu)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(yù)制棒,見圖1(c)。四芯光纖預(yù)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(yù)制棒中產(chǎn)生氣泡,套管及各芯棒和中心棒需進(jìn)行清洗,套管需進(jìn)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(yù)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(gòu)件良好熔合。熔縮后的預(yù)制棒即可進(jìn)行拉絲。

圖1 法國電信公司與阿爾卡特公司設(shè)計(jì)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(dǎo)引型微結(jié)構(gòu)光纖的特性參數(shù)

采用管棒堆積光纖預(yù)制棒制備技術(shù),近年來,哈爾濱工程大學(xué)光纖傳感器重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室設(shè)計(jì)制作一系列折射率導(dǎo)引型多芯微結(jié)構(gòu)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(gè)纖芯的數(shù)值孔徑為0.12。折射率分布的測量結(jié)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(yīng)用舉例

多芯微結(jié)構(gòu)光纖可以用于構(gòu)造各種光學(xué)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(yīng)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(xué)通道,可以構(gòu)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(dú)特優(yōu)點(diǎn),通過下面3個(gè)例子進(jìn)一步加以說明。

圖4 哈爾濱工程大學(xué)光纖傳感器重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室設(shè)計(jì)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(gòu)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(shù)實(shí)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(jìn)一步用來構(gòu)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(gè)特殊的應(yīng)用事例。在這個(gè)應(yīng)用中,分布在等邊直角三角形頂點(diǎn)的三芯光纖可用來構(gòu)造二維正交格子結(jié)構(gòu)光場[3],這樣的結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)光生成器,并將該正交格子光場投射到平面上,通過CCD相機(jī)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(jìn)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(jìn)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(shí)驗(yàn)原理示意圖(圖中方形格子光場由3個(gè)纖芯分布于等腰直角三角形3個(gè)頂點(diǎn)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(gòu)造多光束Mach-Zehnder干涉儀,文獻(xiàn) [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(biāo)系統(tǒng),得到光纖彎曲或扭曲導(dǎo)致的光纖端蜂巢形遠(yuǎn)場干涉場圖的位移或旋轉(zhuǎn)關(guān)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(gè)與溫度相關(guān)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(dāng)工作在波長1 300 nm時(shí)CT=0.762×10-5/℃,當(dāng)工作在波長1 550 nm時(shí)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(guān)于光纖中心的相位差表達(dá)式中的參數(shù),這些參數(shù)可以通過光纖遠(yuǎn)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(shí)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(yīng)于遠(yuǎn)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(jié) 語

本文簡要介紹了折射率波導(dǎo)型微結(jié)構(gòu)光纖的進(jìn)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(jié)構(gòu)的測試結(jié)果。最后,給出了幾個(gè)光纖傳感應(yīng)用實(shí)例作為其可能的各種應(yīng)用的說明。

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