[发明专利]一种具有相近强度多峰布里渊增益谱的渐变折射率光纤有效

专利信息
申请号: 201810916015.0 申请日: 2018-08-13
公开(公告)号: CN109085676B 公开(公告)日: 2020-03-10
发明(设计)人: 路元刚;潘宇航;马海霞;吴彤;王吉明;刘友文 申请(专利权)人: 南京航空航天大学
主分类号: G02B6/028 分类号: G02B6/028;G01D5/353
代理公司: 南京钟山专利代理有限公司 32252 代理人: 戴朝荣
地址: 210016 江*** 国省代码: 江苏;32
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摘要:
搜索关键词: 一种 具有 相近 强度 多峰布里渊 增益 渐变 折射率 光纤
【说明书】:

本发明涉及一种具有相近强度多峰布里渊增益谱的渐变折射率光纤,该渐变光纤的折射率分布为:纤轴处的折射率最高,沿径向则随半径的增大而减小,在包层与纤芯的分界面处最低。对于1550nm的入射光,光纤纤轴处的折射率n1=1.4742,包层的折射率n2=1.4447,纤芯半径为a=1.3μm。在纤芯内部,折射率服从平方律曲线分布。当入射光波长为1550nm时,该渐变折射率光纤的布里渊增益谱中出现峰值功率相差为3dB左右的三个峰。本发明可有效用于基于布里渊散射拍频谱探测的分布式光纤传感系统中,实现温度和应变的高精度快速分布式测量。

技术领域

本发明涉及基于布里渊散射的分布式光纤传感领域,具体涉及一种具有相近强度多峰布里渊增益谱的渐变折射率光纤。

背景技术

当光纤中发生布里渊散射时,后向的散射光会产生相对于入射光的频率下移,我们称之为斯托克斯光。而斯托克斯光的频移和强度则蕴含了周围环境的温度和应变的物理信息。基于此原理,我们可以利用光纤来进行分布式传感,实现温度与应变的连续分布式测量。该项技术可作为建筑、能源、交通和国防等诸多重要领域中的故障诊断和健康监测手段。该技术的一个重要缺陷,是在应用时为了获得布里渊增益谱需要对散射光进行扫频,这将消耗较长的时间,限制了传感系统的监测速度,很难应用于需要快速预警或快速故障诊断的场合。

2013年,Y.Lu等人提出了一种基于布里渊拍频谱探测的零差布里渊光时域反射(Brillouin optical time-domain reflectometry,BOTDR)分布式光纤传感技术,仅通过测量拍频谱的功率即成功实现了对光纤上温度和应变的快速分布式测量(参考文献1,Y.Lu,Z.Qin,P.Lu,D.Zhou,L.Chen,and X.Bao.Distributed strain and temperaturemeasurement by Brillouin beat spectrum[J].IEEE Photon.Technol.Lett.,2013,25(11):1050-1053)。这种检测方法需要布里渊增益谱中具有至少三个峰,并且强度相近,这样互拍而形成的布里渊拍频谱才可能有较强的信号,信噪比更强,得到的测量结果才更准确可靠。参考文献1中所使用的光纤为康宁公司的大有效面积光纤,实测其布里渊增益谱中三个峰的归一化强度分别为0,-15,-19dB。因为三个峰的峰值功率相差较大,导致测得的拍频谱信号也相应较弱,限制了测量精度。因此,设计出具有多峰且强度相近的布里渊增益谱的光纤可以提高基于布里渊拍频谱探测的光纤传感的测量精度。此外,这种新型光纤的制造也应当具有方便可行的优势,如结构简单、制造成本低和适宜批量生产等。

2017年,路元刚等提出了一种新型光子晶体光纤结构(参考文献2,路元刚、于若玮、赖奕、汤一乇、赵赟钦、王吉明、刘友文,一种具有相近强度多峰布里渊散射谱的光子晶体光纤,专利申请号:201710229057.2)。根据理论计算,这种光纤的布里渊增益谱中的四个峰的峰值功率相差都在2dB以内。但是由于光子晶体光纤的制作工艺复杂,成本较高,并且损耗比较大,很难应用于需要长距离传感的监测系统。另外,2004年,Y.Koyamada等人(参考文献3,Y.Koyamada,S.Sato,S.Nakamura,H.Sotobayashi and W.Chujo.Simulating anddesigning Brillouin gain spectrum in single-mode fibers[J].J.Lightw.Technol,2004,22(2):631-639.)提出了一种纤芯掺锗的传统实芯光纤,其布里渊增益谱三个峰的归一化强度分别为0,-5和-4dB。这是目前报道的峰值强度最接近的光纤,但是由于纤芯掺锗含量较多,导致光纤的散射损耗较大,其损耗大约是0.6~0.7dB/km。而一般用于较长距离通信或传感的光纤损耗需要小于0.5dB/km。因此,发明一种制造方便、损耗低的强度相近的多峰布里渊增益谱光纤,对基于布里渊拍频谱探测的分布式光纤传感系统具有重要意义。

发明内容

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