一种具有相近强度多峰布里渊增益谱的阶跃折射率光纤

摘要

本发明公开了一种具有相近强度多峰布里渊增益谱的阶跃折射率光纤，该阶跃折射率光纤的折射率分布为：在纤芯中各处的折射率均等于n

说明书

技术领域

本发明涉及基于布里渊散射的分布式光纤传感技术领域，更具体的说是涉及一种低成本、易生产的具有相近强度多峰布里渊增益谱的阶跃折射率光纤。

背景技术

当泵浦光在光纤中传输时，由于非线性效应，会产生布里渊散射。光纤中的后向散射光的频率会产生相对于入射光的下移，这种光我们称为斯托克斯光，反之则为反斯托克斯光。而光纤本身所处的环境因素会影响斯托克斯光的频率和强度，因此通过对斯托克斯光的解调，可以获得分布式的温度和应变信息。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。不过该技术有一个较大缺陷，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。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。

2017年，在路元刚等申请的发明专利，一种具有相近强度多峰布里渊散射谱的光子晶体光纤中，专利申请号：201710229057.2，提出了一种新型光子晶体光纤结构。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等人提出了一种纤芯掺锗的传统渐变折射率光纤，其布里渊增益谱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。并且在该光纤的纤芯中，折射率是渐变的，这使得制造工艺相对阶跃折射率光纤复杂不少。

因此，如何提供一种适合长距离传感的阶跃折射率光纤是本领域技术人员亟需解决的问题。

发明内容

有鉴于此，本发明提供了一种具有强度相近的多峰布里渊散射谱的阶跃折射率光纤，结构简单，适宜大量生产，可用于基于布里渊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。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种具有相近强度多峰布里渊增益谱的阶跃折射率光纤，包括：纤芯和包层，所述纤芯各处的折射率均为n₁，所述包层各处的折射率均为n₂，且n₁>n₂，所述包层为纯二氧化硅，所述纤芯由质量百分比为85.5％～86.23％的二氧化硅和质量百分比为13.77％～14.5％的二氧化锗掺杂而成，所述纤芯的半径为1.2～1.4μm。

进一步，所述阶跃折射率光纤的光学模式为单模，模场能量分布在所述纤芯中，且呈高斯型分布同时具有三个声模式。

进一步，所述纤芯半径为1.2μm，所述二氧化锗的掺杂浓度为13.77％，所述纤芯的折射率n₁为1.4646，所述包层的折射率n₂为1.4447。

进一步，入射光波长为1.55μm时，所述阶跃折射率光纤的散射损耗α_SR为0.376dB/km，所述阶跃折射率光纤的布里渊增益谱中出现了三个峰，所述三个峰的峰值相对强度分别为0dB、-10.65dB和-6.92dB。

经由上述的技术方案可知，与现有技术相比，本发明公开提供了一种具有强度相近的多峰布里渊散射谱的阶跃折射率光纤，阶跃折射率光纤结构简单，最大程度上降低了生产的技术难度和成本，并在二氧化硅中掺杂一定浓度的二氧化锗来提高纤芯的折射率，使得阶跃折射率光纤的布里渊增益谱中出现的峰值更接近，提高了信噪比，用于基于布里渊拍频谱的光纤传感系统可以获得更精准的测量结果。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。

图1附图为布里渊增益谱随纤芯半径变化的结果。

图2附图为布里渊增益谱随折射率差变化的结果。

图3附图为本发明阶跃折射率光纤的折射率分布示意图，其中，n₁＝1.4646，纤芯半径为1.2μm，n₂＝1.4447。

图4附图为图3阶跃折射率光纤的光学基模的模场分布图，左侧为俯视图，右侧为对应的三维分布图，其中，n₁＝1.4646，纤芯半径为1.2μm，n₂＝1.4447。

图5附图为图3阶跃折射率光纤的声学模式模场分布图，5(a)，5(b)和5(c)分别为第1、第2和第3个声学模式的俯视图和三维分布图，其中，n₁＝1.4646，纤芯半径为1.2μm，n₂＝1.4447。

图6附图为图3阶跃折射率光纤的归一化布里渊增益谱，其中，n₁＝1.4646，纤芯半径为1.2μm，n₂＝1.4447。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明实施例公开了一种具有强度相近的多峰布里渊散射谱的阶跃折射率光纤，如图1所示，在纤芯折射率n₁＝1.4507的情况下，我们将纤芯半径在2.4μm至4.6μm之间变化，得出了一系列对应的布里渊增益谱。选定这个变化范围的原因是当纤芯半径大于4.6μm时将不再是光学单模光纤，而当纤芯半径小于2.4μm，布里渊增益谱中将只出现一个或两个峰。从图中可以看出，当折射率差一定时，纤芯半径越小，布里渊增益谱中的峰值越接近。

如图2所示，在纤芯半径为4.15μm的情况下，我们将纤芯折射率在1.4468只1.4517之间变化，得出了一系列对应的布里渊增益谱。选定这个范围的原因同样是为了使仿真的光纤为光学单模光纤且声模式个数至少为3。从图中可以看出，当纤芯半径一定时，折射率差越小，布里渊增益谱中的峰值越接近。

根据图1和图2中的结果可以总结出，小半径和低折射率差这两个条件可以使布里渊增益谱中的峰值更接近。基于此原则我们找到了最合适的光纤结构参数，如图3所示。

如图3所示，一种强度相近的多峰布里渊增益谱阶跃折射率光纤，在纤芯中各处的折射率均等于n₁，在包层各处的折射率均等于n₂，且有n₁>n₂。该光纤包层的材料为纯二氧化硅，在纤芯中通过向质量百分比为85.5％～86.23％的二氧化硅中掺杂质量百分比为13.77％～14.5％的二氧化锗来提高折射率。

其中，纤芯折射率与二氧化锗掺杂浓度变化关系由公式(1)给出，掺杂浓度与声速的变化关系由公式(2)给出。

n₁＝1.4447×(1+1.0×10^-3w_Geo2)>

V＝5944×(1-7.2×10^-3w_Geo2)>

其中，为在纤芯中的掺杂浓度[wt％]，V为声速[m/s]。

这里的掺杂浓度即向二氧化硅中加入二氧化锗后二氧化锗所占的质量比。当二氧化锗质量占比为13.77％时，二氧化硅质量占比为86.23％

当二氧化锗的质量百分比为13.77％时，根据公式(1)，纤芯折射率n₁为1.4646，纤芯中的声速V为5305m/s。这里需要说明的是，光纤中的声速一般就是指声波在光纤中沿纵向转播的速度。

当入射光波长为1550nm时，光纤中纤芯的折射率n₁＝1.4646，包层的折射率n₂＝1.4447，纤芯半径为1.2μm，包层的折射率n₂为1.4447，声速为5944m/s。

光纤散射损耗可通过以下公式计算：

λ是入射光波长，单位是微米，需要说明的是，不同的波长的光入射会影响峰的相对强度，我们只考虑在1550nm的情况下，所以，此处应带入1.55计算，Δ为折射率差，由n₁和n₂计算可以得到。

本发明采用有限元分析法，计算得到了在该光纤参数下的光场和声场分布，再根据布里渊散射的相关理论，得到了传感所需的布里渊增益谱。

如图4所示，可以看出本发明的光学模场分布特性。在该阶跃折射率单模光纤中，光波的能量被集中在纤芯内传播，同时声波的能量也被集中在纤芯分布。光场和声场之间的相互作用而形成布里渊增益谱中的峰。图5给出了本发明的声模式分布情况，5(a)、5(b)、5(c)分别对应了声模式1、2、3的声场分布，它们都是圆对称分布且能量集中在纤芯的，同时也对应着布里渊增益谱中的第1、第2和第3峰。

如图6所示，可以看出本发明的布里渊增益谱特性。图6中出现了三个频移相差较大，形状很明显的峰。它们的强度也很接近，具体表现为第1峰的峰值最高，第2峰比第1峰的峰值强度低10.65dB，第3峰比第1峰的峰值强度低6.92dB，这样形成的布里渊拍频谱峰值功率大，信噪比高，用于基于布里渊拍频谱的光纤传感系统可以获得更精准的测量结果。

第一个声学模式(声模式1)也呈高斯型分布，能量分布集中在纤芯，与光场的作用效果最强。在声学模式里声场分布的物理意义的是位移，所以在声模式2中出现的中心为负值的情况并不代表能量为负，其能量也是集中在纤芯的，只不过中心的位移场为负值，随着半径的变化逐渐变成正值，最终归零。第三个声模式(声模式3)中心为正值，随着半径的变化，位移场经过正值、负值、正值这样的变化周期，最终归零。

实施例1：一种具有强度相近的多峰布里渊增益谱的阶跃折射率光纤，包括包层和纤芯，包层为纯二氧化硅，纤芯由质量比为86.23％的二氧化硅和质量百分比为13.77％的二氧化锗掺杂而成，纤芯半径为1.2μm，在1550nm的入射光情况下，纤芯内各处的折射率n₁为1.4646，声速为5305m/s；包层各处的折射率n₂为1.4447,声速为5944m/s，密度为2203kg/m³；光纤的散射损耗α_SR约为0.376dB/km，布里渊增益谱中三个峰的归一化强度分别为0,-10.65和-6.92dB，即第2峰比第1峰的峰值强度低10.65dB,第3峰比第1峰的峰值强度低6.92dB。

实施例2：一种具有强度相近的多峰布里渊增益谱的阶跃折射率光纤，包括包层和纤芯，包层为纯二氧化硅，纤芯由二氧化硅和质量百分比为14.5％的二氧化锗掺杂而成，纤芯半径为1.2μm，在1550nm的入射光情况下，纤芯内各处的折射率n₁为1.4656，声速为5272m/s；包层各处的折射率n₂为1.4447,声速为5944m/s，密度为2203kg/m³；光纤的散射损耗α_SR约为0.39dB/km，布里渊增益谱中三个峰的归一化强度分别为0,-11.00和-6.87dB，即第2峰比第1峰的峰值强度低11.00dB,第3峰比第1峰的峰值强度低6.87dB。

实施例3：一种具有强度相近的多峰布里渊增益谱的阶跃折射率光纤，包括包层和纤芯，包层为纯二氧化硅，纤芯由二氧化硅和质量百分比为14.1％的二氧化锗掺杂而成，纤芯半径为1.2μm，在1550nm的入射光情况下，纤芯内各处的折射率n₁为1.4650，声速为5290m/s；包层各处的折射率n₂为1.4447,声速为5944m/s，密度为2203kg/m³；光纤的散射损耗α_SR约为0.38dB/km，布里渊增益谱中三个峰的归一化强度分别为0，-10.78和-6.82dB，即第2峰比第1峰的峰值强度低10.72dB,第3峰比第1峰的峰值强度低6.82dB。

实施例4：一种具有强度相近的多峰布里渊增益谱的阶跃折射率光纤，包括包层和纤芯，包层为纯二氧化硅，纤芯由二氧化硅和质量百分比为13.77％的二氧化锗掺杂而成，纤芯半径为1.3μm，在1550nm的入射光情况下，纤芯内各处的折射率n₁为1.4646，声速为5305m/s；包层各处的折射率n₂为1.4447,声速为5944m/s，密度为2203kg/m³；光纤的散射损耗α_SR约为0.376dB/km，布里渊增益谱中三个峰的归一化强度分别为0,-11.83和-9.82dB，即第2峰比第1峰的峰值强度低11.83dB,第3峰比第1峰的峰值强度低9.82dB。

实施例5：一种具有强度相近的多峰布里渊增益谱的阶跃折射率光纤，包括包层和纤芯，包层为纯二氧化硅，纤芯由二氧化硅和质量百分比为14.5％的二氧化锗掺杂而成，纤芯半径为1.3μm，在1550nm的入射光情况下，纤芯内各处的折射率n₁为1.4656，声速为5272m/s；包层各处的折射率n₂为1.4447,声速为5944m/s，密度为2203kg/m³；光纤的散射损耗α_SR约为0.39dB/km，布里渊增益谱中三个峰的归一化强度分别为0,-12.21和-10.97dB，即第2峰比第1峰的峰值强度低12.21dB,第3峰比第1峰的峰值强度低10.97dB。

实施例6：一种具有强度相近的多峰布里渊增益谱的阶跃折射率光纤，包括包层和纤芯，包层为纯二氧化硅，纤芯由二氧化硅和质量百分比为14.1％的二氧化锗掺杂而成，纤芯半径为1.3μm，在1550nm的入射光情况下,纤芯内各处的折射率n₁为1.4650，声速为5290m/s；包层各处的折射率n₂为1.4447,声速为5944m/s，密度为2203kg/m³；光纤的散射损耗α_SR约为0.38dB/km，布里渊增益谱中三个峰的归一化强度分别为0，-11.98和-10.31dB，即第2峰比第1峰的峰值强度低11.98dB,第3峰比第1峰的峰值强度低10.31dB。

实施例7：一种具有强度相近的多峰布里渊增益谱的阶跃折射率光纤，包括包层和纤芯，包层为纯二氧化硅，纤芯由二氧化硅和质量百分比为13.77％的二氧化锗掺杂而成，纤芯半径为1.4μm，在1550nm的入射光情况下,纤芯内各处的折射率n₁为1.4646，声速为5305m/s；包层各处的折射率n₂为1.4447,声速为5944m/s，密度为2203kg/m³；光纤的散射损耗α_SR约为0.376dB/km，布里渊增益谱中三个峰的归一化强度分别为0，-12.97和-12.59dB，即第2峰比第1峰的峰值强度低12.97dB,第3峰比第1峰的峰值强度低12.59dB。

实施例8：一种具有强度相近的多峰布里渊增益谱的阶跃折射率光纤，包括包层和纤芯，包层为纯二氧化硅，纤芯由二氧化硅和质量百分比为14.5％的二氧化锗掺杂而成，纤芯半径为1.4μm，在1550nm的入射光情况下,纤芯内各处的折射率n₁为1.4656，声速为5272m/s；包层各处的折射率n₂为1.4447,声速为5944m/s，密度为2203kg/m³；光纤的散射损耗α_SR约为0.39dB/km，布里渊增益谱中三个峰的归一化强度分别为0，-13.37和-13.38dB，即第2峰比第1峰的峰值强度低13.37dB,第3峰比第1峰的峰值强度低13.38dB。

实施例9：一种具有强度相近的多峰布里渊增益谱的阶跃折射率光纤，包括包层和纤芯，包层为纯二氧化硅，纤芯由二氧化硅和质量百分比为14.1％的二氧化锗掺杂而成，纤芯半径为1.4μm，在1550nm的入射光情况下,纤芯内各处的折射率n₁为1.4650，声速为5290m/s；包层各处的折射率n₂为1.4447,声速为5944m/s，密度为2203kg/m³；光纤的散射损耗α_SR约为0.38dB/km，布里渊增益谱中三个峰的归一化强度分别为0，-13.13和-12.92dB，即第2峰比第1峰的峰值强度低13.13dB,第3峰比第1峰的峰值强度低12.92dB。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的装置而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。