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唐明教授课题组基于多芯光纤的空分复用分布式光纤传感技术研究进展

作者: 时间:2017-06-06 点击数:


   多芯光纤是一种共用外包层、内含有多根纤芯、而每根纤芯又有自己的内包层的光纤,其在与普通单模光纤相似的尺度下具有很高的空间信道密度。因此,多芯光纤在超大容量光通信领域中受到广泛关注。而在光纤传感领域,基于多芯光纤的多参量传感技术也逐渐成为研究热点。

近年来,针对多芯光纤基础材料、器件及其空分复用与解复用等问题,光电信息学院唐明教授与长飞光纤光缆股份有限公司深入合作,带领相关团队在7芯光纤的设计制备、光纤接续、复用解复用器件等方面展开了系统的研究工作。

   通过理论设计、数值仿真和工艺优化,该研究团队2013年在国内首次成功制备低损耗7芯多芯光纤并初步具备规模化生产条件。在多芯光纤光学性能优化、功率耦合串扰的波长相关性分析和多芯光纤性能测试方法等方面均开展了原创性工作(Opt. Express. 22, 14127-14134,2014;Applied Physics B. 112,491-497,2013; Acta Optica Sinica, 2014, 34: 0106005; 授权中国发明专利ZL201310069346.2)。在多芯光纤制备方面,基于堆叠法和打孔法两种方式,完成了多批次7芯光纤的拉制,端面如图1所示。测试结果表明,多批次七芯光纤均可满足传输要求,其芯间串扰、衰减以及几何均匀度均符合设计要求,总体性能与普通单模光纤相近。


  同时,该团队进行了基于多芯光纤的空分复用/解复用关键模块研究。有别于美国和日本研究机构采用的熔融拉锥耦合法和透镜聚焦法,提出了光纤拉锥/腐蚀等微加工技术并结合冷接工艺来制备多芯光纤用空分复用器/解复用器(中国发明专利申请201510691273.X)。经过深入研究与长期摸索,成功研制出适用于普通单模光纤与7芯光纤的低损耗耦合与复用模块。

在此基础上,唐明教授指导博士生赵志勇率先开展了基于多芯光纤的分布式传感测量等前沿研究工作。2016年,团队研究了多芯光纤中布里渊散射的特征,在国际上首次报道了偏心纤芯中的布里渊频移对弯曲敏感的特征,研究并实现了基于七芯光纤的长距离全分布式弯曲传感和三维形状测量与重构技术,与国际上基于多芯光纤光栅的三维形状传感相比,该技术最大的优势是不需要对多芯光纤做任何处理,而且传感距离可以大大延长。相关工作以题为Distributed shape sensing using Brillouin scattering in multi-core fibers,发表在Opt. Express24, 25211-25223 (2016),论文第一作者为赵志勇博士,导师唐明为通讯作者。


  此外,在多参量测量方面,团队也取得了突出的研究成果。针对基于普通单模光纤的布里渊分布式传感器中普遍本征存在的温度、应力交叉敏感问题,提出了两种基于多芯光纤空分复用的传感技术。首先基于异质多芯光纤,研究表明不同材料的纤芯中布里渊频移的温度/应力灵敏度不同,团队将不同纤芯的数据联立系数矩阵实现了温度和应力的解耦测量(研究成果以题Spatial division multiplexed Brillouin distributed sensing based on a heterogeneous multicore fiber, 发表在Opt. Lett.42, 171-174 (2017),论文第一作者为赵志勇博士,导师唐明为通讯作者)。另外基于多芯光纤空分复用的优势,团队提出了布里渊和拉曼光时域反射仪混合系统。利用拉曼光时域反射仪(ROTDR)只对温度敏感,对应力不敏感;而布里渊光时域反射仪(BOTDR)同时对温度和应力敏感的特点,在不同的纤芯中分别实现布里渊光时域反射仪和拉曼光时域反射仪,将ROTDR测得的温度对BOTDR进行补偿,从而实现温度和应力的可区分测量。相关工作以题Spatial division multiplexed hybrid Raman and Brillouin optical time-domain reflectometry based on multi-core fiber, 发表在Opt. Express24, 25111-25118 (2016),文章第一作者为赵志勇博士,导师唐明为通讯作者。

这些系列研究成果也得到了国际同行的广泛关注,唐明教授为此受邀在美国光学学会于2016年7月温哥华举办的Advanced Photonics Congress会议上发表了题为“Spatial-division multiplexed optical sensing using MCF and FMF”的特邀报告。

  这些研究成果帮助我院在国内第一次实现了高性能多芯光纤及其复用解复用器件的设计与制备,为开展基于多芯光纤的通信与传感研究创造了必备的条件。在此基础上,研究团队提出并实现了新颖的空分复用分布式传感思路,充分利用了特种光纤的特点,较为全面的攻克了多芯光纤分布式三维形貌重构和多参量解耦测量等核心技术难题,为基于多芯光纤的智能蒙皮等新兴领域的研究与应用开辟出富有前景的技术途径。


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