一种具有相近强度多峰布里渊增益谱的阶跃折射率光纤制造技术

本发明专利技术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n1，在包层各处的折射率均等于n2，且有n1>n2，其中，包层的材料为纯二氧化硅，纤芯由二氧化硅中掺杂一定浓度的二氧化锗混合而成，当入射光波长为1550nm时，纤芯的折射率n1＝1.4646，包层的折射率n2＝1.4447，纤芯半径为a＝1.2μm，该阶跃折射率光纤的布里渊增益谱中出现相对峰值功率分别为0、‑10.65和‑6.92dB的三个峰。本发明专利技术可有效用于基于布里渊散射拍频谱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。

【技术实现步骤摘要】
一种具有相近强度多峰布里渊增益谱的阶跃折射率光纤
本专利技术涉及基于布里渊散射的分布式光纤传感
，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。
技术介绍
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(Brillouinopticaltime-domainreflectometry,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，在路元刚等申请的专利技术专利，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。
技术实现思路
有鉴于此，本专利技术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，本专利技术采用如下技术方案：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αSR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，本专利技术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专利技术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专利技术的实施例，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附图为本专利技术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专利技术实施例中的附图，对本专利技术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专利技术一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本专利技术中的实施例，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，都属于本专利技术保护的范围。本专利技术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+1.0×10-3wGeo2)(1)V＝5944×(1-7.2×10-3wGeo2)(2)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本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一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，其特征在于，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1.2μm～1.4μm。

【技术特征摘要】
1.一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，其特征在于，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1.2μm～1.4μm。2.根据权利要求1所述的一种具有相近强度多峰布里渊增益谱的阶跃折射率光纤，其特征在于，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，且同时具有三...

【专利技术属性】
技术研发人员：路元刚，潘宇航，马海霞，魏广庆，李密，
申请(专利权)人：南京大学苏州高新技术研究院，
类型：发明
国别省市：江苏,32