蓝宝石光纤与石英光纤中横向位置对于FBG反射率的影响

 01   导读

蓝宝石光纤布拉格光栅（FBG）作为一种高熔点、高化学稳定性、具备良好光学特性的光纤传感器结构，常作为高温光纤传感系统的核心元件。激光逐点刻写法制备的蓝宝石FBG在光栅结构、位置、周期等参数上具有较高灵活度，受到了广泛的研究关注。

然而，受限于刻写系统的控制精度及刻写激光系统的聚焦精度，基于该方法的光栅常需要选择较高的阶数，从而降低了光栅反射率。此外，实际应用中更希望使用全多模系统并采用硅基CCD探测器以提高系统鲁棒性并降低成本，因而工作于近红外（NIR）波段的全多模蓝宝石FBG传感系统更具优势，但其更高的光栅阶数进一步降低了传感器反射率。

因此，如何有效提升逐点刻写蓝宝石FBG反射率对于蓝宝石光纤传感系统的实际应用具有重要意义。 在本篇研究中，作者提出了一种在蓝宝石光纤中以激光逐点刻写法制备平行光纤布拉格光栅（pFBG）的方法。该方法可有效提升高阶蓝宝石FBG（本研究中采用七阶FBG）的反射率，提高蓝宝石FBG传感器的信噪比并降低信号解调难度，从而实现了在NIR波段全多模传感系统中的波长复用高温传感。

文章同时探讨了蓝宝石光纤与石英光纤中横向位置对于FBG反射率的影响，揭示了蓝宝石光纤及石英光纤光场横向相干性的差异。

 

封面图 蓝宝石光纤pFBG

图源: Optics Letters (2022).

02  研究背景

蓝宝石光纤传感器因具有高熔点、高化学稳定性及良好的光学特性，常被用做高温传感器的关键部件。

其中，蓝宝石FBG是一种广泛应用的传感器结构，常通过相位掩模板刻写法（phase mask inscription）、激光逐点刻写法（point-by-point laser inscription）等方法进行制备。激光逐点刻写法具有光栅周期可控、刻写光栅的结构、位置选择灵活等优势；然而，由于激光刻写点的较小体积与光栅的较高级数，基于该方法制备的蓝宝石光纤光栅反射率偏低，极大限制了该技术的应用。

相较于石英光纤，蓝宝石光纤的折射率更高，因而需采用更高光栅级数以满足刻写系统的控制极限。由于常见的激光逐点刻写系统多具有微米级别的光栅周期极限，以往的研究中常采用1.5μm波段的四阶FBG制备蓝宝石FBG传感器，且常使用单模相干光源制作传感器解调仪。

实际的工业应用中，NIR波段的全多模光纤系统在鲁棒性与成本方面具有更加明显的优势。全多模光纤系统对于外界环境变化造成的光纤弯曲、震动等影响的敏感度低，且可使用便宜易得的多模光源；工作于NIR波段则便于使用硅基CCD探测器，从而可极大降低解调器的成本。

然而，相较于前文提及的1.5μm波段基于单模相干光源的传感系统，NIR波段的全多模FBG级数更高且信号相干度更低，从而降低了其反射率。因而，如何有效提升高阶蓝宝石FBG的反射率以提高多模传感系统的信噪比并降低信号解调难度，对于基于蓝宝石FBG的传感系统的实际应用具有重要意义。

基于以上考量，作者提出了通过在蓝宝石光纤中刻写平行FBG（pFBG）的方案以有效提升高阶FBG的反射率，从而实现在NIR波段全多模传感系统中的波长复用高温传感。

文章同时探讨了蓝宝石光纤与石英光纤中横向位置对于FBG反射率的影响，揭示了蓝宝石光纤及石英光纤光场横向相干性的差异。  

03   创新研究

3.1 飞秒激光逐点刻写法制备蓝宝石光纤平行布拉格光栅

蓝宝石光纤pFBG的逐点刻写过程如图1所示，刻写系统采用了800nm飞秒激光光源（Libra，Coherent Corp.），以600nJ的单脉冲能量在直径75µm的蓝宝石光纤中进行FBG刻写。通过气浮位移台控制光纤的移动速度，可在蓝宝石光纤中制作一条4mm长度，对应于850nm波段的七阶FBG。

在一条FBG刻写完成后，激光聚焦点横向移动3µm并进行一条相同FBG的刻写。如此重复多次，若干条平行刻写的FBG构成了一组pFBG。在pFBG中，相邻的光栅需保持3µm的间隔以避免干涉影响反射谱。

 

图1 激光逐点刻写蓝宝石光纤pFBG。（a）pFBG刻写过程；（b）pFBG图像。

1) 使用中心波长850 nm的LED作为探测光源，图2（a）显示了随着蓝宝石光纤pFBG中平行光栅数量的增加，其归一化反射光谱的变化。该pFBG由12条平行光栅构成，第一条光栅位于光纤轴线，其余光栅向光纤边沿逐次横向偏置3µm，第12条光栅距离光纤边沿4.5µm。

由图可见当仅有一条FBG时，受高光栅阶数及多模光源相干度弱等因素的影响，其反射峰几乎不可见；随着pFBG中光栅数量的增加，在~850nm的光栅反射峰强度明显提升。当pFBG中有12条光栅时，其反射峰强度达到了1.25，有效提高了光栅信号的信噪比并降低了解调难度。



图2 （a）蓝宝石光纤pFBG与（b）石英多模光纤pFBG归一化光谱对比

2) 同时，为了探究多模光纤pFBG的性质，作者在阶跃折射率石英多模光纤（step-index silica MMF）中以相同方法及相近参数刻写了一组17条平行光栅构成的pFBG作为对照，其结果展示于图2（b）中。可见，同蓝宝石光纤pFBG相比，石英光纤的pFBG具有明显更高的反射率，当仅有一条FBG时反射峰即可见。

通过增加平行光栅数量，pFBG的反射峰强度同样会有明显提升，并能在刻写17条平行光栅后达到~6.5。同时，其光谱宽度保持在~5.5nm。与之相较，蓝宝石光纤pFBG在相同光栅数量下不仅反射峰强度明显更低，且反射峰宽度更宽（~6.5nm）。以上比较结果说明了由于更高的模式容量及较差的相干特性，蓝宝石FBG的反射谱信噪比更低，从而进一步显示了通过pFBG方案提高蓝宝石FBG信号强度的必要性。

3.2 光纤布拉格光栅横向位置及反射率的关系

根据pFBG制备过程中反射光谱的变化，可以探究在光纤不同横向位置刻写光栅对于pFBG反射强度的贡献，并由此探究光场相干度在光纤不同横向位置的性质。如图3（a）所示，尽管随着pFBG中平行光栅数目提升，蓝宝石光纤pFBG与石英光纤pFBG的反射率均会提升，但其变化规律并不相同。

在石英光纤中，当光栅刻写位置距离纤芯中轴（横向偏置）在半径的40%以内时，各光栅对于反射率的贡献保持一致，从而造成了峰值反射率曲线的线性增加；当光栅横向偏置高于半径的40%后，其对反射率的贡献逐渐下降，直至在半径的80%以后趋向于0。而对于蓝宝石光纤pFBG，可观察到不同横向偏置的光栅对于pFBG反射率的贡献相近，使得pFBG反射峰值保持线性增加。

为了进一步探究这一性质，实验记录了两种光纤在相同LED光源下的截面光场分布。如图4所示，蓝宝石光纤中光场在截面均匀分布，横向位置的光强基本一致；而石英光纤中光场强度随横向位置的增加而逐渐降低。该结果说明了石英光纤与蓝宝石光纤在模式容量、模式混合方面的差异，同时随横向位置变化的光场强度影响了pFBG的反射率。



图3 蓝宝石光纤与石英光纤pFBG反射率与光栅横向位置关系对比

（a）pFBG反射峰强度（b）pFBG相对反射率

2) 为进一步探究光纤横向位置光场相干性的分布，使用图4局域光场强度归一化后的pFBG反射率变化如图3（b）所示，其归一化强度变化直接反映了光场的相干性。由图可见，在石英光纤pFBG中，排除光强影响后的归一化强度曲线在高横向偏置位置仍旧表现出明显的饱和趋势；而在蓝宝石光纤中，该曲线基本保持线性，反映了光场相干性不随横向位置的变化产生明显改变。

相较于石英光纤，蓝宝石光纤由于具有更高的纤芯-包层（空气）折射率差及更差的表面平整度，导致其光场模式混合更加充分，从而造成了光场相干性在横截面的均匀分布。该性质同时表明，通过简单的增加pFBG中光栅数量的方法，可以线性提升蓝宝石光纤pFBG的反射峰强度。



图4 蓝宝石光纤（a）与石英光纤（b）横截面光场强度分布

3.3 多点高温传感

利用蓝宝石光纤pFBG的上述特点，三个串联pFBG被刻写于同一蓝宝石光纤上用作多点温度传感器，其结构如图5（a）所示。三组pFBG传感器均由21条平行刻写的七阶光栅构成，室温下反射峰位置分别位于851.3nm（pFBG A），826.1nm（pFBG B） 和875.5nm （pFBG C）；各pFBG以15cm的间距分布于一条64cm长的蓝宝石光纤上。解调系统采用了850nm波段的LED与硅基CCD的快速光谱仪（USB2000， OceanOptics）分别作为光源与信号探测装置，使用多模光纤耦合器实现信号的耦合与收集，构成了全多模光纤解调系统。串联蓝宝石光纤pFBG通过直接熔接法与解调系统相连。

如图5（b）所示，对蓝宝石光纤pFBG进行退火处理后，由于应力释放及刻写点表面平滑度提升，其反射峰强度得到了进一步提升，并达到了7.9%的反射率。同经过相同退火处理的单个蓝宝石FBG相比较，pFBG的反射峰强度具有明显的优势，极大提高了传感系统的信噪比。图5（c）展示了将三组pFBG置于不同温度变化区域时的归一化光谱变化，可见随温度改变其反射峰位置均有不同程度漂移，证实了串联蓝宝石光纤pFBG作为波长复用多点温度传感器的应用潜力。



图5 串联蓝宝石光纤pFBG温度传感器（a）传感器结构（b）传感器反射光谱（c）多点温度传感

图6（a）展示了三组蓝宝石光纤pFBG传感器的温度校准曲线。可见其保持了较好的温度响应一致性，且可实现室温至最高1500℃的温度传感。图6（b）评估了pFBG B的温度传感滞后性，显示在室温至1500℃范围内，温度滞后性小于3℃。之后，通过将串联pFBG传感器置于可编程加热炉的不同加热区域，测量了三组pFBG的温度响应。结果表明该串联传感器可实现稳定度高于1.2℃的多点温度传感。



图6 蓝宝石光纤pFBG温度传感系统（a）温度传感校准曲线（b）传感器滞后性评估（c）多点温度传感

04   应用与展望

本研究证实了在蓝宝石光纤中刻写pFBG可以简单、有效地提升高阶FBG反射率，并在NIR波段的全多模系统中实现了波长复用的多点温度传感。得益于蓝宝石光纤的高模式容量及充分混模，随着平行光栅数量的提升，蓝宝石光纤pFBG的反射率表现出了与FBG横向位置无关的线性增强并达到了7.9%的反射率，且反射率可通过增加pFBG刻写层数进一步提升。

本研究使用以850nm波段LED作为光源的全多模光纤传感系统实现了室温至1500℃的多点温度测量。通过换用功率更高、频谱更宽的多模光源，该系统可集成更多pFBG传感器从而进一步提升多点传感性能。

本研究同时探讨了在蓝宝石光纤不同横向位置刻写FBG对于反射率的影响，揭示了其与石英光纤迥异的横向位置-反射率无关性。该性质有助于进一步加深对于高模式容量、高混模的蓝宝石光纤内部相干性的理解，从而指导基于光学相干性的光纤器件设计并推动全多模光纤系统的广泛应用。 




审核编辑：刘清