藍寶石光纖與石英光纖中橫向位置對于FBG反射率的影響

?01???導讀

藍寶石光纖布拉格光柵（FBG）作為一種高熔點、高化學穩定性、具備良好光學特性的光纖傳感器結構，常作為高溫光纖傳感系統的核心元件。激光逐點刻寫法制備的藍寶石FBG在光柵結構、位置、周期等參數上具有較高靈活度，受到了廣泛的研究關注。

然而，受限于刻寫系統的控制精度及刻寫激光系統的聚焦精度，基于該方法的光柵常需要選擇較高的階數，從而降低了光柵反射率。此外，實際應用中更希望使用全多模系統并采用硅基CCD探測器以提高系統魯棒性并降低成本，因而工作于近紅外（NIR）波段的全多模藍寶石FBG傳感系統更具優勢，但其更高的光柵階數進一步降低了傳感器反射率。

因此，如何有效提升逐點刻寫藍寶石FBG反射率對于藍寶石光纖傳感系統的實際應用具有重要意義。 在本篇研究中，作者提出了一種在藍寶石光纖中以激光逐點刻寫法制備平行光纖布拉格光柵（pFBG）的方法。該方法可有效提升高階藍寶石FBG（本研究中采用七階FBG）的反射率，提高藍寶石FBG傳感器的信噪比并降低信號解調難度，從而實現了在NIR波段全多模傳感系統中的波長復用高溫傳感。

文章同時探討了藍寶石光纖與石英光纖中橫向位置對于FBG反射率的影響，揭示了藍寶石光纖及石英光纖光場橫向相干性的差異。

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封面圖 藍寶石光纖pFBG

圖源: Optics?Letters?(2022).

02??研究背景

藍寶石光纖傳感器因具有高熔點、高化學穩定性及良好的光學特性，常被用做高溫傳感器的關鍵部件。

其中，藍寶石FBG是一種廣泛應用的傳感器結構，常通過相位掩模板刻寫法（phase?mask inscription）、激光逐點刻寫法（point-by-point laser inscription）等方法進行制備。激光逐點刻寫法具有光柵周期可控、刻寫光柵的結構、位置選擇靈活等優勢；然而，由于激光刻寫點的較小體積與光柵的較高級數，基于該方法制備的藍寶石光纖光柵反射率偏低，極大限制了該技術的應用。

相較于石英光纖，藍寶石光纖的折射率更高，因而需采用更高光柵級數以滿足刻寫系統的控制極限。由于常見的激光逐點刻寫系統多具有微米級別的光柵周期極限，以往的研究中常采用1.5μm波段的四階FBG制備藍寶石FBG傳感器，且常使用單模相干光源制作傳感器解調儀。

實際的工業應用中，NIR波段的全多模光纖系統在魯棒性與成本方面具有更加明顯的優勢。全多模光纖系統對于外界環境變化造成的光纖彎曲、震動等影響的敏感度低，且可使用便宜易得的多模光源；工作于NIR波段則便于使用硅基CCD探測器，從而可極大降低解調器的成本。

然而，相較于前文提及的1.5μm波段基于單模相干光源的傳感系統，NIR波段的全多模FBG級數更高且信號相干度更低，從而降低了其反射率。因而，如何有效提升高階藍寶石FBG的反射率以提高多模傳感系統的信噪比并降低信號解調難度，對于基于藍寶石FBG的傳感系統的實際應用具有重要意義。

基于以上考量，作者提出了通過在藍寶石光纖中刻寫平行FBG（pFBG）的方案以有效提升高階FBG的反射率，從而實現在NIR波段全多模傳感系統中的波長復用高溫傳感。

文章同時探討了藍寶石光纖與石英光纖中橫向位置對于FBG反射率的影響，揭示了藍寶石光纖及石英光纖光場橫向相干性的差異。 ?

03???創新研究

3.1 飛秒激光逐點刻寫法制備藍寶石光纖平行布拉格光柵

藍寶石光纖pFBG的逐點刻寫過程如圖1所示，刻寫系統采用了800nm飛秒激光光源（Libra，Coherent?Corp.），以600nJ的單脈沖能量在直徑75μm的藍寶石光纖中進行FBG刻寫。通過氣浮位移臺控制光纖的移動速度，可在藍寶石光纖中制作一條4mm長度，對應于850nm波段的七階FBG。

在一條FBG刻寫完成后，激光聚焦點橫向移動3μm并進行一條相同FBG的刻寫。如此重復多次，若干條平行刻寫的FBG構成了一組pFBG。在pFBG中，相鄰的光柵需保持3μm的間隔以避免干涉影響反射譜。

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圖1?激光逐點刻寫藍寶石光纖pFBG。（a）pFBG刻寫過程；（b）pFBG圖像。

1) 使用中心波長850 nm的LED作為探測光源，圖2（a）顯示了隨著藍寶石光纖pFBG中平行光柵數量的增加，其歸一化反射光譜的變化。該pFBG由12條平行光柵構成，第一條光柵位于光纖軸線，其余光柵向光纖邊沿逐次橫向偏置3μm，第12條光柵距離光纖邊沿4.5μm。

由圖可見當僅有一條FBG時，受高光柵階數及多模光源相干度弱等因素的影響，其反射峰幾乎不可見；隨著pFBG中光柵數量的增加，在~850nm的光柵反射峰強度明顯提升。當pFBG中有12條光柵時，其反射峰強度達到了1.25，有效提高了光柵信號的信噪比并降低了解調難度。



圖2 （a）藍寶石光纖pFBG與（b）石英多模光纖pFBG歸一化光譜對比

2) 同時，為了探究多模光纖pFBG的性質，作者在階躍折射率石英多模光纖（step-index silica?MMF）中以相同方法及相近參數刻寫了一組17條平行光柵構成的pFBG作為對照，其結果展示于圖2（b）中?？梢?，同藍寶石光纖pFBG相比，石英光纖的pFBG具有明顯更高的反射率，當僅有一條FBG時反射峰即可見。

通過增加平行光柵數量，pFBG的反射峰強度同樣會有明顯提升，并能在刻寫17條平行光柵后達到~6.5。同時，其光譜寬度保持在~5.5nm。與之相較，藍寶石光纖pFBG在相同光柵數量下不僅反射峰強度明顯更低，且反射峰寬度更寬（~6.5nm）。以上比較結果說明了由于更高的模式容量及較差的相干特性，藍寶石FBG的反射譜信噪比更低，從而進一步顯示了通過pFBG方案提高藍寶石FBG信號強度的必要性。

3.2 光纖布拉格光柵橫向位置及反射率的關系

根據pFBG制備過程中反射光譜的變化，可以探究在光纖不同橫向位置刻寫光柵對于pFBG反射強度的貢獻，并由此探究光場相干度在光纖不同橫向位置的性質。如圖3（a）所示，盡管隨著pFBG中平行光柵數目提升，藍寶石光纖pFBG與石英光纖pFBG的反射率均會提升，但其變化規律并不相同。

在石英光纖中，當光柵刻寫位置距離纖芯中軸（橫向偏置）在半徑的40%以內時，各光柵對于反射率的貢獻保持一致，從而造成了峰值反射率曲線的線性增加；當光柵橫向偏置高于半徑的40%后，其對反射率的貢獻逐漸下降，直至在半徑的80%以后趨向于0。而對于藍寶石光纖pFBG，可觀察到不同橫向偏置的光柵對于pFBG反射率的貢獻相近，使得pFBG反射峰值保持線性增加。

為了進一步探究這一性質，實驗記錄了兩種光纖在相同LED光源下的截面光場分布。如圖4所示，藍寶石光纖中光場在截面均勻分布，橫向位置的光強基本一致；而石英光纖中光場強度隨橫向位置的增加而逐漸降低。該結果說明了石英光纖與藍寶石光纖在模式容量、模式混合方面的差異，同時隨橫向位置變化的光場強度影響了pFBG的反射率。



圖3 藍寶石光纖與石英光纖pFBG反射率與光柵橫向位置關系對比

（a）pFBG反射峰強度（b）pFBG相對反射率

2) 為進一步探究光纖橫向位置光場相干性的分布，使用圖4局域光場強度歸一化后的pFBG反射率變化如圖3（b）所示，其歸一化強度變化直接反映了光場的相干性。由圖可見，在石英光纖pFBG中，排除光強影響后的歸一化強度曲線在高橫向偏置位置仍舊表現出明顯的飽和趨勢；而在藍寶石光纖中，該曲線基本保持線性，反映了光場相干性不隨橫向位置的變化產生明顯改變。

相較于石英光纖，藍寶石光纖由于具有更高的纖芯-包層（空氣）折射率差及更差的表面平整度，導致其光場模式混合更加充分，從而造成了光場相干性在橫截面的均勻分布。該性質同時表明，通過簡單的增加pFBG中光柵數量的方法，可以線性提升藍寶石光纖pFBG的反射峰強度。



圖4 藍寶石光纖（a）與石英光纖（b）橫截面光場強度分布

3.3 多點高溫傳感

利用藍寶石光纖pFBG的上述特點，三個串聯pFBG被刻寫于同一藍寶石光纖上用作多點溫度傳感器，其結構如圖5（a）所示。三組pFBG傳感器均由21條平行刻寫的七階光柵構成，室溫下反射峰位置分別位于851.3nm（pFBG A），826.1nm（pFBG B）?和875.5nm?（pFBG C）；各pFBG以15cm的間距分布于一條64cm長的藍寶石光纖上。解調系統采用了850nm波段的LED與硅基CCD的快速光譜儀（USB2000， OceanOptics）分別作為光源與信號探測裝置，使用多模光纖耦合器實現信號的耦合與收集，構成了全多模光纖解調系統。串聯藍寶石光纖pFBG通過直接熔接法與解調系統相連。

如圖5（b）所示，對藍寶石光纖pFBG進行退火處理后，由于應力釋放及刻寫點表面平滑度提升，其反射峰強度得到了進一步提升，并達到了7.9%的反射率。同經過相同退火處理的單個藍寶石FBG相比較，pFBG的反射峰強度具有明顯的優勢，極大提高了傳感系統的信噪比。圖5（c）展示了將三組pFBG置于不同溫度變化區域時的歸一化光譜變化，可見隨溫度改變其反射峰位置均有不同程度漂移，證實了串聯藍寶石光纖pFBG作為波長復用多點溫度傳感器的應用潛力。



圖5 串聯藍寶石光纖pFBG溫度傳感器（a）傳感器結構（b）傳感器反射光譜（c）多點溫度傳感

圖6（a）展示了三組藍寶石光纖pFBG傳感器的溫度校準曲線?？梢娖浔３至溯^好的溫度響應一致性，且可實現室溫至最高1500℃的溫度傳感。圖6（b）評估了pFBG B的溫度傳感滯后性，顯示在室溫至1500℃范圍內，溫度滯后性小于3℃。之后，通過將串聯pFBG傳感器置于可編程加熱爐的不同加熱區域，測量了三組pFBG的溫度響應。結果表明該串聯傳感器可實現穩定度高于1.2℃的多點溫度傳感。



圖6 藍寶石光纖pFBG溫度傳感系統（a）溫度傳感校準曲線（b）傳感器滯后性評估（c）多點溫度傳感

04???應用與展望

本研究證實了在藍寶石光纖中刻寫pFBG可以簡單、有效地提升高階FBG反射率，并在NIR波段的全多模系統中實現了波長復用的多點溫度傳感。得益于藍寶石光纖的高模式容量及充分混模，隨著平行光柵數量的提升，藍寶石光纖pFBG的反射率表現出了與FBG橫向位置無關的線性增強并達到了7.9%的反射率，且反射率可通過增加pFBG刻寫層數進一步提升。

本研究使用以850nm波段LED作為光源的全多模光纖傳感系統實現了室溫至1500℃的多點溫度測量。通過換用功率更高、頻譜更寬的多模光源，該系統可集成更多pFBG傳感器從而進一步提升多點傳感性能。

本研究同時探討了在藍寶石光纖不同橫向位置刻寫FBG對于反射率的影響，揭示了其與石英光纖迥異的橫向位置-反射率無關性。該性質有助于進一步加深對于高模式容量、高混模的藍寶石光纖內部相干性的理解，從而指導基于光學相干性的光纖器件設計并推動全多模光纖系統的廣泛應用。?




審核編輯：劉清