“智能光子应用技术”专栏 | MDPI Sensors：Bragg光栅辅助Sagnac干涉仪在保偏光纤中用于应变-温度鉴别

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引言✦

保偏光纤 (PMF) 在光纤通信系统和对偏振敏感的部件中一直受到极大关注。并且它们还被广泛应用于高精度的检测和传感设备，如光纤陀螺仪、电/磁传感器、多参数传感器等。高双折射 (Hi-Bi) 光纤是一类PMF，是指在其两个正交偏振基模之间具有显著有效折射率差异的光纤。由于其保持透射光偏振态的特殊能力，PMF在光通信和传感系统中发挥着非常重要的作用。一般来说，有两种方法可以打破两个基模之间的简并，并大大扩大它们的有效折射率差。第一种方法主要是设计和制造非圆芯光纤。例如，早在20世纪70年代，椭圆芯光纤就被制造出来，并显示出明显的双折射。20世纪90年代微结构光纤 (MOF) 的发展证明了许多具有不同尺寸气孔的非常高双折射的MOF。在光纤中产生稳定双折射的第二种方法本质上与弹性光效应有关。通过用高膨胀玻璃替换包层的某些部分，在纤维拉伸和冷却时，由于替换部分与包层的其余部分之间的热膨胀系数不同，不对称应力将冻结在纤维中。这种应力反过来又通过弹光效应在平行和垂直于应力方向的芯模之间产生显著的有效折射率差，从而在拉伸的光纤中产生线性双折射。填充高膨胀玻璃的区域称为应力施加部件 (SAP)。SAP的经典几何形状包括领结、PANDA和椭圆内包层。

PMF为构建基于光纤的萨格纳克干涉仪提供了独特的便利，该干涉仪已在光纤陀螺仪、梳状滤波器和其他电流、振动、应变、温度等高精度测量中取得了巨大成功。此外，通过与光纤光栅、Fabry-Perot干涉、Mach-Zehnder干涉或微谐振器相结合，基于PMF的萨格纳克干涉仪也被用于多参数传感应用。本篇发表在Sensors 上的研究文章，首次展示了将布拉格光栅集成到保偏光纤中，并将其插入萨格纳克干涉仪中的传感能力。同时，通过计算两个正交极化模式的布拉格峰之间的差异，进一步精确校准保偏光纤的相位双折射。布拉格光栅峰和干涉条纹的不同反应被应用于分辨轴向应变和温度。此外，研究中还分析了萨格纳克干涉条纹行为的基本机制。

 研究内容 

本研究构思和制造了一个特别的PMF，图1中是该光纤的扫描电镜图片显示，该光纤具有PANDA几何形状，由掺杂锗的二氧化硅芯和由 (SiO₂-Al₂O₃-La₂O₃, SAL) SAL玻璃制成的两个侧翼应力施加棒组成，该施加棒的热膨胀系数比商业PMF中常用的硼硅酸盐玻璃更高。与传统的应力棒由硼硅酸盐制成的PANDA PMFs相反，在该光纤中，因为掺杂剂 (La₂O₃) 的折射率远高于纯二氧化硅，SAP的折射率高于纤芯。作为一种高双折射光纤，SAL PMF可用于构建萨格纳克干涉仪。同时，由于SAL PMF的核心掺杂了锗，它也适合通过嵌入布拉格光栅来实现功能化。

图1. SiO₂-Al₂O₃-La₂O₃ (SAL) PMF的扫描电镜图。

研究中展示了将光纤布拉格光栅 (FBG) 和萨格纳克干涉结合在同一截面的新型PANDA结构的PMF，用于同时测量轴向应变和温度。将内嵌布拉格光栅的SAL PMF插入萨格纳克环镜后，萨格纳克干涉和布拉格光栅共振结合在一起，如图2所示。

该SAL PMF中的布拉格光栅采用传统的紫外激光横向曝光方法制作，在这种方法中，通过用紫外线激光扫描相位掩膜使光纤暴露在干涉条纹中。在紫外光照射前，通过在12 Mpa和80 ℃条件下加氢处理一周，来增强SAL PMF的光敏性。以往的工作将光栅内嵌在标准单模光纤 (SMF) 中，然后与PMF连接，光栅和PMF之间的空间距离可能导致设备对来自不同地方的外部变化做出反应，特别是在感应机械量方面。在本研究的方案中，FBG被直接集成在SAL PMF内。因此，FBG和PMF之间几乎没有空间距离，这表明它们从同一地方对扰动做出反应。接下来，一个56 mm长的SAL PMF与两根单模光纤拼接，然后通过一个50:50的耦合器连接到一个宽带源 (BBS) 和一个光谱分析仪 (OSA)，如图2所示的原理图。一个偏振控制器被插入光纤回路以优化输出干扰光谱。紫外光由一个频率加倍的连续波氩激光器产生，功率约为70 mW。相位掩膜的周期为1070.20 nm，对应于535.10 nm的光栅间距。OSA的分辨率被设定为0.02 nm。在激光扫描之前，对折射率轴进行了额外的校准，以避免核心被应力棒遮挡。紫外激光器被移出掩膜区域，并集中在SAL PMF上。由于通过快轴照射的衍射图案与通过慢轴照射的衍射图案明显不同，通过旋转光纤和监测衍射图案，将照射方向沿着快轴对齐。最后，通过移动紫外激光器以0.02 mm/s的速度扫描相位掩膜来刻制布拉格光栅，刻录长度为10.00 mm。

图2. 研究中提出的结构示意图和实验装置。BBS：宽带源；OSA：光谱分析仪；PC：极化控制器；FBG：光纤布拉格光栅；SAL PMF：SiO₂-Al₂O₃-La₂O₃保偏光纤。

刻在这种SAL PMF中的FBG不仅可以帮助设备辨别应变和温度，而且由于光栅峰值的带宽更窄，FBG还可以更精确地校准SAL PMF的相位双折射。研究中使用布拉格峰这一重要指标来检测SAL PMF的相位双折射。首先，通过计算两个布拉格峰的有效折射率，SAL PMF的相位双折射与干扰光谱的计算相比更加精确，因为布拉格峰的带宽比干扰条纹的带宽窄很多。其次，布拉格峰分离度的变化反映了SAL PMF的双折射随着轴向应变或温度变化的趋势。因此，它可以明确地解释在轴向应变和温度传感测量中萨格纳克干扰浸染的反应行为。通过分析两个FBG峰之间的波长间隔的变化，揭示了相位双折射对温度和应变的反应的基本机制。它准确地解释了基于SAL PMF的萨格纳克干涉浸透的传感行为。此外，研究还对SAL PMF的内应力和随之而来的模态有效折射率进行了数值模拟，以双重确认光纤的相位双折射的校准。

图3. 萨格纳克干涉倾角 (a) 和布拉格谐振峰 (b) 随轴向应变变化的谱移。

图4. 萨格纳克干涉倾角 (a) 和布拉格谐振峰 (b) 随温度变化的谱移。

 研究总结 

本文首次在一种新型的偏振维持光纤 (SAL PMF) 中制造布拉格光栅，该光纤的应力施加棒是由SAL玻璃制成。基于这种带有集成FBG的SAL PMF，建造了一个萨格纳克干涉仪，并演示了其对轴向应变和温度的同步测量。该装置的应变和温度灵敏度分别达到1.00×10^-2 nm/µε和-8.57×10^-1 nm/℃。它们分别比普通的基于FBG的传感器高100倍和85倍。随后文章研究了检测SAL PMF的相位双折射的一个重要指标布拉格峰，解释了在轴向应变和温度传感测量中萨格纳克干扰浸染的反应行为。

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原文出自Sensors 期刊：

Wu, Z.; Wu, P.; Kudinova, M.; Zhang, H.; Shum, P.P.; Shao, X.; Humbert, G.; Auguste, J.-L.; Dinh, X.Q.; Pu, J. Bragg Grating Assisted Sagnac Interferometer in SiO₂-Al₂O₃-La₂O₃ Polarization-Maintaining Fiber for Strain–Temperature Discrimination. Sensors 2020, 20, 4772.

撰稿人：岳洋

 专栏简介 

“智能光子应用技术”专栏由Sensors 期刊编委岳洋教授 (西安交通大学) 主持，专注于光通信、光感知、光芯片等智能光子学领域的前沿进展与创新应用。

 专栏编辑

岳洋 教授

西安交通大学

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西安交通大学信息与通信工程学院教授、博士生导师，SPIE会士、IEEE/Optica高级会员、智能光子应用技术实验室 (iPatLab) 创始人及现任PI。致力于光通信、光感知、光芯片等智能光子学领域的基础及应用研究。已发表论文240余篇 (包括Science)，特邀论文10余篇，申请及授权专利60余项 (包括美国专利25项、欧洲专利9项，已授权30余项)，编著英文书5部，英文书章节2章，Google学术引用10,000余次，获邀报告200余次 (包括1次Tutorial，30余次Plenary和50余次Keynote)。现任IEEE Access、Frontiers in Physics副主编，Sensors 等4个学术期刊编委，J. Lightw. Technol. 等特刊客座编辑10余次，国际会议主席、技术委员会委员100余次，70余学术期刊审稿人。

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*本文内容由Sensors 期刊编委岳洋教授撰写，文中涉及到的论文翻译部分，为译者在个人理解之上的概述与转达，论文详情及准确信息请参考英文原文。本文遵守 CC BY 4.0 许可 (https://creativecommons.org/licenses/by/4.0/)。如需转载，请于公众号后台留言咨询。

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