一种用于超灵敏分布式声波传感的抗弯光纤

1.本发明属于光纤传感技术领域，具体提供一种用于超灵敏分布式声波传感的抗弯光纤。

背景技术：

2.相比于传统的压电水听器，光纤水听器有抗电磁干扰、易于组网等优点；而在最近几年来，一种基于相位敏感光时域反射(φ-otdr)的分布式光纤声波传感器(das)被提出。与传统光纤水听器在原理上具有本质不同，das由于具有超大阵元数、大规模制备与铺设成本低、耐压耐腐蚀性能好等优点而极具发展潜力；然而，在水听应用中，基于通信光线的das的声压灵敏度远不能满足要求，因此需要对传感光纤进行增敏。
3.目前，最直接有效的增敏方法有两种：一种方法为将光纤连续绕制在柱状弹性体上，例如文献“y.yang,t.xu,s.feng,j.huang,and f.li,optical fiber hydrophone based on distributed acoustic sensing(international symposium on optoelectronic technology and application 2018).spie,2018”中由科院半导体所演示的分布式光纤水听器方案，声压灵敏度达到-141.6db rerad/μpa；另一种方法为在光纤上刻写连续弱反射光栅，例如美国专利文献“us9766396”中由美国ofs公司提出的使用弱反射光栅进行散射增强的方案；如果同时采用上述两种方法，则会对光纤的抗弯性能以及刻写光栅之后的光纤传输损耗、弯曲损耗提出极高的要求。
4.虽然已有多种抗弯光纤被提出，例如专利文献“cn113608298a”中由长飞光纤光缆股份有限公司提出的基于双下陷内包层和抛物线折射率分布纤芯的大模场直径抗弯光纤、专利文献“cn106468803a”中由长盈通光电技术有限公司提出的基于布拉格光纤结构的抗弯单模光纤，可以在波长1550nm处，弯曲半径为10mm绕200圈的宏弯损耗达到0.1～0.001db/km。然而，这些光纤为保证光纤的抗弯性能，在光纤纤芯与包层中均进行了重掺锗，导致光纤的包层也提高了光敏性，使得在纤芯刻写弱反光栅进行瑞利散射增强时，折射率调制结构会同时写入到包层中，导致光纤弯曲时过多的光耦合进入包层，降低了光纤的抗弯性能；另一方面，纤芯本身掺锗也会导致光纤的传输损耗提升。

技术实现要素：

5.本发明的目的在于针对上述现有技术存在的诸多问题，提供一种用于超灵敏分布式声波传感的抗弯光纤，保证光纤刻写光栅后的抗弯性能和传输损耗。
6.为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：
7.一种用于超灵敏分布式声波传感的抗弯光纤，包括：内芯层、内包层、折射率凹陷层及外包层；其特征在于，所述抗弯光纤还包括外芯层，所述外包层、折射率凹陷层、内包层、外芯层与内芯层由外向内依次包覆设置；所述外芯层的折射率高于内包层的折射率、低于内芯层的折射率，所述内包层为纯石英，所述折射率凹陷层的折射率低于内包层的折射率，所述外包层与内包层材料相同。
8.进一步的，所述内芯层的相对折射率差在0.6％～0.7％之间，且直径不大于5μm。
9.进一步的，所述外芯层的相对折射率差在0.5％～0.6％之间，且厚度为1～5μm。
10.进一步的，所述内包层的厚度为2～6μm。
11.进一步的，所述折射率凹陷层通过氟掺杂降低折射率，使相对折射率差在-0.03％～-0.1％之间，且厚度大于15μm。
12.进一步的，所述抗弯光纤的光纤数值孔径在0.18～0.22之间。
13.与现有技术相比，本发明的有益效果在于：
14.1、光纤芯层的折射率和光敏性一般由光纤芯层的掺锗浓度决定，掺锗浓度较低的芯层会有更低的光敏性和折射率；本发明中添加折射率较低的外芯层，其低掺锗浓度的特性使得外芯层光敏性更低，刻写于外芯层上的光栅反射率比刻写于内芯层的光栅反射率更低，故而光在外芯层中传输损耗更低，从而降低光栅刻写造成的光纤传输损耗；
15.2、本发明中光纤的内包层采用无掺杂的纯石英，光敏性极低，防止光栅刻写在内包层中，从而防止在光纤弯曲时将更多的光耦合到包层中，降低刻写光栅后的光纤的弯曲损耗；
16.3、本发明中采用大凹陷层的折射率分布，极大提升光纤的抗弯性能。
附图说明
17.图1为本发明中用于超灵敏分布式声波传感的抗弯光纤的结构示意图，其中，1为内芯层，2为外芯层，3为内包层，4为折射率凹陷层，5为外包层。
18.图2为本发明中用于超灵敏分布式声波传感的抗弯光纤的折射率分布图。
具体实施方式
19.为使本发明的目的、技术方案与有益效果更加清楚明白，下面结合附图和实施例对本发明做进一步详细说明。
20.在分布式光纤水听器中，为增强光纤水听器的灵敏度，传感光纤会缠绕到直径较小(10～15mm)的增敏弹性体上，这种封装方式对光纤的抗弯性能提出了很高的要求；另一方面，普通单模光纤的后向瑞利散射信号十分微弱，这极大地降低了光纤水听器的信噪比(snr)，影响光纤水听器的灵敏度；因此，通过在光纤中刻写弱反射光栅以增强光纤中的瑞利散射强度，成为了行之有效的提高水听器灵敏度的方法。然而，同时使用这两种方法时会出现一些问题：首先，为保证光纤的抗弯性能，需要使用抗弯光纤，然而，目前绝大部分的抗弯光纤均在包层中掺入了较高浓度的锗元素，导致了光纤包层的紫外光敏性提高，从而使得刻写光栅时，光栅也会刻写在包层中，当光纤弯曲时，一部分光被光栅结构耦合到光纤包层中，导致光纤的弯曲损耗极大劣化；其次，光纤中刻写的弱反光栅也引入了部分传输损耗；两方面因素的叠加，极大限制了分布式光纤水听器的传感长度，继而影响其传感孔径和目标定位精度。
21.基于此，本发明提供一种用于超灵敏分布式声波传感的抗弯光纤，用以解决上述问题。光纤的直径、截止波长、机械强度以及其他结构参数满足iec 60793-2-60-2008标准中的c3_b类光纤，但是光纤传输模式不限制于单模。
22.以下先对本发明中涉及术语进行定义说明：
23.从光纤纤芯轴线开始算起，根据对应的折射率变化趋势，最靠近轴线的层定义为光纤内芯层，紧靠光纤内芯层的部分定义为光纤外芯层，紧靠外芯层的部分定义为内包层，内包层外部折射率最低的部分定义为光纤的折射率凹陷层，与光纤折射率凹陷层紧靠的部分定义为光纤外包层，光纤的最外层定义为光纤涂覆层。
24.光纤各层的相对折射率差δni定义为：
[0025][0026]
其中，ni为光纤各位置材料的折射率，nc为纯石英(二氧化硅)的折射率。
[0027]
光纤模场直径(mode field diameter，mfd)计算采用petermannn第一定义：
[0028][0029]
其中，f(r)为光纤中的场分布函数，r为光纤径向坐标。
[0030]
内外芯能量比(inner/outer core power ratio，i/o-cpr)定义为：
[0031][0032]
其中，p
innercore
为内芯层的光功率，p
outercore
为外芯层的光功率；
[0033]
内外芯能量比用以表征两个纤芯之间的能量比，由于内芯层的掺杂率高，故该值越高、光纤中的损耗越高，即通过内外芯能量比估计光纤的损耗。
[0034]
实施例1
[0035]
本实施例提供一种用于超灵敏分布式声波传感的抗弯单模光纤，其结构如图1所示，包括：由外向内依次包覆设置的外包层5、折射率凹陷层4、内包层3、外芯层2与内芯层1；其中，所述内芯层1的折射率高于外芯层2的折射率，且直径不大于5μm，以保证光纤中的部分光可以在外芯层中传输，从而降低因刻写光栅而造成的光纤传输损耗增加；所述外芯层2的折射率高于内包层3的折射率，且厚度不超过5μm，从而保证光纤的单模/少模性；所述内包层3为纯石英(二氧化硅)，不进行任何掺杂，且厚度在2～6μm之间，不小于2μm，确保光栅结构不延续到光纤包层中，导致光纤的弯曲损耗增加，同时，一定的厚度可以在保证光纤的抗弯性的同时阻隔外芯层2与折射率凹陷层4之间的耦合；所述折射率凹陷层4通过掺氟降低折射率，使折射率低于内包层3，且厚度大于15μm，保证光纤的抗弯性；所述外包层5与内包层3材料相同。
[0036]
更为准确的讲，本实施例中抗弯光纤的折射率分布如图2所示；其中，内芯层的半径a1为1μm，相对折射率差δn1为0.68％；外芯层的厚度a2为1μm，相对折射率差δn2为0.57％；内包层厚度b为2μm；折射率凹陷层的厚度c为17.5μm，相对折射率差δn3为-0.05％。
[0037]
本实施例中抗弯光纤经comsol仿真显示，其弯曲损耗可以达到6.76
×
10-5
db/coil@r5mm，i/o-cpr可以达到0.522，模场直径相对较小(6.5738μm@1550nm)。
[0038]
实施例2
[0039]
本实施例提供一种用于超灵敏分布式声波传感的抗弯少模光纤，光纤包含模式有：lp01与lp11两种；光纤结构与实施例1相同，但尺寸不同，其中，内芯层的半径a1为2μm，
相对折射率差δn1为0.68％；外芯层的厚度a2为2μm，相对折射率差δn2为0.57％；内包层的厚度b为2μm；折射率凹陷层的厚度c为17.5μm，相对折射率差δn3为-0.05％。
[0040]
本实施例中抗弯光纤经comsol仿真显示，其lp01模式弯曲损耗可以达到4.91
×
10-9
db/coil@r5mm，lp11模式弯曲损耗可达到5.5
×
10-4
db/coil@r5mm，i/o-cpr可以达到0.824；同时，也可保证相对较大的模场直径(lp01模式下为7.9μm@1550nm、lp11模式下为11.46μm@1550nm)，从而可以降低与g.652.d标准单模光纤之间的熔接损耗。
[0041]
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，本说明书中所公开的任一特征，除非特别叙述，均可被其他等效或具有类似目的的替代特征加以替换；所公开的所有特征、或所有方法或过程中的步骤，除了互相排斥的特征和/或步骤以外，均可以任何方式组合。

技术特征：

1.一种用于超灵敏分布式声波传感的抗弯光纤，包括：内芯层、内包层、折射率凹陷层及外包层；其特征在于，所述抗弯光纤还包括外芯层，所述外包层、折射率凹陷层、内包层、外芯层与内芯层由外向内依次包覆设置；所述外芯层的折射率高于内包层的折射率、低于内芯层的折射率，所述内包层为纯石英，所述折射率凹陷层的折射率低于内包层的折射率，所述外包层与内包层材料相同。2.按权利要求1所述用于超灵敏分布式声波传感的抗弯光纤，其特征在于，所述内芯层的相对折射率差在0.6％～0.7％之间，且直径不大于5μm。3.按权利要求1所述用于超灵敏分布式声波传感的抗弯光纤，其特征在于，所述外芯层的相对折射率差在0.5％～0.6％之间，且厚度为1～5μm。4.按权利要求1所述用于超灵敏分布式声波传感的抗弯光纤，其特征在于，所述内包层的厚度为2～6μm。5.按权利要求1所述用于超灵敏分布式声波传感的抗弯光纤，其特征在于，所述折射率凹陷层通过氟掺杂降低折射率，使相对折射率差在-0.03％～-0.1％之间，且厚度大于15μm。6.按权利要求1所述用于超灵敏分布式声波传感的抗弯光纤，其特征在于，所述抗弯光纤的光纤数值孔径在0.18～0.22之间。

技术总结

本发明属于光纤传感技术领域，具体提供一种用于超灵敏分布式声波传感的抗弯光纤，用以保证光纤刻写光栅后的抗弯性能和传输损耗。本发明包括：由外向内依次包覆设置的外包层、折射率凹陷层、内包层、外芯层与内芯层；所述外芯层的折射率高于内包层的折射率、低于内芯层的折射率，所述内包层为纯石英，所述折射率凹陷层的折射率低于内包层的折射率，所述外包层与内包层材料相同；本发明通过添加折射率较低的外芯层，使部分光在损耗较低的外芯层中传输，有效降低降低光栅刻写造成的光纤传输损耗；而内包层采用无掺杂的纯石英，无掺锗特性也降低了在刻写弱反射光栅后光钎的弯曲损耗。了在刻写弱反射光栅后光钎的弯曲损耗。了在刻写弱反射光栅后光钎的弯曲损耗。