CN113568090B - 一种用于分布式传感***的多芯微结构光纤 - Google Patents

一种用于分布式传感***的多芯微结构光纤 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种用于分布式传感***的多芯微结构光纤，属于光纤传感技术领域，包括：一多模纤芯，设置于光纤的中心位置处；至少一个单模纤芯，设置与光纤的非中心位置处；空气孔，多模纤芯和至少一个单模纤芯被空气孔分隔开；包层，包层包覆于多模纤芯、至少一个单模纤芯以及空气孔的***。本发明的有益效果在于：同时具有多模纤芯和单模纤芯，在同一光纤中实现了DTS和DAS的分布式传感，有效控制光纤中不同纤芯之间的能量耦合，保证多个纤芯中多模和单模的长距离传输时的损耗较低；通过引入空气孔结构，极大减小纤芯之间的能量串扰，同时保证应用于不同光纤外径的适用性。

Description

一种用于分布式传感***的多芯微结构光纤
技术领域
本发明涉及光纤传感技术领域，尤其涉及一种用于分布式传感***的多芯微结构光纤。
背景技术
分布式光纤传感***是一种利用光纤作为传感敏感元件和传输信号介质的传感***。目前，分布式光纤传感***已广泛应用于各个行业，例如：电力行业，包括电力电缆的表面温度检测监控、事故点定位电缆隧道、夹层的火情监测、发电厂和变电站的加的温度监测、故障点的检测和火灾报警；以及大型民用工程的结构健康监测，大坝、河堤的渗漏，桥梁及其他混凝土结构裂变的监测、大坝、河堤、桥梁的混凝土凝固与养护温度与应变监测；进一步的应用于火灾监测和报警，隧道、地铁、公路的火灾监测和报警；还可以用于石油天然气行业，包括石油、天然气输送管线或储罐泄漏监测，油库、油管、油罐的温度监测及故障点的检测。
随着分布式光纤传感技术的发展，不仅能实现分布式温度传感(Distributedtemperature sensor，DTS)，还能实现分布式声波传感(Distributed acoustic sensor，DAS)。但目前DTS***主要采用多模光纤，而DAS***主要使用单模光纤，由于DTS和DAS技术的技术原理不同，所使用的光纤种类也不相同。
为了实现DTS和DAS技术的联合使用，以满足更多的应用需求，例如，油气输送管线的泄露监测、石油开采过程中的压裂监测等，需要同时具有多模纤芯和单模纤芯。将多模纤芯和单模纤芯集成在一根光纤中时，由于多模纤芯面积较大，在结构设计中较大的纤芯间距和较小的光纤外径形成矛盾，当纤芯间距不足时，纤芯之间的能量耦合会使各个纤芯损耗增加，无法满足分布式传感技术中长距离传输的要求，因此针对以上问题，迫切需要研究一种用于分布式传感***的多芯微结构光纤，以满足实际使用的需要。
发明内容
为了解决以上技术问题，本发明提供了一种用于分布式传感***的多芯微结构光纤，通过空气孔，实现单模、多模在同一根光纤中传输，极大程度上减小了光纤的单模纤芯和多模纤芯、单模纤芯和单模纤芯之间的串扰。
本发明所解决的技术问题可以采用以下技术方案实现：
其中，一种用于分布式传感***的多芯微结构光纤，包括：
一多模纤芯，设置于光纤的中心位置处；
至少一个单模纤芯，设置与所述光纤的非中心位置处；
空气孔，所述多模纤芯和至少一个所述单模纤芯被所述空气孔分隔开；
包层，所述包层包覆于所述多模纤芯、至少一个所述单模纤芯以及所述空气孔的***。
优选地，所述单模纤芯为一个以上时，所述单模纤芯与所述多模纤芯成正三角分布，且相邻的两个所述单模纤芯被所述空气孔分隔开。
优选地，所述单模纤芯的纤芯直径范围为3～15μm，数值孔径为0.1～0.18。
优选地，所述多模纤芯的纤芯直径范围为25～80μm，数值孔径为0.15～0.3。
优选地，所述空气孔与所述单模纤芯相隔一第一预设距离；
所述第一预设距离不小于所述单模纤芯的直径的2倍。
优选地，所述空气孔与所述多模纤芯相隔一第二预设距离；
所述第二预设距离不小于所述多模纤芯的直径的0.2倍。
优选地，所述空气孔的中心位于所述单模纤芯和所述多模纤芯的中心连线的中点。
优选地，所述空气孔的孔径为所述单模纤芯和所述多模纤芯中心距的0.05～0.8倍。
优选地，至少一个所述单模纤芯可围绕所述多模纤芯旋转，以形成一螺旋纤芯，螺旋周期范围为3mm～1m。
优选地，所述单模纤芯的中点距离所述光纤的包层的外边缘范围10～200μm。
本发明的有益效果在于：
本发明所制备得到的多芯微结构光纤同时具有多模纤芯和单模纤芯，在同一光纤中实现了DTS和DAS的分布式传感，有效控制光纤中不同纤芯之间的能量耦合，保证多个纤芯中多模和单模的长距离传输时的损耗较低；通过引入空气孔结构，极大减小纤芯之间的能量串扰，同时保证应用于不同光纤外径的适用性。
附图说明
图1为本发明中一种用于分布式传感***的多芯微结构光纤实施例1的结构示意图；
图2为本发明中制备图1中多芯微结构光纤实施例1的堆栈示意图；
图3为本发明中一种用于分布式传感***的多芯微结构光纤实施例2的结构示意图；
图4为本发明中制备图3中多芯微结构光纤实施例2的堆栈示意图；
图5为本发明中一种用于分布式传感***的多芯微结构光纤实施例3的结构示意图；
图6为本发明中制备图5中多芯微结构光纤实施例3的堆栈示意图；
图7为本发明中一种用于分布式传感***的多芯微结构光纤实施例4的结构示意图；
图8为本发明中制备图7中多芯微结构光纤实施例4的堆栈示意图。
附图标记：
多模纤芯(1)，第一毛细棒(11)，第一毛细管(12)，单模纤芯(2)，第二毛细棒(21)，第二毛细管(22)，空气孔(3)，第三毛细管(31)，包层(4)，外套管(41)，第三毛细棒(5)。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明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发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明，但不作为本发明的限定。
本发明提供一种用于分布式传感***的多芯微结构光纤，属于光纤传感技术领域，参见图1-8，包括：
一多模纤芯1，设置于光纤的中心位置处；
至少一个单模纤芯2，设置与光纤的非中心位置处；
空气孔3，多模纤芯1和至少一个单模纤芯2被空气孔3分隔开；
包层4，包层4包覆于多模纤芯1、至少一个单模纤芯2以及空气孔3的***。
具体的，在本实施例中，多芯微结构光纤包括包层4，以及设置于包层4内的纤芯，纤芯包括至少一个单模纤芯2和多模纤芯1，包层4内还包括一个或者多个空气孔3，空气孔3设置于多模纤芯1和至少一个单模纤芯2之间，用于将多模纤芯1和每个单模纤芯2分隔开，以降低多模纤芯1和单模纤芯2之间的能量串扰。
具体的，包层4一般采用纯石英材料制备得到。
作为优选的实施方式，多模纤芯1设置在光纤的正中心位置，多模纤芯1的纤芯直径范围为25～80μm，一般情况下为50μm或62.5μm；多模纤芯1的数值孔径范围为0.15～0.3，一般情况下为0.18～0.22；多模纤芯1采用掺杂石英玻璃材料制备而成，掺杂石英玻璃材料可以是掺锗石英玻璃、或硼锗共掺石英玻璃等。
作为优选的实施方式，单模纤芯2设置在光纤非中心位置，单模纤芯2为至少一个，优选的，单模纤芯2为1～6个。每个单模纤芯2的纤芯直径范围为3～15μm，一般情况下为8～10μm；单模纤芯2的数值孔径范围为0.05～0.18，一般情况下为0.1～0.15；单模纤芯2同样也是采用掺杂石英玻璃材料制备而成，掺杂石英玻璃材料可以是掺锗石英玻璃、或硼锗共掺石英玻璃等。
作为优选的实施方式，单模纤芯2的中点距离光纤的包层4的外边缘范围10～200μm。
具体的，单模纤芯2的中点与光纤的包层4的外边缘范围为10～200μm，一般情况下取值为30～100μm。
进一步的，为了提高DAS***的传感灵敏度，需要适当提高多芯微结构光纤中的单模纤芯2的非线性系数，进一步优化其尺寸范围，单模纤芯2的纤芯直径范围可以为3～5μm，数值孔径为0.1～0.18，同时使用高掺锗石英玻璃作为单模纤芯2的制备材料。
作为优选的实施方式，单模纤芯2为一个以上时，单模纤芯2与多模纤芯1呈正三角分布，且相邻的两个单模纤芯2被空气孔3分隔开。
具体的，如果多芯微结构光纤中包括两个及以上的单模纤芯2，则单模纤芯2和多模纤芯1呈正三角分布，即单模纤芯2与单模纤芯2、以及单模纤芯2和多模纤芯1的中心距均相等。
进一步的，单模纤芯2和多模纤芯1的中心距范围为10～300μm，一般情况下取值为30～150μm。
作为优选，当存在两个及以上的单模纤芯2时，空气孔3除了设置在单模纤芯2和多模纤芯1之间，降低单模纤芯2和多模纤芯1的串扰之外，在相邻的单模纤芯2和单模纤芯2之间也需要设置空气孔3，以降低单模纤芯2之间的串扰。即若单模纤芯2为一个，则空气孔3至少为一个；单模纤芯2为两个时，则空气孔3至少为三个，也可以在此基础上适应性的增加空气孔3的数量。
作为优选的实施方式，空气孔3的中心位于单模纤芯2和多模纤芯1的中心连线的中点。
具体的，上述空气孔3的中心位置设置于单模纤芯2和多模纤芯1的中心连线的中点；同样的，设置于相邻的两个单模纤芯2之间的空气孔3同样也可以设置在相邻的两个单模纤芯2的中心连线的中点。
作为优选的实施方式，空气孔3与单模纤芯2相隔一第一预设距离；
第一预设距离不小于单模纤芯2的直径的2倍。
作为优选的实施方式，空气孔3与多模纤芯1相隔一第二预设距离；
第二预设距离不小于多模纤芯1的直径的0.2倍。
具体的，空气孔3与单模纤芯2之间的距离不小于单模纤芯2直径的2倍，空气孔3与多模纤芯1之间的距离不小于多模纤芯1的直径的0.2倍，针对分布式光纤传感***(DAS***和DTS***)，能够适应于光信号的长距离传输。
作为优选的实施方式，空气孔3的孔径为单模纤芯2和多模纤芯1中心距的0.05～0.8倍，一般取值为0.35～0.6倍。
作为优选的实施方式，至少一个单模纤芯2可围绕多模纤芯1旋转，以形成一螺旋纤芯，螺旋周期范围为3mm～1m。
具体的，为了提高DAS***的传感灵敏度，单模纤芯2可围绕多芯微结构光纤的几何中心(即位于中心位置处的多模纤芯1)旋转，形成一种螺旋纤芯光纤，螺旋周期范围为3mm～1m，一般取值范围为4～20mm。
于上述较佳的实施例中，上述多芯微结构光纤采用堆栈法制备而成，多模光纤包括第一毛细管12和位于第一毛细管12内的多个第一毛细棒11，第一毛细管12在后续光纤拉丝制备过程中熔融形成包层4的一部分，多个第一毛细棒11熔融形成多模纤芯1；
单模光纤包括第二毛细管22和位于第二毛细管22内的第二毛细棒21，第二毛细管22在后续光纤拉丝制备过程中熔融形成包层4的一部分，第二毛细棒21熔融形成单模纤芯2；
在制备之前，先通过堆叠的方法制备得到若干多模光纤和若干单模光纤以备用，多芯微结构光纤的具体堆栈法方法如下：
将多模光纤、至少一个单模光纤、第三毛细管31按照“正三角形”分布方式堆叠在一起，多模光纤位于中心位置处，单模光纤位于非中心位置处，且单模光纤和多模光纤以及相邻的两个单模光纤之间设有第三毛细管31；
堆叠好后，将其***外套管41中，再使用不同直径的第三毛细棒5填充外套管41中的间隙，第三毛细棒5的直径小于或等于单模光纤的直径，当直径与单模光纤、多模光纤直径相同的第三毛细棒5在前述堆叠即与之堆叠形成正六边形，采用直径较小的第三毛细棒5填充间隙，例如单模光纤与外套管41之间、单模光纤与单模光纤之间或者单模光纤与多模光纤之间的间隙。
其中，多模光纤的外径(即第一毛细管12的外径)、单模光纤的外径(即第二毛细管22的外径)与第三毛细管31的外径均相同，外套管41的管厚度与第一毛细管12外径的比值范围为0.3～7，一般取值为1.5～5。
进一步的，在后续光纤拉丝制备过程中第一毛细管12、第二毛细管22、第三毛细管31、外套管41均熔融形成上述包层4。
下文中，提供四个具体实施例以对本技术方案进一步阐释和说明：
实施例1
一种用于分布式传感***的多芯微结构光纤，如图1所示，包括呈“正三角形”分布的6个单模纤芯2、1个多模纤芯1，各个单模纤芯2、多模纤芯1之间由空气孔3分隔；
包层4采用纯石英材料制备；
多模纤芯1设置在光纤的正中心位置，其纤芯直径为50μm，数值孔径取值0.2±0.01；制备材料采用掺锗石英玻璃；
单模纤芯2设置在光纤的非中心位置，单模纤芯2数量为6个，其纤芯直径为9μm。单模纤芯2数值孔径取值0.12；单模纤芯2材料为掺锗石英玻璃；
单模纤芯2的几何中点与光纤的边缘距离为71μm，且单模纤芯2和多模纤芯1的中心距为120μm；
空气孔3位于相邻的两个单模纤芯2之间，单模纤芯2和多模纤芯1之间，且空气孔3位于相邻的两个纤芯的中心连线的中点，优选的，空气孔3的孔径为40μm。
实施例1中的多芯微结构光纤采用堆栈法后堆栈示意图参见图2，即将一个多模光纤、6个单模光纤、第三毛细管31按照“正三角形”分布方式堆叠在一起，多模光纤位于中心位置处，单模光纤位于非中心位置处，且单模光纤和多模光纤以及相邻的两个单模光纤之间设有第三毛细管31，更为优选的，6个单模光纤可围绕中心位置处的多模光纤呈正六边形分布，一个多模光纤、6个单模光纤、第三毛细管31整体堆叠后呈正六边形；
堆叠好后，将其***外套管41中，再使用不同直径的第三毛细棒5填充外套管41中的间隙。
实施例2
一种用于分布式传感***的多芯微结构光纤，如图3所示，包括呈“正三角形”分布的3个单模纤芯2、1个多模纤芯1，各个单模纤芯2、多模纤芯1之间由空气孔3分隔。
包层4采用纯石英材料制备；
多模纤芯1设置在光纤的正中心位置，其纤芯直径为50μm，数值孔径取值0.2±0.01；制备材料采用掺锗石英玻璃；
单模纤芯2设置在光纤的非中心位置，单模纤芯2数量为3个，3个单模纤芯2以中心对称的方式环绕在多模纤芯1的周围，每个单模纤芯2和多模纤芯1中心距均相等，其纤芯直径为5μm。单模纤芯2数值孔径取值0.14；单模纤芯2材料为高掺锗石英玻璃，该单模纤芯2为一种高非线性纤芯，以提高DAS***的灵敏度；
单模纤芯2的几何中点与光纤的边缘距离为60μm，且单模纤芯2和多模纤芯1的中心距为100μm；
空气孔3位于相邻的两个单模纤芯2之间、单模纤芯2和多模纤芯1之间，且空气孔3位于相邻的两个纤芯的中心连线的中点，优选的，空气孔3的孔径为45μm，更为优选的，在多模纤芯1的周围环绕多个空气孔3。
实施例2中的多芯微结构光纤采用堆栈法后堆栈示意图参见图4，即将多模光纤位于中心位置处，多模光纤的周围环绕分布有6个第三毛细管31，3个单模光纤按照“正三角形”分布方式设置，采用若干第三毛细棒5与多模光纤、3个单模光纤以及6个第三毛细管31堆叠形成正六边形，该第三毛细棒5的直径与第三毛细管31的直径相同。
堆叠好后，将其***外套管41中，再使用不同直径的第三毛细棒5填充外套管41中的间隙，且这里的第三毛细棒5的直径小于第三毛细管31的直径。
实施例3
一种用于分布式传感***的多芯微结构光纤，如图5所示，包括1个单模纤芯2、1个多模纤芯1，1个单模纤芯2在多模纤芯1一侧，且单模纤芯2与多模纤芯1之间由空气孔3分隔。
包层4采用纯石英材料制备；
多模纤芯1设置在光纤的正中心位置，其纤芯直径为50μm，数值孔径取值0.2±0.01；制备材料采用掺锗石英玻璃；
单模纤芯2设置在光纤的非中心位置，单模纤芯2数量为1个，其纤芯直径为5μm。单模纤芯2数值孔径取值0.14；单模纤芯2材料为高掺锗石英玻璃，该单模纤芯2为一种高非线性纤芯，以提高DAS***的灵敏度；
单模纤芯2的几何中点与光纤的边缘距离为70μm，且单模纤芯2和多模纤芯1的中心距为100μm；
1个空气孔3位于单模纤芯2和多模纤芯1之间，将单模纤芯2和多模纤芯1分隔开，且该空气孔3位于相邻的两个纤芯的中心连线的中点，优选的，空气孔3的孔径为45μm。
实施例3中的多芯微结构光纤采用堆栈法后堆栈示意图参见图6，即将多模光纤位于中心位置处，1个单模光纤放置在多模光纤的一侧，第三毛细管31位于单模光纤和多模光纤之间，采用若干第三毛细棒5与上述多模光纤、单模光纤以及第三毛细管31堆叠形成正六边形，该第三毛细棒5的直径与第三毛细管31的直径相同。
堆叠好后，将其***外套管41中，再使用不同直径的第三毛细棒5填充外套管41中的间隙，且这里的第三毛细棒5的直径小于第三毛细管31的直径。
实施例4
在实施例3中，由于多模纤芯1和空气孔3较近，其距离较短，单个空气孔3会影响多模纤芯1的模场形状，进而影响光纤中的某些参数，例如偏振、色散等，为了避免该问题发生，实施例4在实施例3的基础上进行优化。
实施例4所提供的一种用于分布式传感***的多芯微结构光纤，如图7所示，同样是只有1个单模纤芯2、1个多模纤芯1，与实施例3相比，区别在于：实施例3中仅仅只设有一个空气孔3，位于单模纤芯2和多模纤芯1之间；而本实施例4中环绕多模纤芯1的周围分布有6个空气孔3；
进一步的，本实施例制备得到的光纤可呈螺旋状，即单模纤芯2在轴向绕中心的多模纤芯1螺旋延伸，螺旋周期为10mm。
实施例4中的多芯微结构光纤采用堆栈法后堆栈示意图参见图8，即将多模光纤位于中心位置处，6个第三毛细管31环绕多模纤芯1的周围分布，1个单模光纤放置在多模光纤的一侧，其中一个第三毛细管31位于单模光纤和多模光纤之间的中心连线的中点，采用若干第三毛细棒5与上述多模光纤、单模光纤以及第三毛细管31堆叠形成正六边形，该第三毛细棒5的直径与第三毛细管31的直径相同。
堆叠好后，将其***外套管41中，再使用不同直径的第三毛细棒5填充外套管41中的间隙，且这里的第三毛细棒5的直径小于第三毛细管31的直径；
进一步的，单模光纤在制备过程中高速旋转预制棒，通过控制旋转速度和光纤拉丝速度，使其在轴向绕中心的多模纤芯1螺旋状延伸。
本发明的有益效果在于：
本发明所制备得到的多芯微结构光纤同时具有多模纤芯和单模纤芯，在同一光纤中实现了DTS和DAS的分布式传感，有效控制光纤中不同纤芯之间的能量耦合，保证多个纤芯中多模和单模的长距离传输时的损耗较低；通过引入空气孔结构，极大减小纤芯之间的能量串扰，同时保证应用于不同光纤外径的适用性。
以上所述仅为本发明较佳的实施例，并非因此限制本发明的实施方式及保护范围，对于本领域技术人员而言，应当能够意识到凡运用本发明说明书及图示内容所作出的等同替换和显而易见的变化所得到的方案，均应当包含在本发明的保护范围内。

Claims (8)

1.一种用于分布式传感***的多芯微结构光纤，其特征在于，包括：
一多模纤芯，设置于光纤的中心位置处；
至少一个单模纤芯，设置于所述光纤的非中心位置处；
空气孔，所述多模纤芯和至少一个所述单模纤芯被所述空气孔分隔开；
包层，所述包层包覆于所述多模纤芯、至少一个所述单模纤芯以及所述空气孔的***；
所述空气孔与所述单模纤芯相隔一第一预设距离；
所述第一预设距离不小于所述单模纤芯的直径的2倍；
所述空气孔与所述多模纤芯相隔一第二预设距离；
所述第二预设距离不小于所述多模纤芯的直径的0.2倍。
2.根据权利要求1所述的一种用于分布式传感***的多芯微结构光纤，其特征在于，所述单模纤芯为一个以上时，所述单模纤芯与所述多模纤芯呈正三角分布，且相邻的两个所述单模纤芯被所述空气孔分隔开。
3.根据权利要求1所述的一种用于分布式传感***的多芯微结构光纤，其特征在于，所述单模纤芯的纤芯直径范围为3～15μm，数值孔径为0.1～0.18。
4.根据权利要求1所述的一种用于分布式传感***的多芯微结构光纤，其特征在于，所述多模纤芯的纤芯直径范围为25～80μm，数值孔径为0.15～0.3。
5.根据权利要求1所述的一种用于分布式传感***的多芯微结构光纤，其特征在于，所述空气孔的中心位于所述单模纤芯和所述多模纤芯的中心连线的中点。
6.根据权利要求1所述的一种用于分布式传感***的多芯微结构光纤，其特征在于，所述空气孔的孔径为所述单模纤芯和所述多模纤芯中心距的0.05～0.8倍。
7.根据权利要求1所述的一种用于分布式传感***的多芯微结构光纤，其特征在于，至少一个所述单模纤芯可围绕所述多模纤芯旋转，以形成一螺旋纤芯，螺旋周期范围为3mm～1m。
8.根据权利要求1所述的一种用于分布式传感***的多芯微结构光纤，其特征在于，所述单模纤芯的中点距离所述光纤的包层的外边缘范围10～200μm。
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