1 引言

基于复用技术,利用光纤光栅(FBG)可以组建传感网络,从而实现准分布式传感。基于光纤光栅的传感检测系统已广泛应用于民用基础建设、交通运输、石油化工、航空航天和生物医学等实际工程领域 ^{[ 1 - 5 ]} 。光纤光栅传感系统的复用技术主要包括波分复用(WDM)技术、时分复用(TDM)技术、空分复用(SDM)技术以及混合复用技术。其中,光纤光栅天然的波长选择性使得WDM技术成为最理想、最简单的复用方式。目前,WDM技术也是最成熟的传感组网技术 ^{[ 6 - 7 ]} 。但是WDM的复用容量受到光源带宽的限制, 无法满足未来大型结构监测的要求。

宽带光源是波分复用传感系统中的重要器件之一,在工程应用中主要采用稀土掺杂放大自发辐射(ASE)光源和发光二极管 ^{[ 8 ]} ,但是它们的带宽受自身特性的限制,一般都小于100 nm。利用光子晶体光纤制作的超连续光源在400~1700 nm范围内具有超宽带光谱 ^{[ 9 ]} ,但较高的价格及存在的稳定性问题限制了其广泛应用,因此便宜且稳定的超宽带光源亟待研究。最近的研究表明,掺铋光纤(BDF)和铋铒共掺光纤(BEDF)在近红外波段表现出了超宽带荧光特性,有望用于制备超宽带光源。该光源可实现整个近红外通信波段的宽带传感,并为高速率通信提供服务 ^{[ 10 - 12 ]} 。

本文对新型BEDF超宽带光源进行了研究,在830 nm半导体激光器(LD)抽运情况下,BEDF光源在980~1630 nm范围内实现了超宽带光谱输出,其半峰全宽(FWHM)可达525 nm。将BEDF超宽带光源应用于波分复用光纤光栅传感系统,利用1286.4,1304.5,1528.5,1544.8 nm的FBG实现了O波段和C波段的应力传感。

2 实验

2.1 铋铒共掺光纤

实验中所使用的BEDF是由澳大利亚新南威尔士大学采用改进化学气相沉积法和原位溶液掺杂技术制成的,在标准大气压下各组成成份的原子数分数分别为26.69%(Si),0.42%(P),0.148%(Bi),0.05%(Er),0.3%(Al)和1.259%(Ge),光纤的纤芯直径为3.0 μm。其中,Er的加入不但可以实现BEDF在C+L波段的发光,还可以增强Bi在O波段的发光功率 ^{[ 12 ]} 。研究表明,可根据掺杂的基质元素对Bi活性中心(BAC)进行分类 ^{[ 13 ]} 。其中,与Ge相关的BAC在1000~1600 nm范围内没有荧光辐射 ^{[ 13 ]} ,但是对1600~1800 nm波段的荧光辐射可能会有贡献,此处加入Ge主要是用来控制纤芯折射率,加入Al可以增加二氧化硅中稀土离子的溶解度以减少聚类 ^{[ 14 ]} ,同时Al也能有效构建BAC-Al ^{[ 15 ]} 。

2.2 实验装置

实验装置如 图1 所示,其中OSA为光谱仪。光纤光栅受应变的一端被强力胶固定在刚性支架上,托盘悬挂在光纤光栅另一端,在托盘中放置一元硬币对光纤光栅施加轴向应力, 图1 (b)只给出了FBG2受应力时的情况。FBG4受应力情况时,4根FBG的连接顺序不变,装置图类似。实验使用的BEDF长度为9 cm,熔接机(80S,Fujikura,日本)采用自动熔接模式,将BEDF两端与普通单模跳线熔接在一起。BEDF与普通单模光纤模场的不匹配会导致较大的熔接损耗,因此选择熔接损耗较小的样品进行实验研究,熔接机显示BEDF两端的熔接损耗都为0.07 dB。 使用830 nm 的LD作为抽运源,利用普通单模跳线将其与功率计直接相连,测量得到的实测功率 P_real 与抽运源面板的屏显功率 P_dis 呈近似的线性关系,有 P_real =0.605× P_dis ,文中所提的抽运功率均采用屏显功率 P_dis 。使用测量范围为600~1700 nm的光谱分析仪(AQ6370C,YOKOGAWA,日本)测量BEDF宽带光源的输出光谱,同时将其用作波分复用传感系统的探测装置。 图1 (b)中4根串联光纤光栅FBG1、FBG2、FBG3和FBG4在室温下的布拉格波长分别为1286.4 nm(O波段)、1304.5 nm(O波段)、1528.5 nm(C波段)和1544.8 nm(C波段)。

图 1. (a) BEDF超宽带光源输出光谱测量装置;(b)基于BEDF超宽带光源的光纤光栅(FBG)传感系统

Fig. 1. (a) Setup for measuring output spectrum of ultra-broadband light source based on BEDF; (b) fiber Bragg grating (FBG) sensing system with ultra-broadband light source based on BEDF

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3 结果及分析

3.1 BEDF超宽带光源

图2 所示为830 nm LD抽运下的BEDF超宽带光源的输出光谱特性。其中, 图2 (a)是在光谱仪分辨率为2 nm、抽运功率为80 mW的情况下得到的输出光谱图。可以看出,输出光谱的范围为980~1630 nm,光谱强度位于-63~-58 dBm之间(不平坦度小于5 dB),3 dB荧光谱范围为1039~1564 nm,FWHM达到525 nm,此BEDF宽带光源的强度已经达到常规宽带白光源的水平。实验中,抽运功率的大小和BEDF的长度在一定程度上限制了超宽带光源的光谱强度。如 图2 (a)所示,830 nm LD抽运时,该BEDF宽带光源的输出光谱主要有三个辐射峰,其中1110 nm和1420 nm波段的辐射峰由Bi产生,分别源自BAC-Al和BAC-Si,1535 nm波段的辐射峰由Er ³⁺ 的电子跃迁产生 ^{[ 16 ]} 。从实验结果可以看出,加入Er元素后,可以使BEDF在C+L波段产生辐射;加入Bi元素后,可以使BEDF在1000~1500 nm超宽带波段产生辐射。

图 2. 830 nm LD抽运情况下,BEDF超宽带光源输出光谱特性。(a)输出光谱;(b)输出光谱相对总功率随抽运功率的变化;(c)输出光谱在各峰值波长处的稳定性;(d)整个输出光谱的标准差

Fig. 2. Output spectral characteristics of ultra-broadband light source based on BEDF when 830 nm LD used as pump. (a) Output spectrum; (b) variation of relative total emission power with pump power; (c) stability of output spectrum at each peak wavelength; (d) standard deviation of the whole output spectrum

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图2 (b)给出了BEDF宽带光源输出光谱在980~1630 nm波段的相对总功率与抽运功率之间的关系,相对总光谱强度随抽运功率的增加而增加。作为宽带光源,其稳定性很重要。 图2 (c)和 图2 (d)均为BEDF宽带光源的稳定性测试结果,测量总时间为1 h,每5 min记录一组数据,抽运功率为80 mW(忽略抽运源输出功率抖动的影响)。结果显示,BEDF宽带光源输出光谱在各峰值波长处的稳定性很好,整个带宽范围内输出光谱的标准差小于0.05 dB。

在830 nm LD抽运的情况下,BEDF光源在近红外通信波段表现出了超宽带光谱输出特性,并且输出光谱具有较好的平坦性和稳定性。将BEDF光源应用于基于波分复用技术的光纤光栅传感系统中,可显著提高传感系统的复用容量。

3.2 基于BEDF超宽带光源的FBGs传感阵列测量

在室温及不加载应力的情况下,利用BEDF超宽带光源,分别测量FBG1、FBG2、FBG3和FBG4以及4根FBG串联的透射谱。 图3 (a)、(b)分别是FBG1和FBG2的透射谱,其布拉格波长分别为1286.4 nm和1304.5 nm,位于O波段(1260~1360 nm)。 图3 (c)和(d)分别是FBG3和FBG4的透射谱,布拉格波长分别为1528.5 nm和1544.8 nm,位于C波段(1530~1565 nm)。 图3 (e)是4根FBG串联之后的透射谱,各光纤光栅在各自波段的透射峰与单个光纤光栅接入时的情况一致。测量透射谱时,光谱仪的分辨率很低(2 nm),因此测量得到的各FBG的透射峰深度较小。实验中采用的4根FBG的布拉格波长各不相同,且两根位于O波段,两根位于C波段,但利用一个BEDF超宽带光源就可实现波长相差甚远的4根FBG的复用。

图 3. 利用BEDF超宽带光源输出光谱得到的透射谱。(a) FBG1;(b) FBG2;(c) FBG3;(d) FBG4;(e) FBG1、FBG2、FBG3和FBG4串联

Fig. 3. Transmission spectra by means of output spectra of ultra-broadband light source based on BEDF. (a) FBG1; (b) FBG2 ; (c) FBG3; (d) FBG4; (e) series connection of FBG1, FBG2, FBG3 and FBG4

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3.3 基于BEDF超宽带光源的波分复用应变传感系统

利用3.2节所述的4根光纤光栅和BEDF超宽带光源,构建 图1 (b)所示的光纤光栅传感系统,进行应变传感实验。微应变计算公式为

ε=σE=mgSE,(1)

式中 ε 为应变, σ 为施加的应力, E 为弹性模量, m 为硬币质量, g 为当地重力加速度, S 为光纤光栅的横截面积。

实验结果如 图4 所示。由 图4 (a)可以看出,FBG2透射峰波长的偏移量与应变呈近似线性关系,线性相关系数为0.99998,应变灵敏度为976.4 μm/ ε 。在只给FBG2施加应力的情况下,其他三根FBG透射峰波长不发生偏移,FBG1、FBG3、 FBG4的最大波长抖动值分别为0.009,0.006,0.002 nm。由此可见,在为每个光纤光栅分配足够宽通道带宽的情况下,该传感系统中各光纤光栅之间的串扰很小。 图4 (b)为只对FBG4施加应力的情况,结果与只对FBG2施加应力类似,FBG4对应拟合直线的相关系数也为0.99998,应变灵敏度为1150 μm/ ε ,FBG1、FBG2、 FBG3的最大波长抖动值分别为0.01,0.008,0.009 nm,各光纤光栅之间的串扰也很小。

图 4. WDM光纤光栅的应变传感。(a) 只有FBG2施加应力; (b) 只有FBG4施加应力

Fig. 4. Strain sensing based on WDM-FBG. (a) Only FBG2 loading microstrain; (b) only FBG4 loading microstrain

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4 结论

研究了一种BEDF超宽带光源,仅在830 nm LD单个抽运的情况下,在980~1630 nm近红外通信波段实现了超宽带光谱输出,其FWHM达525 nm,标准差小于0.05 dB,具有很好的稳定性。实验结果表明,把BEDF超宽带光源应用于基于波分复用技术的光纤光栅传感系统,可大幅度提高传感系统的复用容量,构建超大规模传感网络,从而对大型结构进行传感测量。虽然目前BEDF宽带光源输出光的强度相对较低,但是随着掺Bi光纤制备工艺的改进,BEDF宽带光源的输出光强有望得到提高。