红外与激光工程
2023, 52(11): 20230137
1 华北电力大学电气与电子工程学院，河北 保定 071003
2 华北电力大学河北省电力物联网技术重点实验室，河北 保定 071003
3 华北电力大学保定市光纤传感与光通信技术重点实验室，河北 保定 071003
为了获得相关因素对基于相干探测相敏光时域反射计（φ-OTDR）的分布式声波传感（DAS）系统测量准确性的影响规律，根据光纤中后向瑞利散射理论建立相干探测φ-OTDR仿真模型。基于该模型生成不同测量参数下的后向瑞利散射信号，采用IQ解调算法确定了振动位置、还原了振动信号，计算了振动检测信噪比和失真度。结果表明：采样率可以小于声光调制器（AOM）频率的2倍；宽范围内随着采样率的提高，振动检测信噪比与失真度不是严格单调增加或降低；模数转换器（ADC）量化位数在8~16位范围内变化时对系统解调结果的影响不大；随着入射光脉冲宽度减小、振动点与入射端距离增加，振动检测信噪比分别呈双指数、线性规律下降，失真度分别呈双指数、幂函数规律增加；随着掺铒光纤放大器（EDFA）放大倍数提高，振动检测信噪比呈幂函数规律提升，失真度在高、低噪声时分别呈幂函数、双指数规律下降。
传感器 分布式声波传感器 φ-OTDR IQ解调 振动检测 影响因素 光学学报
2023, 43(14): 1428001
华北电力大学 电气与电子工程学院, 河北 保定 071003
相位敏感光时域反射计(Φ-OTDR)凭借着传感距离长、铺设简单、耐腐蚀和抗电磁干扰等特点被广泛应用于分布式振动监测领域。随着传感任务多样化及人工智能的广泛应用, 对振动事件的类型识别成为研究的热点方向。为了使读者能更好理解识别分类器研究进展和发展趋势, 先后介绍了传统 识别分类器和基于深度学习的神经网络识别分类器, 对不同分类器性能指标、优缺点和应用场合进行了比较, 最后对Φ-OTDR振动事件识别研究方向进行了展望。
相位敏感光时域反射计 振动事件识别 深度学习 神经网络 phase-sensitive optical time domain reflectometer,
1 华北电力大学 电气与电子工程学院，保定 071003
2 华北电力大学 河北省电力物联网技术重点实验室，保定 071003
3 华北电力大学 保定市光纤传感与光通信技术重点实验室，保定 071003
为提高Sagnac型温度传感器的测温范围和灵敏度，提供了一种具有高双折射高温度灵敏度特性的光子晶体光纤设计方法。通过在光纤空气孔内填充温敏液体材料，使光纤具有良好的温敏特性。在COMSOL中建立该光子晶体光纤的电磁场模型并对光纤特性进行分析计算，利用有限元法分析结构参数对双折射和光纤双折射温度灵敏度的影响，并在所确定结构基础上研究了温敏液体的填充方式和填充液体类型对光纤温敏特性的影响。确定了最优的结构和液体填充方式，最优情况下该光纤的双折射温度灵敏度能够达到2.050 7×10-5/℃，在1 550 nm处可获得5.96×10-2的双折射。将2 mm光子晶体光纤应用于Sagnac型温度传感器中并进行传感性能仿真分析，利用多项式拟合的方法对结果数据进行拟合以分析传感器的温度灵敏度，提高拟合准确性、减小测量误差。结果表明在0~75 ℃范围内传感器平均灵敏度可达11.28 nm/℃，与现有典型Sagnac型温度传感器相比，本文Sagnac型温度传感器在尽量减小光纤长度的基础上获得了较高的温度灵敏度，并且测温范围更大、准确性更高。因此，该传感器在温度测量领域有一定的应用前景。
光子晶体光纤 Sagnac型温度传感器 双折射 温度灵敏度 乙醇填充 Photonic crystal fiber Sagnac temperature sensor Birefringence Temperature sensitivity Ethanol filling
1 华北电力大学 电气与电子工程学院
2 河北省电力物联网技术重点实验室, 河北 保定 071003
基于轨道角动量(OAM)的自由空间光通信(FSOC)具有通信容量大、信息传输快等优点。FSOC系统以大气作为传输媒介, 受大气吸收、散射等影响, OAM光束传输质量严重下降。从OAM复用技术和大气湍流模型出发, 综述了大气湍流强度对OAM空间光通信系统传输误码率和信道容量影响的研究现状, 在此基础上综述多入多出均衡技术及自适应光学技术研究现状, 并分析比较了两种技术中不同算法对大气湍流影响的抑制效果, 对技术发展现状进行了展望。
1 华北电力大学电气与电子工程学院，河北 保定 071003
2 华北电力大学河北省电力物联网技术重点实验室，河北 保定 071003
3 华北电力大学保定市光纤传感与光通信技术重点实验室，河北 保定 071003
为解决一般涡旋光纤支持传输的轨道角动量模式数量少、阶数低和传输质量差的问题，设计了一种新型结构涡旋光纤。该光纤在制作紫晶掺杂管环和石英管环的基础上，利用管环嵌套的方式提高了空气填充率。利用基于有限元法的COMSOL Multiphysics软件对该结构光纤进行建模，并分析计算了其传输特性参数。结果表明，该光纤在不同的入射光波段以跳跃式稳定支持特定阶数的轨道角动量模式，在1500~1600 nm波长范围内可支持44个高阶轨道角动量模式稳定传输，包括较高阶数第31阶。对44个高阶模式进行详细分析发现，有效折射率差保持在10-3量级，色散平坦且色散变化均小于4.2 ps?km-1?nm-1，模式纯度均大于94.5%，有效模面积最小值为122.78 μm2，非线性系数最大值为0.89 km-1·W-1，限制损耗维持在10-13~10-8 dB?m-1量级之间。当弯曲半径大于8 mm时，弯曲对该光纤能够支持的轨道角动量模式数没有影响，而当弯曲半径小于8 mm时，支持的模式数随着弯曲半径的减小而减少。
光纤光学 轨道角动量 涡旋光 涡旋光纤 空分复用 光学学报
2022, 42(22): 2206001
1 华北电力大学电子与通信工程系，河北 保定 071003
2 华北电力大学河北省电力物联网技术重点实验室，河北 保定 071003
3 华北电力大学保定市光纤传感与光通信技术重点实验室，河北 保定 071003
4 华北电力大学电气与电子工程学院，河北 保定 071003
为实现低折射率药物、化学材料的高灵敏度监测，基于D型光子晶体光纤（PCF）设计了一种在开环内镀有金薄膜的表面等离子体共振（SPR）传感器。采用有限元法系统地研究了开环半径、D型结构与纤芯的距离和金膜厚度对所提传感器的波长灵敏度的影响。结果表明，当分析物折射率范围为1.28~1.32时，该PCF-SPR传感器的最大波长灵敏度高达15346 nm/RIU（RIU为折射率单位），相应的分辨率为6.52×10-9 RIU。与现有的研究相比，在同一折射率测量范围内，该PCF-SPR传感器的波长灵敏度和分辨率分别是已有的典型PCF-SPR传感器的1.28~6.67倍和153/1000~783/1000。因此，该PCF-SPR传感器在生物医学、食品安全和物质监测等领域中具有较好的应用前景。
光纤光学 表面等离子体共振 光子晶体光纤 低折射率传感 高灵敏度 光学学报
2022, 42(20): 2006002
1 华北电力大学，电子与通信工程系，河北 保定 071003
2 华北电力大学 河北省电力物联网技术重点实验室，河北 保定 071003
3 华北电力大学 保定市光纤传感与光通信技术重点实验室，河北 保定 071003
4 华北电力大学，电气与电子工程学院，河北 保定 071003
本文提出了一种可用于化学传感的具有高双折射、低损耗的光子晶体光纤，并系统地分析了空气孔参数对光纤光学特性的影响。研究表明，最优结构的光纤在典型波长1.55 μm时对水、乙醇和苯的相对灵敏度分别可达56.3%、59.9%和62.5%，相比现有光子晶体光纤分别提高1.05~6.25倍、1.05~4.99倍和1.03~4.63倍。此外，该光纤还具有较好的传输特性。因此，本文提出的光子晶体光纤在化学传感和生物医学领域方面更具优势。
光子晶体光纤 化学传感 相对灵敏度 有限元法 高双折射 photonic crystal fiber chemical sensing relative sensitivity finite element method high birefringence
1 华北电力大学 1. 电气与电子工程学院
2 2. 河北省电力物联网技术重点实验室
3 3. 保定市光纤传感与光通信技术重点实验室, 河北 保定 071003
基于光纤中光子轨道角动量(Orbital Angular Momentum, OAM)的模式复用技术在提高光通信容量方面具有很大的潜力。适合于传输OAM模式的光纤通过材料和结构的优化设计逐步实现了OAM信号传输更稳定、传输距离更长, OAM模式更多等特性。文章从光纤的模式叠加理论出发, 分析比较了各种传输OAM模式光纤的研究成果、优缺点以及适合的应用场景, 包括基于传统光纤设计的环状光纤、超模光纤, 以及基于光子晶体光纤设计的六角和圆形光子晶体光纤等。最后对适合于传输OAM模式光纤的发展前景做了展望。
环状光纤 光子晶体光纤 轨道角动量 涡旋光纤 空分复用 ring fiber photonic crystal fiber orbital angular momentum vortex fiber space division multiplexing
1 华北电力大学电气与电子工程学院，河北 保定 071003
2 华北电力大学河北省电力物联网技术重点实验室，河北 保定 071003
3 华北电力大学保定市光纤传感与光通信技术重点实验室，河北 保定 071003
本文设计了一种适用于长距离光纤通信的新型光子晶体光纤。该光纤包层内椭圆形和圆形空气孔呈交错排列，纤芯两侧为两个小椭圆空气孔。利用有限元分析方法对所设计光纤的传输特性进行分析并对其结构进行了优化，确定了最佳结构。结果表明，波长为1550 nm时，此新型光子晶体光纤在最佳结构下可提供高达3.51×10-2的高双折射和低至1.5×10-9 dB/m的限制性损耗。与现存的引入椭圆形空气孔的光子晶体光纤相比，本文中的光子晶体光纤的双折射系数有较大提高，限制性损耗系数降低了5个数量级。另外，本文还详细研究了光子晶体光纤的色散随光子晶体光纤结构的变化以及其布里渊增益特性，并分析了其可制造性。基于其高双折射和低限制性损耗特性，此种光纤可应用于长距离光纤通信系统。
光子晶体光纤 高双折射 低限制性损耗 有限元分析法 photonic crystal fiber high birefringence low confinement loss finite element method
