类型b
作者与期刊信息
本文由赵志勇（Zhiyong Zhao）、唐明（Ming Tang）和卢超（Chao Lu）撰写，分别隶属于香港理工大学电子与信息工程系光子学研究中心以及华中科技大学下一代互联网接入系统国家工程实验室。该文章发表于《光电进展》（Opto-Electronic Advances），出版时间为2020年。
主题概述
本文是一篇综述性论文，主要探讨了基于多芯光纤（Multicore Fiber, MCF）的分布式光纤传感技术的研究进展。文章详细介绍了多芯光纤的基本特性、其在空间分割复用（Space-Division Multiplexing, SDM）中的应用，以及如何通过MCF实现多种参数的分布式传感。此外，文章还总结了当前研究中的挑战与未来发展方向。
多芯光纤是一种在单一光纤包层中包含多个纤芯的新型光纤结构。这种设计使得MCF能够提供多个独立的空间通道，从而显著提高传输容量和距离乘积。相比传统的单模光纤（Single Mode Fiber, SMF），MCF具有以下独特优势：
- 弯曲敏感性：由于离轴纤芯在弯曲时会产生切向应变，这一特性被广泛应用于曲率和形状传感。
- 紧凑性：所有纤芯均为实心且排列紧密，适合高密度集成。
- 多功能性：可通过不同纤芯的组合实现多种传感功能，例如温度、应变和振动的同时测量。
这些特性为MCF在光学传感领域的应用奠定了基础。例如，文献[11]展示了使用MCF进行力和温度同时测量的传感器设计。
多芯光纤因其离轴纤芯对弯曲的敏感性，成为三维形状传感的理想选择。具体而言，离轴纤芯在弯曲时会因拉伸或压缩产生切向应变，而中心纤芯则不受弯曲影响。利用这一特性，研究人员开发了两种主要方法：
- 基于光纤布拉格光栅（FBG）阵列的离散测量：通过在每个纤芯中刻写FBG阵列，并结合光学频率域反射计（OFDR）技术，可以实现厘米级分辨率的应变测量，进而重建三维形状[23]。
- 基于布里渊散射的连续测量：布里渊频移（BFS）的变化与弯曲半径相关，因此可以通过测量不同纤芯中的BFS来推导曲率和形状[25]。
实验结果表明，基于MCF的形状传感技术能够在数公里范围内实现高精度的三维形状重建，适用于航空航天、医疗等领域的长距离监测。
MCF的空间分割复用能力使其能够在一个光纤中整合多种传感技术，从而实现多参数传感或性能增强的分布式传感。以下是几个典型的应用案例：
- 温度与应变分离测量：通过异质多芯光纤（Heterogeneous MCF）的设计，不同纤芯对温度和应变的响应系数存在差异，因此可以通过矩阵计算分离这两种干扰因素[56]。
- 振动与温度同步监测：结合拉曼光时域反射计（ROTDR）和相位敏感光时域反射计（φ-OTDR），可以在不同纤芯中分别实现温度和振动的分布式测量[60]。
- 高分辨率与大动态范围结合：通过将φ-OTDR和布里渊光时域分析（BOTDA）集成到不同的纤芯中，可以同时实现高分辨率和大动态范围的测量[67]。
这些研究表明，MCF的空间分割复用技术不仅解决了传统单模光纤传感系统的局限性，还为复杂环境下的多参数监测提供了新思路。
尽管MCF在分布式传感领域展现出巨大潜力，但其实际应用仍面临一些挑战：
- 制造标准缺失：目前尚无统一的MCF设计标准，导致不同厂商生产的MCF参数差异较大，兼容性问题突出。
- 关键器件性能不足：例如，MCF耦合器的插入损耗较高，通常每通道达到1 dB；光纤熔接过程中也会引入额外损耗，进一步降低信噪比（SNR）。
- 高精度测量的限制：现有技术在检测微小形状变化时灵敏度不足，可能限制其在某些特定场景中的应用。
针对上述挑战，文章提出了以下潜在解决方案和发展方向：
- 优化纤芯设计：通过增加离轴纤芯与光纤中心的距离，可以提高弯曲灵敏度，从而增强形状传感的精度。
- 改进制造工艺：提升MCF及其相关光学组件（如耦合器、放大器等）的制造水平，以降低插入损耗和熔接损耗。
- 探索新型传感机制：例如，基于MCF的光机械效应（Optomechanical Effects）可能为石油天然气、海洋学等领域提供新的传感手段[73]。
本文系统地回顾了基于多芯光纤的分布式传感技术的研究进展，揭示了MCF在光学传感领域的广阔应用前景。首先，MCF的独特结构为实现高性能分布式传感提供了新的可能性，例如三维形状重建、多参数同步监测等。其次，空间分割复用技术的引入不仅克服了传统单模光纤传感系统的局限性，还为实现先进传感功能开辟了新途径。最后，文章提出的挑战与未来发展方向为后续研究指明了重点方向，有助于推动MCF传感技术的实际应用。
本文为学术界和工业界提供了一份全面的技术综述，对于促进MCF在分布式传感领域的研究与应用具有重要意义。