学术研究报告：基于锗掺杂芯光子晶体光纤的瑞利背向散射无弯曲损耗分布式传感器
作者及机构
本研究的通讯作者为韩国标准科学研究院安全测量中心的Il-Bum Kwon，合作者包括Khurram Naeem、Yong-Seok Kwon，以及光州科学技术院的Youngjoo Chung。研究成果发表于2018年3月的*IEEE Sensors Journal*（卷18，第5期）。
研究领域与动机
本研究属于光纤传感技术领域，聚焦于分布式光纤传感器（Distributed Fiber-Optic Sensors, DFOS）在结构健康监测（Structural Health Monitoring, SHM）中的应用。传统单模光纤（Standard Single-Mode Fiber, SMF）在弯曲半径较小时（如机械结构的尖锐转角处）会因宏弯损耗（Macrobending Loss）导致信号衰减，限制其在高分辨率分布式传感中的应用。为解决这一问题，作者提出了一种基于锗掺杂芯光子晶体光纤（Ge-Doped-Core Photonic Crystal Fiber, PCF）的新型传感器设计，旨在实现无弯曲损耗的高分辨率应变与温度测量。
理论基础
1. 瑞利背向散射（Rayleigh Backscattering, RBS）：光纤中折射率随机波动引起的散射信号，可用于分布式传感。
2. 光学频域反射仪（Optical Frequency Domain Reflectometer, OFDR）：通过分析RBS光谱偏移实现高空间分辨率（5 cm）的应变和温度测量。
3. 光子晶体光纤（PCF）：通过空气孔微结构设计实现高折射率对比度，增强光场约束能力，降低弯曲损耗。
研究目标
开发一种在弯曲半径低至1 mm时仍无显著宏弯损耗的Ge掺杂芯PCF，并通过OFDR验证其应变（με）和温度（°C）传感性能。
1. 光纤设计与制备
- 材料与工艺：采用堆叠拉伸法（Stack-and-Draw）制备Ge掺杂芯PCF。核心步骤包括：
- 预制棒加工：通过MCVD（Modified Chemical Vapor Deposition）工艺部分塌缩高纯度石英管，形成Ge掺杂芯（掺杂浓度10 mol%）。
- 微结构控制：通过惰性气体压力调节空气填充率（0.34），确保光纤具备“无限单模”（Endlessly Single-Mode）特性。
- 结构参数：扫描电镜（SEM）显示纤芯直径2.95 μm，空气孔直径1 μm，包层直径125 μm（图1）。
2. 弯曲损耗数值模拟
- 方法：采用COMSOL Multiphysics进行全矢量有限元分析，模拟弯曲半径（1–10 mm）对有效折射率及损耗的影响。
- 关键发现：
- Ge掺杂使纤芯与包层有效折射率差从6.2×10⁻³提升至1.6×10⁻²。
- 弯曲半径1 mm时，损耗仅0.07 dB/m（未掺杂PCF为391 dB/m），光场约束能力显著增强（图2）。
3. OFDR实验系统搭建
- 装置：基于Michelson干涉仪的偏振分集方案（图3），包含：
- 可调激光源（TLS，Agilent 8164B）：扫描范围1550–1554 nm。
- 辅助马赫-曾德尔干涉仪（Auxiliary MZI）：校正激光频率非线性。
- 信号处理：通过快速傅里叶变换（FFT）和互相关分析提取RBS频移。
4. 弯曲损耗实验验证
- 样本：1.75 m Ge掺杂芯PCF与7.2 m SMF对比。
- 结果：PCF在2 mm弯曲直径下无信号衰减（图5a），而SMF在10.8 mm时即出现显著损耗（图5b）。
5. 应变与温度传感测试
- 条件：弯曲半径1 mm，空间分辨率5 cm。
- 数据：
- 应变灵敏度：0.138 GHz/με（线性拟合R²=0.999），分辨率14.5 με（图7）。
- 温度灵敏度：1.46 GHz/°C（R²=0.998），分辨率1.37 °C（图8）。
主要发现
1. 无弯曲损耗特性：Ge掺杂芯PCF在1 mm弯曲半径下宏弯损耗可忽略，优于传统SMF（临界半径≥5 cm）和商用PCF（临界半径≥6 mm）。
2. 高灵敏度传感：应变与温度灵敏度与SMF相当，但空间分辨率提升至5 cm，适用于复杂结构监测。
科学价值
- 机理创新：通过Ge掺杂提高纤芯折射率，结合PCF微结构设计，首次实现1 mm弯曲半径下的无损耗传感。
- 应用潜力：适用于航空、机器人等需紧密弯曲的场景，如圆柱形容器表面（半径≥1 mm）的应变监测。
局限性
- 传感距离受限（当前20 m），因Ge掺杂导致散射损耗较高，未来需优化制备工艺。
总结
本研究通过Ge掺杂芯PCF的设计与OFDR系统的优化，为高分辨率分布式传感提供了抗弯曲解决方案，填补了极端弯曲环境下光纤传感的技术空白。