为了突破现有的单模光纤传输系统的容量极限问题,满足大容量高速光通信的需求,基于多芯光纤的空分复用技术近些年来得到了很大的发展。在传感应用方面,多芯光纤的出现也为光纤传感技术注入了新的血液,作为新的传感媒介,多芯光纤极大地丰富了光纤传感器的功能和种类。然而,多芯光纤在实际推广应用过程中仍需要解决很多关键技术问题。其一是多芯光纤本身的设计与制造问题,对于弱耦合多芯光纤而言,芯间串扰问题是多芯光纤的设计和制备难点。其二是多芯光纤关键集成器件的设计与制造问题,多芯光纤无论是在大容量高速光通信领域还是传感领域的应用都离不开各种各样的功能性关键器件的支撑。本文围绕多芯光纤及其关键集成器件开展研究,设计并制备了两款多芯光纤。并以实验室现有的多芯光纤为基础研发出包括多芯光纤扇入扇出器、纤端反射器以及活动连接器在内的多种关键集成器件,一定程度上解决了多芯光纤应用受限的问题。本文以多芯光纤及关键集成器件为核心,开展了以下几个方面的研究:首先,从多芯光纤的设计和制造出发,围绕多芯光纤的芯间串扰、模场面积、截止波长等关键性能参数,对多芯光纤的芯间距、纤芯折射率剖面等结构参数进行了优化设计。介绍了打孔法和堆栈法制造多芯光纤的两种技术途经,并采用堆栈法制备出四芯单模光纤和高纤芯密度的十九芯单模光纤。其次,围绕多芯光纤开展了包括多芯光纤扇入扇出器、活动连接器、模块式扇入扇出器以及纤端反射器在内的几类关键集成器件的研究。针对多芯光纤各纤芯的分路连接问题,采用了基于“消失芯”的波导构造原理,利用过渡光纤束拉锥的技术方案设计并制备了多芯光纤扇入扇出器,并对该方法中所需要的包括过渡多包层光纤、多孔石英管等材料进行了设计优化,成功制备出包括四芯、十九芯光纤等在内的多芯光纤扇入扇出器。其中,一对十九芯光纤扇入扇出器的平均插损小于1.6 d B,芯间平均串扰小于-54.8 d B。针对多芯光纤的活动连接问题,研发了具有低插损、高回损性能的活动连接器,并将其与扇入扇出器结合,形成模块式的集成器件,并提出了一种针对该器件的镜像式测试方法,使该器件的测试更为简单便捷。针对多芯光纤不同纤芯的光路耦合问题,提出了在制备在多芯光纤纤端的反射器,这些反射器的结构设计灵活,制备方法简单,可实现多芯光纤任意两个纤芯通道的低损串联耦合,在光纤传感领域有重要应用。最后,利用上述的几类多芯光纤关键集成器件,构建了两类多芯光纤传感器。第一类是在七芯光纤上制备布拉格光纤光栅,并在光纤端制备对角芯反射器。对角芯反射器将七芯光纤对角纤芯上的两个光栅光路串联,最终实现了灵敏度翻倍的弯曲传感,在0～6.9 m-1曲率范围内,最大曲率灵敏度为225.9 pm/m-1。第二类是在七芯光纤内部集成了布拉格光纤光栅和F-P腔,并在纤端制备了楔形反射器,最终实现了弯曲、轴向应变、温度同时感测的三参量传感器,实现复杂环境中的多参量高精度传感。这两类传感器只是多芯光纤及其关键器件应用举例,实际上随着多芯光纤及其关键集成器件的不断研发,其组合应用可开启一个新的大门,具有丰富多样的可能性。
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