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光学学报 2025年第1期45卷 29-36页

作者：王健健汤锐华北电力大学电子与通信工程系河北保定071003 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 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

针对光纤形状传感过程中需要复杂的数值计算的问题,提出基于卷积神经网络(CNN)和长短时记忆(LSTM)网络并结合注意力机制的多芯光纤形状坐标预测模型,能够由多芯光纤纤芯的分布式应变直接获得其形状坐标,从而实现形状传感。CNN和LSTM用... 详细信息

针对光纤形状传感过程中需要复杂的数值计算的问题,提出基于卷积神经网络(CNN)和长短时记忆(LSTM)网络并结合注意力机制的多芯光纤形状坐标预测模型,能够由多芯光纤纤芯的分布式应变直接获得其形状坐标,从而实现形状传感。CNN和LSTM用于提取应变信息中的时序特征,注意力机制弱化次要时序特征,最终获得光纤形状坐标。实验结果表明:对于不同曲率半径的曲线,所提方法能够避免复杂的数值计算而实现光纤形状传感,其均方根误差(RMSE)和平均绝对误差(MAE)均优于基于弗莱纳方程进行数值计算得到的结果。对于曲率半径为700 mm的曲线,RMSE仅为1.5739 mm,MAE仅为0.6919 mm,光纤形状传感精度分别较数值计算方法的结果提高了58.96%和32.14%。

关键词：光纤形状传感多芯光纤坐标预测神经网络注意力机制

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基于差分脉冲对的分布式温度与弯曲传感测量研究

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光学学报 2025年

作者：刘紫娟李永倩张立欣姚国珍华北电力大学(保定)电子与通信工程系华北电力大学(保定)电子与通信工程系河北省电力物联网技术重点实验室华北电力大学(保定)电子与通信工程系保定市光纤传感与光通信技术重点实验室

近年来，传统单模光纤在通信容量、弯曲损耗以及空间分辨率等方面的缺点已经不容忽视，多芯光纤的出现给光纤领域带来了一个良好的发展前景。选取七芯光纤的轴芯以及互不对称的三根偏芯，首先标定了选取的4个纤芯的温度系数，分别为1.10... 详细信息

近年来，传统单模光纤在通信容量、弯曲损耗以及空间分辨率等方面的缺点已经不容忽视，多芯光纤的出现给光纤领域带来了一个良好的发展前景。选取七芯光纤的轴芯以及互不对称的三根偏芯，首先标定了选取的4个纤芯的温度系数，分别为1.103MHz/℃，0.962MHz/℃，1.277MHz/℃和0.937MHz/℃，与单模光纤大致相同。选择空间分辨率为20cm的差分脉冲对布里渊光时域分析系统，提出一种新的温度补偿弯曲测量方法并进行实验验证。实验结果显示，本实验的温度补偿弯曲测量方法可以较为准确的提取到光纤作用段的温度和弯曲应变信息，并较为准确的还原曲线段的曲率信息。实验弯曲半径为4.9cm，弯曲曲率为20.408m-1，实验求解结果弯曲曲率最大值为20.593m-1，与实际两者的误差为0.90%，弯曲曲率平均值为19.910m-1，与实际两者的误差为0.45%。

关键词：多芯光纤温度补偿弯曲测量差分脉冲对

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基于片式封装微纳光纤的布里渊散射特性研究

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半导体光电 2025年第1期46卷 43-48页

作者：耿豪键张立欣张磊李炫李永倩华北电力大学电子与通信工程系保定071003 华北电力大学河北省电力物联网技术重点实验室保定071003 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

为实现高灵敏度的温度传感测量,提出一种基于片式封装的微纳光纤温度传感结构。分析不同纤径微纳光纤的光场能量分布及其布里渊散射谱,并依据多种声学模式的特性,利用有限元仿真得到微纳光纤在不同声波模式下的温度灵敏度;对封装结构与... 详细信息

为实现高灵敏度的温度传感测量,提出一种基于片式封装的微纳光纤温度传感结构。分析不同纤径微纳光纤的光场能量分布及其布里渊散射谱,并依据多种声学模式的特性,利用有限元仿真得到微纳光纤在不同声波模式下的温度灵敏度;对封装结构与材料进行设计与分析,选择片式结构及PMMA材料封装,仿真得到封装后的微纳光纤的温度灵敏度最高为4.83MHz/℃,相较于未封装时灵敏度提高了约363%,证明片式封装可有效提升微纳光纤的温度灵敏度。

关键词：微纳光纤片式封装布里渊散射特性有限元分析

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基于差分脉冲对的分布式温度与弯曲传感测量研究

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光学学报 2025年第07期 246-253页

近年来,传统单模光纤在通信容量、弯曲损耗以及空间分辨率等方面的缺点已经不容忽视,多芯光纤的出现为光纤领域带来一个良好的发展前景。选取七芯光纤的轴芯以及互不对称的3个偏芯,首先标定选取的4个纤芯的温度系数,分别为1.103、0.962... 详细信息

近年来,传统单模光纤在通信容量、弯曲损耗以及空间分辨率等方面的缺点已经不容忽视,多芯光纤的出现为光纤领域带来一个良好的发展前景。选取七芯光纤的轴芯以及互不对称的3个偏芯,首先标定选取的4个纤芯的温度系数,分别为1.103、0.962、1.277、0.937 MHz/℃,与单模光纤大致相同。选择空间分辨率为20 cm的差分脉冲对-布里渊光时域分析系统,提出一种新的温度补偿弯曲测量方法并进行实验验证。实验结果显示:该温度补偿弯曲测量方法可以较为准确地提取到光纤作用段的温度和弯曲应变信息,并较为准确地还原曲线段的曲率信息。实验中实际的弯曲半径为4.9 cm,弯曲曲率为20.408 m-1;实验求得的弯曲曲率最大值为20.593 m-1,与实际的误差为0.91%;求得的弯曲曲率平均值为19.910 m-1,与实际的误差为0.24%。

关键词：多芯光纤温度补偿弯曲测量差分脉冲对

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一种可用于轨道角动量的受激布里渊放大的光子晶体光纤放大器

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物理学报 2022年第7期71卷 161-174页

作者：赵丽娟赵海英徐志钮华北电力大学电气与电子工程学院保定071003 华北电力大学河北省电力物联网技术重点实验室保定071003 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

为了实现高纯度轨道角动量模式的传输和放大,本文提出了一种可用于轨道角动量的受激布里渊放大的光子晶体光纤放大器并对其结构进行了设计.利用有限元法在C波段内对该光子晶体光纤放大器的传输性能进行了系统分析,研究结果表明,该光子... 详细信息

为了实现高纯度轨道角动量模式的传输和放大,本文提出了一种可用于轨道角动量的受激布里渊放大的光子晶体光纤放大器并对其结构进行了设计.利用有限元法在C波段内对该光子晶体光纤放大器的传输性能进行了系统分析,研究结果表明,该光子晶体光纤放大器可支持66种轨道角动量模式的高纯度传输和放大,其传输的轨道角动量模式的纯度均高于99.4%.通过对不同拓扑荷数的轨道角动量模式的布里渊增益谱进行系统的分析,发现均具有较高的布里渊增益系数(>7×10^(-9)m/W),与现有的性能最优的OAM放大器相比提高了4—5个数量级,实现了较高的信号增益.该光子晶体光纤放大器的综合性能显著优于现有基于受激布里渊放大的光纤放大器和掺杂稀土离子的光纤放大器,这使其能够稳定、准确地对OAM模式进行同步放大和长距离传输,为轨道角动量模式激光系统的设计提供了一种可能.

关键词：轨道角动量受激布里渊放大大信号增益光子晶体光纤

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螺旋扭曲双包层-三芯光子晶体光纤用于轨道角动量的生成

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物理学报 2023年第13期72卷 75-86页

作者：赵丽娟姜焕秋徐志钮华北电力大学电气与电子工程学院保定071003 华北电力大学河北省电力物联网技术重点实验室保定071003 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

针对螺旋扭曲的单包层-少芯光子晶体光纤在生成轨道角动量(orbital angular momentum,OAM)方面存在的不足,首次将三芯和内外空气孔不均匀的双包层结构引入光子晶体光纤,并通过螺旋扭曲实现了高阶OAM模式的生成.该光纤通过引入特殊设计... 详细信息

针对螺旋扭曲的单包层-少芯光子晶体光纤在生成轨道角动量(orbital angular momentum,OAM)方面存在的不足,首次将三芯和内外空气孔不均匀的双包层结构引入光子晶体光纤,并通过螺旋扭曲实现了高阶OAM模式的生成.该光纤通过引入特殊设计的双包层结构有望降低生成的OAM模式的损耗,而围绕中心呈正三角分布的三个纤芯有望增加生成的OAM模式的数量.在光学变换原理的基础上,通过有限元方法对该光纤进行系统的分析,结果发现,当扭曲率a=7853.98 rad/m时,生成的OAM模式包括“OAM_(–4,1),OAM_(+9,1),OAM_(+10,1),OAM_(+11,1),OAM_(+13,1)”,其中+13阶是目前利用螺旋扭曲光纤生成的OAM模式中最高的阶数,且OAM模式的损耗均小于1.64×10^(–3)d B/m,比已有文献中最低的OAM模式损耗(Napiorkowski M,Urbanczyk W S 2018 *** 2612131)至少降低2个数量级,以及OAM模式纯度均大于93%.进一步研究表明,轨道角动量的生成依赖于纤芯超模与环形芯模式的共振耦合,而生成的OAM模式阶数的奇偶性与纤芯超模和环形芯模式的极化方向有关.

关键词：轨道角动量螺旋扭曲光纤共振耦合圆双折射

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多模光纤的布里渊散射谱特性研究及优化整形

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光谱学与光谱分析 2023年第11期43卷 3559-3564页

作者：李永倩范海军张立欣王磊武佳琪赵旭华北电力大学电子与通信工程系河北保定071003 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 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

多模光纤中存在的多个自由度为大容量通信和多参量传感提供了可能,然而多模光纤中存在的高阶模不仅不稳定、易耦合和易辐射损耗,而且导致了布里渊增益谱畸变、谱宽展宽和布里渊增益峰值降低,严重劣化了系统的测量精度与传感可靠度。因此... 详细信息

多模光纤中存在的多个自由度为大容量通信和多参量传感提供了可能,然而多模光纤中存在的高阶模不仅不稳定、易耦合和易辐射损耗,而且导致了布里渊增益谱畸变、谱宽展宽和布里渊增益峰值降低,严重劣化了系统的测量精度与传感可靠度。因此,研究多模光纤布里渊增益谱的特性和整形优化尤为重要。首先对多模光纤的布里渊频移和布里渊增益谱特性进行了理论研究,并与少模光纤、单模光纤进行对比。结果表明:多模光纤的布里渊频移与模式折射率及布里渊散射角有关,当布里渊散射角不变时,布里渊频移与模式群编号呈负相关;当模式群编号不变时,布里渊频移与布里渊散射角呈正相关。相比单模光纤,少模光纤与多模光纤由于受到高阶模的影响,布里渊增益峰值和布里渊频移较低,布里渊增益谱较宽。多模光纤中的高阶模最多,对应的布里渊增益峰值和布里渊频移最低,布里渊增益谱最宽。此外,分析并设计了两种基于单模光纤的多模光纤布里渊增益谱整形优化方法。搭建移频本地外差布里渊光时域反射系统,通过测量比较两种整形优化系统的布里渊增益谱宽及抗弯曲性能,以评估整形优化程度。实验结果表明:提出的两种整形优化方法不同程度地减小了多模光纤的布里渊增益谱宽,获取的布里渊增益谱有着良好的Lorenz拟合度,分别为0.97447和0.98789。利用单模环形器结合单模光纤对准熔接多模光纤的方法有更好的整形优化效果和抗弯曲性能,最小弯曲半径和布里渊增益谱宽分别为2.25 mm和53.12 MHz。

关键词：布里渊散射谱多模光纤谱整形谱宽抗弯曲性能

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基于LSTM的布里渊增益谱提取方法

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光子学报 2023年第1期52卷 106-115页

作者：尚秋峰李雪丽华北电力大学电子与通信工程系保定071003 华北电力大学河北省电力物联网技术重点实验室保定071003 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

针对布里渊光时域传感器在进行长距离监测时存在的实时性较差的问题,提出了一种基于长短期记忆网络的布里渊增益谱温度提取方法。采用洛伦兹函数仿真生成用于长短期记忆网络训练的数据集,建立长短期记忆网络与温度的映射关系。搭建了40... 详细信息

针对布里渊光时域传感器在进行长距离监测时存在的实时性较差的问题,提出了一种基于长短期记忆网络的布里渊增益谱温度提取方法。采用洛伦兹函数仿真生成用于长短期记忆网络训练的数据集,建立长短期记忆网络与温度的映射关系。搭建了40 km的布里渊光时域实验系统,通过谱线相减法对实验数据中存在的畸变现象进行校正,采用长短期记忆网络对校正数据进行了温度信息提取。将本文提出的长短期记忆网络方法与经典的极限学习机方法进行了对比。仿真和实验结果表明,所提算法的最小均方根误差可达0.11℃;即使在扫频步长较大的情况下,该方法仍具有较好的测量精度,有利于提高布里渊光时域温度传感系统的实时性。

关键词：光纤传感布里渊光时域分析布里渊增益谱长短期记忆网络温度提取

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一种可用于化学传感的对角对称光子晶体光纤设计

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红外与毫米波学报 2022年第1期41卷 269-278页

作者：赵丽娟赵海英徐志钮梁若愚华北电力大学电子与通信工程系河北保定071003 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 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 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1.55μm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... 详细信息

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1.55μm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。

关键词：光子晶体光纤化学传感相对灵敏度有限元法高双折射

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一种基于光子晶体光纤的高灵敏度Sagnac型温度传感器建模研究

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光子学报 2023年第2期52卷 111-123页

作者：赵丽娟吴雨静徐志钮刘琪华北电力大学电气与电子工程学院保定071003 华北电力大学河北省电力物联网技术重点实验室保定071003 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... 详细信息

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2.0507×10^(−5)/℃,在1550 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。

关键词：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

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