能“感知”周围环境的FSBS光纤- 大数跨境

两江科技评论

2018-08-16

导读：近日，瑞士联邦理工学院洛桑分校EPFL的Desmond M. Chow和Luc Thévenaz教授课题组在光纤中提出了一种分布式前向受激布里渊散射（FSBS）的分析和测量方法，用来感知光纤周围的环境

导读

近日，瑞士联邦理工学院洛桑分校EPFL的Desmond M. Chow和Luc Thévenaz教授课题组在光纤中提出了一种分布式前向受激布里渊散射（FSBS）的分析和测量方法，用来感知光纤周围的环境是液体还是固体。他们在730m的光纤上实现了15m的空间分辨率，并且在30m长的无包覆光纤段中，测量了水和乙醇的局部声阻抗，测量结果与标准值一致。相关工作以“Distributed forward Brillouin sensor based on local light phase recovery”为题，发表在《Nature Communications》期刊上。

该文章第一作者和通讯作者是Desmond M. Chow。

背景介绍

近年来，光纤作为一种优异的传感器，能够像人体的神经系统一样，感知周围环境的温度和压力变化。这种技术在桥梁和天然气管道等重大工程结构中尤其重要，可以不间断地监测其力学结构的变化并预测使用寿命。

在光纤中，光的传输特性取决于四个参数：强度、相位、偏振和波长。当光纤被拉伸或温度变化时，这些参数就会随之改变，从而能够检测结构中的裂缝或异常温度，而这种感知的前提是光能够从光纤中逸出、直接“触碰”周围的介质。但是，直到目前为止，当光没有从光纤中逸出时，就不能确定在光纤周围发生了什么改变。

目前，基于后向受激布里渊散射（BSBS）的分布式传感技术正处于快速发展阶段。然而，直到今天，所有报道的分布式布里渊传感器都只局限于检测光纤纤芯内部的物理参数，难以对外部环境进行感知。相反，前向受激布里渊散射（FSBS）是由共振型横向声波引起的，这种声波能够与光纤的周围环境产生较强的相互作用，因而允许其对光纤周围环境进行检测，打破了BSBS的传感局限。在以往的研究中发现，由于泵浦光和散射光存在共同传播的行为，空间分辨FSBS信号在技术上是一个挑战。

目前，FSBS的光学检测方案主要依赖于萨格纳克干涉仪环路（Sagnac interferometer loop）结构，将探测信号的非互易光学相位变化转换为偏振（径向）FSBS的光强度变化，或者对非偏振（扭转）FSBS采用直接偏振光地检测方法。但是，这两种技术都会导致测量无法具有空间分辨能力。

创新研究

研究人员基于受激布里渊散射产生的超声波，提出了一种FSBS光纤分布式传感技术，可以感知光纤周围的环境。这种高频超声波在光纤的内壁处发生反射，反射波根据所接触到的不同物质，会在光纤不同的位置发生超声模式特性的变化，并在光信号上留下“印记”。当光离开光纤时，就会通过读取这些“印记”来探测到光纤周围的环境。此外，这种超声信号很微弱，不会干扰光束在光纤内部的传输。

他们将光纤分别浸入水和酒精中，都能够精确地识别出光纤周围环境的变化，并可以定位发生变化的具体位置。Luc Thévenaz教授说：“每一个声波脉冲都有轻微的滞后，这体现在到达的光束上。无论沿途有什么干扰，我们都能分辨出这些干扰，并确定它们的位置。目前，我们能够在大约10米的范围内确定干扰的位置，并且我们可以通过优化进一步将检测精度提高到1米。”

FSBS光纤分布式传感技术在水泄漏的探测、光纤周围液体的密度和盐度的感知，以及“光子-声子”混合波导制备的质量控制等领域都具有潜在的应用，这将促进新一代的空间分辨传感器的发展。

图文速览

图一光纤在任意位置上的横向声波的激发和读取

强度调制的光脉冲（品红色）所激发的横向声波（蓝色），它的谱特性被读取脉冲（绿色）探测。

图二 测量前向受激布里渊散射的实验装置

用于测量FSBS的空间分辨光谱的装置示意图。

图三读取脉冲谱的纵向演变的模拟结果

a 沿着光纤变化的读取脉冲频谱；

b 读取脉冲的0级、1级和2级光谱边带（分别与J₀²，J₁²和J₂²成比例）的强度传输；

c 任意位置的读取脉冲频谱。

图四

读取脉冲边带强度变化的测量

当30m未包覆的光纤段放置于空气时，在每个扫描频率ν_F测量的0、1、2阶读取脉冲边带（分别与J₀²，J₁²和J₂²成比例）的强度。

图五 FSBS局部响应数据的处理步骤

a 在FSBS峰值谐振频率v_res处获得的第0、1、2阶频谱边带强度；

b 使用方程式8中的贝塞尔递归关系得到的相位因子ξ(z_r);

c 折射率的局部幅度变化值a_RI(z)。

图六正向受激布里渊散射的测量结果

当30 m未包覆的光纤段分别放置于a 空气、b乙醇和c水中时，在730m长的光纤上测量得到的FSBS分布光谱。

图七感知点处的FSBS光谱

30米光纤段分别置于a空气，b乙醇和c水时，在给定的光纤位置处测量得到的FSBS光谱。

文章链接

https://www.nature.com/articles/s41467-018-05410-2

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