封面展示了利用直寫波導實現光信號空分復用的多芯光纖矢量位移傳感器。通過飛秒激光直寫技術在多芯光纖中制備耦合波導，可以將中間芯的傳輸光高效耦合至側芯之中，因此將多芯光纖與單模光纖熔接即可實現多芯光纖傳輸信號的空分復用。進一步地，在多芯光纖不同側芯內寫制光纖布拉格光柵（FBG），并基于不同側芯對光纖彎曲應變的各向異性響應，實現矢量位移測量。該傳感器提供了一種緊湊性高且有利于快速解調的傳感方案，有望在智能機械、結構健康監測等領域中發揮重要作用。

研究背景

      光纖型矢量彎曲/位移傳感器具有可柔性傳輸、體積小巧、抗電磁干擾和生物相容性好等優點，在智能機械、形狀監測、裂紋生長監測等領域中有著廣泛的應用。近年來，國內外研究學者提出了各種基于光纖彎曲來實現位移測量的緊湊型傳感器件。其中，多芯光纖光柵型矢量位移傳感結構因具備多維度測量及靈敏度、分辨率高等優點，成為矢量位移傳感器領域中的研究熱點之一。

      然而，在多芯光纖光柵型矢量位移傳感器的實際應用中，往往不可避免地需要使用扇入扇出器件以實現多路信號解調。這不僅給光纖的拼接、熔接增加了難度，降低了傳感系統的緊湊性和解調效率，還提升了系統的成本和復雜性，給現有的實際應用帶來了限制。為了實現緊湊性更高、響應速度更快的多芯光纖傳感系統，對多芯光纖中復用的多路光信號實現小型化快速解調是一項重要挑戰。

      近年來，飛秒激光直寫技術被廣泛應用在光纖等載體中制造各種微結構。利用該技術，既可以較容易地在各種光纖中制備FBG，也可以在光纖無損的情況下，利用其折射率改性的特點，在光纖內部制造用于導光的耦合波導通道。因此，通過該技術直接在多芯光纖中同時刻寫用于傳感的FBG和用于傳導多路傳感信號的耦合波導，可以實現傳感結構和扇入扇出結構的一體化制備。

創新工作

      基于飛秒激光直寫技術，深圳大學王義平教授團隊提出了一種利用單通道測量多路信號的多芯光纖布拉格光柵（FBG）二維矢量位移傳感結構。通過在多芯光纖的中間芯和側芯中分別刻寫FBG，并進一步制備能夠連接中間芯與側芯的直耦合波導，可以實現單個纖芯復用多路傳感光信號的功能。基于該傳感結構，進行了方向角為0°~360°的二維矢量位移傳感測試，對方向角的測試結果進行了計算重構，并比較了實際施加角度與計算重構角度之間的誤差。

      圖1（a）展示了所制備傳感結構的應用原理。通過簡單地將單模光纖（SMF）的纖芯與七芯光纖（MCF）的中間芯熔接，光信號即可從中間芯通過波導傳輸到側芯中，在經過FBG的反射后，再次通過波導返回至中間芯，最終反射回單模光纖中。一旦FBG的反射信號由于光纖發生彎曲等變化而變化，則可以通過單模光纖中傳輸回來的光進行解調，從而獲得低成本、低復雜度和高緊湊性的光纖矢量位移傳感結構。圖1（b）和圖1（c）分別展示了所制備的耦合波導和FBG的俯視顯微形貌圖。

圖1 利用飛秒激光直寫技術制備耦合波導及FBG結構的應用原理及顯微圖。（a）應用原理；（b）耦合波導顯微圖（俯視）；（c）FBG顯微圖（俯視）

      圖2展示了基于所制備結構的七芯光纖端面出光分布情況。實驗中，首先利用可調諧激光光源和黑白CCD探頭測試了該傳感結構的端面光出射情況。通入波長為1550.00 nm 的輸入光，在七芯光纖出射端的后方焦平面處進行CCD直接成像，結果如圖2（a）所示，可以觀察到端面只有三個纖芯出光，其中包括一個中間芯和兩個方位角相差60°的側芯。然后，利用另一激光光束分析儀的CCD探頭及其配套的彩色成像激光光束分析軟件，同樣通入波長為1550.00 nm的輸入光，測試了該端面的出射模場強度分布，結果如圖2（b）和圖2（c）所示。

圖2 通過黑白CCD和彩色激光光束分析儀得到的七芯FBG及耦合波導結構的端面出光分布。（a）黑白CCD成像結果；（b）彩色二維模場分布；（c）彩色三維模場分布

      為了驗證傳感結構的應用特性，對不同位移量下傳感結構的方向響應進行了測試和比較，如圖3所示。另外，測試了傳感器在不同位移量下的方向響應，結果表明傳感器的方向響應始終呈近似正弦分布。最后，測試了傳感器在不同方向角下的位移響應，得到最大位移靈敏度為0.28 nm/mm。

圖3 傳感結構的位移方向及位移響應。（a）在不同位移量大小下FBG2的位移方向響應；（b）在不同位移量大小下FBG3的位移方向響應；（c）在不同位移方向下FBG2的位移響應；（d）在不同位移方向下FBG3的位移響應

后續工作展望

      后續，本研究將主要從傳感結構的制備效率和傳感性能兩方面進行優化。在制備效率方面，首先將通過空間光整形的方式，擴大飛秒激光的聚焦光斑面積，從而實現波導的單次掃描制備，避免多次掃描加工；另外，將研究基于圖像識別的自動化刻寫方式，一次性自動制備波導及FBG結構，從而顯著提高制備效率。在傳感性能方面，為了進一步提高傳感結構的靈敏度，將選用纖芯間距更大的多芯光纖，同時減小FBG的長度；另外，將嘗試在光纖的不同空間位置處分別刻寫FBG，提高傳感結構的傳感點數。

      未來，隨著超快激光微納加工技術和傳感系統解調技術的進一步發展，該傳感器將有望通過更高的制備效率和更大的復用容量，應用于長距離分布式矢量傳感。

參考文獻： 中國光學期刊網

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