标准型和薄包层锗硅酸盐单模光纤的光学、热学及力学特性研究——基于光纤布拉格光栅的灵敏度增强型力传感器应用

《Journal of Lightwave Technology》：Optical, Thermal and Mechanical Characterization of Standard and Thin-Clad Germanosilicate Single-Mode Fibers for Sensitivity-Enhanced Force Sensing With Fiber Bragg Gratings

本文系统研究了两种商用薄包层锗硅单模光纤的光学、热学和力学特性，通过FBG inscription法精确测定其有效折射率，并利用EDS验证GeO2掺杂浓度分别为5.92(8)mol%和20.09(28)mol%。实验表明，减小包层直径至80μm和50μm时，力灵敏度分别提升2.4倍和6.1倍，且无需后处理即可保持机械和光学完整性，为高性能温度补偿光纤力传感平台开发提供新思路。

　　

摘要：

我们全面分析了两种市售的薄包层锗硅酸盐单模光纤“SM1500(7.8/80)P”和“SM1500(4.2/50)P”的光学、热学和机械性能。与标准SMF28e+光纤相比，这些光纤的较小包层直径在基于光纤的力传感应用中具有优势。有效折射率是通过精确的光纤布拉格光栅（FBG）刻蚀方法测得的，其精度达到的量级。数值计算结果显示，SMF28e+的光纤中GeO掺杂量为3.42(5)摩尔%，SM1500(7.8/80)P为5.92(8)摩尔%，SM1500(4.2/50)P为20.09(28)摩尔%，这一结果通过能量色散X射线光谱得到了验证。薄包层光纤中增加的GeO含量与其增强的光敏性密切相关。我们量化了这些光纤对温度和应变的变化响应，发现所有样品的温度响应变化较小，应变系数基本保持恒定。正如预期的那样，随着包层直径的减小，光纤的力敏感度显著提高：80微米和50微米直径的光纤的力敏感度分别比SMF28e+提高了2.4倍和6.1倍。这些性能的提升无需进行额外的后处理（如锥形化或蚀刻），同时保持了光纤的机械和光学完整性，并改善了力与温度的敏感度比。研究结果表明，薄包层锗硅酸盐光纤是高性能、温度补偿型力传感平台的理想候选材料，可与标准电信设备和紫外FBG制造技术兼容。