Pozadí
V roce 1966 pan Gao Kun poprvé v článku navrhl použití dielektrického optického vlákna pro přenos informací optickým nosičem, čímž položil teoretický základ pro optické vlákno jako médium pro přenos světla. Po několika letech výzkumu Corning ve Spojených státech vyrobil v roce 1970 první optické vlákno se ztrátou 20 dB/Km, což výrazně snížilo přenosovou ztrátu optického vlákna a umožnilo vývoj komunikační technologie optických vláken. V posledních letech výzkumníci zjistili, že technologie snímání optických vláken se stala jedním z aktivních odvětví v oblasti optoelektronických technologií díky své vysoké citlivosti, silné antielektromagnetické interferenci, malým rozměrům a snadné integraci.
Technologie snímání optických vláken pokrývá širokou škálu oblastí, včetně armády, národní obrany, letectví, energetiky a ochrany životního prostředí, průmyslové kontroly, lékařství a zdraví, měření a testování, bezpečnosti potravin, domácích spotřebičů a mnoha dalších oblastí. Mezi hlavní zapojené senzory patří zejména: gyroskopy s optickými vlákny, hydrofony s optickými vlákny, teplotní senzory s vláknovými mřížkami, proudové transformátory z optických vláken a další technologie snímání optických vláken. Mikrostrukturovaná vlákna a vlákna udržující polarizaci se stala páteří oboru snímání optických vláken díky své flexibilní struktuře a jedinečným vlastnostem.
Mikrostrukturní vlákno
Mikrostrukturní vlákno (MOF) lze rozdělit do následujících dvou kategorií podle své struktury a mechanismu přenosu: Jednou je mikrostruktura řízená indexem lomu Optické vlákno; druhý je vlákno fotonického krystalu s mezerou v pásmu s periodickým uspořádáním vzduchových otvorů. Indexem vedené mikrostrukturní vlákno obsahuje hlavně kapilární vlákno, paralelní jádrové vlákno a vícejádrové vlákno podle své struktury. Kapilární vlákno bylo poprvé navrženo Hidakou et al. v roce 1981. Jak již název napovídá, kapilární vlákno je dutá struktura uvnitř jeho jádra, což vede k mnoha speciálním vlastnostem. V oblasti snímání má kapilární vlákno své jedinečné výhody při měření kapalin a plynů. V roce 1997 výzkumná skupina ITO.H použila optická vlákna s dutým jádrem k řízení pohybu horkých atomů rubidia, aby dosáhla hlubšího porozumění lidem v oblasti atomů. Laboratoř inteligentních materiálů a struktur pro letectví a kosmonautiku z Nanjingské univerzity letectví a kosmonautiky realizuje diagnostiku a opravy kompozitních materiálů vstřikováním lepidla na duté vlákno, čímž realizuje aplikaci speciální struktury kapilárního vlákna. Vlákno s jádrem paralelního pole označuje vlákno, ve kterém je více jader uspořádáno podle určitého pravidla a sdílejí stejné opláštění, takže mezi jádry bude vytvořeno vzájemné spojení a další efekty, které budou produkovat mnoho podivných vlastností. Laboratoř optického snímání optických vláken Harbin Engineering University vytvořila řadu indexově řízených vícejádrových optických vláken s mikrostrukturou. Vícejádrové optické vlákno bylo navrženo na konci sedmdesátých let a jeho hlavním účelem je integrovat jádro vlákna do jediného optického vlákna, takže výrobní náklady optického vlákna a kabelu mohou být výrazně sníženy a integrace optického vlákna může být být vylepšen. V roce 1994 France Telecom poprvé vyrobil čtyřjádrové jednovidové vlákno. V roce 2010 americká společnost OFS B. Zhu a další navrhli a vyrobili sedmijádrové vícejádrové optické vlákno se sedmi jádry uspořádanými do pravidelného šestiúhelníku. V roce 2012 R.Ryf a S.Randel atd. použili vlákna s několika módy k výrobě tříjádrových mikrostrukturních vláken, což snížilo přeslech jádra vícejádrových vláken. Ačkoli tato mikrostrukturovaná optická vlákna typu vlnovodu mají problémy, jako je spojení optického vlákna s jádrem a přeslechy při komunikaci optických vláken na dlouhé vzdálenosti, nepochybně to poskytuje nový nápad pro oblast snímání optických vláken.
Vlákno udržující polarizaci
V jednovidovém vláknu existují dva ortogonální polarizační stavy. V ideálním případě, kdy je struktura vlákna přísně symetrická, je šíření těchto dvou módů stejné. Avšak ve skutečné výrobě a aplikaci, protože jednovidové vlákno je ovlivněno vnějším prostředím, jako je teplota a napětí, a napětí generované během výroby, vždy existuje určitý stupeň elipticity, distribuce indexu lomu a asymetrie napětí. Existuje rozdíl v konstantě šíření, takže při šíření dochází k dodatečnému fázovému rozdílu, který se v optice nazývá dvojlom. Tento druh dvojlomu nevyhnutelně povede k rozptylu polarizačních vidů. V oblastech snímání optických vláken a metrologie optických vláken je požadováno, aby světlo šířící se v optickém vláknu mělo stabilní polarizační stav. V mnoha integrovaných optických zařízeních je stav polarizace vstupního světla také selektivní. V důsledku tohoto jevu polarizační disperze omezují běžná jednovidová optická vlákna rozvoj snímání optických vláken a dalších polí a vznikají optická vlákna udržující polarizaci.
Řešení problému polarizační nestability u jednovidového vlákna je rozděleno především do dvou metod. První je: pokusit se snížit asymetrické charakteristiky jednovidového vlákna, pokusit se vyřešit vliv elipticity a vnitřního zbytkového napětí vlákna tak, aby byl efekt dvojlomu tohoto jednovidového vlákna minimalizován na dva. mohou být vzájemně degenerované. Když je normalizovaná konstanta šíření dvojlomu B menší než 10^-6, tento druh vlákna se obvykle nazývá vlákno udržující polarizaci s nízkým dvojlomem (Low Birefringent Fiber, označované jako LBF). Druhou metodou je zvýšení asymetrie jednovidového vlákna a zvýšení jeho dvojlomných charakteristik, takže světlo mezi těmito dvěma vidy není snadno vzájemně propojeno. Tento druh vlákna udržujícího polarizaci nazýváme jako High Birefringence Fiber (HBF) a jeho normalizovaná konstanta šíření dvojlomu B je větší než 10^-5. Vlákna udržující polarizaci s vysokým dvojlomem lze rozdělit na vlákna s dvojitou polarizací a vlákna s jednou polarizací podle jejich charakteristik šíření. Dvojité polarizační vlákno odděluje dva polarizační režimy, takže polarizační režim zůstává v podstatě nezměněn během procesu přenosu; zatímco jediné polarizační vlákno může přenášet pouze jeden mód ze dvou ortogonálních polarizačních módů a druhý mód je potlačený a nemůže se šířit. Toto vlákno nazýváme jednopolarizační vlákno nebo absolutní jednovidové vlákno.
Podle různých způsobů dvojlomu ve vláknu lze vlákna udržující polarizaci rozdělit na vlákna s efektem geometrického tvaru a vlákna indukovaná napětím. Obrázek 1 ukazuje schémata struktury koncové plochy několika běžných vláken udržujících polarizaci. Mezi nimi, motýlka, panda, vnitřní eliptické obložení a obdélníková vlákna udržující polarizaci pokrytá stresem, jsou vlákna citlivá na stres; Typy eliptického jádra a bočních drážek Polarizační vlákna, jako jsou vlákna typu s bočním tunelem atd., jsou vlákna typu s efektem geometrického tvaru. Většina vláken udržujících polarizaci je vyrobena metodami, které generují zbytkové napětí ve vláknu.