封面 | 飞秒激光直写波导助力多芯光纤传感

️封面解读

封面展示了利用直写波导实现光信号空分复用的多芯光纤矢量位移传感器。通过飞秒激光直写技术在多芯光纤中制备耦合波导，可以将中间芯的传输光高效耦合至侧芯之中，因此将多芯光纤与单模光纤熔接即可实现多芯光纤传输信号的空分复用。进一步地，在多芯光纤不同侧芯内写制光纤布拉格光栅（FBG），并基于不同侧芯对光纤弯曲应变的各向异性响应，实现矢量位移测量。该传感器提供了一种紧凑性高且有利于快速解调的传感方案，有望在智能机械、结构健康监测等领域中发挥重要作用。

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️研究背景

光纤型矢量弯曲/位移传感器具有可柔性传输、体积小巧、抗电磁干扰和生物相容性好等优点，在智能机械、形状监测、裂纹生长监测等领域中有着广泛的应用。近年来，国内外研究学者提出了各种基于光纤弯曲来实现位移测量的紧凑型传感器件。其中，多芯光纤光栅型矢量位移传感结构因具备多维度测量及灵敏度、分辨率高等优点，成为矢量位移传感器领域中的研究热点之一。

然而，在多芯光纤光栅型矢量位移传感器的实际应用中，往往不可避免地需要使用扇入扇出器件以实现多路信号解调。这不仅给光纤的拼接、熔接增加了难度，降低了传感系统的紧凑性和解调效率，还提升了系统的成本和复杂性，给现有的实际应用带来了限制。为了实现紧凑性更高、响应速度更快的多芯光纤传感系统，对多芯光纤中复用的多路光信号实现小型化快速解调是一项重要挑战。

近年来， ️飞秒激光直写技术被广泛应用在光纤等载体中制造各种微结构。利用该技术，既可以较容易地在各种光纤中制备FBG，也可以在光纤无损的情况下，利用其折射率改性的特点，在光纤内部制造用于导光的耦合波导通道。因此，通过该技术直接在多芯光纤中同时刻写用于传感的FBG和用于传导多路传感信号的耦合波导，可以实现传感结构和扇入扇出结构的一体化制备。

️创新工作

基于飞秒激光直写技术， ️深圳大学王义平教授团队提出了一种利用单通道测量多路信号的多芯光纤布拉格光栅（FBG）二维矢量位移传感结构。通过在多芯光纤的中间芯和侧芯中分别刻写FBG，并进一步制备能够连接中间芯与侧芯的直耦合波导，可以实现单个纤芯复用多路传感光信号的功能。基于该传感结构，进行了方向角为0°~360°的二维矢量位移传感测试，对方向角的测试结果进行了计算重构，并比较了实际施加角度与计算重构角度之间的误差。

图1（a）展示了所制备传感结构的应用原理。通过简单地将单模光纤（SMF）的纤芯与七芯光纤（MCF）的中间芯熔接，光信号即可从中间芯通过波导传输到侧芯中，在经过FBG的反射后，再次通过波导返回至中间芯，最终反射回单模光纤中。一旦FBG的反射信号由于光纤发生弯曲等变化而变化，则可以通过单模光纤中传输回来的光进行解调，从而获得低成本、低复杂度和高紧凑性的光纤矢量位移传感结构。图1（b）和图1（c）分别展示了所制备的耦合波导和FBG的俯视显微形貌图。

图1 利用飞秒激光直写技术制备耦合波导及FBG结构的应用原理及显微图。（a）应用原理；（b）耦合波导显微图（俯视）；（c）FBG显微图（俯视）

图2展示了基于所制备结构的七芯光纤端面出光分布情况。实验中，首先利用可调谐激光光源和黑白CCD探头测试了该传感结构的端面光出射情况。通入波长为1550.00 nm 的输入光，在七芯光纤出射端的后方焦平面处进行CCD直接成像，结果如图2（a）所示，可以观察到端面只有三个纤芯出光，其中包括一个中间芯和两个方位角相差60°的侧芯。然后，利用另一激光光束分析仪的CCD探头及其配套的彩色成像激光光束分析软件，同样通入波长为1550.00 nm的输入光，测试了该端面的出射模场强度分布，结果如图2（b）和图2（c）所示。

图2 通过黑白CCD和彩色激光光束分析仪得到的七芯FBG及耦合波导结构的端面出光分布。（a）黑白CCD成像结果；（b）彩色二维模场分布；（c）彩色三维模场分布

为了验证传感结构的应用特性，对不同位移量下传感结构的方向响应进行了测试和比较，如图3所示。另外，测试了传感器在不同位移量下的方向响应，结果表明传感器的方向响应始终呈近似正弦分布。最后，测试了传感器在不同方向角下的位移响应，得到最大位移灵敏度为0.28 nm/mm。

图3 传感结构的位移方向及位移响应。（a）在不同位移量大小下FBG2的位移方向响应；（b）在不同位移量大小下FBG3的位移方向响应；（c）在不同位移方向下FBG2的位移响应；（d）在不同位移方向下FBG3的位移响应

️后续工作展望

未来，随着超快激光微纳加工技术和传感系统解调技术的进一步发展，该传感器将有望通过更高的制备效率和更大的复用容量，应用于长距离分布式矢量传感。

️课题组介绍

深圳大学“广东省光纤传感技术粤港联合研究中心”团队（负责人：王义平教授）是广东省科技厅批准立项的粤港协同创新平台，由深圳大学和香港理工大学联合组建。研究中心依托深圳大学物理与光电工程学院、光学工程博士点和博士后流动站开展光纤传感技术及其在智能结构、生命健康、环境能源等领域的应用研究；承担国家重点研发计划、国家杰出青年科学基金、国家重大研究计划、国家基金委重点项目、国家联合基金重点项目等国家级项目50余项；获教育部自然科学奖一等奖和二等奖、广东省光学学会光学科技奖一等奖、深圳市自然科学奖一等奖、全国光学工程优秀博士学位论文提名奖等多项奖励；发表高水平SCI论文300余篇；授权发明专利58项、实用新型专利89项。

️通信作者简介

️王义平，博士，深圳大学物理与光电工程学院，特聘教授、博导、国家杰青、Optica Fellow、光电子器件与系统教育部重点实验室主任、广东省光纤传感技术粤港联合研究中心主任。获教育部自然科学奖一等奖（4/4）和二等奖（1/6）、深圳市自然科学奖一等奖（1/5）、四川省科学技术进步奖一等奖（4/4）、广东省光学学会光学科技奖一等奖（1/5）、全国优秀博士学位论文奖、欧盟玛丽居里国际引进人才基金奖、德国洪堡研究基金奖等奖励。主持国家重点研发计划、JKW XX工程专项、国自然重点等项目32项。发表SCI论文420篇（SCI引用10000余次、H指数: 50），16篇论文单篇SCI引用超过100次；授权专利120项（国外专利25项）；中国高被引学者和全球前2%顶尖科学家终身科学影响力排行榜。Applied Optics编委、Photonic Sensors编委，广东省光学学会副理事长。

️包维佳，博士，深圳大学物理与光电工程学院，助理教授。研究方向为飞秒激光微纳加工、特种光纤光栅制备、单晶光纤高温传感等。主持国家博士后创新人才支持计划（博新计划）、国家自然科学基金、国家重点研发计划子课题、深圳市重点等项目。近五年在OL、OE、JLT等光学领域权威期刊发表论文40余篇。

️期

️刊

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️介

是全面报道激光技术领域最新研究成果的旗舰级中文学术期刊（半月刊）。目前被EI、ESCI、Scopus、AJ、INSPEC、CSCD、CA等检索系统收录。根据《中国科技期刊引证报告》显示，《中国激光》综合评价总分在本领域内连续多年排名第一。期刊获得2次“百强报刊”、17次“百种中国杰出学术期刊”（获得次数最多的光学期刊）、6次“中国精品科技期刊”以及多次获得“中国最具国际影响力学术期刊”和“中国国际影响力优秀学术期刊”等称号。2019年入选“中国科技期刊卓越行动计划”，2025年荣获“第五届中国出版政府奖”期刊奖提名奖。2022年入选《光学工程和光学领域高质量科技期刊分级目录》“T1级”、《无机非金属材料领域高质量科技期刊分级目录》“T1级”。️2024年入选“中国科技期刊卓越行动计划二期——领军期刊”。

科学编辑 | 深圳大学 樊宇

编辑 | 沈灵灵