CN102081197A

CN102081197A - 一种波分复用器件

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Publication number: CN102081197A
Application number: CN201010539290.9A
Authority: CN
Inventors: 周金龙; 朱冬宏; 田群
Original assignee: KINGSHORE NEW RESOURCES ELECTRIC JIANGSU CO Ltd
Current assignee: KINGSHORE NEW RESOURCES ELECTRIC JIANGSU CO Ltd
Priority date: 2010-11-11
Filing date: 2010-11-11
Publication date: 2011-06-01
Anticipated expiration: 2030-11-11
Also published as: CN102081197B

Abstract

本发明公开了光纤传感器领域内的一种波分复用器件，包括壳体上设置的四个端口；壳体内设置的两个双纤准直器、两个单纤准直器和四个波分复用滤波片；两个双纤准直器之间经各自的一根尾纤相互连接，各自的另外一个尾纤分别连接到所述四个端口中的两个端口；两个单纤准直器的尾纤分别连接到所述四个端口中的剩余两个端口；四个波分复用滤波片中的两个反斯托克斯波长的波分复用滤波片间隔并呈夹角设置在一个双纤准直器和一个单纤准直器之间；另两个斯托克斯波长的波分复用滤波片间隔并呈夹角设置在剩余的一个双纤准直器和剩余的一个单纤准直器之间。该装置隔离度高，可制成分布式光纤温度传感器，可提高系统的温度分辨率。

Description

一种波分复用器件

技术领域

本发明涉及波分复用器件，特别是涉及一种用于分布式光纤温度传感器的波分复用器件，属于光纤传感器技术领域。

背景技术

自1985年J.P.Dakin等人首次成功实现了基于喇曼散射的分布式测温技术以来，人们对实现分布式光纤温度传感的各种技术开展了广泛研究，其中基于喇曼散射的分布式传感技术得到了最为广泛的实际应用。与传统的传感器相比，分布式光纤温度传感器具有诸多卓越的优势：以光纤本身作为传感媒介，一次测量就可以得到沿光纤分布的数千点温度信息，实现了连续分布式测量，降低了测量不确定性；测量距离远，测量时间短，适合远程实时监控；灵敏度高，测量精度高，误报率、漏报率低；耐腐蚀、耐水、耐火、耐电磁干扰，可靠性高，维护成本低。

基于喇曼散射的分布式光纤温度传感器的基本原理是：在传感光纤的一端注入激光脉冲，当激光脉冲在光纤中传播时由于纤芯分子的热振动与光子相互作用而发生能量交换，产生了喇曼散射。具体的说，当光子的一部分能量传递给分子的热振动时，会发出波长比原来激光波长长的光子，称为喇曼斯托克斯(Raman Stokes)光；当分子热振动的一部分能量传递给光子时，那么将发出波长比原来激光波长短的光子，称为喇曼反斯托克斯(Raman Anti-Stokes)光。其中，喇曼反斯托克斯光对温度很敏感，而喇曼斯托克斯光对温度不敏感，所以人们通常用喇曼反斯托克斯光来解调出温度信息；并且，为了消除光纤损耗及光源功率波动的影响，通常采用喇曼斯托克斯光作为参考光。喇曼散射技术结合光时域反射技术(OTDR，Optical Time Domain Reflectometer)，就能够定位温度信息，从而实现了分布式光纤温度传感。通常称这种传感技术为Raman-DTS(RamanDistributed Temperature Sensing)。

在Raman-DTS中有一个关键技术就是如何分离出喇曼反斯托克斯光和斯托克斯光，通常需要设计独特的波分复用器件来实现。激光脉冲在光纤中传输的过程中，除了会产生喇曼反斯托克斯光和斯托克斯光外，还会产生瑞利散射光，其波长与输入的激光脉冲波长相同。而且相对于喇曼反斯托克斯光和斯托克斯光而言，瑞利散射光的强度高很多；通常，瑞利散射光的强度比斯托克斯光高三个数量级，比反斯托克斯光高四个数量级。因此，在强瑞利光噪声背景下提取斯托克斯光和反斯托克斯光，以及防止斯托克斯光与反斯托克斯光相互串扰，成为目前的技术难点。为了准确的解调出温度信息，通常对这种波分复用器件的隔离度要求大于60dB。

图2是中国专利数据库(公开号：CN 101696896)公开的一种用于分布式光纤温度传感器的波分复用器件的原理模型图。其中，21是光环行器，22是反斯托克斯波长的滤波片，23是斯托克斯波长的滤波片。激光脉冲由端口1注入，并通过光环行器21输出到端口2，端口2接传感光纤；传感光纤中的背向散射光返回端口2，并通过光环行器21输出到反斯托克斯波长的滤波片22；反斯托克斯光透射滤波片22，由端口3输出；斯托克斯光和瑞利散射光被滤波片22反射，并输出到斯托克斯波长的滤波片23，斯托克斯光透射滤波片23，由端口4输出。从而分离出反斯托克斯光和斯托克斯光。这种波分复用器件的隔离度主要取决于两个滤波片22、23的透射隔离度，通常这样的滤波片的的透射隔离度在35dB左右。因此，器件的隔离度很难超过40dB。

图3是中国专利数据库(公开号：CN 101696896)公开的另一种用于分布式光纤温度传感器的波分复用器件的原理模型图。其中，31是1X3双向耦合器，32是反斯托克斯波长的滤波片，33是斯托克斯波长的滤波片。激光脉冲由端口1注入，并通过1X3双向耦合器31输出到端口2，端口2接传感光纤；传感光纤中的背向散射光返回端口2，并通过1X3双向耦合器31；用反斯托克斯波长的滤波片32、斯托克斯波长的滤波片33分别滤出反斯托克斯光和斯托克斯光，并分别由端口3和端口4输出。从而分离出反斯托克斯光和斯托克斯光。首先，这种波分复用器件采用的是1X3双向耦合器，会引入约9.5dB(10log(1/9)＝9.5dB)的额外损耗，大大削弱了可以利用的反斯托克斯光和斯托克斯光强度；其次，器件的隔离度很难超过40dB，除非设计非常特殊的滤波片，原因同上述。

如果在分布式光纤温度传感器中使用上述常规的波分复用器件，通常由于隔离度不够，会造成反斯托克斯光和斯托克斯光的相互串扰，以及瑞利散射光的干扰，这样的话，就难以获得准确的温度信息和高分辨率，严重情况下甚至导致温度曲线扭曲，系统不能正常工作。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的上述不足，提供一种波分复用器件，使其具有高隔离度、低插入损耗，在分布式光纤温度传感器中利用本发明的波分复用器件，能够可靠的分离出反斯托克斯光和斯托克斯光，进而可以获得准确的温度信息，提高了系统的温度分辨率。

为了实现本上述目的，本发明提供的技术方案如下：一种波分复用器件，包括壳体上设置的四个端口；壳体内设置的两个双纤准直器、两个单纤准直器和四个波分复用滤波片；所述两个双纤准直器之间经各自的一根尾纤相互连接，各自的另外一个尾纤分别连接到所述四个端口中的两个端口；所述两个单纤准直器的尾纤分别连接到所述四个端口中的剩余两个端口；所述四个波分复用滤波片分别为两个反斯托克斯波长的波分复用滤波片和两个斯托克斯波长的波分复用滤波片；所述两个反斯托克斯波长的波分复用滤波片间隔并呈夹角设置在一个双纤准直器和一个单纤准直器之间；所述两个斯托克斯波长的波分复用滤波片间隔并呈夹角设置在剩余的一个双纤准直器和剩余的一个单纤准直器之间。

本发明工作时，激光脉冲从斯托克斯波长的波分复用滤波片对应的双纤准直器的一个端口射入，并射在斯托克斯波长的波分复用滤波片上，反射后耦合到双纤准直器的另一根尾纤；再通过另一个双纤准直器射在反斯托克斯波长的波分复用滤波片上，反射后耦合到该双纤准直器的另一根尾纤连接的端口，然后，激光脉冲进入外接的传感光纤，传感光纤的背向散射光再从该端口返回；背向散射光中的反斯托克斯光透射两个反斯托克斯波长的波分复用滤波片，再耦合到单纤准直器，由斯托克斯波长的波分复用滤波片对应的单纤准直器的端口输出；背向散射光中的斯托克斯光和瑞利散射光被反斯托克斯波长的波分复用滤波片反射，并经所述另一根尾纤，射在斯托克斯波长的波分复用滤波片上，其中，瑞利散射光被斯托克斯波长的波分复用滤波片反射，耦合到最初射入激光脉冲的端口，斯托克斯光透射两个斯托克斯波长的波分复用滤波片，再耦合到另一单纤准直器，再由最后一个端口输出。两个反斯托克斯波长的波分复用滤波片间距和夹角最好能够满足耦合到相应双纤准直器中的反射光和耦合到单纤准直器中的透射光的插入损耗都最小；同时，两个斯托克斯波长的波分复用滤波片的间距和夹角最好能够满足耦合到相应双纤准直器中的反射光和耦合到单纤准直器中的透射光的插入损耗都最小；其间距和夹角由滤波片和光波本身的物理特性所决定。实现了反斯托克斯光和斯托克斯光的分离，其隔离度主要由所述的四个波分复用滤波片保证，能够高于70dB。反斯托克斯光和斯托克斯光的插入损耗分别小于2.5dB和3.2dB。与现有技术相比，本发明的有益效果在于：其从技术上实现了一种高隔离度，斯托克斯光、反斯托克斯光及瑞利散射光三者的隔离度都大于70dB，完全满足当前分布式光纤温度传感器对波分复用器件的隔离度的严苛要求。反斯托克斯光和斯托克斯光的插入损耗分别小于2.5dB和3.2dB，完全能够满足当前分布式光纤温度传感器对波分复用器件的插入损耗的要求。因此，在分布式光纤温度传感器利用本发明的波分复用器件，能够获得准确的温度信息，提高系统的温度分辨率。

上述尾纤可为单模光纤或多模光纤，所述双纤准直器和单纤准直器与相应光纤对应为单模器件或多模器件。上述端口为法兰盘、光纤跳线或没有跳线接头的光纤。所述壳体的材料可为金属或非金属。其均可达到本发明的目的。

附图说明

图1为本发明的原理模型图。

图2为背景技术之一(公开号：CN 101696896)的原理模型图。

图3为背景技术之二(公开号：CN 101696896)的原理模型图。

图4是本发明波分复用器件的反斯托克斯光和斯托克斯光历经的插入损耗示意图。

具体实施方式

下面结合附图具体讲述对本发明的波分复用器件

本发明的波分复用器件，其包括壳体19上设置的四个端口，分别为端口1、端口2、端口3、端口4；采用四根带FC/APC接头的光纤跳线作为四个端口，分别固定在器件壳体19上，FC/APC接头露在壳体19外部；壳体19内设置的两个双纤准直器11、15、两个单纤准直器14、18和四个波分复用滤波片；四个波分复用滤波片分别为两个反斯托克斯波长的波分复用滤波片12、13和两个斯托克斯波长的波分复用滤波片16、17；两个双纤准直器11、15之间经各自的一根尾纤102相互连接，各自的另外一个尾纤101、103分别连接到所述四个端口中的两个端口1、端口2；两个单纤准直器14、18的尾纤104、105连接到所述四个端口中的剩余两个端口，端口3和端口4；两个反斯托克斯波长的波分复用滤波片12、13间隔并呈夹角设置在双纤准直器11和一个单纤准直器14之间；两个斯托克斯波长的波分复用滤波片16、17间隔并呈夹角设置在剩余的双纤准直器15和单纤准直器18之间。

两个反斯托克斯波长的波分复用滤波片12、13的间距和夹角满足耦合到相应双纤准直器中的反射光和耦合到单纤准直器中的透射光的插入损耗都最小；两个斯托克斯波长的波分复用滤波片16、17的间距和夹角满足耦合到相应双纤准直器中的反射光和耦合到单纤准直器中的透射光的插入损耗都最小。反斯托克斯波长的波分复用滤波片12、13的透射中心波长位于输入激光所激发的反斯托克斯波长，其透射带宽能够覆盖反斯托克斯光谱；而且，该滤波片对透射带外的光具有高反射率。斯托克斯波长的波分复用滤波片16、17的透射中心波长位于输入激光所激发的斯托克斯波长，其透射带宽能够覆盖斯托克斯光谱；而且，该滤波片对透射带外的光具有高反射率。

上述尾纤为单模光纤或多模光纤，所述双纤准直器和单纤准直器与相应光纤对应为单模器件或多模器件；本实施例中使用的光纤是光通信中使用的A1b渐变折射率多模光纤，纤芯直径为62.5微米，数值孔径为0.275，双纤准直器和单纤准直器都是用的这种光纤。端口可为法兰盘、光纤跳线或没有跳线接头的光纤；壳体的材料为金属或非金属。

本实施例中，输入的激光脉冲波长为1550nm、带宽为1nm，斯托克斯波长约为1663nm、带宽约为3nm，反斯托克斯波长约为1450nm、带宽约为3nm，所以选择反斯托克斯波长的波分复用滤波片的透射中心波长为1450nm，透射带宽为14nm，透射隔离度和插入损耗分别为35dB和0.3dB，1457nm到1680nm为反射带宽，反射插入损耗为0.2dB；斯托克斯波长的波分复用滤波片的透射中心波长为1663nm，透射带宽为14nm，透射隔离度和插入损耗分别为35dB和0.3dB，1510nm到1656nm为反射带宽，反射插入损耗为0.2dB。两个反斯托克斯波长的波分复用滤波片之间相距为3-5毫米，夹角为15-20度；两个斯托克斯波长的波分复用滤波片之间相距为3-5毫米，夹角为15-20度。

本实施例中，通过精细调节准直器，使得反斯托克斯光和斯托克斯光的插入损耗达到最小，实测值分别为2.2dB和3dB；测得隔离度大于70dB。

其工作原理是：激光脉冲从端口1输入，通过双纤准直器15射在斯托克斯波长的波分复用滤波片上，反射后耦合到双纤准直器的另一根尾纤102；再通过另一个双纤准直器11射在反斯托克斯波长的波分复用滤波片上，反射后耦合到端口2；然后，激光脉冲进入传感光纤，传感光纤的背向散射光从端口2返回；背向散射光中的反斯托克斯光透射两个反斯托克斯波长的波分复用滤波片，再耦合到单纤准直器14的准直镜上，由端口3输出；背向散射光中的斯托克斯光和瑞利散射光被反斯托克斯波长的波分复用滤波片反射，耦合到双纤准直器的另一根尾纤102，再通过另一个双纤准直器15射在斯托克斯波长的波分复用滤波片上，其中，瑞利散射光被斯托克斯波长的波分复用滤波片反射，耦合到端口1，斯托克斯光透射两个斯托克斯波长的波分复用滤波片，再耦合到单纤准直器18的准直镜上，由端口4输出。这样就实现了反斯托克斯光和斯托克斯光的分离，其隔离度主要由所述的四个波分复用滤波片保证，能够高于70dB(35dB+35dB)。附图4说明了反斯托克斯光和斯托克斯光的插入损耗分别小于2.5dB和3.2dB。

本发明并不局限于上述实施例，在本发明公开的技术方案的基础上，本领域的技术人员根据所公开的技术内容，不需要创造性的劳动就可以对其中的一些技术特征作出一些替换和变形，这些替换和变形均在本发明的保护范围内。

Claims

1.一种波分复用器件，其特征在于：包括壳体上设置的四个端口；壳体内设置的两个双纤准直器、两个单纤准直器和四个波分复用滤波片；

所述两个双纤准直器之间经各自的一根尾纤相互连接，各自的另外一个尾纤分别连接到所述四个端口中的两个端口；

所述两个单纤准直器的尾纤分别连接到所述四个端口中的剩余两个端口

所述四个波分复用滤波片分别为两个反斯托克斯波长的波分复用滤波片和两个斯托克斯波长的波分复用滤波片；所述两个反斯托克斯波长的波分复用滤波片间隔并呈夹角设置在一个双纤准直器和一个单纤准直器之间；所述两个斯托克斯波长的波分复用滤波片间隔并呈夹角设置在剩余的一个双纤准直器和剩余的一个单纤准直器之间。

2.根据权利要求1所述的一种波分复用器件，其特征在于：两个反斯托克斯波长的波分复用滤波片间距和夹角满足耦合到相应双纤准直器中的反射光和耦合到单纤准直器中的透射光的插入损耗都最小；两个斯托克斯波长的波分复用滤波片的间距和夹角满足耦合到相应双纤准直器中的反射光和耦合到单纤准直器中的透射光的插入损耗都最小。

3.根据权利要求1或2所述的一种波分复用器件，其特征在于：所述尾纤为单模光纤或多模光纤。

4.根据权利要求1或2所述的一种波分复用器件，其特征在于：所述端口为法兰盘、光纤跳线或没有跳线接头的光纤。

5.根据权利要求1或2所述的一种波分复用器件，其特征在于：所述两个反斯托克斯波长的波分复用滤波片之间相距为3-5毫米，夹角为15-20度；两个斯托克斯波长的波分复用滤波片之间相距为3-5毫米，夹角为15-20度。

6.根据权利要求1或2所述的一种波分复用器件，其特征在于，所述壳体的材料为金属或非金属。