CN102762959A - 波长特定设备的询问 - Google Patents

Abstract

用于询问波长特定设备的装置具有宽带光源以照明提供低相干时间干涉图的干涉仪。诸如彼此串联地连接的光纤布拉格光栅的波长特定设备的至少一个阵列接收所述干涉图，使得相对于所述宽带光源的带宽，每个设备与限定范围的波长带宽相互作用。因此，代替用已经各自在其自身特征波长处与宽带光源相互作用的设备的阵列的输出照明干涉仪，将干涉仪用于调制来自宽带源的输出，以产生低相干干涉图。接着，设备的阵列从这个低相干干涉图提取或滤出更高相干的干涉图。

Description

波长特定设备的询问

技术领域

本发明涉及一种波长特定（wavelength-specific）设备的询问（interrogation）。

背景技术

在多种电信/传感应用中已经报道了波长特定滤波器/反射器/干涉仪。它们的应用的一个示例是在计量学中，由设备经历的物理、化学或生物变化导致可测量为传播通过设备/由设备反映的场的特性的变化的响应。

在光学领域，波长特定滤波器/反射器的某一类型是光纤布拉格光栅（FBG）。光纤布拉格光栅反射以光栅（光纤长度内的周期性折射率调制）的布拉格波长为中心的窄带波长。当嵌入在诸如桥的结构中时，从结构传输到光纤的应变（strain）导致光栅会被拉伸或压缩，因而产生特征反射波长的偏移。这样的传感器也依赖于温度，因此也可以被用于温度变化的监测。

光纤布拉格光栅在电信中用于多种能力。它们被用作陷波滤波器以及用于多路复用/解复用以及上/下路复用。这些应用通常使用结合光栅的光学环形器，以滤出或者添加波长特定的信道。

它们也用于色散补偿。传统上，已经使用色散补偿光纤的长度。光纤的这个长度将具有与用于实际传输的单模光纤相反的色散系数。然而，这种方法增加了传输损耗，并且由于非线性效应而限制了可以发射到光纤的光功率。通常通过使用啁啾光栅引入波长特定的时间延迟，而实现采用FBG的色散补偿。

当询问或表征（characterize）FBG时，反射波长中引入的变化需要精确的测量。理想的询问系统需要高分辨率，通常在从亚皮米（sub-picometer）到几皮米波长分辨率的范围内，并且应该能够询问多路复用的光栅，尤其是当光栅理想地适合于波分复用（WDM）时。

低相干干涉仪（LCI）已被认为是包括光纤通信、计量学、安全、航空航天、石油和天然气工业、土木和岩土工程以及环境监测的广泛领域中的关键技术平台。

因为在捕获的干涉图内表征全波长范围，所以典型地实施为傅里叶变换光谱学（FTS）的干涉光谱学相对于竞争技术呈现出根本优势。这种优势被公知是费尔盖特（Fellgett）优势或者多路复用优势。

然而，使用干涉手段的FTS的传统实施方式依赖于要被询问的光对干涉仪的照明，并且因而不适合于多路复用阵列的同时询问。

超连续宽带源的开发在比以前报道大得多的波长范围上释放了波长特定设备的串行多路复用的潜能。已经演示了多种询问技术，诸如：漂移补偿的波长偏移检测系统、频率调制的激光器二极管、双干涉腔系统、通过光谱仪的询问、使用匹配的传感器和接收器对的询问、以及光纤傅里叶变换频谱仪。这些和其它建立的技术（包括可调谐激光器、可调谐滤波器和二极管阵列）在处理下列各项中的一个或多个的能力上受到限制：

·宽波长范围上的询问

·阵列中所有光栅的同时测量的提供

·多个阵列中所有光栅的同时测量的提供

它们在提供单独（individual）设备的结构细节的高分辨率测量上受到限制，在非均匀被测环境领域的检测中可能具有潜在价值。

已知沿着光纤长度串联（in series）放置波长特定设备的阵列，其中每个设备被构造为反射、透射或过滤波长的不同特征带。当由宽带光源照明这样的阵列时，每个设备在不同波长处反射/透射/滤波。通过将返回的光提供到干涉仪，可以产生时间扫描的干涉图，接着可以使用例如傅里叶分析对其分析，以确定由每个设备返回的波长。这允许阵列中的每个设备被同时监测。

用这种方法的一个问题是，阵列中的设备不能具有重叠的波长带宽。因此，给定从每个设备反射的光谱带宽，信号分离的考虑对可以并入阵列中的设备数目施加了最大值。为了突破这个限制，将需要多个干涉仪，其中每个干涉仪分析来自各自设备阵列的反射信号。

发明内容

本发明提供用于询问波长特定设备的装置，所述装置包括：

宽带光源，用于提供宽带光信号；

干涉仪，用于接收所述宽带光信号，并且用于在其输出处提供低相干时间干涉图；

波长特定设备的至少一个阵列，所述波长特定设备彼此串联地连接，用于从所述输出接收所述干涉图，其中相对于所述宽带光源的带宽，每个设备与限定范围的波长带宽相互作用；

探测器，用于从波长特定设备的所述至少一个阵列接收与所述阵列相互作用之后的光；

频谱分析仪，适配于根据所述接收的光确定与所述至少一个阵列中的设备的所述相互作用相关联的信号特征。

因此，代替用已经各自在其自身的特征波长处与宽带光源相互作用的设备的阵列的输出照明干涉仪，将干涉仪用于调制来自宽带源的输出，以产生低相干干涉图。接着，设备的阵列从这个低相干干涉图提取或滤出相干性更高的干涉图，其中条纹的频率取决于设备返回的光的波长。

这里使用的术语“宽带源”表示具有20nm或更大、或更优选地40nm或更大、或最优选地80nm或更大的波长的带宽的源。典型地，对于红外光源（典型带宽将为大约100nm），带宽将比可见光源更大，可见光源可以具有大约30-60nm的带宽。在所有情况下，带宽比窄带激光器大得多。相应地解释术语“低相干干涉图”，即，由通过至少20nm的宽带源的带宽扫描干涉仪所得到的干涉图。

当前可用的探测器技术在宽波长范围上积分，当用宽带源照明时，这造成在时间扫描的干涉仪的输出处观察到低相干干涉图。诸如光纤布拉格光栅的光学滤波器/反射器不在这样的宽波长范围上积分，因此能够由于其自身不连续的波长带宽而过滤振荡分量，并且能够将这个连续的分量透射/反射到探测器。探测器因此接收高相干干涉图的叠加，用于分析，其中每个高相干干涉图由阵列中的一个独立设备所产生。

优选地，提供波长特定设备的多个所述阵列，每个阵列从所述输出并行地接收所述干涉图，并且提供多个探测器，使得来自每个阵列的光被引导到不同的探测器。

在一个实施例中，所述设备是串联连接的波长特定反射器，所述波长特定反射器各自反射窄带波长，同时允许该带之外的波长穿过。

在另一个实施例中，所述设备是串联连接的波长特定滤波器，所述波长特定滤波器各自拦截和滤出波长的第一个集合，同时允许此第一个集合之外的波长穿过。信号可以通过不同路径循环返回到探测器（例如由从设备系列到探测器的光纤的延伸）。

通过用干涉仪输出照明设备，而不是典型的用设备输出照明干涉仪，消除了对使用傅里叶变换光谱学和/或相关的希尔伯特变换频谱技术的单一阵列的询问的限制。这允许多个阵列中所有设备（如果被照明）的同时询问。还消除了设备在唯一波长处反射/滤波的要求，因为可以通过将反射或滤波相同波长的设备简单地放置在单独阵列（或光纤长度）中来分离所述设备。对多个阵列的波长范围的仅有限制是照明干涉仪的宽带源的波长范围（使用超连续源可获得~1800nm的带宽）。

因此，优选地，至少两个所述阵列各自包含在相同波长处与光相互作用的波长特定设备。

在优选实施例中，所述多个阵列由一系列耦合器连接到所述干涉仪输出，每个耦合器将接收的干涉图的第一部分传输到所述阵列中关联的一个阵列，并且将接收的干涉图的第二部分传输到所述耦合器中的下一个。

优选地，耦合器是定向耦合器，但也可以使用分束器（如果优选）。

以这种方式，通过每个定向耦合器（DC）连续地划分低相干干涉图，使得功率的一部分照射连接到这个耦合器的阵列，并且其余部分传输到布置中的下一个DC。

优选地，提供多个隔离器，用于阻止信号从所述阵列朝向所述干涉仪以及之前阵列的检测系统的反向传播。

在优选实施例中，所述第一部分表示在所述定向耦合器处接收的功率的1%到20%，并且所述第二部分表示在所述定向耦合器处接收的功率的80%到99%。

更优选地，第一部分从2%到10%（第二部分从90%到98%），更优选地从3%到8%（第二部分从92%到97%），最优选地为大约5%（第二部分为大约95%）。要注意的是，计算第一和第二部分以排除来自DC本身的任何插入损耗或背反射（back reflection），使得每种情况下第一和第二部分的总和表示可用功率并且因此总计为100%。

优选地，提供基准设备来接收所述干涉图并与所述干涉图相互作用，所述基准设备连接到探测器，使得可以参照所述基准设备的响应来校准所述干涉图。

基准设备（例如基准布拉格光栅）服务于两个目的。第一个目的是用于通过提供固定的频率基准而校准干涉图中的延迟，根据所述固定的频率基准可以校正光纤拉伸器的非均匀扫描速度。这是有利的，因为非均匀扫描速度造成非均匀延迟采样（理想地，所有光束需要在延迟扫描中的相同点被采样，否则展宽效应会被引入到相关峰）。如果这并未被校准，则光谱峰会由于间隔很近的传感器而不能被容易地辨别。校正完全在软件中执行，并且消除了对零交叉检测电路或扫描速度的锁相环控制的要求。

第二个功能是提供固定的波长基准，利用所述波长基准确定传感器光栅的变化波长。如果没有提供所述波长基准，则随后的扫描速度必须是相同的（难以实现），以便具有相同的频率条纹，否则频谱将会随着每次扫描而移动位置，并且这会被视为温度或应变的变化。

优选地，所述频谱分析仪包括处理器，其被编程为对所检测的信号执行数学分析，所述数学分析优选为傅里叶变换。

优选地，所述数学分析是傅里叶变换。

傅里叶变换（或诸如快速傅里叶变换的任何变体）获取时间变化的信号并将其转换到频域，使得合成的反射信号被表示为不同频率的信号的和，其中每个频率可以归因于所述反射器中不同的一个反射器。

优选地，在使用多个阵列的情况下，每个阵列的信号经由不同信道传输，用于信号分析。这样做的一个方法是采用具有多个信道的数据采集卡。

优选地，所述频谱分析仪包括相同或不同的处理器，其被编程为对所检测的信号执行希尔伯特变换，以校准与所述干涉仪的时间扫描关联的频谱内容。

希尔伯特变换技术校准干涉仪中的延迟，去除机械平移的非均匀扫描速度在傅里叶变换中所引入的不想要的光谱内容。经由希尔伯特变换获得的时间相位矢量也可以提供在需要高速扫描的情况下反射/透射的平均波长的高分辨率测量。如果高速扫描不是问题，则可以使用傅里叶变换光谱学以在进行长扫描时提供设备内的频谱细节。希尔伯特变换处理技术消除对精密延迟追踪电子设备的要求，因为所有处理全部在软件中进行。

现有干涉仪的傅里叶变换光谱分析需要长扫描以提供高分辨率测量。最小可分辨波长变化δλ和扫描长度τ_Δ之间的关系为

$\mathrm{\δ\λ}=n_a\frac{{\mathrm{\λ}}^2}{{\mathrm{c\τ}}_{\mathrm{\Δ}}}$

其中n_a是空气的群折射率（group index），λ是光波长，c是真空中的光速。因此，300mm扫描将给出10pm的近似分辨率（使用1550nm的光），允许确定10με（10微应变（microstrain））的应变改变或者~1°C的温度改变。然而，使用希尔伯特变换处理（这个单元所使用的希尔伯特变换处理），可以从~1mm的扫描获得~5pm的分辨率。

希尔伯特变换处理技术的使用也消除了对补偿干涉仪延迟的非均匀取样（由于非均匀扫描速度）的延迟追踪电路的要求，所述非均匀取样具有扩展相关峰的效应。

在一个优选实施例中，波长特定设备是光纤布拉格光栅。

优选地，阵列内的每个设备在不同波长范围内响应于光。

还提供了询问波长特定设备的方法，包括下列步骤：

从用宽带光源照明的干涉仪生成低相干时间干涉图；

将所述干涉图提供到彼此串联地连接的波长特定设备的至少一个阵列的输入，其中相对于所述宽带光源的带宽，每个设备与限定范围的波长带宽相互作用；

从波长特定设备的所述至少一个阵列接收与所述阵列相互作用之后的光；

根据所述接收的光确定与所述至少一个阵列中的设备的所述相互作用相关联的信号特征。

附图说明

图1是用于询问波长特定设备的第一装置的示意图；以及

图2是用于询问波长特定设备的第二装置的示意图。

具体实施方式

在图1中，示出具有由第一光纤臂16和第二光纤臂18连接的一对定向耦合器12、14的光纤马赫泽德干涉仪10。在第一光纤臂16中，压电光纤拉伸器（stretcher）20能够使臂16的长度变化，以便改变在干涉仪10的输出处的定向耦合器14处观察到的干涉图案。

在这种情况下优选地为超连续源的宽带源22将宽带光学信号提供到定向耦合器12处干涉仪10的入口。干涉仪不需要是示出的类型并且可以采取任何时间扫描的干涉仪构造（光纤或者块状（bulk）光学），其能够在输出处产生低相干时间干涉图。

在干涉仪10的输出处，重组（recombined）的光形成干涉图，其中振荡频率与光波长成比例，并且通常被在一频率范围上积分的探测器视为低相干干涉图。

这个干涉图接着被引导穿过隔离器26以阻止反向传播并且接着经由定向耦合器24引导到热稳定的布拉格光栅基准28（此前已经描述了其功能），并且经由定向耦合器24将信号返回到输出光纤30，其被相应的光电二极管接收，以从光学信号转换为电学信号。每个光电二极管输出被提供到多信道数据采集板32的各个端口或信道。与所需的简单光-电转换一起还可以提供放大。

定向耦合器24是5/95耦合器，其意味着接收的输入信号功率的5%引导到光栅基准28，而其余的95%经由隔离器36引导到定向耦合器34的级联系列。

级联的定向耦合器34的每一个在其输入处具有关联的隔离器36以阻止朝向干涉仪和之前阵列的检测信道的背反射。在这个示出的实施例中，每个耦合器是5/95耦合器，其将输入功率的5%引导到第一臂38并将其输入功率的95%引导到级联系列中的下一个隔离器。可以取决于臂长、源功率等选择分路器（splitter），以将不同比例的功率引导到各个方向上。以这种方式，由干涉仪10产生的低相干干涉图被连续地划分，并被沿着每个臂38引导到设备42的相应阵列40。

单个阵列40内的每个设备42是波长特定的反射器/滤波器/透射器，尤其是在不同波长（或波长的带）处操作的光纤布拉格光栅。这样，从光纤38引导到阵列40的宽带光学信号将经历一系列反射，其中每个设备朝向光纤臂38反射回将一窄带波长。如果设备位于导致特征反射波长的变化的不同物理环境中，则返回的波长谱的测量允许每个设备的特征操作波长被测量。

来自阵列的反射沿着光纤臂38传播回到定向耦合器34，其将反射信号的5%沿着相应的输出光纤44引导到单独光电二极管，并接着引导到数据采集板32的信道。

尽管每个阵列应该由在唯一波长处操作的设备构成，但每个阵列可以是相同的或者与其它阵列共享操作波长。因此，由于可以同时将干涉图提供到所有阵列，并且由于每个阵列基于其自己的设备的特性而将其自身的反射信号返回，所以消除了每个操作波长处仅具有单个设备的限制。

数据采集板32（其可以例如是容许500kS/s的国家仪器（NationalInstrument）PCI-MIO-16E-4或者容许200kS/s的PCI-6023E）对每个输入信道采样并数字化，并将得到的数字信号提供给PC 46。PC 46操作信号分析软件，其对每个信道的信号执行傅里叶分析，以确定与阵列中的每个设备关联的波长或频率。

也可以执行希尔伯特（Hilbert）分析，优选地通过顺序地执行以下步骤：

1.应用窗函数（例如汉明窗）

2.傅里叶变换

3.移除直流电和负频率

4.快速傅里叶逆变换

5.使用插值的延迟重新校准

6.傅里叶变换

7.频域中的传感器信号分离

8.分析信号的检索（Retrieval）

9.相位比较

在图2中，示出了在许多方面与图1的装置类似的第二装置，其中相同的组件采用相同的标号。只要系统是相同的，前面的描述也可以应用于图2。

因此，系统采用光纤布拉格光栅42的相似阵列40，每个光纤布拉格光栅42各自提供于相应的光纤臂38上，其中反射信号沿各个输出光纤44传播到与PC 46连接的数据采集板32的相应信道。

与图1中不同，在两个级联组（显示为四个阵列50的顶部组和四个阵列的底部组52）中提供阵列40，如下面进一步描述的。图2的系统主要在照明干涉仪布置方面与图1的系统不同。

代替光纤马赫泽德（Mach Zehnder）干涉仪，采用光纤迈克尔逊（Michelson）干涉仪54。干涉仪54被显示为具有由第一光纤臂58和第二光纤臂60连接到定向耦合器62的一对法拉第旋转镜56。法拉第旋转镜56降低了干涉仪输出中偏振导致的衰减。

在第一光纤臂58中，压电光纤拉伸器64能够使臂58的长度变化，以便改变在干涉仪54的输出处的定向耦合器62的输出66、68处观察到的干涉图案。光学环形器70通过将迈克尔逊干涉仪中通常引导回到源72的干涉图案引导到光纤臂74而提供对该信号的访问（access）。

宽带源72经由光学环形器70将宽带光学信号提供到定向耦合器60处干涉仪54的输入。在干涉仪布置的输出68、74处，重组的光形成干涉图，其中振荡频率与光波长成比例，并且通常被在一频率范围上积分的探测器视为低相干干涉图。

输出74处的这个干涉图接着被引导穿过隔离器26并接着经由定向耦合器24而被引导到热稳定的布拉格光栅基准28（此前已经描述其功能），并且经由定向耦合器24将信号返回到输出光纤30，在相应的光电二极管处接收该信号，以从光学信号转换为电学信号，如前所述。

定向耦合器24仍然是5/95耦合器，意味着接收的输入信号功率的5%被引导到光栅基准28，而其余的95%经由隔离器36而引导到定向耦合器34的第一级联系列50。

输出68处的干涉图将它的所有功率经由隔离器37引导到定向耦合器34的第二级联系列52。除经由两个输出向设备阵列的两个级联系列提供相应的输出干涉图之外，图2的布置具有如下优势：法拉第旋转镜降低偏振导致的衰减，以及从延迟扫描可以实现更高的分辨率，因为实际上通过双通将该延迟乘以了2。

本发明不限于这里描述的实施例，在不脱离本发明的范围的情况下，可以进行修改和改变。

Claims (15)

1.一种用于询问波长特定设备的装置，所述装置包括：

宽带光源，用于提供宽带光信号；

干涉仪，用于接收所述宽带光信号，并且用于在其输出处提供低相干时间干涉图；

波长特定设备的至少一个阵列，所述波长特定设备彼此串联地连接，用于从所述输出接收所述干涉图，其中相对于所述宽带光源的带宽，每个设备与限定范围的波长带宽相互作用；

探测器，用于从波长特定设备的所述至少一个阵列接收与所述阵列相互作用之后的光；

频谱分析仪，适配于根据所述接收的光确定与所述至少一个阵列中的设备的所述相互作用相关联的信号特征。

2.如权利要求1所述的装置，其中提供波长特定设备的多个所述阵列，每个阵列从所述输出并行地接收所述干涉图，并且提供多个探测器，使得来自每个阵列的光被引导到不同的探测器。

3.如权利要求1或2所述的装置，其中所述设备是串联连接的波长特定反射器，所述波长特定反射器各自反射窄带波长，同时允许该带之外的波长穿过。

4.如权利要求1或2所述的装置，其中所述设备是串联连接的波长特定滤波器，所述波长特定滤波器各自拦截和滤出波长的第一个集合，同时允许此第一个集合之外的波长穿过。

5.如前述权利要求中的任一项所述的装置，其中至少两个所述阵列各自包含在相同波长处与光相互作用的波长特定设备。

6.如前述权利要求中的任一项所述的装置，其中所述多个阵列由一系列耦合器连接到所述干涉仪输出，每个耦合器将接收的干涉图的第一部分传输到所述阵列中关联的一个阵列，并且将接收的干涉图的第二部分传输到所述耦合器中的下一个。

7.如权利要求6所述的装置，其中所述第一部分表示在所述定向耦合器处接收的功率的1%到20%，并且所述第二部分表示在所述定向耦合器处接收的功率的80%到99%。

8.如权利要求7所述的装置，其中所述第一部分从2%到10%，并且所述第二部分从90%到98%，更优选地，所述第一部分从3%到8%，并且所述第二部分从92%到97%，最优选地，所述第一部分为大约5%，并且所述第二部分为大约95%。

9.如前述权利要求中的任一项所述的装置，其中提供多个隔离器，用于阻止信号从所述阵列朝向所述干涉仪以及之前阵列的检测系统的反向传播。

10.如前述权利要求中的任一项所述的装置，其中提供基准设备来接收所述干涉图并与所述干涉图相互作用，所述基准设备连接到探测器，使得能够参照所述基准设备的响应来校准所述干涉图。

11.如前述权利要求中的任一项所述的装置，其中所述频谱分析仪包括处理器，其被编程为对所检测的信号执行数学分析，所述数学分析优选为傅里叶变换。

12.如前述权利要求中的任一项所述的装置，其中提供波长特定设备的多个所述阵列，来自每个阵列的信号经由不同信道传输到所述频谱分析仪，用于信号分析。

13.如权利要求11所述的装置，其中所述频谱分析仪包括相同或不同的处理器，其被编程为对所检测的信号执行希尔伯特变换，以校准与所述干涉仪的时间扫描关联的频谱内容。

14.如前述权利要求中的任一项所述的装置，其中阵列内的每个设备在不同波长范围内响应于光。

15.一种询问波长特定设备的方法，包括下列步骤：

从用宽带光源照明的干涉仪生成低相干时间干涉图；

将所述干涉图提供到彼此串联地连接的波长特定设备的至少一个阵列的输入，其中相对于所述宽带光源的带宽，每个设备与限定范围的波长带宽相互作用；

从波长特定设备的所述至少一个阵列接收与所述阵列相互作用之后的光；

根据所述接收的光确定与所述至少一个阵列中的设备的所述相互作用相关联的信号特征。

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