CN105890799B - 基于级联π相移光纤布拉格光栅的温度传感器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种全光纤结构的高灵敏温度传感器。该传感器以两个π相移光纤布拉格光栅作为光学反射器件，固定长度光纤作为谐振腔形成了法布里珀罗干涉仪结构，在原有的π相移光纤布拉格光栅的谱线线型上产生窄线宽的谐振峰，提高了波长分辨率，从而在光纤布拉格光栅温度响应系数一定的情况下，获得了更高的温度测量灵敏度。该传感器可以通过级联的方式实现分布式温度传感。

Description

基于级联π相移光纤布拉格光栅的温度传感器

技术领域

本发明涉及温度传感器，具体为一种全光纤结构高灵敏温度探测器。该温度探测器基于级联的π相移光纤布拉格光栅（π phase shift fiber bragg grating，PSFBG）所形成的光纤布拉格光栅-法布里珀罗干涉仪结构，具有全光纤结构、高灵敏度、高可靠性以及可实现分布式温度传感的特点。

背景技术

光纤布拉格光栅通过在光纤纤芯中产生周期性的折射率调制，从而实现对特定波长（布拉格波长）的反射或透射。光纤布拉格光栅具有全光纤结构，易于集成、低插入损耗、高回波损耗、以及光谱线型可灵活定制的特点，应用于光通信、光纤激光器以及光学传感器领域中。在光学传感器领域中，光纤布拉格光栅传感器拥有许多普通电子学传感器无法比拟的优点，诸如灵敏的温度和应力传感特性、抗电磁干扰、尺寸小、耐腐蚀以及对振动不敏感、稳定等特性，已被用于环境极端恶劣或极端狭小空间的温度/应力测量。光纤布拉格光栅传感器的原理基于温度/应力变化会导致光栅布拉格波长的移动，从而可以从反射光谱中获取相应的温度/应力变化信息。布拉格光栅对温度的响应来源于光纤材料的热膨胀以及光纤有效折射率对温度的依赖。典型的光纤布拉格光栅，其布拉格波长随温度的漂移约为10pm/℃，该系数主要取决于光纤制作的材料（二氧化硅），通常难以更改。由于光纤布拉格光栅的温度响应系数无法进一步的提高，通过制备更高波长分辨率的光栅是实现更高的测量灵敏度的有效手段。第一种获得窄线宽光纤布拉格光栅的方法是制作强布拉格效应的光栅，2014年Mathieu Gagné等人通过制作超长（1M）的光纤布拉格光栅获得了约2.5pm（325MHz）的窄线宽光栅，温度分辨率约为0.25℃。第二种方法是使用特殊种类的光栅，例如π相移光栅。π相移光栅在布拉格波长的位置打开了一个极窄的透射峰，线宽可以在百兆赫兹量级，温度分辨率可以达到0.1℃。第三种方法是使用法布里珀罗干涉仪结构形成窄线宽的谐振峰，2015年Ryotaro Uchimura等人利用光栅级联的方法获得了1pm的线宽，实现了0.1℃的温度分辨率。

发明内容

本发明的目的是提出一种基于级联π相移光纤布拉格光栅组成的法布里珀罗干涉仪结构的全光纤温度传感器，具有极高的温度探测灵敏度。

本发明是采用以下技术方案实现：

一种基于级联π相移光纤布拉格光栅的高灵敏度温度传感器，包括可调谐激光器、光隔离器、光环形器、光纤布拉格光栅温度探头、光电探测器以及示波器。

所述光纤布拉格光栅温度探头包括相同的第一π相移光纤布拉格光栅和第二π相移光纤布拉格光栅，所述第一、二π相移光纤布拉格光栅之间连接固定长度光纤，所述第一π相移光纤布拉格光栅的自由端作为温度探头的输入端口，所述第二π相移光纤布拉格光栅的自由端作为温度探头的预留输出端口。

所述可调谐激光器的输出端口连接光隔离器的输入端口，所述光隔离器的输出端口连接光环形器的port1端口，所述光环形器的port2端口连接光纤布拉格光栅温度探头的输入端口，所述光环形器的port3端口连接光电探测器的光输入端口，所述光电探测器的电信号输出端口连接示波器的输入端口。

其中，光环形器的三个端口port1、port2和port3，其作用为从端口port1输入的光只能从端口port2输出，从端口port2输入的光只能从端口port3输出，从而分离正向传播的光场与反向传播的光场。

上述可调谐激光器应满足以下要求：

1、该可调谐激光器的工作波长应在通信波段（1550nm）附近，从而减小光在光纤布拉格光栅温度探头中用作谐振腔的固定长度光纤中的损耗，增强干涉效果。

2、该可调谐激光器应具有MHz以下的线宽，从而保证温度测量的精度不会受到激光光源的限制。

3、该可调谐激光器应具较宽的波长可无跳模连续调节范围（百皮米或纳米量级），从而获得宽的温度测量范围（对应于数十摄氏度）；

该激光器输出的激光具有较好的线性偏振度，配合后路保偏单模光纤以降低其它环境因素对测量结果的影响。

上述光隔离器以及光环形器除了满足自身功能外，均应由保偏单模光纤构成，从而维持可调谐激光器产生的线性偏振光，降低外界环境对测量的影响。

上述光纤布拉格光栅温度探头包括三个部分，两个完全相同的π相移光纤布拉格光栅以及作为谐振腔的光纤。温度探头中，π相移光纤布拉格光栅以及作为谐振腔的固定长度光纤均由保偏单模光纤制作，且应具有相同的有效折射率。而且，两个π相移光纤布拉格光栅应该具有完全一致的特性（光栅单元长度、折射率调制幅度、光栅周期等）。其中，π相移光纤布拉格光栅和固定长度光纤之间使用光纤跳线连接，采用FC/APC连接器以减小激光在光纤连接器端面产生的回波。光纤连接器的端面应足够清洁以降低形成的谐振腔内的损耗。第二π相移光纤布拉格光栅的输出光纤作为预留输出端口，也应该使用FC/APC光纤连接器连接下一个温度探头。

上述光电探测器和示波器应具有足够的带宽，从而防止探测装置带宽过窄使得反射光谱发生畸变，影响探测效果。

该光纤布拉格光栅温度探头的工作原理如下：

单模线偏振的激光输入到第一π相移光纤布拉格光栅（简称第一光栅）中，在第一光栅中形成反射和透射，透射的激光经过固定长度保偏单模光纤传播到第二π相移光纤布拉格光栅（简称第二光栅）中，在第二光栅中形成了二次透射和反射，反射形成的反向传播光场再次经过固定长度光纤传播到第一光栅中。由于第一光栅和第二光栅均具有对称的结构，所以逆向传播的光场在第一光栅处发生第三次透射和反射。基于此原理最终激光会在两个π相移光纤布拉格光栅之间的光纤中多次传播，构成了一个典型的法布里珀罗干涉仪的结构。固定长度光纤作为法布里珀罗干涉仪结构的谐振腔，在其中传播的正向传播光场和反向传播光场形成干涉，在原有光栅的透射/反射谱线上叠加了由于法布里珀罗干涉仪结构形成的新的谐振峰。该谐振峰的线宽主要取决于两个π相移光纤布拉格光栅对激光的反射率以及法布里珀罗干涉仪结构的腔长，π相移光纤布拉格光栅反射率越高，法布里珀罗干涉仪的腔长越长，则透射线宽越窄。π相移光纤布拉格光栅的反射率取决于自身的参数，通常都可以达到99%以上。法布里珀罗干涉仪结构的腔长可以通过增加固定光纤的长度加长，从而压窄谐振峰的线宽。不考虑光纤损耗时，固定长度光纤可以拥有较长的长度，获得接近于可调谐激光器的线宽量级的频率分辨率。在实际情况中，过长的光纤对激光的损耗（介质吸收、弯曲造成的弯折损耗、光纤连接器插入损耗等）可以等效为降低了两个光栅的反射率，从而加宽了干涉线型的线宽。在通讯波段通常固定光纤的长度也应小于数十米。对于法布里珀罗干涉仪结构，相邻透射峰之间的距离（自由光谱区）可近似由以下公式表示

其中，C为真空中光速，为光纤中的有效折射率，为固定长度光纤的长度。其共振波长，其中N是很大的整数。布拉格光栅的布拉格波长。若固定长度光纤的长度可以满足关系式，即，此时法布里珀罗干涉仪结构的某个谐振峰和π相移光纤布拉格光栅的布拉格波长相同，称之为中心频率。在基于二氧化硅的光纤中，热响应主要来源于有效折射率随温度T的变化，温度的变化影响有效折射率变化，会导致中心频率漂移，从而通过干涉线型可以观察到温度的变化。当使用两个普通的光纤布拉格光栅时，由于普通光纤布拉格光栅反射谱线宽较宽，导致在反射谱中有大量的谐振峰存在，从而当温度导致的共振峰漂移超过一个自由光谱区时，会造成谱线重叠，从而无法正确分辨温度的漂移。使用π相移光纤布拉格光栅时，由于该光栅具有一个很窄的透射窗口，该效果会在等间距的法布里珀罗干涉仪结构的谐振峰上叠加布拉格光栅本身的透射线型，且透射线型中包含数目可数的干涉条纹。此时可以根据π相移光纤布拉格光栅透射线型包络的中心来区分自由光谱区重叠时的两个温度。基于上述原理，该光纤探头可以实现高精度、大范围的温度的测量。

温度探头的预留输出端口可以实现多个此类光纤布拉格光栅探头的串联，从而实现多个地点的温度的分布式测量。多个温度探头的布拉格波长应具有较大的差别（>10nm）以同时实现互不影响的温度测量。由于通信波段光纤低损耗的特点，相邻两个温度探头可以相隔较远的距离。

附图说明

图1表示基于π相移光纤布拉格光栅法布里珀罗干涉仪结构温度探头的温度测量装置图。

图2表示使用的π相移光纤布拉格光栅透射谱线。

图3表示使用的π相移光纤布拉格光栅布拉格波长随温度变化的特征曲线。

图4表示本发明中基于级联π相移光纤布拉格光栅的温度探头典型的反射谱线；图中实线为温度T0摄氏度时的反射谱线，虚线为升温0.0025摄氏度时的反射谱线。中间的图为谱线全貌，上图为对激光与π相移光纤布拉格光栅布拉格波长零失谐时谱线的放大，下图为对激光与π相移光纤布拉格光栅布拉格波长有150MHz失谐时谱线的放大。

图5表示串连多个相同的温度探头组成的分布式温度传感装置。

图中，1-可调谐激光器，2-光隔离器，3-光环形器，4-光纤布拉格光栅温度探头，5光电探测器，6-示波器，41-第一π相移光纤布拉格光栅，42-固定长度光纤，43-第二π相移光纤布拉格光栅。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施例进行详细说明。

一种基于级联π相移光纤布拉格光栅的高灵敏度温度传感器，如图1所示，包括可调谐激光器（TLD）1，光隔离器2，光环形器3，光纤布拉格光栅温度探头4，光电探测器5以及示波器6。

其中所述光环形器3有三个端口port1、port2、port3，其作用为从端口port1输入的光只能从端口port2输出，从端口port2输入的光只能从端口port3输出，从而分离正向传播的光场与反向传播的光场。所述光纤布拉格光栅温度探头4包括三个部分，两个完全相同的π相移光纤布拉格光栅41、43以及作为谐振腔的固定长度光纤42，该保偏光纤作为光学谐振腔，两个光栅作为反射器件构成法布里珀罗干涉仪结构。

所述可调谐激光器1的输出端口连接光隔离2的输入端口，所述光隔离2的输出端口连接光环形器3的端口port1，所述光环形器的端口port2连接光纤布拉格光栅温度探头4的第一π相移光纤布拉格光栅41的输入，所述第一π相移光纤布拉格光栅41的输出连接用作驻波腔的固定长度光纤42的输入，所述固定长度光纤42的输出连接第二π相移光纤布拉格光栅43的输入，所述第二π相移光纤布拉格光栅43的输出作为预留输出端口。所述光环形器3的端口port3连接光电探测器5的光输入端口，所述光电探测器5的电信号输出端口连接示波器6的输入端口。

所述可调谐激光器1为一台窄线宽光纤激光器（Orbit，1550），1ms积分时间下线宽为250Hz，输出偏振度大于30dB的对准保偏光纤慢轴的线偏振光；所述光隔离器2以及光环形器3均由保偏光纤构成；所述第一和第二π相移光纤布拉格光栅（TeraXion）41、43均由紫外光将折射率调制刻写在保偏光纤的慢轴上，且具有相同的谱线特征。其典型透射谱线如图2所示，可以看出其谱线在其反射带宽的中心有一个极窄的透射窗口。该光栅的反射带宽位置反射率高于99%，中心超窄透射峰的半高全宽小于50MHz。两个π相移光纤布拉格光栅之间连接约5-10m长的保偏光纤作为谐振腔。两个光栅和固定长度保偏光纤之间均由FC/APC光纤连接器连接，且端面经过仔细清洁，从而尽量减少光纤端面产生的回波对测量结果的影响或是光纤损耗过大从而降低测量精度。所述光电探测器（New Focus）以及示波器均具有30kHz以上的响应带宽。

该探头的工作原理基于光纤的有效折射率随温度T发生变化，从而改变π相移光纤布拉格光栅的布拉格波长以及法布里珀罗干涉仪结构的谐振峰频率。当固定长度光纤的长度满足公式（为π相移光纤布拉格光栅的光栅周期，为一个很大的整数）时，π相移光纤布拉格光栅的布拉格波长与法布里珀罗干涉仪结构某一个谐振峰共振，该频率称为中心频率。此时，有效折射率的变化会导致中心频率的线性移动。

π相移光纤布拉格光栅自身光谱线型与法布里珀罗干涉仪结构线型的叠加，法布里珀罗干涉仪结构形成的谐振峰具有很窄的线宽（<2.5MHz），从而提高了该探头的波长分辨率，相应提高了温度测量灵敏度。该线宽来源于在法布里珀罗干涉仪结构中，作为腔镜的光纤布拉格光栅具有高反射率，并且该干涉仪结构的腔长很长，所以有很窄的自由光谱区。过窄的自由光谱区带来的问题是微小的温度变化就会使得干涉仪结构谐振峰频率的漂移大于一个自由光谱区，此时会造成谱线无法分辨。然而由于其线型叠加了π相移光纤布拉格光栅自身的光谱线型，大于一个自由光谱区的谱线移动可以根据π相移光纤布拉格自身的谱线区分出来，从而该温度探头可以实现高精度大范围的温度测量。

图3是π相移光纤布拉格光栅布拉格波长随温度的变化曲线，可以看到其变化趋势有很好的线性关系，25GHz的频率（200pm波长）的漂移对应着20摄氏度温度变化，温度响应系数为10pm/℃。

图4是该温度探头典型的反射谱线。图中实线为温度T0摄氏度时的反射谱线，虚线为升温0.0025℃时的反射谱线。中间的图为谱线全貌，上图为对激光与π相移光纤布拉格光栅布拉格波长零失谐时谱线的放大，下图为对激光与π相移光纤布拉格光栅布拉格波长有150MHz失谐时谱线的放大。从图中可以看出该谱线为π相移光纤布拉格光栅反射谱与法布里珀罗干涉仪结构的谐振峰的叠加。中心处由于透射导致干涉效果减弱，而两边出现了极窄的干涉条纹，其半高全宽相对于π相移光纤布拉格光栅本身约有一个量级以上的压窄（50MHz到2.5MHz）。可以看到原本难以分辨的谱线移动在两边极窄干涉条纹处出现了明显的区别。而整个透射谱线的包络中含有数目可数的干涉条纹，可根据包络线型区分一个自由光谱区以上的温度漂移。基于该原理，整个光纤布拉格光栅的温度分辨率可达到0.0025℃，可测量温度范围大于25℃。

图5表示基于该温度探头实现的分布式温度感应系统，即光纤布拉格光栅温度探头的预留输出端口依次串连多个相同的光纤布拉格光栅温度探头。其中，第二个温度探头应与第一个温度探头有10nm以上的中心波长的差距，第三个温度探头与第一个温度探头有20nm以上的中心波长的差距，依此类推，从而实现互不影响的温度测量。

最后所应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照本发明实施例进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，都不脱离本发明的技术方案的精神和范围，其均应涵盖权利要求保护范围中。

Claims (8)

1.一种基于级联π相移光纤布拉格光栅的温度传感器，其特征在于：包括可调谐激光器（1）、光隔离器（2）、光环形器（3）、光纤布拉格光栅温度探头（4）、光电探测器（5）以及示波器（6）；

所述光纤布拉格光栅温度探头（4）包括相同的第一π相移光纤布拉格光栅（41）和第二π相移光纤布拉格光栅（43），所述第一、二π相移光纤布拉格光栅（41、43）之间连接固定长度光纤（42），所述第一π相移光纤布拉格光栅（41）的自由端作为温度探头的输入端口，所述第二π相移光纤布拉格光栅（43）的自由端作为温度探头的预留输出端口；所述第一、二π相移光纤布拉格光栅（41、43）与固定长度光纤（42）之间的连接均使用FC/APC光纤连接器；

所述可调谐激光器（1）的输出端口连接光隔离器（2）的输入端口，所述光隔离器（2）的输出端口连接光环形器（3）的port1端口，所述光环形器（3）的port2端口连接光纤布拉格光栅温度探头（4）的输入端口，所述光环形器（3）的port3端口连接光电探测器（5）的光输入端口，所述光电探测器（5）的电信号输出端口连接示波器（6）的输入端口。

2.根据权利要求1所述的基于级联π相移光纤布拉格光栅的温度传感器，其特征在于：所述固定长度光纤（42）的长度L=5~10m。

3.根据权利要求1或2所述的基于级联π相移光纤布拉格光栅的温度传感器，其特征在于：所述可调谐激光器（1）输出通信波段单模线性偏振光，其线宽小于MHz量级。

4.根据权利要求1所述的基于级联π相移光纤布拉格光栅的温度传感器，其特征在于：所述光隔离器（2）和光环形器（3）均由保偏工艺加工而成。

5.根据权利要求4所述的基于级联π相移光纤布拉格光栅的温度传感器，其特征在于：光纤布拉格光栅探头（4）中，所述第一、二π相移光纤布拉格光栅（41、43）和固定长度光纤（42）均由保偏单模光纤制作，且具有相同的有效折射率。

6.根据权利要求5所述的基于级联π相移光纤布拉格光栅的温度传感器，其特征在于：所述光电探测器（5）和示波器（6）均具有30kHz以上的响应带宽。

7.根据权利要求6所述的基于级联π相移光纤布拉格光栅的温度传感器，其特征在于：所述光纤布拉格光栅温度探头（4）的预留输出端口依次串连多个相同的光纤布拉格光栅温度探头。

8.根据权利要求7所述的基于级联π相移光纤布拉格光栅的温度传感器，其特征在于：多个光纤布拉格光栅温度探头之间具有不同的布拉格波长，布拉格波长间距大于10nm。