CN106768474A - 基于单Sagnac干涉环产生游标放大效应的方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于单Sagnac干涉环产生游标放大效应的方法及装置，其特征在于包括宽带光源、光谱仪、3dB耦合器、两根不同长度的保偏光纤和单模光纤；将所述的两根不同长度的保偏光纤的末端垂直切割，利用熔接机进行错轴熔接，错轴熔接的角度范围在1°～90°，保偏光纤的长度差范围为0.03m～0.2m；宽带光源发出的光经单模光纤进入3dB耦合器，3dB耦合器将信号光分成两束沿相反方向传输的光，分别通过环路中的错轴熔接的保偏光纤再次到达3dB耦合器，在一个Sagnac干涉环内形成游标包络，随着温度的变化，包络的漂移会成倍的增加。本发明针对现有光纤温度传感器灵敏度不高的问题，提出了一种结构简单，成本低，灵敏度高的基于单Sagnac干涉环产生游标放大效应的方法及装置。

Description

基于单Sagnac干涉环产生游标放大效应的方法及装置

技术领域

本发明属于光纤传感技术领域，特别涉及基于单Sagnac干涉环产生游标放大效应的方法及装置。

背景技术

随着光纤器件工艺的日益完善，信号处理技术的迅猛发展，光纤传感技术逐渐在多个应用场合崭露头角，并且有替代传统传感技术的趋势。光纤温度传感器因其体积小，绝缘性好，不受电磁干扰等优点被广泛应用于石油、化工、能源等领域。光纤温度传感器在户外加油站、储油库进行温度探测时，为防止电气设备引燃引爆油品，保障大型设施的安全，防治恶性以及灾难性事故具有极其重要对的意义。与传统的温度传感器相比，光纤温度传感器具有无源、抗电磁干扰、寿命长、更易于组网通信等独特优点，然而在有些特殊应用场合，光纤温度传感器仍存在一些不足，例如基于布拉格光纤光栅的温度传感器分辨率不够高，灵敏度低；晶体吸收式光纤温度传感器由于晶体吸收的特性，在零度以下无法正常工作等等。

游标效应是一种常见的数学原理，它广泛应用于测量领域。游标千分尺就是一种常见的基于游标效应的长度测量工具，它利用主标尺和副标尺之间的微小的刻度差来实现刻度精细化，将微小长度差异放大为副尺刻度变化，从而实现高分辨率的长度测量。

针对上述光纤温度传感器中所存在的不足，要达到高的分辨率，提高光纤温度传感器的灵敏度是关键。本发明提出了一种基于单Sagnac干涉环产生游标放大效应的方法及装置，这种传感器灵敏度高，测量范围广，安全可靠，具有很强的实用价值。

发明内容

本发明提供了基于单Sagnac干涉环产生游标放大效应的方法及装置，它具有灵敏度高，测量范围广等优点。

本发明的方法包括以下步骤：

步骤(1)选择一个输出波长为1400nm至1700nm的宽带光源，一个工作波长覆盖1400nm至1700nm的光谱仪，一个3dB耦合器，两根不同长度的保偏光纤，单模光纤；

步骤(2)将两根不同长度的保偏光纤的末端垂直切割，利用熔接机进行错轴熔接，错轴熔接的角度范围应在1°～90°，错轴熔接得到的保偏光纤的两端分别与3dB耦合器一侧的两个端口相连，3dB耦合器另一侧的两个端口分别与宽带光源的输出端和光谱仪的输入端通过单模光纤相连；

步骤(3)宽带光源发出的光经单模光纤进入3dB耦合器，3dB耦合器将信号光分成两束沿相反方向传输的光，分别通过环路中的错轴熔接的保偏光纤再次到达3dB耦合器，在一个Sagnac干涉环内形成两套Sagnac干涉谱：

其中θ₁＝2πBL₁/λ，θ₂＝2πBL₂/λ，B为保偏光纤的双折射，L₁和L₂分别为两根保偏光纤的长度，λ为工作波长；对于单段保偏光纤形成的Sagnac干涉谱的自由光谱范围为：

所以两根不同长度的保偏光纤形成的Sagnac干涉光谱的自由光谱范围差为：

错轴熔接之后形成的Sagnac干涉光谱的包络周期Δλ为：

当0.03m≤ΔL≤0.2m时，会形成较好的游标放大效应。

本发明为解决技术问题所采取的装置：

其特征在于包括宽带光源、光谱仪、3dB耦合器、两根不同长度的保偏光纤、单模光纤；将所述的两根不同长度的保偏光纤的末端垂直切割，利用熔接机进行错轴熔接，错轴熔接的角度范围在1°～90°，保偏光纤的长度差范围为0.03m～0.2m，错轴熔接得到的保偏光纤的两端分别与3dB耦合器一侧的两个端口相连，3dB耦合器另一侧的两个端口分别与宽带光源的输出端和光谱仪的输入端通过单模光纤相连；光谱仪作为信号解调部分。

本发明的有益效果为：

本发明利用两根不同长度的保偏光纤的错轴熔接实现了单Sagnac干涉环内的游标放大效应，大大提高了灵敏度，可以实现对温度的高精度测量，结构简单、成本低、尤其在实际应用中易于操作。

附图说明

图1为基于单Sagnac干涉环产生游标放大效应的方法及装置结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明进一步描述。

如图1所示，基于单Sagnac干涉环产生游标放大效应的方法及装置，包括宽带光源(1)、光谱仪(6)、3dB耦合器(3)、单模光纤(2)、保偏光纤(4)、保偏光纤(5)，两段保偏光纤的长度差为0.05m；连接方式为：将保偏光纤(4)和保偏光纤(5)的末端垂直切割，利用熔接机进行错轴熔接，错轴熔接得到的保偏光纤的两端分别与3dB耦合器(3)一侧的两个端口相连，3dB耦合器(3)另一侧的两个端口分别与宽带光源(1)的输出端和光谱仪(6)的输入端通过单模光纤(2)相连；光谱仪(6)作为信号解调部分。

本发明的工作方式为：宽带光源(1)产生信号光，由单模光纤(2)输入到3dB耦合器(3)，3dB耦合器(3)将信号光分成两束沿相反方向传输的光，分别通过环路中的错轴熔接的保偏光纤再次到达3dB耦合器(3)相干输出，在一个Sagnac干涉环内形成两套Sagnac干涉谱。错轴熔接之后的保偏光纤会产生游标效应，它们分别对应游标效应的两个不同周期的刻度尺。其中保偏光纤(5)相当于游标卡尺里面的标尺，保偏光纤(4)对应游标卡尺里面的游尺。利用游标效应能够实现对温度的高精度测量。在实验室进行不同外界温度测量时，在保偏光纤(4)下放置一块加热板，加热板的温度可控范围是0℃-450℃，其最小精度为0.1℃。通过改变加热板的温度，从30℃～60℃对保偏光纤(4)进行加热，观察并记录不同温度下光谱仪上干涉谱的变化，拟合计算出温度与干涉峰波长值的关系曲线，从而达到检测温度的目的。实验结果如表1。

表1：Sagnac干涉波长与温度的变化关系

温度从30℃上升到60℃，Sagnac干涉波长由1586.18nm变化到1490.11nm，变化量为96.07nm。从表中数据可以看出，温度与Sagnac干涉光波长成线性关系，灵敏度为-3.189nm/℃，相比于单段保偏光纤形成的Sagnac干涉温度传感器的灵敏度-0.159nm/℃提高了约20倍。

该装置能够实现基于单Sagnac干涉环产生游标放大效应的方法及装置的关键技术有：

两段保偏光纤的长度差ΔL和错轴熔接的角度的控制。错轴熔接之后形成的Sagnac干涉光谱的包络周期Δλ为：当ΔL越小，包络周期Δλ越大，但是当ΔL→0时，Δλ→∞，不会形成游标包络；通过理论分析和实验探究得出会产生游标放大效应的两段保偏光纤的长度差值应在0.03m～0.2m之间，错轴熔接的角度范围在1°～90°，两段保偏光纤分别对应于游标卡尺里面的标尺和游尺，利用游标放大效应能够实现对温度的高精度测量。

本发明的一个具体实施例中，两根保偏光纤的长度分别为2.0m和2.05m，长度差为0.05m，错轴熔接的角度为75°，光源的输出波长为1200nm～1650nm；光谱仪的工作波长覆盖范围为1200nm～1650nm；单模光纤用的是常规单模光纤(G.625)，纤芯直径为8.2μm，包层直径为125μm，保偏光纤用的是熊猫型保偏光纤，包层直径是125μm，纤芯直径是8.5μm；单段2.0m保偏光纤形成的Sagnac干涉温度传感器的灵敏度为-0.159nm/℃，基于单Sagnac干涉环产生的游标放大效应的传感器温度灵敏度为-3.189nm/℃，提高了约20倍。

Claims (2)

1.基于单Sagnac干涉环产生游标放大效应的方法，其特征在于该方法包括如下步骤：

步骤(1)选择一个输出波长为1400nm至1700nm的宽带光源，一个工作波长覆盖1400nm至1700nm的光谱仪，一个3dB耦合器，两根不同长度的保偏光纤，单模光纤；

步骤(2)将两根不同长度的保偏光纤的末端垂直切割，利用熔接机进行错轴熔接，错轴熔接的角度范围应在1°～90°，错轴熔接得到的保偏光纤的两端分别与3dB耦合器一侧的两个端口相连，3dB耦合器另一侧的两个端口分别与宽带光源的输出端和光谱仪的输入端通过单模光纤相连；

步骤(3)宽带光源发出的光经单模光纤进入3dB耦合器，3dB耦合器将信号光分成两束沿相反方向传输的光，分别通过环路中的错轴熔接的保偏光纤再次到达3dB耦合器，在一个Sagnac干涉环内形成两套Sagnac干涉谱：

$T=\frac{1-{\mathrm{cos\θ}}_1}{2}\·\frac{1-{\mathrm{cos\θ}}_2}{2}$

其中θ₁＝2πBL₁/λ，θ₂＝2πBL₂/λ，B为保偏光纤的双折射，L₁和L₂分别为两根保偏光纤的长度，λ为工作波长；对于单段保偏光纤形成的Sagnae干涉谱的自由光谱范围为：

$FSR=\frac{{\mathrm{\λ}}^2}{BL}$

所以两根不同长度的保偏光纤形成的Sagnac干涉光谱的自由光谱范围差为：

$\mathrm{\Δ}FSR=\frac{{\mathrm{\λ}}^2}{B}\·\frac{\mathrm{\Δ}L}{L_1{L}_2}$

错轴熔接之后形成的Sagnac干涉光谱的包络周期Δλ为：

$\mathrm{\Δ}\mathrm{\λ}=\frac{{\mathrm{FSR}}_1\×{\mathrm{FSR}}_2}{\mathrm{\Δ}FSR}=\frac{{\mathrm{\λ}}^2}{B\·\mathrm{\Δ}L}$

当0.03m≤ΔL≤0.2m时，会形成游标放大效应。

2.实现权利要求1所述方法的装置，其特征在于包括宽带光源、光谱仪、3dB耦合器、两根不同长度的保偏光纤，单模光纤；将所述的两根不同长度的保偏光纤的末端垂直切割，利用熔接机进行错轴熔接，错轴熔接的角度范围在1°～90°，保偏光纤的长度差范围为0.03m～0.2m，错轴熔接得到的保偏光纤的两端分别与3dB耦合器一侧的两个端口相连，3dB耦合器另一侧的两个端口分别与宽带光源的输出端和光谱仪的输入端通过单模光纤相连；光谱仪作为信号解调部分。