CN106940475A - 一种适于单纤复用的准全同光纤光栅设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种适于单纤复用的准全同光纤光栅设计方法，包括如下步骤：1)、准全同光纤光栅基准反射率的设计：针对不同复用度的单纤复用阵列，设计光纤光栅相应的基准反射率，实现复用链路返回光脉冲功率均衡、各通道间相互串扰最小、瑞利散射干扰抑制的效果；2)反射率允许工艺误差的设计：光纤光栅制作时工艺误差，设置一定工艺误差允许量，在保证传感系统性能的前提下，提高生产工艺的可行性。本发明的有益效果为：应用该方法设计的光纤光栅，可以构建大规模和较大规模的光栅串联复用光传感系统，并且对光纤光栅的容差的限定，易于实际生产工艺上的实现。

Description

一种适于单纤复用的准全同光纤光栅设计方法

技术领域

本发明涉及基于光纤光栅的光纤准分布式传感领域，具体提出一种满足高性能指标复用阵列的光纤光栅的设计方法；提出了允许公差量的计算方法，对工艺上设计生产能实际应用的光纤光栅以及提高串联复用型光纤光栅合格率具有了指导意义。

背景技术

光纤光栅自被发明以来由于其良好的光学性能、纯光纤器件特性以及相对简单的加工工艺，在全光纤通信和光纤传感领域得到深入广泛的应用。

光纤光栅在传感领域的应用，既可被用于作为传感单元，目前已投入使用的如压力传感、温度传感和应变传感等；也可被用于作为反射器件和波分器件实现单光纤上的多传感单元的复用，比如时分复用和波分复用等；此外光纤光栅作为传感单元兼复用功能单元的报道也已很多。

光纤光栅最具有商用前景的应用，便是作为透反射功能器件被用于单光纤传感的时分/波分混合复用。以准全同光纤光栅作为时分/波分复用光路的功能性器件有众多优点：光纤光栅制作成本相对低廉，同时光纤光栅能真正实现在一条光纤上的高复用度的准分布式传感。美国等国早在上世纪90年代对这一单纤复用的传感方式做了深入研究，相关的成果也都早有报道。

然而，光纤光栅使之能成为传感单元的环境敏感性(如中心波长对环境温度和封装应力敏感；光学带宽对光刻时间和老化时间敏感；边模抑制比对“切趾”光斑大小敏感等)对全同光纤光栅生产工艺和生产环境提出极高的要求；同时在使用中,各复用光纤光栅受环境影响出现相互间光学性能的差异，或导致复用的各单元传感性能急剧下降，甚至失效。设计既能保证光路传感性能，又能兼顾保证简易生产工艺的准全同的光纤光栅，对于光纤光栅在大规模复用的准分布传感领域具有重要意义。

一个单纤复用光纤光栅传感系统将面临以下一些问题：返回脉冲串的脉冲均匀性、脉冲间串扰、复用规模、反射率不一致性、反射中心波长不一致性的干扰以及复用传感系统抗外界的干扰能力。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术存在的不足，而提供一种适于单纤复用的准全同光纤光栅设计方法。

本发明的目的是通过如下技术方案来完成的。这种适于单纤复用的准全同光纤光栅设计方法，包括如下步骤：

1)、准全同光纤光栅基准反射率的设计：准全同光纤光栅单光纤复用技术的关键指标即为其基准反射率，由几个因素决定：返回脉冲功率均匀性、各复用通道间串扰量以及瑞利散射三个因素。其中返回脉冲功率均匀性和通道间串扰量是对光纤光栅反射率上限作限制，而瑞利散射是对光纤光栅反射率下限作限制。针对不同复用度的单纤复用阵列，设计光纤光栅相应的基准反射率，实现复用链路返回光脉冲功率均衡、各通道间相互串扰最小、瑞利散射干扰抑制的效果；

2)反射率允许工艺误差的设计：光纤光栅制作时工艺误差，真正全同的光纤光栅很难实现。光纤光栅制作时工艺误差，设置一定工艺误差允许量，在保证传感系统性能的前提下，提高生产工艺的可行性；

3)环境温度适应性和抗环境应力干扰的设计：在光纤光栅制造和使用环境中，环境温度普遍在0℃～50℃间波动，对应中心波长最大漂移量为0.5nm。设计光纤光栅带宽不低于 0.5nm，即偏离中心波长±0.25nm的位置，光纤光栅的反射率最大下降不高于3dB，确保环境温度变化时，返回光功率不会出现大的波动；复用传感系统实际使用时，各相邻光纤光栅间光纤作为动态力传感单元时，外界环境的扰动或者被测体的应变等，光纤光栅将连带发生伸缩，从而影响返回光脉冲稳定性，故需对光纤光栅抗环境应力干扰性能力进行设计。光纤光栅的带宽设计在0.42nm以上，可以实现抗100dB的光纤伸缩变化。

4)中心波长允许工艺误差的设计：光纤光栅中心波长的偏移，将导致反射率的偏差，从而引起返回脉冲功率的不均匀；准全同光纤光栅设计中，设置光纤光栅中心波长的不一致性的最大允许量，确保返回光脉冲的功率平衡性。

更进一步，准全同光纤光栅基准反射率的设计：将用于单纤复用链路的光纤光栅基准反射率设计在0.1％，在9个复用度的传感系统中，光纤光栅的最小返回激光功率大于后向瑞利散射功率10dBm以上，满足脉冲最大不均匀性3dB，最大插损30dB。

更进一步，反射率允许工艺误差的设计：反射率容差量由基准反射率决定，在基准反射率为0.01时，制作光栅反射率允许为0.01±0.0024。

更进一步，中心波长允许工艺误差的设计：光纤光栅中心偏差允许±0.14nm。

本发明的有益效果为：

(1)本发明提出的准全同光纤光栅适用于单纤传感复用，有利于简化阵列工艺、降低生产成本和使用成本。

(2)通过光纤光栅的基准反射率设计，确保了单纤复用链路具有返回光脉冲功率均衡、通道间相互串扰量小、瑞利散射干扰抑制的效果。

(3)分析规定了光纤光栅光学参数的工艺误差允许量，有利于光栅生产、筛选以及质量控制和评价。

附图说明

图1准全同光纤光栅单纤复用的准分布式传感系统；其中1为输入光脉冲，2为输出光脉冲串，3是环形器，4时传感光纤，5是光纤光栅；

图2准全同光纤光栅不同反射率情况下，复用光路的返回脉冲均匀性理论计算图；其中横坐标为光纤光栅反射率，纵坐标为系统返回脉冲的最大不均匀度；

图3准全同光纤光栅不同反射率情况下，复用光路的光最大插入损耗理论计算图；其中横坐标为光纤光栅反射率，纵坐标为系统返回脉冲的最大插入损耗；

图4准全同光纤光栅不同反射率情况下，复用光路的通道间最大强度串扰理论计算图；其中横坐标为光纤光栅反射率，纵坐标为系统通道间的最大强度串扰值；

图5基准反射率分别为0.01和0.005时，反射率误差引起的最大反射功率不均匀性；横坐标为相对于光纤光栅基准反射率的工艺误差，纵坐标为系统返回脉冲的最大不均匀度；

图6光纤光栅中心波长偏移导致的反射率的偏差；(a)为光纤光栅反射谱高斯建模；其中横坐标为相对中心波长的偏移量，纵坐标为反射谱的相对反射强度；(b)为光纤光栅中心波长偏移导致的反射率变化量的等高线图；其中横坐标，纵坐标表示中心波长的偏移，图内等高线为反射率的偏移量。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明做详细的介绍：

图1为准全同光纤光栅单纤复用的准分布式传感系统，光纤光栅(5)为该系统具备优良性能的关键器件，其设计实现途径如下：

1)准全同光纤光栅基准反射率的设计

串联复用后，对于第i个光纤光栅，反射脉冲功率为：

I_i＝I₀·(1-α)^2·(t-1)·γ^2·(t-1)·α

其中I_i为第i个光纤光栅返回脉冲，I₀为输入脉冲功率，α为光纤光栅的基准反射率，γ为光纤本征的传输衰减。

那么脉冲功率均匀性系数为：U(α)＝10·lg((1-α)^2·(t-1)·γ^2·(t-1))

光路最大插损为：IL(α)＝10·lg((1-α)^2·(t-1)·γ^2·(t-1)·α)

当需要满足最大不均匀性不超过IL₀时的复用度规模：

则

以9个复用度传感系统为例，图2和图3分别显示了准全同光纤光栅不同的反射率对应的最大不均匀性和最大插入损耗。在脉冲均匀性要求为3dB以内时，则反射率不能大于5％，而要求最大插入损耗为30dB时，则反射率不能小于0.1％。

后向瑞利散射在脉冲激光注入光纤时边在光纤中传输，其强度为：

I_r≈10^-3·I₀·S，

I₀输入功率，S光纤背向集光系数，光纤中计算值约为0.1，故瑞利后向散射脉冲的插损在40dB 以上。在9个复用度的传感系统中，0.1％反射率的光纤光栅的最小返回激光功率大于后向瑞利散射功率10dBm以上。

光纤光栅在复用系统中等间距分布时，光栅间的多重反射脉冲将叠加到单次反射的探测脉冲上，引起信道间信号串扰。按排列组合规律，第i个光栅混迭的二次反射脉冲数量为：

考虑到复用光纤光栅均为低反射率，故其中的二次以上的脉冲反射可不作考虑。以复用度为 9的传感系统，不同光纤光栅反射率对应的通道间最大强度串扰量见图4。

以上可见，以复用度为9的全同光纤光栅复用传感系统，满足脉冲最大不均匀性3dB，最大插损30dB时，传感系统在抑制通道间信号串扰等性能也具有较好的表现。但当需要组建更高复用度的传感系统时，对光纤光栅的基准反射率的设计，需进一步综合分析以上几项指标。

将用于单纤复用链路的光纤光栅基准反射率设计在0.1％左右，在9个复用度的传感系统中，光纤光栅的最小返回激光功率大于后向瑞利散射功率10dBm以上，满足脉冲最大不均匀性3dB，最大插损30dB时，传感系统在抑制通道间信号串扰等性能也具有较好的表现。

2)反射率允许工艺误差的设计

设各光纤光栅反射率误差为Δα_t，那么各返回脉冲强度为：

I_i＝I₀·(1-α+Δα_t)^2·(t-1)·γ^2·(t-1)·(α+Δα_t)

则脉冲功率不均匀性系数为：

U(α)＝10·lg((1-α+Δα_t)^2·(t-1)·γ^2·(t-1))

对于9复用度的准全同光纤光栅，在基准反射率分别为0.01和0.005时，反射率误差引起的最大反射功率不均匀性见图5。图中红点标记显示，光栅基准反射率为0.01 时，约为0.0024的反射率偏差引起的最大脉冲强度差将达到3dB；而对0.005光栅基准反射率，光强差3dB点出现在0.0014的反射率偏差处，故反射率容差量由基准反射率决定，在基准反射率为0.01时，制作光栅反射率允许为0.01±0.0024，这通过控制工艺容易实现。

3)环境温度适应性设计

光纤光栅的中心波长与温度变化呈线性关系，符合以下表达式：

λ_t＝λ₀+A·Δ_t

其中λ₀为中心波长，λ_t为温度变化Δt时，光纤光栅对应的中心波长，A为光纤光栅温度应变系数，通常为10pm/℃。

将环境温度0℃～50℃间波动量代入上式，设计光纤光栅带宽不低于0.5nm。

4)中心波长允许工艺误差的设计

光纤光栅反射谱为高斯分布的谱形，见图4。则反射率随频率分布可写为如下公式：

其中R_c、R_λ分别表示光纤光栅中心波长处的反射率和偏离中心波长λ波长处的反射率，w_λ为高斯分布标准差对应的波长范围，λ分别表示工作波长和光栅中心波长。

由工作温度限制的0.5nm带宽的指标要求，可以得到：

则

采用0.01反射率的光纤光栅，则反射谱可以表示成：

相对于中心频率λ_c±0.25nm的反射谱范围内，可以计算得到整个反射谱的谱形以及光栅中心波长的偏差引起的反射的相对差值，见图6(a)。

由“反射率的允许工艺误差的设计”中分析得到当光纤光栅反射率定为0.01时，光栅间反射率容差为±0.0024，当光纤光栅中心波长不一致时，也将导致光栅之间的反射率不一致，由图6(b)显示，中心波长偏移±0.14nm，能保证反射率不一致性指标。故设计光纤光栅中心偏差允许±0.14nm。

5)抗环境应力干扰设计

设环境应力变化范围为：ΔφdB，以光纤伸缩引起的光相位变化为基准。那么光相位的变化范围为：

传输光波波长设为：λ，那么λ光程变化对应相位差为2πrad。

光相位变化范围内，对应的光程差变化：

设两相邻光纤光栅间光纤长度为L,则平均分配到每米传感光纤上的光程变化量为：

光纤光栅对光波选择性反射需满足条件为：2·n·d＝λ,d为光栅栅距,n为光纤的等效折射率。那么对应光栅反射波长的变化量为：

设计中，设环境应力变化范围为100dB，传感光纤长度设为30m(激光脉冲脉宽限制)，光纤光栅中心波长为1550nm，光纤等效折射率为1.5，那么光相位的变化范围为

对应传感光纤上每米的光程变化量为：

δX＝4.112×10^-4(光程)/m

则光纤光栅对应的反射波长的变化量为：

光纤光栅的带宽设计在0.42nm以上，可以实现抗100dB的光纤伸缩变化。

本发明提出一种准全同光纤光栅的设计方法，该方法设计的光纤光栅易于单纤的串联复用，基于该种光纤光栅的单光纤传感系统能满足高质量的性能指标。提出了适于串联复用的传感的光纤光栅单纤设计指标依据；基于这些指标的要求，从理论和试验上研究了一种特定光谱性质的光纤光栅，分析表明光谱参数的工艺误差对单纤复用光路的性质有直接影响；对光纤光栅的反射率、带宽等参数的工艺允许误差量作了合理设计规定。

可以理解的是，对本领域技术人员来说，对本发明的技术方案及发明构思加以等同替换或改变都应属于本发明所附的权利要求的保护范围。

Claims (4)

1.一种适于单纤复用的准全同光纤光栅设计方法，其特征在于：包括如下步骤：

1)、准全同光纤光栅基准反射率的设计：针对不同复用度的单纤复用阵列，设计光纤光栅相应的基准反射率，实现复用链路返回光脉冲功率均衡、各通道间相互串扰最小、瑞利散射干扰抑制的效果；

2)反射率允许工艺误差的设计：光纤光栅制作时工艺误差，设置一定工艺误差允许量，在保证传感系统性能的前提下，提高生产工艺的可行性；

3)环境温度适应性和抗环境应力干扰的设计：设计光纤光栅带宽不低于0.5nm，即偏离中心波长±0.25nm的位置，光纤光栅的反射率最大下降不高于3dB，确保环境温度变化时，返回光功率不会出现大的波动，同时实现抗100dB的光纤伸缩变化；

4)中心波长允许工艺误差的设计：准全同光纤光栅设计中，设置光纤光栅中心波长的不一致性的最大允许量，确保返回光脉冲的功率平衡性。

2.根据权利要求1所述的适于单纤复用的准全同光纤光栅设计方法，其特征在于：准全同光纤光栅基准反射率的设计：将用于单纤复用链路的光纤光栅基准反射率设计在0.1％，在9个复用度的传感系统中，光纤光栅的最小返回激光功率大于后向瑞利散射功率10dBm以上，满足脉冲最大不均匀性3dB，最大插损30dB。

3.根据权利要求1所述的适于单纤复用的准全同光纤光栅设计方法，其特征在于：反射率允许工艺误差的设计：反射率容差量由基准反射率决定，在基准反射率为0.01时，制作光栅反射率允许为0.01±0.0024。

4.根据权利要求1所述的适于单纤复用的准全同光纤光栅设计方法，其特征在于：中心波长允许工艺误差的设计：光纤光栅中心偏差允许±0.14nm。