CN112525374B - 一种基于非互易光纤腔内奇点效应的温度传感器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于非互易光纤腔内奇点效应的温度传感器。该传感器由两个耦合的光纤环形腔构成，主光纤腔内的光纤光栅可使顺时针与逆时针传播的光发生耦合并产生光纤模式在频域上的劈裂效应，光纤的非互易性可通过次光纤腔内插入的光隔离器实现，从而可使主腔工作在奇点状态。光纤光栅处的温度变化将导致上述劈裂程度的改变，通过监测该劈裂程度的变化可实现对外界温度的传感功能。劈裂程度只与模式耦合强度有关，因此消除了由于光纤腔长波动带来的信号噪声，有助于提高对小信号的探测极限。同时利用上述劈裂程度可在奇点附近产生剧烈变化，从而极大提升了传感器对于小信号下的灵敏度。
Description
技术领域
本发明涉及光学技术领域，尤其涉及一种基于非互易光纤腔内奇点效应的温度传感器。
背景技术
光纤由于其具有小体积、轻量化、高带宽、耐高温耐腐蚀以及抗电磁辐射等优点，广泛应用于大量物理与化学量变化的监测，如用于制作温度、拉力、气体、化学、生物等传感器件。提升传感器的灵敏度与探测极限始终是光纤传感器一个重要的发展方向。但是当光纤传感器应用于监测信号的微弱变化时，由于外界扰动带来的额外噪声将严重劣化输出信号的信噪比。尤其是对于依靠监测光纤腔共振特性的传感器(一般共振频率作为被监测信号)，虽说其具有很高的灵敏度，但是外界环境引起的腔长波动，继而产生共振频率的不稳定性将在很大程度上影响着被测信号的精度。近年来，一种利用光纤环形腔内模式劈裂效应的光纤传感器可有效提升其应用于监测微弱信号变化时的信噪比。该技术中，光纤环形腔内互为相反方向传播的模式之间的耦合而产生的模式劈裂效应，而该劈裂程度会受到外界环境变化而改变。因此，通过监测模式劈裂程度可实现对外界物理量的传感功能。但是该方案的灵敏对受限于模式之间的劈裂程度正比于外界扰动程度，而对于一些微小的环境变化就很难被监测到。因此，如何提升该种传感器的灵敏度始终是一个需要攻克的难题。
发明内容
针对以上问题，本发明提出一种基于非互易光纤腔内奇点效应的超灵敏温度传感系统。如附图1所示，通过将光隔离器接入次光纤腔内，并将其与主光纤腔进行耦合后，使得主光纤腔内原本完全对称的模式产生了不同的腔损耗。基于此，可以使腔内模式达到奇点状态。在奇点状态下，该光纤系统对外界环境变化极其敏感。用过腔内的光纤布拉格光栅(FBG)可以将外界温度的变化反应到主腔内模式劈裂程度的变化，从而实现了超灵敏的温度传感功能。
技术方案：为了解决上述问题，本发明提出一种基于非互易光纤腔内奇点效应的温度传感器，该传感器包括信号输入与监测系统(11)、第一光纤腔(9)与第二光纤腔(10)；
所述信号输入与监测系统(11)包括可调谐激光器(1)，第一光纤2×2耦合器(2)，光电探头(7)与数据采集模块(8)，并且可调谐激光器(1)通过光纤与第一光纤2×2耦合器(2)的其中一个入射端口连接，第一光纤2×2耦合器(2)其中一个出射端口与光电探头(7)连接，光电探头(7)与数据采集模块(8)连接；
所述第一光纤腔(9)结构为：所述第一光纤2×2耦合器(2)的另外一个出射端口与第二光纤2×2耦合器(5)的其中一个入射端口连接，第二光纤2×2耦合器(5)的其中一个出射端口与光纤布拉格光栅(3)连接，光纤布拉格光栅(3)另一端与第一光纤2×2耦合器(2)的另一个入射端口连接，以此形成闭合环，并且第一光纤腔(9)通过第一光纤2×2耦合器(2)与信号输入与监测系统(11)耦合；
所述第二光纤腔(10)结构为：第二光纤2×2耦合器(5)另外一个出射端口与光隔离器(6)连接，光隔离器(6)的另一端与第二光纤2×2耦合器(5)另外一个入射端口连接，以此形成闭合环，并且所述第二光纤腔(10)通过第二光纤2×2耦合器(5)与第一光纤腔(9)耦合。
光信号由可调谐激光器(1)发射经第一光纤2×2耦合器(2)耦合进第一光纤腔(9)内，腔内传输的激光通过光纤布拉格光栅(3)发生反射，使得沿顺时针与逆时针方向的两束激光同时在第一光纤腔(9)内传播；
第二光纤腔(10)经第二光纤2×2耦合器(5)与第一光纤腔(9)耦合，腔内的光隔离器(6)保证第二光纤腔(10)只有顺时针传播的激光；
合腔光信号依次经光电探头(7)与数据采集模块(8)输出用于监测。
进一步的，所述信号输入与监测系统(11)采用激光频谱分析，可调谐激光器(1)输入随时间激光频率扫描信号。
进一步的，所述第一光纤腔(9)腔长为第二光纤腔(10)的3-4倍。
进一步的，第一光纤2×2耦合器(2)耦合比为1/99，第二光纤2×2耦合器(5)耦合比为20/80，可调谐激光器(1)与第一光纤2×2耦合器(2)两入射端口其中一端连接，选择分光比为99的出射端口与光电探头(7)连接；分光比为1的出射端口与第二光纤2×2耦合器(5)其中一入射端口连接；第二光纤2×2耦合器(5)分光比为80的出射端口与光纤布拉格光栅(3)连接，光纤布拉格光栅(3)另一端连回第一光纤2×2耦合器(2)的另一入射端口，构成第一光纤腔(9)闭合回路，第二光纤2×2耦合器(5)分光比为20的另一出射端口与光隔离器(6)连接，光隔离器(6)另一端连回第二光纤2×2耦合器(5)的另一入射端口，构成第二光纤腔(10)闭合回路。
进一步的，光隔离器(6)实现激光在第二光纤腔(10)内单向传输，将第一光纤腔(9)内沿顺时针与逆时针方向传播的激光束产生不同损耗。
进一步的，光纤布拉格光栅(3)使第一光纤腔(9)内沿顺时针与逆时针方向传播的激光束发生耦合，在光谱上产生光纤模式劈裂现象用于信号监测。
有益效果：与现有技术方案相比，本发明技术方案具有以下有益技术效果：
(1)首先本传感系统中用于检测的信号为光纤环形腔内两束沿相反方向传播的模式产生的模式劈裂程度大小。由于劈裂程度只与两个模式之间耦合强度相关，因此可以有效地避免了由于外界环境波动引入的额外噪声。
(2)通过巧妙的将含有光纤隔离器的光纤腔与用作传感的主光纤腔进行耦合，实现了光纤腔模式的非互易性。基于该性质，可以使光纤腔工作在奇点状态附近。该状态下，光纤腔模式对外界变化极其的敏感，因此可以大幅度地提升本发明中光纤传感系统的灵敏度。
(3)本发明中提及的光纤腔中所有部件均为全光纤器件，因此具有体积小，轻量化及易与其它光纤系统集成等特点。
附图说明
图1，基于非互易光纤腔内奇点效应的超灵敏温度传感系统示意图；1-可调谐激光器，2-第一光纤2×2耦合器,3-光纤布拉格光栅(FBG)，4-温度传感区域，5-第二光纤2×2耦合器，6-光隔离器，7-光电探头，8-数据采集模块，9-第一光纤腔，10-第二光纤腔，11-信号输入与监测系统。
图2，实验测得的非互易光纤环形腔内相反方向传播共振模式线宽比较图。
图3，互易腔与非互易腔内模式劈裂程度与模式间耦合强度之间关系的计算模拟结果，互易腔(Δγ＝0)与非互易腔(Δγ≠0)内模式劈裂程度与模式间耦合强度之间关系。
具体实施方式
根据图1所示，激光器采用可调频激光器，将扫频激光信号经第一光纤2×2耦合器1耦合进主光纤腔内，透射信号经光电探头接入数据采集模块用于光信号监测。由于激光频率随时间线性变化，光电探头也是实时对光信号进行响应并转化成电信号。因此，被采集的信号具有激光频率与时间一一对应的关系，从而可反映出该光纤腔系统在不同频率下入射激光的透射率，即透射光谱。
具体地分析，主光纤腔内分别顺时针与逆时针传播的光纤模式a1和a2之间通过腔内的光纤布拉格光栅(FBG)发生耦合。由于这两个模式在腔内往返一周的经历完全一致，因此二者为一对简并模式，由于两个模式互为对方参考，即使在外界扰动下也能保证相同的共振频率。若FBG具有足够的反射率，则这对简并模式将在光谱上产生模式劈裂效应。
为了给a1和a2引入不同的腔损耗，将另一光纤腔(第二光纤腔)与第一光纤腔进行耦合。由于第二光纤腔内的光隔离器作用，因此腔内只存在沿顺时针传播的模式a3。可以发现，第一光纤腔内模式a1通过耦合器2与第二光纤腔模式a3进行能量交换，而由于第二光纤腔内隔离器作用，导致第二光纤腔内光场无法将能量传递给第一光纤腔内模式a2，因此原本完全对称的a1，a2产生了不同的腔损耗，第一光纤腔内模式a2比a1会产生更多的损耗。
此时，可在透射光谱中观察第一光纤腔内模式a1和a2耦合而产生的到模式劈裂现象，模式劈裂程度满足：
式中，ω1和ω2分别为模式a1和a2的共振频率，Δγ表示模式a1和a2的损耗之差，κ2表示FBG处引起的a1和a2之间的耦合强度，并满足：
式中，r表示光栅的振幅反射率，vg和L分别表示光纤模式在第一光纤腔内的群速度以及腔长。
上述公式(1)中的劈裂程度即为所需监测的信号。容易看出，当
时，S变为纯虚数，无法在透射光谱中监测到模式劈裂现象。当/>
时，S＝0，表示两个共振频率在实数域与虚数域上完全简并，即达到奇点状态。若让该系统实现传感器功能，必须要求/>
此时S为实数，因此可以被监测。
由公式(2)可知，κ2与FBG的反射率r成正比，而r又随激光频率而改变。此时，在透射光谱中，将发现模式劈裂程度随着激光中心频率而变化。结合公式(1)和(2)可以通过调节入射激光的中心频率使该光纤环形腔的处于奇点状态，即此时的模式劈裂程度接近于零。
进一步地，本发明中的传感区域位于主腔内FBG处，当外界环境温度发生变化时，根据石英的热光效应，将会同时引起光纤腔的腔长以及FBG反射率的变化。根据公式(2)，FBG反射率r决定了κ2，当κ2变化时将引起劈裂程度S的改变，从而实现对外界温度的传感功能。
进一步地，为了研究该传感器灵敏度，将S对温度T进行求导：
相比较温度对r的影响，腔长变化引起的κ2的改变可以忽略不计，因此上式可以化简成：
由上式容易看出，相比较互易腔即：Δγ＝0，当系统工作在奇点附近，即
时，S对T的导数具有很大值，代表此时传感器的灵敏度得到极大的增强效应。
根据公式(4)，为了实现更大的传感器灵敏度，尽力挑选靠近奇点的光纤模式，但是此时的模式劈裂程度较小，由于激光模式具有一定的自身带宽，因此有可能无法有效地分辨出模式劈裂。因此，实际操作中，可通过调节激光的中心频率，一方面尽可能地接近奇点状态，而另一方面又能选择线宽较小的模式可保障有效地测量出模式劈裂程度。
示例1
本实施例实验验证了本发明中提出的光纤腔系统的非互易性。非互易性体现在第一光纤腔内顺时针与逆时针传播的模式线宽不一致。实验中，将图1中FBG去除，入射光经第一光纤2×2耦合器(2)进入第一光纤腔，然后透射光经光电探头(7)监测，该过程可以测量第一光纤腔内逆时针传播模式的线宽。若测顺时针模式线宽，将可调谐激光器(1)与光电探头(7)交换位置即可。如图2所示，经历上述两次测量后，可以得出两个不同线宽的模式透射光谱，即具有不同的品质因子(Q)。根据理论分析可知，第一光纤腔内逆时针传播模式具有更窄的模式线宽，即更高的品质因子。因此，证明本发明提出的光纤腔是非互易的，可用来实现奇点效应用以极大增强传感器的灵敏度。
示例2
附图3是根据公式(2)计算得到的当光纤腔分别处在互易腔(Δγ＝0)与非互易腔(Δγ≠0)条件下，腔内模式劈裂程度S随模式间耦合强度κ2的变化关系。容易看出，光纤模式处于奇点状态附近时，即图中阴影部分，非互易腔内模式劈裂程度S关于κ2的变化曲线的斜率更大，且奇点时的斜率趋于无穷大。这也意味着，非互易腔在奇点附近对外界环境变化更加的敏感，此时，传感器的灵敏度相较于互易腔有着大幅度的提升。
Claims (6)
1.一种基于非互易光纤腔内奇点效应的温度传感器，其特征在于，该传感器包括信号输入与监测系统(11)、第一光纤腔(9)与第二光纤腔(10)；
所述信号输入与监测系统(11)包括可调谐激光器(1)，第一光纤2×2耦合器(2)，光电探头(7)与数据采集模块(8)，并且可调谐激光器(1)通过光纤与第一光纤2×2耦合器(2)的其中一个入射端口连接，第一光纤2×2耦合器(2)的其中一个出射端口与光电探头(7)连接，所述光电探头(7)与数据采集模块(8)连接；
所述第一光纤腔(9)结构为：所述第一光纤2×2耦合器(2)的另外一个出射端口与第二光纤2×2耦合器(5)的其中一个入射端口连接，第二光纤2×2耦合器(5)的其中一个出射端口与光纤布拉格光栅(3)连接，光纤布拉格光栅(3)另一端与第一光纤2×2耦合器(2)的另一个入射端口连接，以此形成闭合环，并且第一光纤腔(9)通过第一光纤2×2耦合器(2)与信号输入与监测系统(11)耦合；所述光纤布拉格光栅(3)为反射式光纤光栅；
所述第二光纤腔(10)结构为：第二光纤2×2耦合器(5)另外一个出射端口与光隔离器(6)连接，光隔离器(6)的另一端与第二光纤2×2耦合器(5)另外一个入射端口连接，以此形成闭合环，并且所述第二光纤腔(10)通过第二光纤2×2耦合器(5)与第一光纤腔(9)耦合。
2.根据权利要求1所述的一种基于非互易光纤腔内奇点效应的温度传感器，其特征在于，所述信号输入与监测系统(11)采用激光频谱分析，可调谐激光器(1)输入随时间激光频率扫描信号。
3.根据权利要求1所述的一种基于非互易光纤腔内奇点效应的温度传感器，其特征在于，所述第一光纤腔(9)腔长为第二光纤腔(10)的3-4倍。
4.根据权利要求1或2或3所述的一种基于非互易光纤腔内奇点效应的温度传感器，其特征在于，第一光纤2×2耦合器(2)耦合比为1/99，第二光纤2×2耦合器(5)耦合比为20/80，可调谐激光器(1)与第一光纤2×2耦合器(2)两入射端口其中一端连接，选择分光比为99的出射端口与光电探头(7)连接；分光比为1的出射端口与第二光纤2×2耦合器(5)其中一入射端口连接；第二光纤2×2耦合器(5)分光比为80的出射端口与光纤布拉格光栅(3)连接，光纤布拉格光栅(3)另一端连回第一光纤2×2耦合器(2)的另一入射端口，构成第一光纤腔(9)的闭合回路，第二光纤2×2耦合器(5)分光比为20的另一出射端口与光隔离器(6)连接，光隔离器(6)另一端连回第二光纤2×2耦合器(5)的另一入射端口，构成第二光纤腔(10)的闭合回路。
5.根据权利要求1或2或3所述的一种基于非互易光纤腔内奇点效应的温度传感器，其特征在于，光隔离器(6)实现激光在第二光纤腔(10)内单向传输，将第一光纤腔(9)内沿顺时针与逆时针方向传播的激光束产生不同损耗。
6.根据权利要求1或2或3所述的一种基于非互易光纤腔内奇点效应的温度传感器，其特征在于，光纤布拉格光栅(3)使第一光纤腔(9)内沿顺时针与逆时针方向传播的激光束发生耦合，在光谱上产生光纤模式劈裂现象用于信号监测。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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| TR01 | Transfer of patent right |
Effective date of registration: 20240111 Address after: 221100, 3rd Floor, Building A2, National Security Science and Technology Industrial Park, High tech Industrial Development Zone, Xuzhou City, Jiangsu Province Patentee after: Mid infrared laser Research Institute (Jiangsu) Co.,Ltd. Patentee after: Jiangsu Normal University Address before: 221100 Room 302, building 2, zone a, national security science and Technology Industrial Park, Xuzhou hi tech Industrial Development Zone, Xuzhou City, Jiangsu Province Patentee before: Mid infrared laser Research Institute (Jiangsu) Co.,Ltd. |
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| TR01 | Transfer of patent right |