CN113218533A - 一种基于双倍布里渊频移器的光纤激光温度传感器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于双倍布里渊频移器的光纤激光温度传感器，包括可调激光器(1),第一光隔离器(2),第一光纤耦合器(3),第二光纤耦合器(4)，第一布里渊光纤(5),光环形器(6),第一光隔离器(7)，第三光纤耦合器(8)，第一光放大器(9)，第四光纤耦合器(10)，第二布里渊光纤(11)，第五光纤耦合器(12)，第二光放大器(13)，第六光纤耦合器(14),光电探测器(15),频谱仪(16),可调激光器输出的光分成两束注入传感臂与参考臂，传感臂置于温控箱中，从两臂输出的二阶斯托克斯信号拍频后经光电探测器转换为射频信号，通过检测射频信号频率的变化实现温度检测，检测灵敏度为双倍布里渊频移温度系数。该光纤传感器可高温下低频检测，具有良好的应用前景。
Description
技术领域
本发明涉及光纤通信、光纤激光技术、光纤传感及微波光子技术领域，具体为一种高灵敏度的光纤激光温度传感器。
背景技术
随着光纤通信技术的不断发展，光纤传感技术也在迅速发展起来，光纤传感技术是以光纤为媒介利用光信号来感知并传输外界信号的传感技术，随着光纤传感技术研究的日益成熟，涌现出许多新型的光纤传感技术，其中基于光纤激光拍频技术电域探测的光纤激光传感器近年来引起了广泛关注，当布里渊泵浦进入布里渊增益光纤后，当布里渊泵浦达到受激布里渊散射的阈值时就会发生受激布里渊散射产生布里渊斯托克斯信号，并且频率下移一个布里渊频移，这个布里渊频移值与光纤所处的环境的温度值呈一个线性关系，光纤中受激布里渊散射这一特性在布里渊光纤激光传感中已经得到应用。
随着布里渊光纤激光传感技术的研究越来越成熟，基于光纤激光拍频技术的光纤激光传感器已经出现了许多报道，Jin Yun等人，(2019PhotonIcs&ElectromagneticsResearch Symposium Spring(PIERS SPRING),Rome,Italy,17–20June)提出了一种传感方案，利用单倍布里渊频移间隔的多波长光纤激光器与布里渊泵浦进行拍频，通过测量拍频信号的频移，可以监控温度变化,用多波长布里渊光纤激光器输出的激光与布里渊泵浦进行拍频需要使用滤波器进行选频，而且直接与布里渊泵浦进行拍频会使拍频信号频率值过大，对我们所需要的光电探测器和频谱仪的要求过高，从而使系统成本大大提高，因此研究成本更低，灵敏度更高的温度传感器成了现在的研究趋势，而本专利中的基于双倍布里渊频移器的光纤激光温度传感器就不需要滤波器进行选频，而且也不需要高频光电探测器和大带宽频谱仪，因此大大降低了系统成本。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是相对在先技术，提出新的光路结构，实现了一种基于双倍布里渊频移器的光纤激光温度传感器，从而使传感器的成本大大降低。
本发明为解决上述技术问题采用以下技术方案：
一种基于双倍布里渊频移器的光纤激光温度传感器，包括可调激光器(1),第一光隔离器(2),第一光纤耦合器(3),第二光纤耦合器(4)，第一布里渊光纤(5),光环形器(6),第一光隔离器(7)，第三光纤耦合器(8)，第一光放大器(9)，第四光纤耦合器(10)，第二布里渊光纤(11)，第五光纤耦合器(12)，第二光放大器(13)，第六光纤耦合器(14),光电探测器(15),频谱仪(16)。
所述的一种基于双倍布里渊频移器的光纤激光温度传感器，其特征在于，可调激光器(1)的输出端通过光隔离器(2)与第一光纤耦合器(3)A端的A1端口相连，第一光纤耦合器(3)B端的B1端口与第二光纤耦合器(4)C端的C1端口相连，第二光纤耦合器(4)D端的D1端口与第一布里渊光纤(5)的一端连接，光环形器(6)的第一端口(61)与第二光纤耦合器(4)C端的C2端口相连，光环形器(6)的(62)端口通过第二光隔离器(7)与第三光纤耦合器(8)E端的E1端口相连，第三光纤耦合器(8)F端的F1端口通过第一光放大器(9)与第一布里渊光纤(5)的另一端连接，第一光纤耦合器(3)B端的B2端口与第四光纤耦合器(10)G端的G1端口相连，第四光纤耦合器(10)H端的H1端口与第二布里渊光纤(11)的一端连接，光环形器(6)的第三端口(63)与第四光纤耦合器(10)G端的G2端口相连，光环形器(6)的第四端口(64)与第五光纤耦合器(12)M端的M1端口相连，第五光纤耦合器(12)N端的N1端口通过第二光放大器(13)与第二布里渊光纤(11)的另一端连接，第六光纤耦合器(14)P端的P1端口与第三光纤耦合器(8)E端的E2端口连接，第六光纤耦合器(14)P端的P2端口与第五光纤耦合器(12)M端的M2端口连接，第六光纤耦合器(14)Q端的Q1端口连接光电探测器(15)，光电探测器(15)连接一个频谱仪(16)。
所述的一种基于双倍布里渊频移器的光纤激光温度传感器，其特征在于，可调激光器输出的激光作为产生二阶斯托克斯的布里渊泵浦光(BP)，布里渊泵浦光(BP)经过第一光隔离器(2)进入第一光纤耦合器(3)进行分光，布里渊泵浦光(BP)的一半功率(进入传感臂)通过第二光纤耦合器(4)进入第一布里渊光纤(5)的一端，当布里渊泵浦光(BP)的功率超过布里渊增益光纤的受激布里渊阈值时将发生受激布里渊散射，产生与布里渊泵浦光(BP)反向传输的频率下移布里渊频率的一阶斯托克斯(BS1)，一阶斯托克斯光(BS1)经过第二光纤耦合器(4)进入光环形器(6)，由第一光环形器(6)的第二端口(62)输出经过第二光隔离器(7)和第三光纤耦合器(8)进入第一光放大器(9)中放大后进入第一布里渊光纤(5)的另一端，当放大后的一阶斯托克斯(BS1)的功率超过布里渊增益光纤的受激布里渊阈值时将发生受激布里渊散射，产生频率下移布里渊频率的背向传输的二阶斯托克斯(BS2)，二阶斯托克斯(BS2)由第一光放大器(9)放大后经过第三光纤耦合器(8)和第六光纤耦合器(14)后进入光电探测器(15)，布里渊泵浦光(BP)的另一半功率(进入参考臂)通过第四光纤耦合器(10)进入第二布里渊光纤(11)的一端，当布里渊泵浦光(BP)的功率超过布里渊增益光纤的受激布里渊阈值时将发生受激布里渊散射，产生频率下移布里渊频率的背向传输的一阶斯托克斯(BS01)，一阶斯托克斯(BS01)经过第四光纤耦合器(10)进入光环形器(6)，由光环形器(6)的第四端口(64)输出经过第五光纤耦合器(12)进入第二光放大器(13)中进行放大，放大后的一阶斯托克斯(BS01)进入第二布里渊光纤(11)的另一端，当放大后的一阶斯托克斯(BS01)的功率超过布里渊光纤的受激布里渊阈值时将发生受激布里渊散射，产生频率下移布里渊频率的背向传输的二阶斯托克斯(BS02)，二阶斯托克斯(BS02)由第二光放大器(13)放大后经过第五光纤耦合器(12)和第六光纤耦合器(14)后进入光电探测器(15)与传感臂中传来的二阶斯托克斯光(BS2)进行合束拍频并进入光电探测器(15)中进行光电转换得到射频信号，射频信号连接到频谱仪(16)中进行观察，根据射频信号的变化来获得两臂产生的斯托克斯信号频率的差值，根据这个频率差值解调出两臂布里渊光纤温度变化值。
附图说明
图1是一种基于双倍布里渊频移器的光纤激光温度传感器结构示意图。
图中的附图标记解释为：1-可调激光器，2-第一光隔离器，3-第一光纤耦合器，4-第二光纤耦合器，5-第一布里渊光纤，6-光环形器，7-第二光隔离器，8-第三光纤耦合器，9-第一光放大器，10-第四光纤耦合器，11-第二布里渊光纤，12-第五光纤耦合器，13-第二光放大器，14-第六光纤耦合器，15-光电探测器，16-频谱仪，A1-第一光纤耦合器A端的端口，B1-第一光纤耦合器A端的端口，B2-第一光纤耦合器B端的端口，C1-第二光纤耦合器C端的端口，C2-第二光纤耦合器C端的端口，D1-第二光纤耦合器D端的端口，61-光环形器的第一端口，62-光环形器的第二端口，63-光环形器的第三端口，64-光环形器的第四端口，E1-第三光纤耦合器E端的端口，E2-第三光纤耦合器E端的端口，F1-第三光纤耦合器F端的端口,G1-第四光纤耦合器G端的端口，G2-第四光纤耦合器G端的端口，H1-第四光纤耦合器H端的端口，M1-第五光纤耦合器M端的端口，M2-第五光纤耦合器M端的端口，N1-第五光纤耦合器N端的端口,P1-第六光纤耦合器P端的端口，P2-第六光纤耦合器P端的端口，Q1-第六光纤耦合器Q端的端口。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的技术方案做进一步的说明。
本发明提出的一种基于双倍布里渊频移器的光纤激光温度传感器，包括可调激光器(1),第一光隔离器(2),第一光纤耦合器(3),第二光纤耦合器(4)，第一布里渊光纤(5),光环形器(6),第一光隔离器(7)，第三光纤耦合器(8)，第一光放大器(9)，第四光纤耦合器(10)，第二布里渊光纤(11)，第五光纤耦合器(12)，第二光放大器(13)，第六光纤耦合器(14),光电探测器(15),频谱仪(16)。
所提出的一种基于双倍布里渊频移器的光纤激光温度传感器，可调激光器(1)的输出端通过光隔离器(2)与第一光纤耦合器(3)A端的A1端口相连，第一光纤耦合器(3)B端的B1端口与第二光纤耦合器(4)C端的C1端口相连，第二光纤耦合器(4)D端的D1端口与第一布里渊光纤(5)的一端连接，光环形器(6)的第一端口(61)与第二光纤耦合器(4)C端的C2端口相连，光环形器(6)的(62)端口通过第二光隔离器(7)与第三光纤耦合器(8)E端的E1端口相连，第三光纤耦合器(8)F端的F1端口通过第一光放大器(9)与第一布里渊光纤(5)的另一端连接，第一光纤耦合器(3)B端的B2端口与第四光纤耦合器(10)G端的G1端口相连，第四光纤耦合器(10)H端的H1端口与第二布里渊光纤(11)的一端连接，光环形器(6)的第三端口(63)与第四光纤耦合器(10)G端的G2端口相连，光环形器(6)的第四端口(64)与第五光纤耦合器(12)M端的M1端口相连，第五光纤耦合器(12)N端的N1端口通过第二光放大器(13)与第二布里渊光纤(11)的另一端连接，第六光纤耦合器(14)P端的P1端口与第三光纤耦合器(8)E端的E2端口连接，第六光纤耦合器(14)P端的P2端口与第五光纤耦合器(12)M端的M2端口连接，第六光纤耦合器(14)Q端的Q1端口连接光电探测器(15)，光电探测器(15)连接一个频谱仪(16)。
所述的一种基于双倍布里渊频移器的光纤激光温度传感器，其特征在于，可调激光器输出的激光作为产生二阶斯托克斯的布里渊泵浦光(BP)，布里渊泵浦光(BP)经过第一光隔离器(2)进入第一光纤耦合器(3)进行分光，布里渊泵浦光(BP)的一半功率(进入传感臂)通过第二光纤耦合器(4)进入第一布里渊光纤(5)的一端，当布里渊泵浦光(BP)的功率超过布里渊增益光纤的受激布里渊阈值时将发生受激布里渊散射，产生与布里渊泵浦光(BP)反向传输的频率下移布里渊频率的一阶斯托克斯(BS1)，一阶斯托克斯光(BS1)经过第二光纤耦合器(4)进入光环形器(6)，由第一光环形器(6)的第二端口(62)输出经过第二光隔离器(7)和第三光纤耦合器(8)进入第一光放大器(9)中放大后进入第一布里渊光纤(5)的另一端，当放大后的一阶斯托克斯(BS1)的功率超过布里渊增益光纤的受激布里渊阈值时将发生受激布里渊散射，产生频率下移布里渊频率的背向传输的二阶斯托克斯(BS2)，二阶斯托克斯(BS2)由第一光放大器(9)放大后经过第三光纤耦合器(8)和第六光纤耦合器(14)后进入光电探测器(15)，布里渊泵浦光(BP)的另一半功率(进入参考臂)通过第四光纤耦合器(10)进入第二布里渊光纤(11)的一端，当布里渊泵浦光(BP)的功率超过布里渊增益光纤的受激布里渊阈值时将发生受激布里渊散射，产生频率下移布里渊频率的背向传输的一阶斯托克斯(BS01)，一阶斯托克斯(BS01)经过第四光纤耦合器(10)进入光环形器(6)，由光环形器(6)的第四端口(64)输出经过第五光纤耦合器(12)进入第二光放大器(13)中进行放大，放大后的一阶斯托克斯(BS01)进入第二布里渊光纤(11)的另一端，当放大后的一阶斯托克斯(BS01)的功率超过布里渊光纤的受激布里渊阈值时将发生受激布里渊散射，产生频率下移布里渊频率的背向传输的二阶斯托克斯(BS02)，二阶斯托克斯(BS02)由第二光放大器(13)放大后经过第五光纤耦合器(12)和第六光纤耦合器(14)后进入光电探测器(15)与传感臂中传来的二阶斯托克斯光(BS2)进行合束拍频并进入光电探测器(15)中进行光电转换得到射频信号，射频信号连接到频谱仪(16)中进行观察，根据射频信号的变化来获得两臂产生的斯托克斯信号频率的差值，根据这个频率差值解调出两臂布里渊光纤温度变化值。
所述的可调激光器为窄线宽的C波段的可调激光器，线宽低于1MHz，其输出波长和功率均可调谐。
所述的第一光放大器和第二光放大器均由一个980nm泵浦激光器，一个1550nm/980nm波分复用器，一段5米长掺铒光纤连接而成。
所述第一光放大器和第二光放大器均为可双向放大的光放大器。
所述第一布里渊光纤和第二布里渊光纤为具有相同布里渊频率(约为10GHz)的单模光纤，长度均为20km。
所述的第一光纤耦合器(3)和第六光纤耦合器(14)都是3dB的三端口光纤耦合器,第二光纤耦合器(4)和第四光纤耦合器(10)的C1和G1端口分光比相同，C2和G2端口分光比相同,第三光纤耦合器(8)和第五光纤耦合器(12)的E1和M1端口分光比相同，E2和M2端口分光比相同。
以上对本发明的方法原理进行了详细说明，对本领域的普通技术人员来说，依据本发明提供的思想，具体实施的方式上可能有改变之处，这些改变也应视为本发明的保护范围。
Claims (7)
1.一种基于双倍布里渊频移器的光纤激光温度传感器，包括可调激光器(1),第一光隔离器(2),第一光纤耦合器(3),第二光纤耦合器(4)，第一布里渊光纤(5),光环形器(6),第一光隔离器(7)，第三光纤耦合器(8)，第一光放大器(9)，第四光纤耦合器(10)，第二布里渊光纤(11)，第五光纤耦合器(12)，第二光放大器(13)，第六光纤耦合器(14),光电探测器(15),频谱仪(16)。
2.根据权利要求1所述一种基于双倍布里渊频移器的光纤激光温度传感器，其特征在于，可调激光器(1)的输出端通过光隔离器(2)与第一光纤耦合器(3)A端的A1端口相连，第一光纤耦合器(3)B端的B1端口与第二光纤耦合器(4)C端的C1端口相连，第二光纤耦合器(4)D端的D1端口与第一布里渊光纤(5)的一端连接，光环形器(6)的第一端口(61)与第二光纤耦合器(4)C端的C2端口相连，光环形器(6)的(62)端口通过第二光隔离器(7)与第三光纤耦合器(8)E端的E1端口相连，第三光纤耦合器(8)F端的F1端口通过第一光放大器(9)与第一布里渊光纤(5)的另一端连接，第一光纤耦合器(3)B端的B2端口与第四光纤耦合器(10)G端的G1端口相连，第四光纤耦合器(10)H端的H1端口与第二布里渊光纤(11)的一端连接，光环形器(6)的第三端口(63)与第四光纤耦合器(10)G端的G2端口相连，光环形器(6)的第四端口(64)与第五光纤耦合器(12)M端的M1端口相连，第五光纤耦合器(12)N端的N1端口通过第二光放大器(13)与第二布里渊光纤(11)的另一端连接，第六光纤耦合器(14)P端的P1端口与第三光纤耦合器(8)E端的E2端口连接，第六光纤耦合器(14)P端的P2端口与第五光纤耦合器(12)M端的M2端口连接，第六光纤耦合器(14)Q端的Q1端口连接光电探测器(15)，光电探测器(15)连接一个频谱仪(16)。
3.根据权利要求1所述的一种基于双倍布里渊频移器的光纤激光温度传感器，其特征在于，光环形器(6)的第一端口(61)、第二端口(62)，第二光纤耦合器(4)，第一布里渊光纤(5),第一光隔离器(7)，第三光纤耦合器(8)，第一光放大器(9)构成传感器的传感臂，光环形器(6)的第三端口(63)、第四端口(64)，第四光纤耦合器(10)，第二布里渊光纤(11)，第五光纤耦合器(12)，第二光放大器(13)构成传感器的参考臂。
4.根据权利要求1所述的一种基于双倍布里渊频移器的光纤激光温度传感器，其特征在于，可调激光器输出的激光用作布里渊泵浦(BP)分为两路分别注入到传感臂中的布里渊光纤和参考臂中的布里渊光纤，当BP功率足够时，在传感臂和参考臂的布里渊光纤中分别产生传感二阶斯托克斯和参考二阶斯托克斯，当传感臂的布里渊光纤与参考臂的布里渊光纤温差为ΔT℃时，两路二阶斯托克斯的拍频光经过光电探测器(15)可转换为射频信号，其频率为
其中CT为一阶布里渊频移温度系数，通过频谱仪(16)测得的射频信号频率值即可得出两路布里渊光纤的温度变化。
5.根据权利要求1所述的一种基于双倍布里渊频移器的光纤激光温度传感器，其特征在于第一布里渊光纤和第二布里渊光纤的布里渊频率值相同。
6.根据权利要求1所述的一种基于双倍布里渊频移器的光纤激光温度传感器，其特征在于第一光放大器和第二光放大器均为可双向放大的光放大器。
7.根据权利要求1所述的一种基于双倍布里渊频移器的光纤激光温度传感器，其特征在于，第一光纤耦合器(3)和第六光纤耦合器(14)都是3dB的三端口光纤耦合器,第二光纤耦合器(4)和第四光纤耦合器(10)的C1和G1端口分光比相同，C2和G2端口分光比相同,第三光纤耦合器(8)和第五光纤耦合器(12)的E1和M1端口分光比相同，E2和M2端口分光比相同。
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