CN1305581A - 测定由光纤透射的光的波长的方法和系统 - Google Patents

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Abstract

一种测定在光纤(14)中透射的光(12)的波长的方法,包括下述步骤:利用一滤波器(24)对光进行滤波;其次检测(25a,25b)该滤波过的光;然后测定该滤波光的波长。该滤波器包含一记录在部分光纤(14)中的纤维光栅(24)。

Description

测定由光纤透射的光的波长的方法和系统
                      发明背景
1．发明领域
本发明涉及一些用来测定由光纤透射光的波长的方法和系统。在一具体的优选实施例中，本发明还涉及一些用来测定由包含具有可变调制折射率的纤维光栅的光纤传送的光的波长的方法和系统。
2．相关技术介绍
能测定由光纤传送的光的波长常常是很有益的。已知很多类型的纤维光学传感器，它们可按照被检测的参数来改变它们的透射系数。例如，已知纤维光学布拉格光栅温度传感器和压力传感器一般都是透射的，但也能反射某一波长的光，该反射光的波长是根据传感器检测到的温度或压力而改变的。通过测定由这种传感器反射的光的波长就可获得由该传感器所检测的温度或压力的一种指示。
实际上，该传感器的反射光是由在一以平均波长为中心的窄带谱内的光组成。因而，被测定的波长典型地说就是该反射光的平均波长。但是，一般来说，可检测任何与布拉格反射相应和根据被检测参数变化的波长来获取温度或压力的信息。为方便起见，以后就把该被检测的波长认为是平均波长。
已知各种解调技术可用来测定通过光纤传送的光的波长。按照一种特别的技术，一色散耦合器被用来将由输入光纤出来的光分到两输出光纤之中。因为该耦合器是色散的，所以光按与波长有关的方式传送到该两输出光纤中。特别是，该耦合器具有正弦传输函数。这样，发生在正弦最大值处的波长的光就与一个输出光纤耦合，发生在正弦最小值处的波长的光就与另一个输出光纤耦合，而发生在正弦最大值与最小值之间的波长的光就以不同的比例与两个光纤耦合。两输出光纤谁也不会接收包含在该输入光纤出来的所有波长的光。
该两个输出光纤与两个光检测器相耦合，两光检测器分别测量两输出光纤每个中的光的强度。然后再测定两输出光纤每个中光的总强度的比率。给定了这个比率，该光的平均波长就可利用该色散耦合器的已知透射特性来测定(即，色散耦合器的透射系数的变化是波长的函数)。例如，如果两个强度的比率近似为1时，则就可知道该光的平均波长大约是在该色散耦合器的工作光谱的正中。
但是，这种方法具有两个缺点。这种方法的第一个缺点是，在这两个输出光纤中强度的比率和该光的平均波长之间的关系是非线性的。因而，解调系统的灵敏度在某些波长上就较大，而在其它波长上就较小。另外，非线性关系还使得该平均波长的测定变得很复杂。
这种方法的第二个缺点在于它的动态范围是受限的。为了能唯一地将给定的强度比率与特定的平均波长关联起来，这种技术只能被用在与该色散耦合器的正弦传输函数的半个周期相应的波长范围内(最多是这样，实际上还小)。但是，能与该正弦传输函数的半个周期相应的波长范围还要受该色散耦合器构造背后的物理学限制。
这样，所需要做的事是改善用来测定通过光纤透射的光的平均波长的方法和系统。特别是，需要一种在光的测量强度和平均波长之间存在一种线性关系的方法和系统。还需要一种方法和系统，其可解调的波长范围比现有系统更大。
发明概述
本发明克服了现行技术的这些缺点。按照本发明的一个方面，本发明提供一种系统，它包括一传感器、一滤波器、一光检测器、以及一信号处理器单元。该传感器具有一输出，其波长可根据该传感器检测的参量而变化。该滤波器对传感器的输出进行滤波，它是由一记录在光纤内的纤维光栅构成。该纤维光栅具有一经过调制的折射率，(1)其调制幅度从该纤维光栅的第一端到第二端都是显著变化的，(2)由光栅常数决定的调制周期从该纤维光栅的第一端到第二端也都是显著变化的。
该光检测器通过该光纤与该传感器光学耦合。该光检测器检测经滤波的该传感器输出光，并具有一根据该光检测器检测的光强而变化的输出。该信号处理单元与该光检测器相耦合，并根据该光检测器的输出来测定该传感器的输出波长。
在一特别优选的实施例中，该信号处理单元将该光检测器的输出与一附加的光检测器的输出进行比较以测定由纤维光栅透射的光的比例。然后该信号处理单元就根据该滤波器透射的光的比例来测定该光的波长。最好是，该纤维光栅的透射系数基本上与波长成线性相关，以使由滤波器透射的光的比例和该光的波长之间存在一线性关系。
按照本发明的另一方面，本发明提供一种测定在光纤中透射的光的波长的方法。该方法包括下述步骤：利用一滤波器对光进行滤波，其次是检测该滤波过的光，然后测定该滤波光的波长。
该滤波器包含一记录在部分光纤中的纤维光栅。例如该光栅可以通过在光敏光纤中记录下一记录掩膜的衍射图案的方法记载下来。该纤维光栅至少部分地阻止在一波长谱内的光的透射，而且阻止在该波长谱的第一端通过的光的部分显著大于在该波长谱的第二端。
测定滤波光的平均波长的步骤包括：测定由滤波器透射的光的比例和根据该滤波器所透射的光的比例来测定在该波长谱内的该光波长。
有利的是，本发明提供一种方法和系统，在这系统中所能测定的波长范围比现存的系统大很多。可以这样记录下该纤维光栅，使得它具有的光栅常数从该滤波器的一端的最小值连续地增加到在另一端上的最大值。于是该折射率调制的调制幅度可以按照需要进行调节，以使该滤波器的反射系数/透射系数在整个由光栅常数的取值范围所限定的波长范围内逐渐增加或减小。这样，所得到的滤波器就可在一很大的可能波长值的范围内用来测定波长的值。另外，该滤波器还可给定一线性的传输函数，使得由该滤波器透射的光的比例与该光的波长线性相关。
对于本领域的技术人员来说，本发明的其它的目的、特点和优点，从以下的详细说明和附图中将变得显而易见的。但是应该明白，该详细说明和特例虽然表示本发明的优选实施例，但却是通过图示给出的，并非限制。可以在本发明的范围内进行很多改进和变化而并不偏离本发明的精神，因而本发明包括所有的这些改进。
                     附图简述
在附图中图示了本发明的一优选示范实施例，其中相同的标号始终代表相同的部件，附图中：
图1是测定通过光纤透射的光的平均波长的系统的示意图；
图2A和2B分别为表示图1所示系统中使用的解调滤波器的反射系数和透射系数的曲线；
图3是图1所示系统中使用的解调滤波器的透视图；
图4A和4B为表示对由图1所示系统中使用的解调滤波器构成的纤维光栅的折射率，其调制频率和调制幅度的变化曲线；以及
图5是含有多个图1所示的传感器和检测器的多点检测系统的示意图。
                 优选实施例详述
现在参见图1，它是一个用来测定通过光纤透射的光的平均波长的系统10的示意图。该系统10包括一照明光源12、一光纤14、一沿光纤14路径设置的传感器16、一与该光纤14的远端相连的检测器18、以及一控制照明光源12并处理检测器18的输出信号的信号处理单元29。该信号处理单元29利用检测器18的输出信号来测定由光纤14输出的光的平均波长。例如，该信号处理单元29可以是一计算机，一数字信号处理器，一模拟信号处理器，也可是任何其它适合的信号处理单元。而且，如先前指出的那样，该信号处理单元一般用来测定按照所测参数改变的任何波长(不一定就是平均波长)。
该检测器18还包括一非色散耦合器22、解调滤波器24、第一和第二光检测器25a和25b、以及第一和第二光纤26a和26b。该第一和第二光检测器25a和25b分别通过光纤26a和26b与耦合器22进行光耦合。如在下面更为详细描述的那样，该滤波器24是由一记录在该光纤26b内的纤维光栅构成。因为该滤波器24被用于从传感器16的输出信号提取信息，所以就将它称之为“解调滤波器”。应该指出，折射率的“调制”和传感器16的输出信号的“解调”是在性质上截然不同的，因而在它们之间不存在“调制-解调制”的关系。
由照明光源12所产生的光通过光纤14透射到传感器16。该照明光源最好是一发光二极管之类的宽带光源。该传感器16具有一输出信号，其平均波长根据该传感器16检测的参数而变化。例如，该传感器16是一布拉格光栅的温度或压力传感器，它一般来说是透射光的，但是它却也反射某种波长的光，这种光的波长是根据施加在该传感器上的温度或压力而变化。但是，一般来说，该传感器16可以是任何其它的能产生具有所希望测定的未知平均波长的光信号的传感器。
传感器16的输出通过光纤14被透射到耦合器22。该耦合器22包含一个将光纤14、26a和26b的各一部分融合在在一起的区域30。特别是，该光纤14和26a可以由一连续的光纤构成，其一部分形成光纤14，一部分形成光纤26a。那时，这连续光纤在沿它的长度的某个地方被融合成光纤26b。另外，该光纤14、26a和26b都可是不同的光纤，它们汇合在一起，再与该耦合器22的各个纤维光学引线结合。其它的配置也是可能的。实际上，也可提供同样配置的非色散耦合器来与传感器16结合(如图5所示)，特别是如果该传感器16由布拉格光栅构成时更可这样。
该耦合器22将光纤14出来的光分到光纤26a和26b之中。最好是，该光等量地均分在两光纤26a和26b之间。另外，因为耦合器22是一非色散耦合器，因此该光束以与波长有关的方式分到光纤26a和26b之中。
在光纤26a中透射的光束由光检测器25a来检测。该光检测器25a与信号处理单元29相耦合，而且还将指示由光检测器25a所检测到的强度的一些电信号提供给该信号处理单元29。
在光纤26b中透射的光由滤波器24滤波。该滤波器24的反射系数和透射系数的特性曲线分别示于图2A和2B中。如图所示，由滤波器24，因而有光纤26b反射或透射光的程度直接与该光束的波长有关。在λ0-λn的波长谱内(这是该滤波器24的工作范围)，该滤波器24的透射系数最好随该光的波长线性变化。在λ0一λn的波长谱之外，该滤波器是完全透光的。该滤波器24的光学和材料特性将在下面结合图3、4A和4B作更详细的介绍。
滤波器24的输出被透射到检测该光的光检测器25b。该光检测器25b与信号处理单元29相耦合，而且还将指示由光检测器25b所检测到的强度的一些电信号提供给该信号处理单元29。
该信号处理单元29将与滤波器24的反射系数/透射系数有关的信息储存起来，它利用检测器18的输出信号来测定该光纤14输出光的平均波长。特别是，因为该滤波器24的透射系数随λ0-λn的波长谱内的该光的平均波长而线性变化，所以就可很容易地通过测定由滤波器24透射的光的比例来测定该光的平均波长。例如，如图2B所示，如果该滤波器24透射的光为70％，则就可认为该光的平均波长是λm。当然，因为所有的光不是透射就是反射，所以透射光的量也可按照缺少的由测定反射的光量来测定。
然后可将这平均波长按已知的方法转换成一数值，它与所用的特定传感器配合起来是很有用的。例如，如果该传感器16是一压力传感器，则应变值就可通过计算波长的变化，除以原来的波长，再乘以一常数的方法来计算。
应该指出，也可使用没有光检测器25a的系统10。该光检测器25a的目的是产生一参考信号，以便用它来与由光检测器25b所检测到的强度进行比较。但是，例如，如果在照明光源12中所有光源波动都被消除，则由传感器16输出的光的强度就应该是恒定的，因而可以预先确定。在这种情况下，该滤波器24的输出可与预期的在不滤波的情形下所观察到的强度进行比较。利用光检测器25a的好处只不过在于，它使系统10对于在滤波器24的输出上观察到的不是由波长改变所引起的强度波动较不敏感。
还应指出，该系统10不仅可与由传感器16检测的参数较为恒定的系统结合一起使用，而且也可与由传感器16检测的参数迅速变化的系统一起使用。的确，本发明的另一优点就是，该滤波器24，因而作为一整体的系统10，都具有很快的响应时间。
现在再来参考图3,4A和4B，在这些图中较为详细地表示出了该滤波器24的情况。图3是该滤波器24的透视图。该滤波器24是通过在光纤26b中记录下一纤维光栅102的方法构造的。该纤维光栅102包括一在光纤26b的核心103内的周期性或半周期性的折射率结构。该折射率结构是由沿该光纤26b的105部分的折射率变化形成的。特别是，对该光纤26b中的折射率沿该光纤26b的长度进行正弦调制。在图3中，阴影区106被用来表示该正弦曲线的“上半部分”，在这里折射率较高，没阴影的部分108被用来表示“下半部分”，这里的折射率较小。当然，在该光纤26b中记录纤维光栅102并不会引起该光纤26b的核心103形状的变化。
为了图示的目的，在与光纤26b厚度比较起来，区域106和108的纵向线度在图3中作了很大的夸张。例如，对于具有大约1.5mm的波长的光来说，区域106和108的纵向线度就得在0.5mm左右。假定该纤维光栅102的长度为大约几个厘米，则在该纤维光栅102中就有几万个区域106和108。因而，光纤26b的105部分远远地伸向图的右边。
一般来说，在一特定的光波长上，当折射率结构具有的周期与该光波长相当时，在光学结构中就可产生一共振条件。由此产生的共振条件使光反射回来。这被叫做布拉格条件，在数学上可表述如下：
λ=2neffΛ             (1)
其中，λ是光的波长，neff是折射率，而Λ是使波长为λ的光往回反射的光栅常数。
在图3所示的纤维光栅102中，该光栅常数Λ从105部分的一端到105部分的另一端都是变化的。因而该纤维光栅102被认为是“线性频率调制的(chirped)”，因为它具有一调制频率(1/Λ)，这个调制频率沿该光纤26b的长度而改变。下面将会详细介绍，该光栅常数Λ沿该光纤26b的长度的这种变化使得该光栅102能对整个波长范围的光发生反射。
该光栅常数Λ的这种变化被更清楚地图示在图4A中。该光栅常数Λ在该光纤12的长度上逐渐增大。在本优选实施例中，该光栅常数Λ线性地增大，但是，该光栅常数Λ也可非线性地增加。例如，对于长为几个厘米的解调滤波器来说，该光栅常数Λ可以从大约1030纳米变化到1070纳米。
除了该光栅常数Λ沿光纤长度发生变化之外，折射率的调制幅度A也可发生变化。下面将会详细介绍，折射率沿光纤26b长度发生的调制幅度A的变化，使得该光栅102能对该光栅反射的整个波长范围的光发生不同量的反射。
图4B表示出折射率neff在用作纤维光栅102的光纤26b长度上发生的调制幅度A的变化。(这种调制幅度A的变化在图3中是不可能看见的，因为折射率仅只用区域106和108表示成是“高”或是“低”，而并未表示出精确的折射率幅度。)
在光纤26b的该长度上调制幅度A逐渐增大。在本优选实施例中，该调制幅度A是线性增大的。但是，该调制幅度A也可能呈非线性地增加。还应指出，该光栅常数Λ和调制幅度也可能具有反向的关系，使得在光纤26b的长度上，一个参数增大而另一个参数就减小。例如该调制幅度A可以这样变化，使得反射系数从大约0变化到大约100％。
再一次参见图2A和2B，光栅常数Λ和调制幅度A的变化在该滤波器24中诱发了一些即将详细描述的光学性质。如前所指出的那样，纤维光栅102的记录是在光纤26b上的105部分内进行的。在105部分之外，折射率是没调制的，因而该光纤26b是完全透射的。该纤维光栅102是在光纤26b的第一端的X0位置开始记录的，最初的光栅常数为Λ0。如图2A所示，该滤波器24在波长为λ0时的反射系数假定是一非零值〔该波长λ0以方程(1)所确定的关系与光栅常数Λ0相对应〕。该滤波器24对于波长λ0的反射系数是极端的小，因为该折射率的调制幅度A在位置X0处也是极端小的。
沿该滤波器24向前，该光栅常数Λ开始增加(图4A)。因而在给定位置上该滤波器24对其起作用的光的波长就开始增大。同时，折射率的调制幅度A也开始增大(图4B)，结果导致滤波器24在各波长上的反射系数的增大(图2A)。在滤波器24的相对端的位置上(未画出)该光栅常数具有值为Λn。在比λn(对应于Λn)大的波长上，该折射率的调制终止，而且滤波器24又成为完全可透光的。
在本优选实施例中，滤波器24在该波长谱的一端一般是透光的，而在该波长谱的另一端一般是不透光的。但是，一般说来，可使该透射系数这样变化，使得在0和100％之间的任何两点成为最小和最大。例如，解调系统的正确运作所真正要求的就是该波长谱的不同部分显著地比该波长谱的其它部分反射(或透射)更多，以使该解调系统对区分不同波长的光学信号是很有用的。
为了获得这变化的光栅常数Λ和变化的调制幅度，该滤波器24可按下述方法制备。可利用对紫外光敏感的光纤26b，如掺锗的二氧化硅光纤来产生这种滤波器24，以使当用紫外光(例如，244纳米的光)照射时在该光纤26b中的材料可改变它的折射率。使该光纤26b保持固定同时将一掩膜放置在很靠近该光纤26b的位置上(使得两者几乎接触)。该掩膜具有线性调制结构，它能产生一种与纤维光栅102对应的近场衍射或干涉图案。
为了记录该纤维光栅102，用一紫外激光横向照射该掩膜。从该掩膜发生光的衍射，产生一干涉图案，这就使光纤26b受该干涉图案照射。由于光纤26b的感光特性，该干涉图案就被转移到光纤26b上并诱发出该折射率结构来。为了使该折射率的调制幅度沿该光纤26b的长度发生变化，该掩膜还具有很强的透光性，其在掩膜两端之间的透光性是按与所希望的调制幅度变化相应的方式逐渐变化的。
另一种改变该调制幅度的方法是在曝光过程中让一快门横过作为时间函数的激光束移动。因而，在最初该快门完全打开，随着时间的推移，该快门遮挡一些该激光束的增加部分。只经受最少遮挡的该纤维光栅部分将有一较长的曝光时间。按照这种方式，该快门就诱发产生了一梯度，该梯度引起所希望的调制幅度变化。
现在参见图5，它图示出一含有多个图1所示的传感器16和检测器18的多点检测系统200的示意图。具体地说，该系统200包括多个传感器16-1、16-2、16-3-16-m和相应的多个检测器18-1、18-2、18-3-18-m。该系统200还包括照明光源12，它通过非色散耦合器210与传感器16-1-16-m相耦合。通过非色散耦合器210和一波分复用器(WDM)220将多个传感器16-1-16-m耦合到多个检测器18-1-18-m上。最后，该系统还包括该信号处理单元29。
在工作过程中，来自照明光源12的光通过非色散耦合器210透射到传感器16-1-16-m上。该传感器16-1-16-m是布拉格光栅传感器，其中的每一个都具有不同范围的光栅常数Λ，以使这些传感器16-1-16-m工作在不同的(但最好是相邻的)波长范围内。因而，传感器16-1-16-m中的每一个都只反射它所接收的一部分光，并将其余的光顺着光纤14透射到其它的传感器。
从传感器16-1-16-m反射的光被波分复用器220接收。该波分复用器220具有m个输出，其每个都与传感器16-1-16-m中的一个相对应。该波分复用器200把从传感器16-1-16-m的反射光与以给定反射的波长为基础的一特定输出联系起来。然后将来自传感器16-1-16-m的各反射透射到检测器18-1-18-m，这些检测器以先前结合图1介绍的方法测定出每个反射的平均波长。
有利的是，能利用本发明测定的波长范围比现存的系统大得多。该纤维光栅能被这样记录，以使其具有一连续增加的光栅常数，它可从该滤波器一端的最小值增加到另一端的最大值。用来调制折射率的调制幅度于是也可按照需要进行调节，以使该滤波器的反射系数/透射系数在由光栅常数值限定的整个波长范围是逐渐增加或减小的。因而，这样得到的解调滤波器就可在一很大的可能波长范围内用来测定波长值。另外，该解调滤波器可以给出一线性的传输函数，以使该滤波器透射的光的比例与该光的波长值线性相关。最后，该解调滤波器可以与多点检测系统联合使用。
可以对本发明作很多的变化和改进而并不偏离本发明的精神。这些和其它的变化范围将从所附权利要求中变得明显。

Claims (12)

1．一种系统，它包括：
(A)一传感器，该传感器具有一输出，其波长可根据该传感器检测的参数而变化；
(B)一滤波器，该滤波器对该传感器的输出进行滤波，该滤波器由一记录在一光纤中的纤维光栅构成，该纤维光栅具有一经过调制的折射率，(1)其调制幅度从该纤维光栅的第一端到第二端都是显著变化的，(2)由光栅常数决定的调制周期从该纤维光栅的第一端到第二端也都是显著变化的；
(C)一光检测器，该光检测器通过该滤波器和该光纤与该传感器光学耦合，该光检测器检测经滤波的传感器输出光，而且该光检测器具有一根据该光检测器检测的光强而变化的输出；以及
(D)一信号处理单元，该信号处理单元与光检测器相耦合，该信号处理单元根据该光检测器的输出来测定该传感器的输出波长。
2．按照权利要求1所限定的系统，其特征在于：该光纤是第一光纤；该光检测器是第一光检测器；而且该系统还包括：
(1)一耦合器，该耦合器在光学意义上被安置在该滤波器和传感器之间，该耦合器将从传感器接收的光分到该第一光纤和第二光纤之中，
(2)一第二光检测器，该第二光检测器通过一第二光纤和该传感器与该耦合器光学耦合，而且该第二光检测器还具有一根据该第二光检测器检测的光强而变化的输出。
3．按照权利要求2所限定的系统，其特征在于：该信号处理单元将第一光检测器的输出与第二光检测器的输出进行比较，以便测定由该纤维光栅所透射的光的比例；并且该信号处理单元根据由该滤波器透射的光的比例来测定该光的波长。
4．按照权利要求1所限定的系统，其特征在于：该变化的调制幅度和变化的调制周期这样配合，以使该光纤(1)在一波长谱内是透光的，(2)在该波长谱的第一端一般是不透光的，而在该波长谱的第二端一般是透光的。
5．按照权利要求1所限定的系统，其特征在于：该信号处理单元测定由该纤维光栅透射的光的比例，而且该信号处理单元根据该滤波器透射的光的比例来测定该光的波长。
6．按照权利要求5所限定的系统，其特征在于：该变化的调制幅度和变化的调制周期这样配合，以使由该纤维光栅透射的光的比例与该波长谱内的该光的波长值线性相关。
7．按照权利要求6所限定的系统，其特征在于：该传感器是一布拉格光栅传感器，一般说来它是透射光的，但在某一波长上却是反射光的，这反射光的波长根据该传感器检测的参数而变化。
8．一种测定在光纤中透射的光的波长的方法，该方法包括下述步骤：
(A)利用一滤波器对光进行滤波，该滤波器包含一记录在部分光纤中的纤维光栅，该纤维光栅至少部分地阻止在一波长谱内的光通过，该纤维光栅阻止在该波长谱的第一端通过的光的部分显著大于在该波长谱的第二端；其次
(B)检测该滤波过的光；然后
(C)测定该滤波光的波长，且其包括：
(1)测定在上述滤波步骤(A)中该滤波器透射的光的比例，
(2)根据在上述滤波步骤(A)中该滤波器所透射光的比例来测定该波长谱内的该光的波长。
9．按照权利要求8所限定的方法，其特征在于：该光纤是第一光纤；该方法还包括下述步骤：
(1)在进行滤波步骤(A)之前，先将从传感器出来的光分成第一和第二部分，从传感器出来的光的第一部分是在该第一光纤中透射的光，从传感器出来的光的第二部分是在该第二光纤中透射的光，以及
(2)检测该光的第二部分；而且
其中，测定由滤波器透射的光的比例的步骤，还包括将该光的经滤波的第一部分的强度与该光的第二部分的强度进行比较的步骤。
10．按照权利要求9所限定的方法，其特征在于：根据由滤波器透射的光的比例来测定在该波长谱内该光的波长的步骤还包括下述步骤：将有关的该滤波器的透射特性的存储信息(1)与从该光的经滤波的第一部分的强度同该光的第二部分的强度进行比较所获得的信息(2)进行比较。
11．按照权利要求8所限定的方法，其特征在于：在步骤(C)中所用的滤波器的纤维光栅具有一调制的折射率，其调制幅度从该纤维光栅的第一端变化到第二端，由光栅常数决定的调制周期也从该纤维光栅的第一端变化到第二端。
12．按照权利要求8所限定的方法，其特征在于：在该滤波步骤(A)中，所透射的光的比例是与在该波长谱内的该光的波长值线性相关的。
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