CN1434278A - 波长强度转换器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种波长强度转换器，其至少包括：波长强度比例分配单元，用于将输入的光信号按一定比例分配到输出端口；光电转换单元，用于将输入的光信号转换为电信号；比较运算单元，用于计算并比较监测端口输出光功率的比例，并将其换算为波长值；入射光由波长强度比例分配单元的输入端口输入，经波长强度比例分配单元将输入的光信号按一定比例分配到输出端口，并将输出的光信号送入光电转换单元转换为电信号，再将该电信号输入至比较运算单元进行计算比较后输出相应的光波长值。该波长强度转换器能简单、方便、灵活的监测入射光波长，而且结构简单，易于实现。

Description

波长强度转换器

技术领域

本发明涉及一种波长测量装置，特别是指一种通过监测并计算输出端口的信号强度获得相应输入端光波长值的波长强度转换器。

发明背景

在光纤传感应用方面，有很多情况下是通过波长的变化来监测应力或温度变化的。目前监测波长的设备大都是利用比较复杂的仪器设备来实现光波长监测，比如：波长计、光谱仪等等。传统的波长测量方法主要是采用光谱仪或波长计动态扫描的方案，比如：利用光谱仪测量，通常是经过分光系统，通过监测狭缝后的光强来测量入射光；而用波长计来测量光波长时，是利用迈克尔逊干涉仪测量，该仪器的一臂是动态可调的，可通过对该臂长的调节来测量入射波长。但是，这些仪器一般都比较昂贵，而且体积较大，会限制在自动控制或自动反馈中的应用；实现起来也不够灵活，尤其在性能价格比上很不理想。

发明内容

有鉴于此，本发明的主要目的在于提供一种波长强度转换器，使其能简单、方便、灵活的监测入射光波长，而且结构简单，易于实现。

为达到上述目的，本发明的技术方案具体是这样实现的：

一种波长强度转换器，其至少包括：

波长强度比例分配单元，用于将输入的光信号按一定比例分配到输出端口，由至少一个耦合器组成，该耦合器可以是光纤耦合器，或是由半导体工艺做成的波导耦合器，或是其它具有同等功效的耦合器；

光电转换单元，用于将输入的光信号转换为电信号；

比较运算单元，用于计算并比较监测端口输出光功率的比例，并将其换算为波长值；

入射光由波长强度比例分配单元的输入端口输入，经波长强度比例分配单元将输入的光信号按一定比例分配到输出端口，并将输出的光信号送入光电转换单元转换为电信号，再将该电信号输入至比较运算单元进行计算比较后输出相应的光波长值。

所述的波长强度比例分配单元内部进一步设置有一个用于监测温度变化的温度传感器，该温度传感器与所述的比较运算单元相连，将监测到的温度漂移值直接送入比较运算单元。

所述的波长强度比例分配单元可放置于一个保持恒温的温控盒内部。

所述的光电转换单元至少包括两个光电转换器，将波长强度比例分配单元每个输出端口的光信号分别转换为电信号。所述的比较运算单元为一个比较运算器。所述的一定分配比例由耦合器自身的参数决定。

所述的波长强度比例分配单元由两个耦合器组成，两个耦合器一端相连；一束入射光从一个输入端口输入，经第一耦合器耦合分离后按一定分配比例形成两束光进入第二耦合器，两束光经过第二耦合器分别耦合分离后按一定分配比例分别形成两束光，分别由两个输出端口输出。所述两个耦合器之间的两个臂长可调节为相等或不等。所述两个耦合器之间的两臂上可设置调节臂长的相位变化器件。该波长强度比例分配单元可进一步在输入端口与第一耦合器之间，或在两个耦合器之间，或在第二耦合器与两个输出端口之间设置第三耦合器；该第三耦合器的一个输出端为单独输出端口，另一输出端与第一耦合器的输入端相连；第二耦合器的两个输出端口与第三耦合器的单独输出端口中的任意两个为该波长强度比例分配单元的输出端。

所述的波长强度比例分配单元也可由一个耦合器组成，一束入射光从该耦合器的一个输入端口输入，经耦合分离后按一定分配比例形成两束光由两个输出端口输出。其可进一步在输入端口与耦合器之间，或在耦合器与两个输出端口之间设置第二耦合器；该第二耦合器的一个输出端为单独输出端口，另一输出端与第一耦合器的输入端相连；第一耦合器的两个输出端口与第二耦合器的单独输出端口中的任意两个为该波长强度比例分配单元的输出端。

因此，本发明所提供的波长强度转换器，是将输入的光信号先通过波长强度比例分配单元按一定的比例分配输出，该输出的光信号再经光电转换器转换为电信号，送入比较运算器中进行运算和比较后输出，由此，用户可通过输出信号根据输出光功率与波长的关系来得到入射光的波长，实现起来简单、方便、灵活；而且，该输出信号可连至提供入射光的设备的某个单元，该单元再利用此输出信号对入射光提供设备的温控电流等因素进行调节，控制该入射光提供设备，保证其工作在稳定的波长范围内，从而达到自动控制和自动反馈的功效。另外，本发明的结构组成以及每个器件的内部构造都非常简单，不仅实现容易，而且成本低廉，体积轻巧，便于携带。

附图说明

图1为马赫-曾德干涉仪型波长强度比例分配结构示意图；

图2为端口3和端口4输出光功率的示意图；

图3为端口3和端口4输出光功率比值与波长的关系示意图；

图4为本发明波长强度转换器的结构示意图；

图5为本发明波长强度转换器第一实施例组成结构示意图；

图6为本发明波长强度转换器第二实施例组成结构示意图；

图7为图1结构的第一变形结构示意图；

图8为图1结构的第二变形结构示意图；

图9为图1结构的第三变形结构示意图；

图10为图1结构的第四变形结构示意图；

图11为图1结构的第五变形结构示意图；

图12为耦合器型波长强度比例分配结构示意图；

图13为图9结构的第一变形结构示意图；

图14为图9结构的第二变形结构示意图；

图15为图9结构的第三变形结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图及具体实施例对本发明再作进一步详细的说明。

图1为马赫-曾德干涉仪型结构示意图，其可以实现波长转换的功能。参见图1所示，该干涉仪主要包括两个相同的耦合器，每个耦合器由光波导，或由两个光纤耦合器组成。该干涉仪具有两个输入端口和两个输出端口，分别与耦合器C1和耦合器C2相连，耦合器C1与耦合器C2之间的两根光纤为两个臂，两个臂的光程长度是不等的。相当于在其中的一臂上存在一个如图1所示的相位区6，可通过三种方法使两臂光程长度不等：

1)使两臂波导长度不同，或将某一臂或两臂通过将光纤波导拉锥的方法改变光纤的长度而形成臂长不等；

2)令其中一臂或两臂通过紫外光或电弧放电或局部升温等方法引起的光纤折射率变化，进而导致臂长不等；

3)直接在其中一臂或两臂中加入引起相位变化的器件。

该干涉仪的工作原理是这样的：当一束光从端口1(或端口2)输入后，经过耦合器C1耦合分离后将该束光按一定比例分为两束光分别通过两个臂传送至耦合器C2，再经过耦合器C2的耦合分离后，将两束光的每束光按一定的分配比例再分为两束光，分别从端口3和端口4输出。所说的按一定分配比例是由耦合器自身的参数来决定的，比如：耦合器C1或耦合器C2是50∶50的平衡耦合器，则两束光的光强等分，否则将两束光的光强分布按耦合器的分配比例划分。

假设两臂的光程分别为nL、n(L+δL)，则在端口4形成干涉极大的光波长满足式(1)：

k*λ＝n*δL    k＝1，2，3……              (1)由式(1)可推出：

λ＝n*Λ    Λ＝δL/k    k＝1，2，3……    (2)其中，n为两臂中光波导的有效折射率，k为自然数，δL为两臂长度差，Λ为中间变量名。

在两个耦合器均为50∶50的耦合器，即干涉对比度m＝1的情况下，对于端口1波长为λ、强度为I的输入光来说，其在端口4形成的光场强度为 $I*{\mathrm{Cos}}^2\left(\frac{\mathrm{n\π\δL}}{\mathrm{\λ}}\right)$ ，那么，对于非平衡的耦合器，则会形成类似于式(3)的干涉强度分布： $I*0.25[{(1-m)}^2+4m*{\mathrm{Cos}}^2\left(\frac{\mathrm{n\π\δL}}{\mathrm{\λ}}\right)]1\≥m\≥0---\left(3\right)$

根据能量守恒原则，在端口3形成的干涉强度同波长的关系如式(4)所示： $I*\{1-0.25[{(1-m)}^2+4m*{\mathrm{Cos}}^2\left(\frac{\mathrm{n\π\δL}}{\mathrm{\λ}}\right)]1\≥m\≥0---\left(4\right)$ 根据式(3)可得到干涉谱中的波长周期λ_T： ${\mathrm{\λ}}_T=\frac{\mathrm{\λ}}{\frac{\mathrm{n\π\δL}}{\mathrm{\λ}}-1}---\left(5\right)$ 举例来说，对于两臂光程差n*δL≈1.5*0.01mm，干涉对比度m＝0.3的情况，根据上述公式可以推出，在端口3和端口4的光强输出与波长的关系如图2所示。

图2中被监测的波长λ₁在输出端口4和端口3的光功率比值为T(λ)： $T\left(\mathrm{\λ}\right)=\frac{P4\left(\mathrm{\λ}\right)}{P3\left(\mathrm{\λ}\right)}=\frac{{(1-m)}^2+4m{\mathrm{Cos}}^2\left(\frac{\mathrm{n\π\δL}}{\mathrm{\λ}}\right)}{4-{(1-m)}^2-4m{\mathrm{Cos}}^2\left(\frac{\mathrm{n\π\δL}}{\mathrm{\λ}}\right)}---\left(6\right)$ 则根据式(6)即可得出类似于图3的曲线。从式(6)可以看出，端口4和端口3的输出光功率比值T(λ)是一个与输入光强无关的量，它只与输入光波长相关，输入光强I(λ)的变化不会影响到测量的精度，而且，可以根据输出端口3和端口4的比值来换算出对应于入射波长的值。因此，可将此结构用于波长强度转换器。

本发明波长强度转换器的结构组成如图4所示，至少包括波长强度比例分配单元10、光电转换单元20以及比较运算单元30，输入光由端口1或端口2进入波长强度比例分配单元10后，经过光强分配，将光强从输出口11和输出口12输出至光电转换单元20做光电转换，由于光信号无法直接做运算处理，必须经过光电转换单元20将光信号转换为电信号，由光电转换单元20输出的两个电信号在比较运算单元30中进行运算和比较后，可以计算出输入光的波长。

上面所述的波长强度比例分配单元10可进一步包括一温度监测装置，比如温度传感器；或温控装置，如温控盒，以达到监测其温度变化或保证其工作于稳定温度环境下的目的；光电转换单元20通常包括两个光电转换器，比较运算单元30一般采用比较运算器。图5、图6所示即为本发明波长强度转换器的两个实施例组成结构。

参见图5所示，波长强度比例分配单元10进一步包括一温度传感器，该温度传感器用于监测波长强度比例分配单元的温度变化，通常设置于波长强度比例分配单元的内部，且该温度传感器与比较运算器相连。一束入射光从端口1输入波长强度比例分配单元10后，经过波长强度比例分配单元的光强分配，从输出口11和输出口12输出处理后的两束光的光强，该光强分别经两个光电转换器转换成电信号输入比较运算器，将两个输入的电信号在比较运算器中进行除法比较，得到的数据和经过标定的波长强度转换数据进行比较，可以得到相应的波长漂移量δλ₀。其中，该标定的波长强度转换数据是如图3所示的类似端口输出光功率之比与波长的关系。由于波长强度比例分配单元本身具有温度效应，端口输出光功率比值T(λ)同温度有一定的关系，因此，需要在波长强度比例分配单元内部增加一个温度传感器，监测该单元内部的温度漂移，并将温度漂移值δλc直接送入比较运算器中，在比较运算器运算时加上波长强度比例分配单元的温度漂移δλc，即可得到被测量的波长变换值δλm，该δλm＝δλ₀+δλc。

参见图6所示，波长强度比例分配单元10可直接放置于一个温控盒内部，即：将波长强度比例分配单元置于恒温环境中。该波长强度转换器的整个工作原理与图5所述原理基本相同，只是对波长强度比例分配单元的温度控制是通过温控盒保持恒温来实现的，以消除温漂对波长强度转换所带来的影响。

前面已经证明马赫-曾德干涉仪型的波长强度比例分配结构可用来构造波长强度转换器，因此，本发明中的波长强度比例分配单元即是采用图1所示的波长强度比例分配结构，并利用其原理完成对输入光信号的光强分配。针对图1的波长强度比例分配结构，还可以有很多在此基础上的变形结构，同样可作为波长强度比例分配单元完成光强分配功能。以图7的结构为例，其工作原理是这样的：在端口1与耦合器C1之间增加一个耦合器C3，该耦合器C3的一个输出为监测端口5。一束入射光从端口1输入后，先经过耦合器C3的耦合分离按一定分配比例形成两条光束，一条从监测端口5输出，另一条继续延端口1原来的方向进入耦合器C1，后面的原理与图1所述完全相同。端口3、端口4和监测端口5为三个输出监视端，该波长强度比例分配单元选取端口3、端口4、监测端口5中的任意两个端口的功率作为最终输出，从输出口11和输出口12送入光电转换单元以及比较运算单元中，通过计算被监测端口功率的比例来换算成波长值。

图8至图11所示为图1的其它几种变形结构，其组成结构、选用器件以及转换原理与图7完全相同，只是耦合器C3所处的位置不同，耦合器C3可放置于任意一臂上，如图8、图9所示；也可放置于耦合器C2与端口3或端口4之间，如图10、图11所示。

另外，本发明波长强度转换器中的波长强度比例分配单元还可以由另一种波长强度比例分配结构实现，该波长强度比例分配结构的组成如图12所示。图12为耦合器型波长强度比例分配结构，与图1所示的结构类似，区别在于：只采用一个耦合器。该耦合器型的波长强度比例分配结构同一般的耦合器一样，因此，根据下述耦合模理论，同样可证明端口4和端口3的输出光功率比值T(λ)与输入光强无关。

假设光波从端口1输入，则在端口3、4的输出光强度分别为： $P3\left(\mathrm{\λ}\right)=I\frac{K^2}{K^2+{\mathrm{\Δ}}^2}{\mathrm{Sin}}^2\left[\sqrt{K^2+{\mathrm{\Δ}}^2}L\right]---\left(7\right)$ $P4\left(\mathrm{\λ}\right)=I(1-\frac{K^2}{K^2+{\mathrm{\Δ}}^2}{\mathrm{Sin}}^2[\sqrt{K^2+{\mathrm{\Δ}}^2}L\left]\right)---\left(8\right)$ 其中，式(7)和式(8)中的K为波导耦合系数，Δ为相位失配，L为耦合区长度，根据现有理论可知在计算中可设定耦合区的耦合系数K为常数。那么，端口3和端口4的光功率比值T(λ)为： $T\left(\mathrm{\λ}\right)=\frac{P4\left(\mathrm{\λ}\right)}{P3\left(\mathrm{\λ}\right)}=\frac{1-\frac{K^2}{K^2+{\mathrm{\Δ}}^2}{\mathrm{Sin}}^2\left[\sqrt{K^2+{\mathrm{\Δ}}^2}L\right]}{\frac{K^2}{K^2+{\mathrm{\Δ}}^2}{\mathrm{Sin}}^2\left[\sqrt{K^2+{\mathrm{\Δ}}^2}L\right]}---\left(9\right)$

根据式(9)中入射光波长的函数关系，可以看出T(λ)与入射光强无关，其在某些区域中是一个单调函数，在此范围内，可以根据输出端口3和端口4的比值来换算出对应于入射波长的值。因此，完全可利用此结构实现光强分配功能。

如图12所示，其转换原理为：一束入射光从端口1输入后，经过耦合器C4耦合分离按一定的分配比例形成两束光，该两束光的光强分别由端口3和端口4输出。

同样的，图12的转换结构也有几种变形结构可用，也是增加一个耦合器C5，耦合器C5的一个输出为监测端口5，该耦合器C5可以放置于端口1与耦合器C4之间；或放置于耦合器C4与端口3或端口4之间，如图13、图14、图15所示。以图13的结构为例，其工作原理为：在端口1与耦合器C4之间增加一个耦合器C5。一束入射光从端口1输入后，先经过耦合器C5的耦合分离按一定分配比例形成两条光束，一条从监测端口5输出，另一条继续延端口1原来的方向进入耦合器C4，经过耦合器C4的耦合分离按一定分配比例再形成两条光束，由端口3和端口4输出。端口3、端口4和监测端口5为三个输出监视端，该波长强度比例分配单元选取端口3、端口4、监测端口5中的任意两个端口的功率作为最终输出，从输出口11和输出口12送入光电转换单元以及比较运算单元中，通过计算被监测端口功率的比例来换算成波长值。

在实际应用中，可利用本发明的波长强度转换器进行传感器波长变化的自动监测，自动反馈。比如：用于分布反馈式(DFB)激光器的波长监测，由DFB激光器所提供的入射光从端口1输入后，经过光强分配、光电转换以及比较运算后，将比较后所获得的波长输出信号再输入回DFB激光器的温控电流模块，通过对波长漂移的监测来控制并改变DFB激光器的温控电流，使其能工作在稳定的波长范围内。如此，达到自动监测、自动反馈的效果。当然，该波长强度转换器也可以用于监测光纤光栅或其它滤波器的反射波长的变化，从而得到相应温度或应力等传感量的变化值。

综上所述可见，本发明的波长强度转换器是采用一种静态监测方法，即：采用光波耦合干涉法。由于不同的光波长存在不同的耦合效果，那么，将耦合的光强转换为电信号进行比较，便可得到强度信号所对应的光波波长值，并且，在应用中也有利于实现自动控制、自动监测等功能。

以上所述，仅为本发明的几个较佳实例而已，并非用于限定本发明的保护范围。

Claims (12)

1、一种波长强度转换器，其特征在于至少包括：

波长强度比例分配单元，用于将输入的光信号按一定比例分配到输出端口，由至少一个耦合器组成；

光电转换单元，用于将输入的光信号转换为电信号；

比较运算单元，用于计算并比较监测端口输出光功率的比例，并将其换算为波长值；

入射光由波长强度比例分配单元的输入端口输入，经波长强度比例分配单元将输入的光信号按一定比例分配到输出端口，并将输出的光信号送入光电转换单元转换为电信号，再将该电信号输入至比较运算单元进行计算比较后输出相应的光波长值。

2、根据权利要求1所述的波长强度转换器，其特征在于：所述的波长强度比例分配单元内部进一步设置有一个用于监测温度变化的温度传感器，该温度传感器与所述的比较运算单元相连，将监测到的温度漂移值直接送入比较运算单元。

3、根据权利要求1所述的波长强度转换器，其特征在于：所述的波长强度比例分配单元放置于一个保持恒温的温控盒内部。

4、根据权利要求1所述的波长强度转换器，其特征在于：所述的光电转换单元至少包括两个光电转换器，将波长强度比例分配单元每个输出端口的光信号分别转换为电信号。

5、根据权利要求1所述的波长强度转换器，其特征在于：所述的比较运算单元为一个比较运算器。

6、根据权利要求1所述的波长强度转换器，其特征在于：所述的一定分配比例由耦合器自身的参数决定。

7、根据权利要求1或6所述的波长强度转换器，其特征在于：所述的波长强度比例分配单元由两个耦合器组成，两个耦合器一端相连；一束入射光从一个输入端口输入，经第一耦合器耦合分离后按一定分配比例形成两束光进入第二耦合器，两束光经过第二耦合器分别耦合分离后按一定分配比例分别形成两束光，分别由两个输出端口输出。

8、根据权利要求7所述的波长强度转换器，其特征在于：所述两个耦合器之间的两个臂长可调节为相等或不等。

9、根据权利要求7所述的波长强度转换器，其特征在于：所述两个耦合器之间的两臂上可设置调节臂长的相位变化器件。

10、根据权利要求7所述的波长强度转换器，其特征在于：可进一步在输入端口与第一耦合器之间，或在两个耦合器之间，或在第二耦合器与两个输出端口之间设置第三耦合器；该第三耦合器的一个输出端为单独输出端口，另一输出端与第一耦合器的输入端相连；第二耦合器的两个输出端口与第三耦合器的单独输出端口中的任意两个为该波长强度比例分配单元的输出端。

11、根据权利要求1或6所述的波长强度转换器，其特征在于：所述的波长强度比例分配单元由一个耦合器组成，一束入射光从该耦合器的一个输入端口输入，经耦合分离后按一定分配比例形成两束光由两个输出端口输出。

12、根据权利要求11所述的波长强度转换器，其特征在于：可进一步在输入端口与耦合器之间，或在耦合器与两个输出端口之间设置第二耦合器；该第二耦合器的一个输出端为单独输出端口，另一输出端与第一耦合器的输入端相连；第一耦合器的两个输出端口与第二耦合器的单独输出端口中的任意两个为该波长强度比例分配单元的输出端。

Images