CN205538021U - 一种法拉第旋镜结构单模错位光纤测温装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种法拉第旋镜结构单模错位光纤测温装置，包括1550nm激光器、环形器、错位光纤、法拉第旋镜和光谱分析仪，其中错位光纤由长度为5cm的单模光纤错位熔接在两段单模光纤之间形成，错位量为4μm，该错位光纤通过导入纤维与环形器相连接，错位光纤通过导出纤维与法拉第旋镜相连接，1550nm激光器通过单模光纤与环形器相连接，光谱分析仪通过单模光纤与环形器相连接。本实用新型结构简单，成本较低，实用性强，有望在温度传感领域得到广泛应用。

Description

一种法拉第旋镜结构单模错位光纤测温装置

技术领域

本实用新型属于光纤测温传感装置技术领域，具体涉及一种法拉第旋镜结构单模错位光纤测温装置。

背景技术

目前基于干涉理论的光纤传感器的研究已取得多项研究成果，但也存在许多亟待解决的问题。由于输出信号会受到光纤传输损耗、接续损耗、光纤震动、多重外界环境等影响，将严重引起光信号衰减的无规律性。近几年来，利用光纤测温已经成了一种趋势。越来越多的人设计出不同的光纤测温方案，如干涉仪测温、激光测温和错位光纤测温等，但都或多或少存在一些不足之处，如系统复杂的制作工艺、较高的传输损耗、信噪比较低和较多的错位熔接点等多重因素；另外，由于干涉的复杂性，传感器探测到的信号很微弱，温度灵敏度低，稳定性差，传感器输出的偏振状态较差，所有这些导致成本增加且对温度传感系统的研究没有保障。

发明内容

本实用新型为解决上述基于干涉理论对光纤温度传感系统研究的稳定性差、温度灵敏度低、成本高和偏振状态较差等问题，提供了一种法拉第旋镜结构单模错位光纤测温装置，该装置通过错位光纤结构，干涉的光信号经过环形器产生特定激光的波长，然后通过分析不同温度下相应的输出激光波长来研究温度传感系统的性能，该装置提高了传感器输出的灵敏度、稳定性和改善了偏振度的状态。

本实用新型为解决上述技术问题采用如下技术方案，一种法拉第旋镜结构单模错位光纤测温装置，其特征在于包括1550nm激光器、环形器、错位光纤、法拉第旋镜和光谱分析仪，其中错位光纤由长度为5cm的单模光纤错位熔接在两段单模光纤之间形成，错位量为4μm，该错位光纤通过导入纤维与环形器相连接，错位光纤通过导出纤维与法拉第旋镜相连接，1550nm激光器通过单模光纤与环形器相连接，光谱分析仪通过单模光纤与环形器相连接。

进一步优选，所述单模光纤的直径为125μm，单模光纤芯层和包层的直径分别为9.2μm和125μm。

本实用新型与现有技术相比具有以下优点：

1、本实用新型提出的是一种基于法拉第旋镜结构单模错位光纤的温度传感器，其有效改善了不稳定、偏振状态差和温度灵敏度低的问题；

2、法拉第旋镜结构最大干扰幅值可达到近10dB，这明显高于没有法拉第旋镜的单一干扰；

3、在47–63℃范围内，传感器的温度灵敏度约为0.89039nm/℃，相关系数约为0.99232，温度灵敏度增加了一个数量级；

4、本实用新型结构简单，成本较低，实用性强，有望在温度传感领域得到广泛应用。

附图说明

图1是本实用新型的光路连接图。

图中：1、1550nm激光器，2、环形器，3、法拉第旋镜，4、光谱分析仪，5、错位光纤，6、单模光纤。

具体实施方式

结合附图详细描述本实用新型的具体内容。一种法拉第旋镜结构单模错位光纤测温装置，包括1550nm激光器1、环形器2、错位光纤5、法拉第旋镜3和光谱分析仪4，其中错位光纤5由长度为5cm的单模光纤6错位熔接在两段单模光纤6之间形成，错位量为4μm，该错位光纤5通过导入纤维与环形器2相连接，错位光纤5通过导出纤维与法拉第旋镜3相连接，1550nm激光器1通过单模光纤6与环形器2相连接，光谱分析仪4通过单模光纤6与环形器2相连接。

本实用新型基于光的干涉理论，将一段长度L约为5cm的单模光纤错位熔接在两段单模光纤之间形成错位光纤，该错位光纤的一端连接到法拉第旋镜上，错位量D约为4μm，单模光纤的直径为125μm，单模光纤的芯层和包层直径分别为9.2μm和125μm，传感器的关键部件是一段长为58.5mm的法拉第旋镜，选择使用法拉第旋镜的目的是为了获得没有任何影响的偏振状态的输出和提高温度灵敏度。错位光纤作为传感器头安放在塑料板上，导入纤维和导出纤维分别与环行器和法拉第旋镜相连接，由一个中心波长为1550nm的宽带源发出的光束通过环形器传送到传感器头，输出的光从环形器端口提取出来后输入到光谱分析仪中。传感器头固定在塑料板被放置在一个容器中，用耐热胶带固定，用水浴加热的方法对传感器头进行加热，加热过程中温度变化范围为47-63℃，每次变化1℃，用一个数字温度计来测量温度，对于每次温度的变化都可以从光谱仪上记录下相应的参数。

当光信号经过错位熔接点时，由于模场不匹配，激发出大量的包层模并沿单模光纤传输，传播一段距离后，在单模光纤的纤芯与纤芯模产生干涉现象。在第一个耦合点，输入光信号被分为两条光路，分别沿着芯模和包层模传输，其中纤芯模能量最大，包层模的损耗很高，因此，包层模式简化为一个最大的能量和较高的能量，然后两模式在第二耦合点进行重组。由于纤芯模与包层模的有效折射率不同，所以纤芯模与包层模在传输过程中产生光程差,从而形成MZI。发生干涉的纤芯模与包层模频率相同，相位差恒定的正弦函数。

因为干涉主要有两种模式构成(最低阶包层模与纤芯模)，当我们将传感器放置在空气中时，那么单向传输光强可以表示为：

$I_s=I_{core}+I_{cladding.m}+2\sqrt{I_{core}{I}_{cladding.m}}{\mathrm{cos\Δ\φ}}_m---\left(1\right)$

其中I为输出光强，I_core和I_cladding.m分别为单模光纤内传输的纤芯模与第m阶包层模的光强。φ_m为相位延迟。根据干涉理论，当光信号在经过FRM结构发生第二次干涉时，波长的最大衰减为：

${\mathrm{\λ}}_m=4*\frac{{{\mathrm{\Δn}}^m}_{eff}*L*\mathrm{\π}}{(2m+1)\mathrm{\π}}---\left(2\right)$

比较单次干涉和两次干涉的输出光强度，波长的最大衰减是双重改变的。当环境温度变化时，光纤的共振波长、有效折射率和光纤长度也会发生变化。通过观察相同的波长的峰值偏移，发现存在一个固定的相位差，其中波长的偏移量是：

$\mathrm{\Δ}\mathrm{\λ}={\mathrm{\λ}}_m(\frac{1}{L}\frac{\∂\mathrm{\Δ}L}{\∂T}+\frac{1}{{{\mathrm{\Δn}}^m}_{eff}}\frac{\∂{{\mathrm{\δ\Δn}}^m}_{eff}}{\∂T})\mathrm{\Δ}T={\mathrm{\λ}}_m(\mathrm{\α}+\mathrm{\ϵ})\mathrm{\Δ}T---\left(3\right)$

其中α是热膨胀系数，ε是热光系数。

从公式(3)我们可以看出温度的变化波长偏移量成比例变化。经过两次干涉，由法拉第旋转镜结构错位光纤产生的波长偏移也随温度的变化而改变，所以基于法拉第旋转镜的结构，获得了温度和高的温度灵敏度的线性关系。

以上显示和描述了本实用新型的基本原理，主要特征和优点，在不脱离本实用新型精神和范围的前提下，本实用新型还有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本实用新型的范围。

Claims (2)

1.一种法拉第旋镜结构单模错位光纤测温装置，其特征在于包括1550nm激光器、环形器、错位光纤、法拉第旋镜和光谱分析仪，其中错位光纤由长度为5cm的单模光纤错位熔接在两段单模光纤之间形成，错位量为4μm，该错位光纤通过导入纤维与环形器相连接，错位光纤通过导出纤维与法拉第旋镜相连接，1550nm激光器通过单模光纤与环形器相连接，光谱分析仪通过单模光纤与环形器相连接。

2.根据权利要求1所述的法拉第旋镜结构单模错位光纤测温装置，其特征在于：所述单模光纤的直径为125μm，单模光纤芯层和包层的直径分别为9.2μm 和125μm。