CN2618176Y - 高灵敏度光纤布拉格光栅传感器 - Google Patents

Abstract

高灵敏度光纤布拉格光栅传感器是一种高灵敏度光纤布拉格光栅法布理—珀罗(F－P)腔传感器，该传感器由光纤布拉格光栅F－P腔1、单向隔器3、耦合器4、光纤布鞋拉格光栅2顺序相串联所组成，其中光纤布拉格光栅F－P腔由两个光纤布拉格光栅对1.1、1.2相串联组成，该传感器输入端5接光纤布拉格光栅F－P腔，传感器输出端6与单向隔器接在耦合器的同一端上。光纤布拉格光栅F－P腔采用两只相同的光纤布拉格光栅串联组成，其反射率大于95％。光纤布拉格光栅的带宽小于或等于光纤布拉格光栅F－P腔中的光纤布拉格光栅对的带宽。该传感器光谱响应带宽比光纤Bragg光栅的反射峰带宽小两个量级，其波长灵敏度可以达到10^－2pm量级。

Description

高灵敏度光纤布拉格光栅传感器

技术领域：

本实用新型是一种高灵敏度光纤布拉格光栅法布理—珀罗(F-P)腔传感器，属于光纤光栅传感技术领域。

二、背景技术：

光纤布拉格(Bragg)光栅是一种沿光纤长度方向折射率的周期扰动形成的元件。光纤光栅的制造源于光纤的光敏特性。自从1987年，Meltz G等人实现了光纤Bragg光栅的UV光侧面写入技术以后，世界各地的许多研究机构对光纤光栅产生了极大的兴趣。

光纤光栅的应用主要集中在通信领域和传感器领域。光纤Bragg光栅传感器是波长调制型传感器，不必如强度调制型那样必须采取措施以补偿光纤连接器和耦合器的损耗以及光源输出功率的随机起伏。同时，它是自参考的，可以绝对测量，不必如基于条纹计数的干涉型传感器那样要求初始参考。此外，光纤光栅传感器易实现波分、时分复用，可构成大数目的传感器阵列。光纤光栅传感器具有其它许多传感器无法比拟的优点，例如，抗电磁干扰、尺寸小(标准裸光纤为125μm)、重量轻、耐温性好(工作温度上限可达400℃～600℃)、复用能力强、传输距离远(传感器到解调端可达几公里)、耐腐蚀、高灵敏度、被动器件、易形变等等。通过各种特殊结构构的设计，可以实现对力学量(应力、温度、位移、速度、频率等)、电学量(电场、磁场、电压、电流等)等多种物理量的光学测量。随着通信技术的迅速发展，对于光纤Bragg光栅的需求急剧增加，光纤光栅的制造技术也日趋成熟和可靠，这些因素促进了光纤光栅的成批量生产的出现，也使光纤光栅传感器的制作成本大幅下降，可靠性得到提高，光纤光栅开始走向实用化。

光纤Bragg光栅传感器的基本工作原理是当光栅所处外界环境发生变化时，其Bragg耦合波长也发生相应变化。当光栅的中心耦合波长发生微小变化时，光栅的反射峰带宽越小，这种变化就越明显，越容易被检测出来。

三、发明内容：

1.技术问题：

本实用新型的目的是提供一种光谱响应带宽比光纤Bragg光栅的反射峰带宽小两个量级，其波长灵敏度可以达到10^-2pm量级的高灵敏度光纤布拉格光栅传感器。

2.技术方案：

本实用新型的高灵敏度光纤布拉格光栅传感器由光纤布拉格光栅F-P腔、单向隔器、耦合器、光纤布鞋拉格光栅顺序相串联所组成，其中光纤布拉格光栅F-P腔由两个光纤布拉格光栅对相串联组成，该传感器输入端接光纤布拉格光栅F-P腔，传感器输出端与单向隔器接在耦合器的同一端上。光纤布拉格光栅F-P腔采用两只相同的光纤布拉格光栅对串联组成，其反射率大于95％。光纤布拉格光栅的带宽小于或等于光纤布拉格光栅F-P腔中的光纤布拉格光栅的带宽。

这种传感器由光纤Bragg光栅F-P腔组成的传感头，窄线宽可调谐激光光源和光功率探测器组成。它通过减小传感头耦合峰的带宽来提高波长微小变化的可检测灵敏度，可调激光光源的线宽要求不大于光纤Bragg光栅F-P腔的谐振峰半带宽，不至于浪费了传感头的窄光谱响应，通常小于200MHz(约2pm)即可。

在光纤上连续刻写两段等同的光纤布拉格光栅，两段光栅之间间隔一段距离，当间隔距离减小到一定数值时，在光纤布拉格光栅的反射峰内，由这两段光纤布拉格光栅组成的F-P腔只存在一个谐振峰。可以调整间隔距离使得这个谐振峰的位置处在光纤布拉格光栅的中心耦合波长处，当光纤布拉格光栅的反射峰值达到95％以上时，这个谐振峰的半带宽要小于3pm。

光纤布拉格光栅波长λ_B与应变和温度都成线性关系，可以表示为：

           Δλ_B＝K_εBε+K_TBΔT             (1)其中ε和ΔT分别为应变和温度变化量；K_εB和K_TB分别为光纤布拉格光栅的应变和温度系数，其大小主要由光纤光栅的材料、光栅周期决定。温度对光栅的影响可以等效为应变的影响。对光纤布拉格光栅F-P腔整体施加应变时，光栅的空间周期和腔长等比例变化，这种等比例变化使得腔的纵模相对于光纤布拉格光栅反射谱的位置不改变，而是随着应变引起的光栅反射峰的漂移，光纤光栅F-P腔投射光谱整体漂移，漂移特性与光纤布拉格光栅相同。分析中我们忽略了存在应变和温度变化时，光栅部分和间隔部分折射率微小差异对模式漂移的影响，这在光纤布拉格光栅F-P腔在光纤布拉格光栅反射峰内只有一个谐振峰时，F-P腔的腔长很小(通常只有几个毫米)的情况下是允许的。

当使用光纤布拉格光栅F-P腔作为传感头时，其对温度和应变的灵敏度与单个普通光纤布拉格光栅是相同的，而它的谐振峰的半带宽却要比单个布拉格光栅的反射峰半带宽小两个量级，这将大大提高传感器的可检测的灵敏度。采用扫描极值法测量波长漂移时，使用可调谐激光光源扫描检测透射光强，为了不浪费光纤布拉格光栅F-P腔的窄带宽，激光光源的线宽要求不大于光栅F-P腔的带宽，因此选择的激光光源线宽一般要求小于200MHz。

工作原理：

假定组成F-P腔的一对光纤布拉格光栅完全相同。当腔长L与光纤布拉格光栅的空间周期Λ，有效折射率n_eff和有效折射率变化量δn_eff之间满足 $L=(m-\frac{1}{2})(1+\frac{{\mathrm{\δn}}_{\mathrm{eff}}}{n_{\mathrm{eff}}})\mathrm{\Λ}$ (m为整数)时，光纤布拉格光栅F-P腔在光栅的中心耦合波长处存在谐振峰。再减小腔长L时，可以使得在光纤布拉格光栅的反射峰内只有光栅中心波长处一个谐振峰。当构成F-P腔的光纤布拉格光栅的峰值反射率高于98％时，其谐振峰的半带宽很小，对于布拉格光栅中心波长处的谐振峰可以忽略光栅反射系数相位因子的影响，半带宽近似可用普通F-P腔的半带宽公式 $\mathrm{\Δ\λ}=\frac{{\mathrm{\λ}}^2}{2\mathrm{\πnL}}\frac{1-R}{\sqrt{R}}$ 得到。

光纤布拉格光栅波长λ_B与应变和温度都成线性关系，可以表示为：Δλ_B＝K_εBε+K_TBΔT，其中ε和ΔT分别为应变和温度变化量；K_εB和K_TB分别为光纤布拉格光栅的应变和温度系数，其大小主要由光纤光栅的材料、光栅周期决定。温度对光栅的影响可以等效为应变的影响。对光纤布拉格光栅F-P腔整体施加应变时，光栅的空间周期和腔长等比例变化，这种等比例变化使得腔的纵模相对于光纤布拉格光栅反射谱的位置不改变，而是随着应变引起的光栅反射峰的漂移，光纤光栅F-P腔透射光谱整体漂移，漂移特性与光纤布拉格光栅相同。讨论中我们忽略了存在应变和温度变化时，光栅部分和间隔部分折射率微小差异对模式漂移的影响，这在光纤布拉格光栅F-P腔在光纤布拉格光栅反射峰内只有一个谐振峰时，F-P腔的腔长很小(通常小于几个毫米)的情况下是允许的。

因此光纤布拉格光栅F-P腔有着比单个光纤布拉格光栅更窄的响应光谱，而对温度和应变的敏感性能与普通光纤布拉格光栅相同。

波长漂移的测量采用扫描极值法，由于这种光纤布拉格光栅F-P腔传感头的响应光谱极窄，宽谱光源在单位波长上的功率太弱，不利于测量，因此使用可调激光光源。当光源波长与腔的透射峰一致时，测得的光功率最大。腔的透射峰波长发生变化时，光功率探测器所探测到的功率也随着改变。传感头的响应光谱越窄，光功率探测器的变化对波长的微小偏移就明显。也就是说这种传感头的高灵敏度是通过减小传感头的光谱响应带宽来获得的。为了不浪费光纤布拉格光栅F-P腔的窄带宽，激光光源的线宽要求不能大于光栅F-P腔的带宽。

3.技术效果：

使用扫描极值法测量传感头的波长漂移时，采用光纤布拉格光栅F-P腔作为传感头时的可检测灵敏度要比普通单个布拉格光栅作为传感头时的可检测的灵敏度高到两个量级。

本发明利用光纤布拉格光栅组成光纤光栅法布里—珀罗(F-P)腔结构的传感头，其温度和应变灵敏度与普通的单个光纤Bragg光栅传感头相同，但是它的光谱响应带宽只有几个pm，比光纤Bragg光栅的反射峰带宽(零点几个nm)小两个量级。使用窄线宽可调谐激光光源进行扫描检测时，可检测的最小波长漂移要比传感头的光谱带宽小一到两个量级，也就是说对于这种光纤光栅F-P腔，其波长灵敏度可以达到10^-2pm量级。

三、附图说明：

图1是本实用新型的高灵敏度光纤布拉格光栅传感器结构示意图，其中有光纤布拉格光栅F-P腔1；光纤布拉格光栅对1.1、1.2；光纤布拉格光栅2；单向隔离器3；耦合器4；传感器输入端5；传感器输出端6。

图2是使用本实用新型的高灵敏度光纤布拉格光栅传感器的结构示意图。

四、具体实施方式：

本实用新型的高灵敏度光纤布拉格光栅传感器由光纤布拉格光栅F-P腔1、单向隔器3、耦合器4、光纤布鞋拉格光栅2顺序相串联所组成，其中光纤布拉格光栅F-P腔1由两个光纤布拉格光栅对1.1、1.2相串联组成，该传感器输入端5接光纤布拉格光栅F-P腔1，传感器输出端6与单向隔器3接在耦合器4的同一端上。光纤布拉格光栅F-P腔1采用两只相同的光纤布拉格光栅串联组成，其反射率大于95％。光纤布拉格光栅2的带宽小于或等于光纤布拉格光栅F-P腔1中的光纤布拉格光栅对1.1、1.2的带宽。

按照图1所示结构制作出光纤布拉格光栅F-P腔传感头。要求构成光纤布拉格光栅F-P腔1的两个光纤布拉格光栅1.1和1.2参数相同，最大反射率取在98％左右，光纤布拉格光栅2的带宽不大于布拉格光栅1.1或1.2的带宽，或者略小，中心耦合波长相同而反射率越高越好。光源从传感头的端5输入，只有位于构成F-P腔1的光栅1.1和1.2的反射带宽之外的波长的光和光纤布拉格光栅F-P腔1的谐振峰内的波长的光能够通过这个F-P腔，经过单向隔离器和耦合器，被耦合至光纤布拉格光栅2。而只有波长满足F-P腔的谐振峰的光能被光纤布拉格光栅2反射回来，再经耦合器耦合至传感头的端6输出。因此光纤布拉格光栅F-P腔传感头的透射光谱就是F-P腔的谐振谱。选择合适的腔长可以使得腔工作在单模状态下，即在构成F-P腔的光栅的半带宽内或者90％带宽内只有一个谐振峰。由于构成F-P腔的光栅反射率可以大于98％，因此谐振峰的半宽可以小于3pm。也就是说这种结构的光纤布拉格光栅F-P腔传感头的透射峰只有一个，半带宽小于3pm，比普通光纤布拉格光栅的反射峰带宽小两个量级。

光纤布拉格光栅波长与应变和温度都成线性关系。温度对光栅的影响可以等效为应变的影响。对光纤布拉格光栅F-P腔整体施加应变时，光栅的空间周期和腔长等比例变化，这种等比例变化使得腔的纵模相对于光纤布拉格光栅反射谱的位置不改变，而是随着应变引起的光栅反射峰的漂移，光纤光栅F-P腔透射光谱整体漂移，漂移特性与光纤布拉格光栅相同。我们忽略了存在应变和温度变化时，光栅部分和间隔部分折射率微小差异对模式漂移的影响，这在光纤布拉格光栅F-P腔在光纤布拉格光栅反射峰内只有一个谐振峰时，F-P腔的腔长很小(通常小于几个毫米)的情况下是允许的。因此光纤布拉格光栅F-P腔有着比单个光纤布拉格光栅更窄的响应光谱，而对温度和应变的敏感性能与普通布拉格光栅相同。

采用这种结构的光纤布拉格光栅F-P腔作为传感头时，要求光纤布拉格光栅F-P腔1和光纤布拉格光栅2处在相同的外界环境中，由于光纤的易弯曲特性，这个要求很容易满足。

传感器采用扫描极值法测量波长漂移，由光纤布拉格光栅F-P腔传感头，可调谐激光光源，光功率探测器和控制系统组成，如图(2)所示。光进入光纤布拉格光栅F-P腔传感头后，再进入光功率探测器。只有在使得光源波长与腔的透射峰一致时，测得的光功率最大。外界被测环境变化时，控制系统监测到光功率探测器的变化后，调整可调激光光源使得光功率探测器接收值最大。由于光纤布拉格光栅F-P腔的透射峰很窄，当腔的投射峰波长随外界环境发生微小变化时，光功率探测器显示出明显变化。使用扫描极值法测量传感头的透射谱波长漂移时，采用光纤布拉格光栅F-P腔作为传感头时的可检测灵敏度要比普通单个布拉格光栅作为传感头时的可检测的灵敏度可以高到两个量级。为了不浪费光纤布拉格光栅F-P腔的窄带宽，激光光源的线宽要求不大于光栅F-P腔的带宽，因此选择的激光光源线宽一般要求小于200MHz。

图2是使用本实用新型的高灵敏度光纤布拉格光栅传感器的结构示意图。其中光纤光栅F-P传感头结构如图(1)中所示。采用自动控制系统控制可调谐激光光源的波长输出，光进入光纤布拉格光栅F-P腔传感头后，再进入光功率探测器。只有在使得光源波长与腔的透射峰一致时，测得的光功率最大。外界被测环境变化时，控制系统监测到光功率探测器的变化后，调整可调激光光源使得光功率探测器接收值最大。由于光纤布拉格光栅F-P腔的透射峰很窄，当腔的投射峰波长随外界环境发生微小变化时，光功率探测器显示出明显变化。

Claims (3)

1、一种高灵敏度光纤布拉格光栅传感器，其特征在于该传感器由光纤布拉格光栅F-P腔(1)、单向隔器(3)、耦合器(4)、光纤布鞋拉格光栅(2)顺序相串联所组成，其中光纤布拉格光栅F-P腔(1)由两个光纤布拉格光栅对(1.1、1.2)相串联组成，该传感器输入端(5)接光纤布拉格光栅F-P腔(1)，传感器输出端(6)与单向隔器(3)接在耦合器(4)的同一端上。

2、根据权利要求1所述的高灵敏度光纤布拉格光栅传感器，其特征在于光纤布拉格光栅F-P腔(1)采用两只相同的光纤布拉格光栅串联组成，其反射率大于95％。

3、根据权利要求1所述的高灵敏度光纤布拉格光栅传感器，其特征在于光纤布拉格光栅(2)的带宽小于或等于光纤布拉格光栅F-P腔(1)中的光纤布拉格光栅对(1.1、1.2)的带宽。

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