專利名稱：雙并聯(lián)高雙折射光纖sagnac干涉環(huán)多參數(shù)傳感器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及的是一種光纖通信技術(shù)領(lǐng)域的系統(tǒng)及其傳輸方法，具體是一種雙并聯(lián)高雙折射光纖sagnac干涉環(huán)多參數(shù)傳感器。
背景技術(shù)：
近年來，光纖傳感器由于其相對傳統(tǒng)傳感器具有體積小、測量精度高、成本低以及可應(yīng)用于強(qiáng)電磁干擾環(huán)境等優(yōu)點(diǎn)，因而得到了廣泛的關(guān)注。而在實(shí)際的光纖傳感監(jiān)測系統(tǒng)中，各參數(shù)的交叉敏感是一個不可回避的關(guān)鍵問題，即測量結(jié)果容易受到外部環(huán)境中多個參量的同時影響。例如常見的光纖光柵傳感器中，波長信號的變化同時受溫度和應(yīng)力的影響。因此如何實(shí)現(xiàn)多個參量同時測量是未來光纖傳感器的重要研究方向。光纖sagnac干涉環(huán)在傳感方面的應(yīng)用越來越引起人們的重視。光纖sagnac干涉環(huán)傳感方案中，高雙折身寸光纖 sagnac 環(huán)(High birefringent sagnac loop, Hi-Bi sagnac loop)在光纖傳感領(lǐng)域有著巨大的應(yīng)用前景。Hi-Bi sagnac干涉環(huán)是在基本的sagnac環(huán)中串聯(lián)一段高雙折射率光纖，輸出光譜呈現(xiàn)出周期性的濾波特性，輸出光譜的周期決定于環(huán)中Hi-Bi光纖的雙折射系數(shù)以及長度，而與環(huán)的長度無關(guān)。將此段高雙折射光纖作為傳感臂，當(dāng)外界環(huán)境參數(shù)如溫度、應(yīng)變、折射率等改變作用于傳感臂時，Hi-Bi光纖的長度和雙折射系數(shù)都發(fā)生改變，導(dǎo)致輸出光譜發(fā)生波長漂移。Hi-Bi sagnac干涉環(huán)的傳感靈敏度較高(例如普通的光纖光柵對溫度的敏感系數(shù)只有約0.01nm/°C，長周期光纖光柵對溫度的敏感性可達(dá)到0. lnm/0C，而Hi-Bi sagnac環(huán)對溫度的敏感性可達(dá)lnm/°C )；另外Hi-Bi sagnac環(huán)還具有對輸入光的偏振無關(guān)性、結(jié)構(gòu)簡單以及成本較低等優(yōu)點(diǎn)。經(jīng)對現(xiàn)有文獻(xiàn)檢索發(fā)現(xiàn)，2007年，0. Frazao, J.L.Santos，J. Μ. Baptista 等人在《IEEEPhotonics Technology Letter (IEEE纖維光學(xué)技術(shù)快報)》發(fā)表了題為“Mrain and temperaturediscrimination using concatenated high-birefringence fiber loop mirrors (基于級聯(lián)Hi-Bi光纖環(huán)鏡的應(yīng)變和溫度區(qū)分)”的文章，該文采用了兩個級聯(lián)的Hi-Bi光纖環(huán)實(shí)現(xiàn)對溫度和應(yīng)變的區(qū)分，該技術(shù)中一個Hi-Bi環(huán)作為傳感臂，而另一個 Hi-Bi環(huán)作為溫度參考臂，利用兩環(huán)對應(yīng)變和溫度的靈敏性不同來解決溫度對應(yīng)變的交叉敏感問題。但是該技術(shù)尺寸較大，不利于實(shí)際測量。又經(jīng)檢索發(fā)現(xiàn)，2008年，F(xiàn)razao, 0.，D. Egypto 等人在《IEEE Photonics Technology Letter (IEEE 纖維光學(xué)技術(shù)快報)》上發(fā)表了“Mrain and temperature discrimination usinghigh-birefringence erbium-doped fiber loop mirror with high pump power laser (高功率泵浦的高雙折射摻鉺光纖環(huán)鏡的應(yīng)力和溫度區(qū)分)”，該技術(shù)采取在sagnac干涉環(huán)中串聯(lián)一段特殊的摻鉺高雙折射光纖，在sagnac環(huán)內(nèi)加入波長為980nm 的泵浦源，利用加泵浦光前后Hi-Bi EDF對外界參數(shù)的靈敏度不同，來實(shí)現(xiàn)區(qū)分出溫度和應(yīng)變的目的。但是該技術(shù)環(huán)內(nèi)加入泵浦光源后泵浦光的穩(wěn)定性也會對測量結(jié)果造成較大影響，使得測量結(jié)果準(zhǔn)確率低。經(jīng)檢索還發(fā)現(xiàn)，2009 年，hun-Liu，Ζ.，Ζ. Jiarong 等人在《Optics Communication,(光學(xué)通信)〉〉上發(fā)表了題為"Simultaneous strain and temperature measurement using a highlybirefringence fiber loop mirror and a long-period grating written ina photonic crystal fiber (基于高雙折射環(huán)鏡和光子晶體光纖上蝕刻長周期光纖光柵的應(yīng)變和溫度同時測量)”的文章，該技術(shù)采用一段特殊的光子晶體光纖長周期光柵 (Long-period Grating written ina PhotonicCrystal Fiber, PCF LPG)作為溫度補(bǔ)償， Hi-Bi sagnac干涉環(huán)作為傳感臂，而PCF LPG則起到濾波器的作用，只要環(huán)的輸出譜和PCF LPG的透射譜二者窗口選擇得當(dāng)，則可以監(jiān)測到某波峰隨外界參數(shù)變化的波長漂移和功率變化。通過波長和功率的監(jiān)測可以同時測量溫度和應(yīng)變的變化。但是該技術(shù)采用的PCF LPG 制備需要昂貴的設(shè)備，成本高且系統(tǒng)復(fù)雜。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明針對現(xiàn)有技術(shù)存在的上述不足，提供一種雙并聯(lián)高雙折射光纖sagnac干涉環(huán)多參數(shù)傳感器，通過波長選擇開關(guān)將兩個高雙折射sagnac干涉環(huán)并聯(lián)起來作為光纖傳感器，能同時實(shí)現(xiàn)溫度和應(yīng)變測量，具有結(jié)構(gòu)簡單、成本低和測量精度高的優(yōu)點(diǎn)。本發(fā)明是通過以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的，本發(fā)明包括依次串聯(lián)的寬譜光源、波長選擇開關(guān)、雙折射光纖sagnac干涉環(huán)、光纖合波器和光譜分析儀，其中雙折射光纖sagnac干涉環(huán)由兩個耦合器和兩個偏振控制器組成。所述的第一耦合器的一端與第一偏振控制器通過第一高雙折射光纖相連構(gòu)成第一折射光纖sagnac干涉環(huán)，另一端與波長選擇開關(guān)和光纖合波器通過第一高雙折射光纖相連。所述的第二耦合器和的一端與第二偏振控制器通過第二高雙折射光纖相連構(gòu)成第二折射光纖sagnac干涉環(huán)，另一端以及波長選擇開關(guān)和光纖合波器通過第二高雙折射光纖相連。所述的第一高雙折射光纖固定設(shè)置于光學(xué)精密四維調(diào)節(jié)架上。所述的寬譜光源的帶寬范圍是1525nm-1570nm。所述的波長選擇開關(guān)采用基于液晶偏振控制的1X2波長選擇開關(guān)。所述的耦合器均為3dB耦合器所述的第一高雙折射光纖的包層直徑為125 μ m，且該第一高雙折射光纖同時置于溫度場和應(yīng)變場中作為傳感臂。所述的第二高雙折射光纖的包層直徑為80 μ m且該第二高雙折射光纖僅置于溫度場中。所述的光纖合波器將兩個干涉環(huán)的輸出光譜匯聚起來輸入光譜儀。所述的光譜分析儀用來探測輸出光譜信號。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下有益效果通過波長選擇開關(guān)將兩個不同的高雙折射sagnac干涉環(huán)并聯(lián)起來作為光纖傳感器，可有效解決溫度和應(yīng)變的同時測量問題； 由于高雙折射sagnac干涉環(huán)對溫度和應(yīng)變靈敏度高，因此二者的結(jié)合有助于充分發(fā)揮二者靈敏度高的優(yōu)點(diǎn)，制成高靈敏度光纖傳感器；本發(fā)明中所采用的器件包括3dB耦合器、偏振控制器、高雙折射光纖等都屬于常規(guī)器件，且各器件的連接都屬于常規(guī)熔接，因此本發(fā)明具有成本較低和制備工藝簡單的特點(diǎn)。


圖1為本發(fā)明結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實(shí)施例方式下面對本發(fā)明的實(shí)施例作詳細(xì)說明，本實(shí)施例在以本發(fā)明技術(shù)方案為前提下進(jìn)行實(shí)施，給出了詳細(xì)的實(shí)施方式和具體的操作過程，但本發(fā)明的保護(hù)范圍不限于下述的實(shí)施例。如圖1所示，本實(shí)施例包括依次串聯(lián)的寬譜光源1、波長選擇開關(guān)2、雙折射光纖 sagnac干涉環(huán)3、4、光纖合波器5和光譜分析儀6，其中雙折射光纖sagnac干涉環(huán)由兩個耦合器7、10和兩個偏振控制器8、11組成。所述的第一耦合器7的一端與第一偏振控制器8通過第一高雙折射光纖9相連構(gòu)成第一折射光纖sagnac干涉環(huán)3，另一端與波長選擇開關(guān)2和光纖合波器5通過第一高雙折射光纖9相連。所述的第二耦合器10和的一端與第二偏振控制器11通過第二高雙折射光纖12 相連構(gòu)成第二折射光纖sagnac干涉環(huán)4，另一端以及波長選擇開關(guān)2和光纖合波器5通過第二高雙折射光纖12相連。所述的第一高雙折射光纖9固定設(shè)置于光學(xué)精密四維調(diào)節(jié)架13上。所述的寬譜光源1的帶寬范圍是1525nm-1570nm。所述的波長選擇開關(guān)2采用基于液晶偏振控制的1X2波長選擇開關(guān)2。所述的耦合器均為3dB耦合器所述的第一高雙折射光纖9包層直徑為125 μ m,且該第一高雙折射光纖同時置于溫度場和應(yīng)變場中作為傳感臂。所述的第二高雙折射光纖12包層直徑為80 μ m且該第二高雙折射光纖僅置于溫度場中。所述的光纖合波器5將兩個干涉環(huán)的輸出光譜匯聚起來輸入光譜儀。所述的光譜分析儀6采用Anristu Ms9710B型，其波長分辨率為0. 07nm。本實(shí)施例的工作過程1)通過調(diào)整波長選擇開關(guān)2，為兩個高雙折射sagnac干涉環(huán)分配合適的波長范圍。2)通過調(diào)整高雙折射sagnac干涉環(huán)中的偏振控制器，選擇合適的諧振波長，使得兩環(huán)的諧振波長各自位于波長選擇開關(guān)2為其分配的波長范圍內(nèi)，即在光譜儀6處可以清晰地觀察到二者的諧振波長。3)令應(yīng)變變化為零，溫度值變化，分別得到第一高雙折射sagnac干涉環(huán)和第二高雙折射sagnac干涉環(huán)的諧振波長隨溫度變化的波長漂移量，進(jìn)而得到高雙折射sagnac干涉環(huán)對溫度的敏感系數(shù)，具體是Δ λ ！ = Κ1τΔΤ+Κε Δ εΔ λ 2 = K21 Δ T其中Δ λ工是第一高雙折射光纖9的諧振波長；Δ λ 2為第二高雙折射光纖1 的諧振波長；Δ ε為應(yīng)變的變化；Δ T為溫度的變化；Kit和Ke分別是Δ λ 對溫度和應(yīng)變的敏感系數(shù)；K2t是Δ λ 2對溫度的敏感系數(shù)。4)令溫度變化為零，應(yīng)變值變化，得到高雙折射sagnac干涉環(huán)諧振波長對應(yīng)變值的漂移量，進(jìn)而得到高雙折射sagnac干涉環(huán)對應(yīng)變變化的敏感系數(shù)，具體是Δ λ ！ = Κ1τΔΤ+Κε Δ εΔ λ 2 = K21 Δ T其中Δ λ工是第一高雙折射光纖9的諧振波長；Δ λ 2為第二高雙折射光纖12的諧振波長；Δ ε為應(yīng)變的變化；Δ T為溫度的變化；Kit和Ke分別是Δ λ 對溫度和應(yīng)變的敏感系數(shù)；K2t是Δ λ 2對溫度的敏感系數(shù)。5)得到溫度和應(yīng)變的定標(biāo)公式，具體是Δ T = Δ λ 2/Κ2ΤΔ ε = (Δ λ「Κ1τΔΤ)/Κε本實(shí)施例對溫度和應(yīng)變的靈敏度分別為0. 90nm/°C和0. 014nm/ μ ε，相比于傳統(tǒng)的光纖光柵傳感器靈敏度提高了一個數(shù)量級。
權(quán)利要求
1.一種雙并聯(lián)高雙折射光纖Sagnac干涉環(huán)多參數(shù)傳感器，包括依次串聯(lián)的寬譜光源、波長選擇開關(guān)、雙折射光纖sagnac干涉環(huán)、光纖合波器和光譜分析儀，其特征在于雙折射光纖sagnac干涉環(huán)由兩個耦合器和兩個偏振控制器組成。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的雙并聯(lián)高雙折射光纖sagnac干涉環(huán)多參數(shù)傳感器，其特征是，所述的第一耦合器的一端與第一偏振控制器通過第一高雙折射光纖相連構(gòu)成第一折射光纖sagnac干涉環(huán)，另一端與波長選擇開關(guān)和光纖合波器通過第一高雙折射光纖相連。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的雙并聯(lián)高雙折射光纖sagnac干涉環(huán)多參數(shù)傳感器，其特征是，所述的第二耦合器和的一端與第二偏振控制器通過第二高雙折射光纖相連構(gòu)成第二折射光纖sagnac干涉環(huán)，另一端以及波長選擇開關(guān)和光纖合波器通過第二高雙折射光纖相連。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的雙并聯(lián)高雙折射光纖sagnac干涉環(huán)多參數(shù)傳感器，其特征是，所述的第一高雙折射光纖固定設(shè)置于光學(xué)精密四維調(diào)節(jié)架上。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的雙并聯(lián)高雙折射光纖sagnac干涉環(huán)多參數(shù)傳感器，其特征是，所述的寬譜光源的帶寬范圍是1525nm-1570nm。
6.根據(jù)權(quán)利要求1或2或3所述的雙并聯(lián)高雙折射光纖sagnac干涉環(huán)多參數(shù)傳感器， 其特征是，所述的波長選擇開關(guān)采用基于液晶偏振控制的1X2波長選擇開關(guān)。
7.根據(jù)權(quán)利要求1或2或3所述的雙并聯(lián)高雙折射光纖sagnac干涉環(huán)多參數(shù)傳感器， 其特征是，所述的耦合器均為3dB耦合器。
8.根據(jù)權(quán)利要求2或4所述的雙并聯(lián)高雙折射光纖sagnac干涉環(huán)多參數(shù)傳感器，其特征是，所述的第一高雙折射光纖的包層直徑為125 μ m，且該第一高雙折射光纖同時置于溫度場和應(yīng)變場中作為傳感臂。
9.根據(jù)權(quán)利要求3所述的雙并聯(lián)高雙折射光纖sagnac干涉環(huán)多參數(shù)傳感器，其特征是，所述的第二高雙折射光纖的包層直徑為80 μ m且該第二高雙折射光纖僅置于溫度場中。
全文摘要
一種光纖通信技術(shù)領(lǐng)域的雙并聯(lián)高雙折射光纖sagnac干涉環(huán)多參數(shù)傳感器，包括依次串 聯(lián)的寬譜光源、波長選擇開關(guān)、高雙折射光纖sagnac干涉環(huán)、光纖合波器和光譜分析儀，雙折射光纖sagnac干涉環(huán)由兩個耦合器和兩個偏振控制器組成。本發(fā)明通過波長選擇開關(guān)將兩個高雙折射sagnac干涉環(huán)并聯(lián)起來作為光纖傳感器，能同時實(shí)現(xiàn)溫度和應(yīng)變測量，具有結(jié)構(gòu)簡單、成本低和測量精度高的優(yōu)點(diǎn)。
文檔編號G02B6/293GK102183318SQ20111005407
公開日2011年9月14日 申請日期2011年3月8日 優(yōu)先權(quán)日2011年3月8日
發(fā)明者史杰, 朱敏, 畢美華, 眭程樂, 肖石林, 陳荷 申請人:上海交通大學(xué)