專利名稱：光學(xué)詢問系統(tǒng)和傳感器系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種光學(xué)詢問系統(tǒng)以及包括該光學(xué)詢問系統(tǒng)的光學(xué)傳感器系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
兩種使用最廣泛的詢問多光柵陣列中光柵的方法是波分復(fù)用(WDM)和時分復(fù)用(TDM)。在基于WDM系統(tǒng)的情況下，陣列中的每個光柵被制造成具有不同的諧振波長，這些波長位于不同的波長窗口中。連續(xù)波寬頻帶光源用于同時照明所有的光柵，由此得到的來自每個光柵的反射信號同時存在于提供給波長測量系統(tǒng)的輸出頻譜中。因此波長測量系統(tǒng)必須能夠同時測量多個波長。這是掃描儀器如光學(xué)頻譜分析器的固有特征，但是對于像波長計(jì)這樣的儀器存在問題。基于WDM系統(tǒng)的另一個缺點(diǎn)是隨著陣列中光柵數(shù)目的增加，光源和波長測量系統(tǒng)的所需操作帶寬也增加。
相反，基于TDM的系統(tǒng)通常允許陣列中的所有光柵位于相同的波長窗口中，這些光柵通過脈沖光源照明。在最簡單的基于TDM的系統(tǒng)中，發(fā)射到光纖一個端部中的單個短的寬頻帶脈沖將在時間上特定的時刻到達(dá)陣列中特定的光柵。該光柵反射部分光學(xué)脈沖，該反射信號沿著光纖向光源和波長測量系統(tǒng)傳播回去。從陣列中其他光柵反射的脈沖在不同的時間到達(dá)測量系統(tǒng)，這是因?yàn)樗鼈儌鞑チ瞬煌穆烦?。每個光柵的絕對波長的區(qū)分利用了光在光纖中以每秒大約200,000,000米的可計(jì)算速率傳播的這個事實(shí)。操作基于TDM系統(tǒng)的這種類型的困難在于它需要可以以高速工作的波長測量系統(tǒng)。這是因?yàn)槊總€反射脈沖的波長必須在下一個脈沖到達(dá)之前被確定。由于光的速率和典型的光柵間距，反射脈沖一般僅相隔納秒。
一種可供選擇的不依賴高速波長確定的TDM技術(shù)利用單個已知波長的短光學(xué)脈沖。陣列中僅諧振波長與脈沖波長匹配的光柵反射脈沖。通過改變脈沖之間的光學(xué)信號的波長，光柵陣列的全頻譜可以被掃描，以及每個光柵的波長被確定。利用這種TDM技術(shù)的缺點(diǎn)在于它需要高速光電二極管來檢測反射脈沖以及需要高速信號處理電子設(shè)備。需要具有掃描光源如可調(diào)諧激光二極管或?qū)掝l帶光源和掃描濾波器也是一個問題，因?yàn)檫@些裝置通常很龐大和昂貴。
所有這些光柵詢問系統(tǒng)面對的問題在于得到高功率寬頻帶光源是困難的。由于寬頻帶源就其本性而言覆蓋大范圍的波長，因此在任一波長處的功率通常非常低(一般-30dB/nm)。在基于TDM系統(tǒng)中，這個問題變得復(fù)雜，因?yàn)閮H具有長脈沖間延遲的短脈沖在測量系統(tǒng)處接收，從而導(dǎo)致由測量系統(tǒng)接收的平均光功率的進(jìn)一步(通常深度的)減小。
為了最大化可用的功率，因此確保陣列中光柵的反射率非常大是必要的。增加的光柵反射率增加了測量系統(tǒng)處的可用信號，但是具有的缺點(diǎn)在于限制了可以存在于陣列中的光柵的總數(shù)量。這是因?yàn)槿肷涿}沖必須通過陣列中的每個光柵，因此該脈沖的一些功率在從光柵反射回時發(fā)生損耗。脈沖通過的光柵越多，越多的功率發(fā)生損耗。此外，向測量系統(tǒng)傳播回去的來自光柵的反射光的功率也會衰減，這是因?yàn)樵谒旧砗蜏y量系統(tǒng)之間來自其他光柵的進(jìn)一步反射。
對于10％或更高反射率的光柵，功率的減小速率可以是驚人的。這可以將陣列中光柵的總數(shù)量限制到約5至10，并且可以意味著測量系統(tǒng)必須能夠處理寬范圍的輸入光功率級。在基于TDM的傳感器系統(tǒng)中使用高反射率光柵的另一個缺點(diǎn)為由于所照明光學(xué)脈沖的多次反射引起的顯著的干擾可能發(fā)生。
光學(xué)詢問系統(tǒng)的第二種類型為光時域反射計(jì)(OTDR)。在OTDR中，光源(發(fā)光二極管或激光二極管)開啟一段短時間，以產(chǎn)生輸出光學(xué)脈沖。在試驗(yàn)中，光沿例如部分光纖傳播，并從光纖內(nèi)任意反射點(diǎn)反射。反射點(diǎn)通常為光纖中的斷線或光學(xué)元件如插入線連接器。反射也可以由一般的光纖反向散射引起。反射信號在檢測器處被記錄為一系列脈沖。反射脈沖相對于輸出光學(xué)脈沖的時限確定沿光纖的斷線或元件的位置。反射光學(xué)信號的大小取決于反射點(diǎn)的類型。例如，來自扁平插入線連接器的反射為大約4％，而來自斷裂光纖的反射量小于4％。
利用現(xiàn)有OTDR技術(shù)的主要問題在于它需要非?？斓男盘柼幚黼娮釉O(shè)備，以便區(qū)別不同反射脈沖的到達(dá)時間?？焖匐娮釉O(shè)備的使用意味著反射脈沖大小的測量精確度低。此外，反射光學(xué)信號通常具有低的光功率，從而導(dǎo)致低的信噪比。
光學(xué)放大和選通裝置優(yōu)選為能夠進(jìn)行開關(guān)操作的光學(xué)放大裝置；當(dāng)接通時光學(xué)放大和選通裝置傳輸和放大光學(xué)信號，當(dāng)斷開時光學(xué)信號的傳輸和放大被阻止。光學(xué)放大和選通裝置優(yōu)選雙向可操作，最優(yōu)選包括半導(dǎo)體光學(xué)放大器，其可以被增益箝位。詢問系統(tǒng)優(yōu)選進(jìn)一步包括用于光學(xué)放大和選通裝置的驅(qū)動設(shè)備，所述驅(qū)動設(shè)備可操作為使光學(xué)放大和選通裝置接通和斷開。
驅(qū)動設(shè)備優(yōu)選可操作為產(chǎn)生可變頻率和持續(xù)時間的電驅(qū)動脈沖。驅(qū)動設(shè)備可以產(chǎn)生多對電驅(qū)動脈沖。作為選擇，驅(qū)動設(shè)備可以產(chǎn)生多對電驅(qū)動脈沖流。進(jìn)一步作為選擇，驅(qū)動設(shè)備可以產(chǎn)生電驅(qū)動脈沖的連續(xù)流，這些脈沖具有選定的頻率并且每個脈沖具有相同的持續(xù)時間。電驅(qū)動脈沖的持續(xù)時間優(yōu)選短于光學(xué)信號在最接近的相鄰反射光學(xué)元件之間傳播所需時間的兩倍。
驅(qū)動設(shè)備可以包括由可變頻率振蕩器觸發(fā)的電脈沖產(chǎn)生器，或者作為選擇，可以包括數(shù)字可編程電脈沖產(chǎn)生設(shè)備。
多個光學(xué)放大和選通裝置可以設(shè)置成每個光學(xué)耦合到各自的光波導(dǎo)，其包含一個或多個將被詢問的反射光學(xué)元件。優(yōu)選地，每個光學(xué)放大和選通裝置通過單個驅(qū)動設(shè)備控制，該驅(qū)動設(shè)備選擇性連接到光波導(dǎo)的各自的光學(xué)放大和選通裝置，所述光波導(dǎo)包含將被詢問的選定反射光學(xué)元件。
光源優(yōu)選包括光學(xué)放大和選通裝置，其中當(dāng)光學(xué)放大和選通裝置接通時，它同時以放大的自發(fā)發(fā)射的形式產(chǎn)生光學(xué)信號，并將該光學(xué)信號選通為光學(xué)脈沖。此外，光源可以包括設(shè)置在光學(xué)放大和選通裝置以及光波導(dǎo)之間的濾光器。
作為選擇，光源可以包括連續(xù)波光源，其可操作為產(chǎn)生耦合到光學(xué)放大和選通裝置的連續(xù)波光學(xué)信號，其中當(dāng)光學(xué)放大和選通裝置接通和斷開時，它將連續(xù)波光學(xué)信號選通為光學(xué)脈沖。連續(xù)波光源可以為超發(fā)光光學(xué)二極管。此外，光源可以包括設(shè)置在連續(xù)波光源和光學(xué)放大和選通裝置之間，或者在光學(xué)放大和選通裝置和光波導(dǎo)之間的濾光器。
進(jìn)一步作為選擇，光源可以包括脈沖光源，其可操作為產(chǎn)生光學(xué)脈沖。此外，光源可以包括設(shè)置在脈沖光源之后的濾光器。詢問系統(tǒng)優(yōu)選進(jìn)一步包括光學(xué)耦合裝置，用于將光學(xué)脈沖耦合到光波導(dǎo)中。光學(xué)耦合裝置可以包括光波導(dǎo)路由器，如光波導(dǎo)耦合器，或者作為選擇，可以包括光學(xué)開關(guān)裝置。
濾光器優(yōu)選具有與將被詢問的一個或多個反射光學(xué)元件擁有的頻譜范圍基本匹配的傳輸分布，由此濾光器對脈沖的光學(xué)帶寬進(jìn)行波長限制。
在將被詢問的反射光學(xué)元件耦合到兩個或多個不同的光波導(dǎo)的地方，光源可以對于每個光波導(dǎo)進(jìn)行設(shè)置。作為選擇，可以使用單個光源，該光源經(jīng)由光學(xué)路由元件如光波導(dǎo)耦合器或光開關(guān)耦合到光波導(dǎo)。
光學(xué)檢測裝置可以包括光電檢測器。作為選擇，光學(xué)檢測裝置可以包括波長計(jì)算設(shè)備，其光學(xué)耦合到光學(xué)放大和選通裝置，并可操作為計(jì)算由光學(xué)放大和選通裝置傳輸?shù)姆祷毓鈱W(xué)脈沖的波長。
波長計(jì)算設(shè)備可以包括具有波長相關(guān)頻響特性的濾光器元件，其后面是光學(xué)檢測裝置如光電檢測器，來自光學(xué)檢測裝置的電輸出通過信號處理裝置進(jìn)行處理，該信號處理裝置可操作為確定已檢測光學(xué)信號的波長；光學(xué)放大和選通裝置的選通識別它返回自哪一個光柵，已過濾光學(xué)信號的光功率識別其波長。濾光器元件可以包括大的光學(xué)濾光器。作為選擇，濾光器可以包括光波導(dǎo)光柵，如啁啾布拉格光柵，其具有在光柵的頻譜分布上基本上隨著波長線性變化的反射率，或者傾斜光波導(dǎo)光柵，其具有在光柵的頻譜分布上隨著波長變化的耦合系數(shù)。
作為選擇，波長計(jì)算設(shè)備可以包括波長計(jì)或光學(xué)頻譜分析器；光學(xué)放大和選通裝置的選通識別光學(xué)信號返回自哪一個反射光學(xué)元件，波長計(jì)或光學(xué)頻譜分析器測量光學(xué)信號的波長。
詢問系統(tǒng)可以進(jìn)一步包括部分光波導(dǎo)，其耦合在光學(xué)放大和選通裝置和其各自的光波導(dǎo)之間，該光波導(dǎo)包含一個或多個將被詢問的反射光學(xué)元件。
作為選擇或另外，詢問系統(tǒng)可以進(jìn)一步包括光學(xué)信號路由裝置，其構(gòu)造成在詢問期間將從被詢問的反射光學(xué)元件返回的光學(xué)脈沖返回通過光學(xué)放大和選通裝置，并沿著朝向反射光學(xué)元件的方向發(fā)送。
光學(xué)信號路由裝置的存在使已經(jīng)從被詢問的反射光學(xué)元件反射的光學(xué)脈沖通過光學(xué)放大和選通裝置反射回去，返回到光波導(dǎo)中并返回到被詢問的反射光學(xué)元件，其中它再次被反射，等等。這樣，當(dāng)光學(xué)脈沖在詢問期間從反射光學(xué)元件來回循環(huán)，每次通過光學(xué)放大和選通裝置時，它經(jīng)歷多次放大。
光學(xué)信號路由裝置優(yōu)選包括光學(xué)反射器，其設(shè)置在光學(xué)放大和選通裝置之后，反射器的定位充分地接近于光學(xué)放大和選通裝置以確保光學(xué)信號從光學(xué)放大和選通裝置傳播到反射器并返回到光學(xué)放大和選通裝置所花費(fèi)的時間短于電驅(qū)動脈沖接通光學(xué)放大和選通裝置的持續(xù)時間。
光學(xué)反射器的反射頻譜分布優(yōu)選覆蓋與將被詢問的一個或多個反射光學(xué)元件擁有的頻譜范圍相同的頻譜范圍。光學(xué)反射器可以具有小于100％的反射率，由此傳輸部分光學(xué)信號，其然后被發(fā)送到波長計(jì)算設(shè)備。光學(xué)反射器可以耦合到光學(xué)信號分流元件，如光波導(dǎo)耦合器，由此使光學(xué)反射器能夠具有達(dá)到100％的反射率，部分從光學(xué)反射器反射的光學(xué)信號被分流并發(fā)送到波長計(jì)算設(shè)備。
作為選擇，詢問系統(tǒng)可以進(jìn)一步包括一系列光學(xué)反射器，其設(shè)置在光學(xué)放大和選通裝置之后，每個反射器位于離光學(xué)放大和選通裝置不同的位置處，最遠(yuǎn)反射器的定位充分接近于光學(xué)放大和選通裝置，以確保光學(xué)信號從光學(xué)放大和選通裝置傳播到最遠(yuǎn)反射器并返回到光學(xué)放大和選通裝置所花費(fèi)的時間短于電驅(qū)動脈沖接通光學(xué)放大和選通裝置的持續(xù)時間。每個光學(xué)反射器的反射頻譜分布優(yōu)選覆蓋不同的頻譜范圍。
光學(xué)反射器或每個光學(xué)反射器優(yōu)選為光波導(dǎo)光柵，最優(yōu)選為布拉格光柵。
作為選擇，光學(xué)信號路由裝置可以包括第二光波導(dǎo)，其在耦合到一個或多個反射光學(xué)元件的光波導(dǎo)和光學(xué)放大和選通裝置之間延伸，并光學(xué)耦合到上述光波導(dǎo)和光學(xué)放大和選通裝置，以便光學(xué)脈沖僅沿著朝向一個或多個反射光學(xué)元件的一個方向傳播通過光學(xué)放大和選通裝置。
此外，詢問系統(tǒng)可以包括濾光器，其設(shè)置在波長計(jì)算設(shè)備的前面(當(dāng)通過光學(xué)信號看時)，濾光器具有基本上與將被詢問的一個或多個反射光學(xué)元件擁有的頻譜范圍匹配的傳輸分布，由此濾光器基本上去除在一個或多個反射光學(xué)元件的頻譜范圍之外波長處的返回光學(xué)信號的任何部分。
光波導(dǎo)或每個光波導(dǎo)可以為光纖或平面光波導(dǎo)。
根據(jù)本發(fā)明的第二方面，提供一種光學(xué)傳感器系統(tǒng)，其包括光波導(dǎo)，其在一個端部處耦合到一個或多個反射光學(xué)元件；所述光波導(dǎo)在其另一端部耦合到根據(jù)本發(fā)明第一方面的光學(xué)詢問系統(tǒng)。
光學(xué)傳感器系統(tǒng)優(yōu)選包括光波導(dǎo)，其耦合到光波導(dǎo)光柵的彼此隔開的陣列。陣列中每個光柵的諧振波長優(yōu)選在相同的波長窗口中，由此所有的光柵在單個光學(xué)通道中操作。
作為選擇，陣列中的光柵可以布置成組的形式，每組包含基本上相同的一組光柵，一組中每個光柵的諧振波長位于不同的波長窗口中，從而在不同的光學(xué)通道中操作，以至于返回光學(xué)脈沖的行程時間識別被詢問的光柵屬于哪一組。
傳感器系統(tǒng)可以包括多個光波導(dǎo)，每個包含光波導(dǎo)光柵的彼此隔開的陣列，每個光波導(dǎo)耦合到各自的光學(xué)放大和選通裝置。
光波導(dǎo)或每個光波導(dǎo)可以為光纖或平面光波導(dǎo)。陣列光波導(dǎo)光柵優(yōu)選為布拉格光柵。
作為選擇，反射光學(xué)元件或每個反射光學(xué)元件可以包括Fabry-Perot標(biāo)準(zhǔn)器，其可以為大的光學(xué)Fabry-Perot標(biāo)準(zhǔn)器，光纖Fabry-Perot標(biāo)準(zhǔn)器，或者基于光波導(dǎo)光柵的Fabry-Perot標(biāo)準(zhǔn)器。進(jìn)一步作為選擇，反射光學(xué)元件或每個反射光學(xué)元件可以包括光纖的端部，其可以為鏡面端部，光纖插入線的端部，一部分光纖中的斷線，基于晶體的反射光學(xué)元件，或鏡元件。


現(xiàn)在將參考所附附圖詳細(xì)描述本發(fā)明的具體實(shí)施例，這些實(shí)施例僅作為例子，其中圖1(a)為根據(jù)本發(fā)明第一實(shí)施例的光學(xué)詢問系統(tǒng)和根據(jù)本發(fā)明第二實(shí)施例的光學(xué)傳感器系統(tǒng)的圖示；圖1(b)為適合于在圖1(a)的詢問系統(tǒng)中使用的數(shù)字可編程選擇驅(qū)動裝置的示意表示；圖2為根據(jù)本發(fā)明第三實(shí)施例的光學(xué)詢問系統(tǒng)和根據(jù)本發(fā)明第四實(shí)施例的光學(xué)傳感器系統(tǒng)的圖示；圖3為當(dāng)多個脈沖在光學(xué)傳感器系統(tǒng)中傳播時發(fā)生的干擾的圖解說明；圖4為根據(jù)本發(fā)明第五實(shí)施例的光學(xué)詢問系統(tǒng)和根據(jù)本發(fā)明第六實(shí)施例的光學(xué)傳感器系統(tǒng)的圖示；圖5為根據(jù)本發(fā)明第七實(shí)施例的光學(xué)詢問系統(tǒng)和根據(jù)本發(fā)明第八實(shí)施例的光學(xué)傳感器系統(tǒng)的圖示；圖6為根據(jù)本發(fā)明第九實(shí)施例的光學(xué)詢問系統(tǒng)和根據(jù)本發(fā)明第十實(shí)施例的光學(xué)傳感器系統(tǒng)的圖示；圖7為根據(jù)本發(fā)明第十一實(shí)施例的光學(xué)詢問系統(tǒng)和根據(jù)本發(fā)明第十二實(shí)施例的光學(xué)傳感器系統(tǒng)的圖示；
圖8為圖7的波長計(jì)算設(shè)備的圖示；圖9為根據(jù)本發(fā)明第十三實(shí)施例的光學(xué)詢問系統(tǒng)和根據(jù)本發(fā)明第十四實(shí)施例的光學(xué)傳感器系統(tǒng)的圖示；圖10為根據(jù)本發(fā)明第十五實(shí)施例的光學(xué)詢問系統(tǒng)和根據(jù)本發(fā)明第十六實(shí)施例的光學(xué)傳感器系統(tǒng)的圖示；圖11為根據(jù)本發(fā)明第十七實(shí)施例的光學(xué)詢問系統(tǒng)和根據(jù)本發(fā)明第十八實(shí)施例的光學(xué)傳感器系統(tǒng)的圖示；圖12為根據(jù)本發(fā)明第十九實(shí)施例的光學(xué)詢問系統(tǒng)和根據(jù)本發(fā)明第二十實(shí)施例的光學(xué)傳感器系統(tǒng)的圖示；圖13為施加到圖12的SOA的電驅(qū)動脈沖的圖示；圖14為根據(jù)本發(fā)明第二十一實(shí)施例的光學(xué)詢問系統(tǒng)和根據(jù)本發(fā)明第二十二實(shí)施例的光學(xué)傳感器系統(tǒng)的圖示；圖15為根據(jù)本發(fā)明第二十三實(shí)施例的光學(xué)詢問系統(tǒng)和根據(jù)本發(fā)明第二十四實(shí)施例的光學(xué)傳感器系統(tǒng)的圖示；圖16為根據(jù)本發(fā)明第二十五實(shí)施例的光學(xué)詢問系統(tǒng)和根據(jù)本發(fā)明第二十六實(shí)施例的光學(xué)傳感器系統(tǒng)的圖示；圖17為根據(jù)本發(fā)明第二十七實(shí)施例的光學(xué)詢問系統(tǒng)和根據(jù)本發(fā)明第二十八實(shí)施例的光學(xué)傳感器系統(tǒng)的圖示；圖18為根據(jù)本發(fā)明第二十九實(shí)施例的光學(xué)詢問系統(tǒng)和根據(jù)本發(fā)明第三十實(shí)施例的光學(xué)傳感器系統(tǒng)的圖示；圖19為根據(jù)本發(fā)明第三十一實(shí)施例的光學(xué)詢問系統(tǒng)和根據(jù)本發(fā)明第三十二實(shí)施例的光學(xué)傳感器系統(tǒng)的圖示；圖20為根據(jù)本發(fā)明第三十三實(shí)施例的光學(xué)傳感器系統(tǒng)的圖示；圖21為根據(jù)本發(fā)明第三十四實(shí)施例的光學(xué)詢問系統(tǒng)的圖示；圖22為根據(jù)本發(fā)明第三十五實(shí)施例的光學(xué)詢問系統(tǒng)的圖示；圖23為根據(jù)本發(fā)明第三十六實(shí)施例的光學(xué)詢問系統(tǒng)的圖示；圖24為根據(jù)本發(fā)明第三十七實(shí)施例的光學(xué)詢問系統(tǒng)的圖示；圖25為根據(jù)本發(fā)明第三十八實(shí)施例的光學(xué)詢問系統(tǒng)的圖示；具體實(shí)施方式
本發(fā)明第一實(shí)施例提供一種光學(xué)詢問系統(tǒng)10，如圖1(a)所示。詢問系統(tǒng)10包括光源12，其可操作為產(chǎn)生耦合到光波導(dǎo)16中的光學(xué)脈沖，光波導(dǎo)16包含將被詢問的反射光學(xué)元件，在該例子中為光柵G。詢問系統(tǒng)10進(jìn)一步包括光學(xué)放大和選通裝置，其在該例子中采取雙向可操作半導(dǎo)體光學(xué)放大器(SOA)14的形式。SOA 14光學(xué)耦合到包含將被詢問的光柵G的波導(dǎo)16。詢問系統(tǒng)10還包括光學(xué)檢測裝置，其在該例子中采取光學(xué)耦合到SOA 14的波長計(jì)18的形式。波長計(jì)18可操作為計(jì)算由SOA 14傳輸?shù)姆祷毓鈱W(xué)脈沖的波長。
在該例子中，光源包括以超發(fā)光二極管(SLD)12形式的連續(xù)波(CW)光源，其中連續(xù)波通過SOA 14選通為光學(xué)脈沖。SLD 12的輸出經(jīng)由信號分離裝置的端口A和B耦合到SOA 14，所述信號分離裝置在該例子中為光纖耦合器20但是作為選擇可以是循環(huán)器。
詢問系統(tǒng)10進(jìn)一步包括驅(qū)動裝置22，其可操作為使SOA 14接通和斷開。SOA通常在單個或多通道通信網(wǎng)路中完全作為放大器，其中它們以“連續(xù)接通”的模式工作，并由DC電驅(qū)動信號驅(qū)動。在本發(fā)明中，SOA 14以脈沖驅(qū)動模式工作，并要求以納秒開關(guān)時間工作。
驅(qū)動裝置22產(chǎn)生電驅(qū)動脈沖(見插圖(a))，其被施加到SOA 14上。在該例子中，驅(qū)動裝置22包括由可變頻率振蕩器(未示出)觸發(fā)的電脈沖產(chǎn)生器。可變頻率振蕩器可以利用直接數(shù)字合成(DDS)或者頻率合成器集成電路構(gòu)造，其中在微處理器的控制下數(shù)字式地進(jìn)行頻率選擇。脈沖產(chǎn)生器可以根據(jù)模擬或數(shù)字延遲線，簡單的RC時序電路或邏輯門延遲來構(gòu)造。
作為選擇，驅(qū)動裝置22包括單個可編程裝置，其可操作為數(shù)字式地執(zhí)行可變頻率振蕩器、延遲產(chǎn)生器和脈沖產(chǎn)生器的功能。適當(dāng)?shù)臄?shù)字可編程驅(qū)動裝置22在圖1(b)中示出。脈沖之間的頻率、持續(xù)時間和延遲可以控制到石英晶體精確度。利用典型的200MHZ的時鐘頻率，至少5ns的時限分辨率是可能的。使用多相位時鐘的更先進(jìn)設(shè)計(jì)將進(jìn)一步增加時限分辨率。
當(dāng)電驅(qū)動脈沖施加到SOA 14時，SOA 14接通，允許入射的光學(xué)信號通過SOA 14傳輸和放大。當(dāng)沒有電功率施加到SOA 14時，SOA 14斷開并具有高的光學(xué)吸收作用，由此基本上防止了入射光學(xué)信號的傳輸。由此，SOA 14可操作為選擇性傳輸光學(xué)信號，特別是在詢問期間從光柵G返回的光學(xué)脈沖。
通過將一系列電驅(qū)動脈沖，在該例子中為一系列驅(qū)動脈沖對施加到SOA 14，來自SLD 12的CW光學(xué)信號由此被選通為一系列光學(xué)脈沖。當(dāng)光學(xué)信號傳播通過SOA 14時，它經(jīng)歷光學(xué)放大。光學(xué)脈沖的近似空間長度(對于標(biāo)準(zhǔn)的單模光纖波導(dǎo))選擇為每1ns約0.2米。
為了詢問一個或多個反射光學(xué)元件，詢問系統(tǒng)10耦合到包含一個或多個將被詢問的反射光學(xué)元件的光波導(dǎo)。在該例子中，所示的詢問系統(tǒng)10耦合到包括傳感部分24的光纖16，在該傳感部分24中設(shè)有光纖布拉格光柵(G1到Gn)的陣列。詢問系統(tǒng)10和光柵陣列一起形成根據(jù)本發(fā)明第二實(shí)施例的光學(xué)傳感器系統(tǒng)26，陣列中每個光柵G形成一個傳感元件。每個光柵G的諧振波長在該例子中基本上相同，因此每個光柵G在相同的光學(xué)通道中操作。在該例子中，光柵G具有2.5mm的長度，1550nm的諧振波長，0.2nm的頻譜帶寬和4％的傳輸損耗。圖1(a)中示出的四個光柵傾向于說明一直到n個光柵的陣列，其中n可以達(dá)到100。
光波導(dǎo)光柵特別是光纖布拉格光柵作為傳感器的使用對于所屬領(lǐng)域的技術(shù)人員是公知的，因此它們的操作和使用在此不進(jìn)行詳細(xì)描述。
操作中，將第一電驅(qū)動脈沖施加到SOA 14上產(chǎn)生第一光學(xué)脈沖，其耦合到光纖16中。當(dāng)光學(xué)脈沖沿光纖16傳播時，它依次遇到陣列中的每個光柵G，部分脈沖通過每個光柵反射。只要入射光學(xué)脈沖的空間長度不長于陣列中光柵之間的最小空間距離的兩倍，則結(jié)果將會是一系列反射光學(xué)脈沖，每個具有相似于初始光學(xué)脈沖的長度，但根據(jù)每個來自它們各自光柵G的反射光學(xué)脈沖的總傳播時間的不同而在時間和空間上分離。向SOA 14傳播回去的反射光學(xué)脈沖因此在不同的時間到達(dá)SOA 14。每個反射光學(xué)脈沖的行程時間因此識別它反射自哪一個光柵。
本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解，CW光源，SLD 12可以由脈沖光源代替。然后，施加到SOA 14的電驅(qū)動脈沖的時限可以進(jìn)行調(diào)整，以允許由脈沖光源產(chǎn)生的選定的一個光學(xué)脈沖發(fā)射到光纖16中。
對于詢問的具體反射光學(xué)元件，在該例子中為光柵G的選擇通過調(diào)整電驅(qū)動脈沖之間的時間間隔T1來實(shí)現(xiàn)。電驅(qū)動脈沖的頻率設(shè)置成每對中的第一和第二脈沖之間的周期T1等于由來自SOA 14的第一驅(qū)動脈沖產(chǎn)生的光學(xué)脈沖傳播到圖1(a)中的選定光柵G1，并如箭頭28所示返回的行程時間。因此，當(dāng)反射光學(xué)脈沖(來自光柵G1)返回到達(dá)SOA 14時，SOA 14從驅(qū)動裝置22接收第二電驅(qū)動脈沖。結(jié)果，當(dāng)反射脈沖到達(dá)時SOA 14接通，允許反射脈沖傳輸通過SOA14，同時反射脈沖被放大。任何在SOA 14接通之前或之后到達(dá)的反射光學(xué)脈沖，即來自陣列中另一光柵的反射光學(xué)脈沖將被吸收，從而不會被傳輸。光學(xué)脈沖的持續(xù)時間選擇為短于光學(xué)脈沖在陣列中最接近的相鄰光柵之間的行程時間的兩倍。
然后，選通的反射光學(xué)脈沖經(jīng)由耦合器20的端口B和C從SOA 14發(fā)送到波長計(jì)18，其中反射光學(xué)脈沖的波長，從而被詢問的光柵G1的波長被測量和記錄。
將第二電驅(qū)動脈沖施加到SOA 14上除選通反射光學(xué)脈沖之外，還具有另一效果第二光學(xué)脈沖產(chǎn)生并耦合到光纖16中。
在僅有兩個電驅(qū)動脈沖用于驅(qū)動SOA 14時，如上所述，僅有一個反射光學(xué)脈沖返回到達(dá)波長測量系統(tǒng)。這單獨(dú)可以是有用的，但需要快的波長測量系統(tǒng)，其可以根據(jù)單個脈沖進(jìn)行測量。作為選擇，可以使用一系列電驅(qū)動脈沖對。必須在驅(qū)動脈沖對之間允許充足的時間，以允許由施加到SOA 14的第二電驅(qū)動脈沖產(chǎn)生的第二光學(xué)脈沖通過光柵反射并通過SOA 14吸收，由此將其從系統(tǒng)中去除并避免與隨后的光學(xué)脈沖發(fā)生干擾。
根據(jù)本發(fā)明第三實(shí)施例的光學(xué)詢問系統(tǒng)30如圖2所示。詢問系統(tǒng)30基本上與根據(jù)本發(fā)明第一實(shí)施例的詢問系統(tǒng)10相同，但具有下述改變。相同的附圖標(biāo)記保持相應(yīng)的特征。
在該例子中，驅(qū)動裝置22可操作為產(chǎn)生一系列電驅(qū)動脈沖，如插圖(a)所示。每個電驅(qū)動脈沖具有相同的持續(xù)時間，脈沖之間的周期為常數(shù)。電驅(qū)動脈沖的持續(xù)時間選擇為不長于光學(xué)信號在陣列中最接近的相鄰反射光學(xué)元件，即光柵G之間傳播所需時間的兩倍?？勺冾l率振蕩器的頻率，從而電驅(qū)動脈沖的頻率發(fā)生改變以便選擇陣列中用于詢問的具體光柵。選擇可變頻率振蕩器的頻率使得電驅(qū)動脈沖之間的周期T1等于光學(xué)脈沖從SOA 14到選定的光柵(在該例子中為G1)并返回到SOA 14的行程時間。對于SOA 14和選定光柵之間的每米光纖(假定標(biāo)準(zhǔn)光纖)，近似的數(shù)字為10ns。
在驅(qū)動裝置22的控制下，SOA 14因此以規(guī)則的間隔接通和斷開。SOA 14接通的每次，光學(xué)脈沖產(chǎn)生并發(fā)生到光纖16中，同時選通正確的反射光學(xué)脈沖，其然后傳播到波長計(jì)18，如上所述。
更重要的是在SOA 14之后，即使用中在SOA 14和包含將被詢問的反射光學(xué)元件(光柵G)的光纖16之間包括光波導(dǎo)的附加部分，在該例子中為光纖32的長度。包括光纖32的附加長度以去除在SOA 14處同時接收來自多于一個光柵G的反射光學(xué)脈沖引起的干擾的可能性。為了理解對此的原因，考慮圖3所示的情形，當(dāng)附加光纖32不存在且詢問系統(tǒng)30從SOA 14耦合到包含三個光柵(G1-3)的陣列的光纖中時，該光柵分隔的間距為1m。例如，如果詢問系統(tǒng)30設(shè)置成監(jiān)視第一光柵G1的波長，該光柵位于離SOA 141米處，將發(fā)生下述事件。
在時間T0時，第一電驅(qū)動脈沖施加到SOA 14，光學(xué)脈沖A產(chǎn)生并被發(fā)射到光纖16中，其中它向光柵G傳播。在時間TS后(其中TS≈5ns，為光學(xué)信號在標(biāo)準(zhǔn)光纖中傳播1m所花的時間)，部分光學(xué)脈沖A將反射離開第一光柵G1，該第一反射脈沖α向SOA 14傳播回去。剩余的光學(xué)脈沖A繼續(xù)向第二和第三光柵G2和G3傳播。
在時間2TS時，第二電驅(qū)動脈沖施加到SOA 14，使第二光學(xué)脈沖B產(chǎn)生并將其發(fā)射到光纖16中，其中它也向光柵G傳播。同時，第一反射脈沖α返回到達(dá)SOA 14。由于SOA 14接通(即選通開啟并放大)，因此該反射脈沖被傳輸并放大，如上所述。然后，第一反射脈沖α如預(yù)定的那樣傳播到波長計(jì)。然而，在該相同時間(2TS)，剩余的第一光學(xué)脈沖A到達(dá)第二光柵G2，其中部分將被反射，產(chǎn)生第二反射脈沖β。
在時間3TS時，剩余的第一光學(xué)脈沖A到達(dá)第三光柵G3，其中部分將被反射，產(chǎn)生第三反射脈沖γ。在該相同時間，第二光學(xué)脈沖B到達(dá)第一光柵G1，其中部分被反射，產(chǎn)生第四反射脈沖δ。同時，第二反射脈沖β返回到達(dá)第一光柵G1。部分第二反射脈沖β通過第一光柵G1反射，向第二光柵G2返回，而剩余的第二反射脈沖β傳輸通過第一光柵G1。第二反射脈沖β的傳輸部分因此與第四反射脈沖δ一起傳播。
在時間4TS時，第三電驅(qū)動脈沖施加到SOA 14，使第三光學(xué)脈沖C產(chǎn)生并將其發(fā)生到光纖16中。在該相同時間，第四反射脈沖δ(來自選定光柵G1)和第二反射脈沖β(來自第二光柵G2，即不是來自選定光柵)都到達(dá)SOA 14，其中它們將被傳輸和放大。結(jié)果為兩個反射光學(xué)信號到達(dá)波長測量設(shè)備。干擾將在兩個反射光學(xué)信號之間發(fā)生，這使得它們彼此基本上不能區(qū)分。
如果SOA 14和第一光柵G1之間的距離不長于陣列中第一和最后一個光柵之間的距離，那么這種類型的干擾同樣會發(fā)生，當(dāng)光柵均勻間隔時這種干擾最顯著。在SOA 14和光纖16之間包括光纖32的附加長度消除了這種類型干擾的最主要形式。附加光纖32的長度必須長于光柵陣列中將被詢問的第一和最后一個光柵之間的距離。仍然有可能發(fā)生3次反射干擾，但是如果光柵反射率值低，則這可以忽略，如下文更詳細(xì)地討論。
由于包括了光纖32的附加長度，一系列反射光學(xué)脈沖(從選定光柵反射)在波長計(jì)處接收，如圖2中的插圖(b)所示，對于產(chǎn)生并發(fā)射到光纖16中的每個光學(xué)脈沖存在一個反射脈沖。
如果光纖32的附加長度長于所需的最小長度，則將電驅(qū)動脈沖，從而光學(xué)脈沖的頻率增加到基本頻率的多倍是可能的。以該方式，在任意一個時間多于一個的光學(xué)脈沖將傳播到光纖16中。例如，為了將頻率增加到兩倍，則要求附加光纖32的長度至少為陣列中第一和最后一個光柵之間的距離的兩倍。
因此，提供光纖32的附加長度確保了對于每個由SOA 14產(chǎn)生、并發(fā)射到光纖16中的光學(xué)脈沖，一個反射光學(xué)脈沖輸送到波長計(jì)。
本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解，光纖附加長度的使用在此描述是由于包含將被詢問的光柵陣列的光波導(dǎo)為光纖。在包含將被詢問的反射光學(xué)元件的光波導(dǎo)替換為平面光波導(dǎo)時，可以改為使用平面光波導(dǎo)的附加部分。
當(dāng)詢問系統(tǒng)30耦合到包含將被詢問的光柵G陣列的光纖16時，如上所述，它們一起形成根據(jù)本發(fā)明第四實(shí)施例的光纖光柵傳感器系統(tǒng)34。
圖4示出了根據(jù)本發(fā)明第五實(shí)施例的光學(xué)詢問系統(tǒng)40。本實(shí)施例的詢問系統(tǒng)40基本上與根據(jù)第三實(shí)施例的詢問系統(tǒng)30相同，但具有下述改變。相同的附圖標(biāo)記保持相應(yīng)的特征。
在該例子中，第三實(shí)施例的CW光源12由脈沖光源42所代替，該脈沖光源42可操作為產(chǎn)生光學(xué)脈沖。為了避免需要復(fù)雜的時限裝置以使SOA 14將來自脈沖光源的選定光學(xué)脈沖選通到光纖16中，脈沖光源耦合到SOA 14和光纖32的附加長度之間的光纖16。
在操作中，當(dāng)耦合到光波導(dǎo)如光纖16時，該光纖16包括設(shè)置了光柵陣列的傳感部分24，由脈沖光源42產(chǎn)生的光學(xué)脈沖經(jīng)由光學(xué)耦合器20的端口C和B耦合到附加光纖32中。然后，光學(xué)脈沖沿附加光纖32傳播并且從那里開始沿光纖16傳播，其中它們遇到并通過一個或多個光柵G反射。然后，反射光學(xué)脈沖經(jīng)由耦合器20的端口B和A沿光纖16和32傳播回到SOA 14。如上所述，從驅(qū)動裝置22施加到SOA 14的電驅(qū)動脈沖的頻率設(shè)置成選通(并放大)僅從陣列中選定的一個光柵G反射的那些脈沖。傳輸通過SOA 14的這些脈沖然后發(fā)送到波長測量設(shè)備18。
當(dāng)彼此耦合時，詢問設(shè)備40和光纖16中的反射光學(xué)元件陣列，在該例子中為光柵陣列，一起形成根據(jù)本發(fā)明第六實(shí)施例的光學(xué)傳感器系統(tǒng)44。
本發(fā)明第七實(shí)施例提供一種光學(xué)詢問系統(tǒng)50，如圖5所示。在該實(shí)施例中，詢問系統(tǒng)50進(jìn)一步包括第二SOA 52和光纖54的第二附加長度。第二SOA 52經(jīng)由耦合器20的端口A和D耦合到SLD 12。
第二SOA 52經(jīng)由第二附加光纖54耦合到第二光波導(dǎo)，其包含將被詢問的一個或多個反射光學(xué)元件，在該例子中第二光纖56包含光纖布拉格光柵(G21到G2n)陣列。
相同的驅(qū)動裝置22(由可變頻率振蕩器觸發(fā)的電脈沖，與前一樣)用于控制SOA 14，52。電開關(guān)58設(shè)置用于在任何具體時間選擇SOA 14和52中哪一個被驅(qū)動，由此選擇哪一個光柵陣列將被詢問。因此僅需要一個波長測量設(shè)備如波長計(jì)18，因?yàn)樵谌魏我粋€時間僅一個光柵陣列被選擇。
利用單個驅(qū)動裝置22和單個波長計(jì)18，該裝置從而允許多于一個光波導(dǎo)中的光柵被詢問。應(yīng)當(dāng)理解，通過提供經(jīng)由更復(fù)雜的光學(xué)路由元件耦合到SLD 12和波長計(jì)18的附加SOA，所述詢問系統(tǒng)50可以進(jìn)一步擴(kuò)大為詢問多于兩個光波導(dǎo)中的光柵。
一旦特定SOA 14，52和其各自的光柵陣列已經(jīng)通過電開關(guān)58的起動進(jìn)行選擇，則詢問系統(tǒng)50以與之前所述相同的方式操作。
本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解，結(jié)合光學(xué)脈沖源的SLD 12和SOA 14，52可以由脈沖光源所替代，如圖4所示。脈沖源類似地耦合到各個SOA 14，52和光纖32，54的附加長度之間的光纖16，56。單個脈沖源可以經(jīng)由單個耦合器的兩個輸出端口(B和D)耦合到兩個光纖16，56，或者兩個脈沖源可以經(jīng)由兩個單獨(dú)的耦合器耦合到它們各自的光纖16，56。
當(dāng)詢問系統(tǒng)50耦合到兩個光纖16，56時，所述光纖包含它們各自的光柵G11至G1n和G21至G2n陣列，詢問系統(tǒng)50和光纖16，56一起形成根據(jù)本發(fā)明第八實(shí)施例的光學(xué)傳感器系統(tǒng)60。
根據(jù)本發(fā)明第九實(shí)施例的光學(xué)詢問系統(tǒng)70在圖6中示出。本實(shí)施例的詢問系統(tǒng)70基本上與圖2所示的詢問系統(tǒng)30相同，但具有下述改變。相同的附圖標(biāo)記保持相應(yīng)的特征。
在該例子中，濾光器72設(shè)置在SLD 12和SOA 14之間。包括濾光器72是因?yàn)镾OA具有有限的最大總光功率輸出。結(jié)果，它們可以用于將包含波長的窄范圍的光學(xué)信號放大到比包含波長寬波段的光學(xué)信號更高的輸出級。濾光器72具有濾光功能，如插圖(a)所示，具有相應(yīng)于將被詢問的光柵G的操作范圍的頻譜范圍。結(jié)果，到達(dá)SOA 14的CW光學(xué)信號的帶寬僅覆蓋將被詢問的光柵G的最大調(diào)諧范圍。所有由SLD 12產(chǎn)生、落在光柵G的操作范圍外的CW光學(xué)信號中的波長被阻礙。將通過SOA 14選通為脈沖(并放大)的CW光學(xué)信號的帶寬的減少意味著SOA 14可以將脈沖放大到更高的平均光功率級。脈沖的更高光功率提高了詢問系統(tǒng)70的性能，具體地為在波長測量設(shè)備處的信噪比，并使詢問系統(tǒng)70能夠用于詢問較低的反射率光柵。
當(dāng)詢問系統(tǒng)70耦合到包含將被詢問的光柵G陣列的光纖16時，它們一起形成根據(jù)本發(fā)明第十實(shí)施例的光學(xué)傳感器系統(tǒng)74。
圖7示出了根據(jù)本發(fā)明第十一實(shí)施例的光波導(dǎo)詢問系統(tǒng)80。詢問系統(tǒng)80包括以SOA 82形式的光學(xué)放大和選通裝置以及波長計(jì)算設(shè)備86，SOA 82由驅(qū)動裝置84控制，該驅(qū)動裝置84基本上與圖1(a)和1(b)的驅(qū)動裝置22相同。
在該例子中，SOA 82除了為雙向可操作光學(xué)放大和選通裝置以外，還作為光源。當(dāng)SOA 82接收電驅(qū)動脈沖時，它同時以放大自發(fā)發(fā)射的形式產(chǎn)生光學(xué)信號，并將光學(xué)信號選通為光學(xué)脈沖。結(jié)果，完全去除之前實(shí)施例的CW寬頻帶光源是可能的，光學(xué)脈沖完全在SOA 82中產(chǎn)生并且不作為選通單獨(dú)的CW寬頻帶光學(xué)信號的結(jié)果。因此也不再需要之前實(shí)施例的耦合器。與之前實(shí)施例相比，這些改變減小了詢問系統(tǒng)80的成本，同時也節(jié)約了光功率，因?yàn)椴辉儆型ㄟ^耦合器的任何功率損耗。
當(dāng)耦合到包含一個或多個將被詢問的反射光學(xué)元件的光波導(dǎo)，在該例子中為包含光柵G1至Gn的陣列的光纖94時，SOA 82以與上述相同的方式操作，電驅(qū)動脈沖的頻率設(shè)置為選擇陣列中哪一個光柵將被詢問。
如圖8所示的波長計(jì)算設(shè)備86包括具有波長相關(guān)頻響特性(見插圖(a))的濾光元件88，之后為以光電檢測器90形式的光學(xué)檢測裝置。光電檢測器90的電輸出連接到信號處理裝置92，其可操作為確定已檢測光學(xué)信號的波長。已濾光反射光學(xué)脈沖的光功率識別反射脈沖的波長，因此識別被詢問的光柵的波長。
當(dāng)詢問系統(tǒng)80耦合到包含將被詢問的光柵G陣列的光纖94時，它們一起形成根據(jù)本發(fā)明第十二實(shí)施例的光學(xué)傳感器系統(tǒng)96。類似于之前實(shí)施例的設(shè)置在光纖16和56中的光柵陣列，每個光柵G的諧振波長基本上相同，每個光柵G再次操作在相同的光學(xué)通道中。
圖9所示實(shí)施例的詢問系統(tǒng)100基本上與之前實(shí)施例的詢問系統(tǒng)80相同，但具有下述改變。相同的附圖標(biāo)記保持相應(yīng)的特征。
在該例子中，類似于圖4所示的詢問系統(tǒng)40，SOA 82僅作為光學(xué)放大和選通裝置，寬頻帶光學(xué)脈沖由單獨(dú)的脈沖光源102產(chǎn)生。脈沖光源102在SOA 82之后經(jīng)由光學(xué)耦合器104耦合到詢問系統(tǒng)100中。這意味著當(dāng)詢問系統(tǒng)100耦合到包含將被詢問的光柵G陣列的光纖94時，由脈沖光源102產(chǎn)生的光學(xué)脈沖耦合到光纖94中，而不通過SOA82，如上文關(guān)于圖4的描述。
當(dāng)詢問系統(tǒng)100耦合到包含將被詢問的光柵G陣列的光纖94時，它們一起形成根據(jù)本發(fā)明第十四實(shí)施例的光學(xué)傳感器系統(tǒng)106。
圖10示出了根據(jù)本發(fā)明第十五實(shí)施例的詢問系統(tǒng)110。詢問系統(tǒng)110基本上與第十一實(shí)施例的詢問系統(tǒng)80相同，但具有下述改變。相同的附圖標(biāo)記保持相應(yīng)的特征。
在本實(shí)施例中，類似于圖2，4，5和6中示出的詢問系統(tǒng)30，40，50，70，光波導(dǎo)的附加部分，在該例子中為光纖112的長度設(shè)置在SOA 82之后，即當(dāng)詢問系統(tǒng)110耦合到包含將被詢問的光柵G的光纖94時，附加光纖112設(shè)置在SOA82和光纖94之間。如上所述，包括該光纖112的附加長度以去除在SOA 82處同時接收來自多于一個光柵G的反射光學(xué)脈沖引起的干擾的可能性，由此使SOA82能夠通過電驅(qū)動脈沖的連續(xù)流驅(qū)動。
當(dāng)詢問系統(tǒng)110耦合到包含將被詢問的光柵G陣列的光纖94時，根據(jù)本發(fā)明第十六實(shí)施例的光學(xué)傳感器系統(tǒng)114形成。
根據(jù)本發(fā)明第十七實(shí)施例的光學(xué)詢問系統(tǒng)120如圖11所示。詢問系統(tǒng)120基本上與圖10所示的詢問系統(tǒng)110相同，但具有下述改變。相同的附圖標(biāo)記保持相應(yīng)的特征。
在該例子中，濾光器122設(shè)置在SOA 82和波長計(jì)算設(shè)備86之間。類似于在本發(fā)明第九實(shí)施例中存在的濾光器72，濾光器122具有頂帽濾波函數(shù)(在插圖(a)中示出)，其具有相應(yīng)于將被詢問的反射光學(xué)元件在該例子中為光柵的操作范圍的頻譜范圍。在其應(yīng)用中，濾光器122去除寬頻帶背景噪音(即位于將被詢問的光柵G的操作范圍之外的波長)，其存在于由SOA 82傳輸?shù)姆瓷涔鈱W(xué)信號中。背景噪音由SOA 82產(chǎn)生并當(dāng)它通過SOA 82傳輸(和放大)時增加到反射光學(xué)信號中。去除任何這種背景噪音將提高到達(dá)波長計(jì)算設(shè)備86的反射光學(xué)信號的信噪比。
通過將詢問設(shè)備120耦合到包含將被詢問的光柵G陣列的光纖94時，根據(jù)本發(fā)明第十八實(shí)施例的光學(xué)傳感器系統(tǒng)124形成。
圖12示出了根據(jù)本發(fā)明第十九實(shí)施例的詢問系統(tǒng)130。本實(shí)施例的詢問系統(tǒng)130基本上與圖10所示的詢問系統(tǒng)110相同，但具有下述改變。相同的附圖標(biāo)記保持相應(yīng)的特征。
詢問系統(tǒng)130包括在SOA 82和波長計(jì)算設(shè)備86之間的光學(xué)反射器，在該例子中以啁啾光纖布拉格光柵(CFBG)132的形式。CFBG 132具有小于100％的反射率，在該例子中為～99％。CFBG 132的功能為將反射光學(xué)脈沖的一部分(～99％)向SOA 82反射回去，并將剩余的反射光學(xué)脈沖(～1％)傳輸?shù)讲ㄩL計(jì)算設(shè)備86。
光學(xué)反射器的選擇取決于所需的操作特性。當(dāng)選擇使用哪種類型的光學(xué)反射器時一些設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)必須考慮到，如下所述具有高反射率的光學(xué)反射器的使用將減少循環(huán)的次數(shù)，該循環(huán)是反射光學(xué)脈沖到達(dá)其最大光功率之前必須通過系統(tǒng)進(jìn)行的循環(huán)。脈沖可以實(shí)現(xiàn)的最大光功率通過詢問系統(tǒng)130中的損耗以及SOA 82的光學(xué)飽和度和增益特性來確定。這在要求詢問系統(tǒng)130具有快速響應(yīng)的地方是優(yōu)點(diǎn)。此外，具有高反射光學(xué)反射器使詢問系統(tǒng)130能夠容忍系統(tǒng)中光學(xué)損耗的較高級。這意味著包含較大數(shù)目的反射光學(xué)元件和/或更弱反射的光學(xué)元件的陣列可以被詢問。
具有低于所述反射率的光學(xué)反射器的使用導(dǎo)致輸送到波長計(jì)算設(shè)備86的反射光學(xué)信號的較高比例。這可以減小詢問每個反射光學(xué)元件所需的時間長度，因?yàn)檩^高功率的光學(xué)信號將輸送到波長計(jì)算設(shè)備86。具有較高功率光學(xué)信號也使要求更高光學(xué)信號級的波長計(jì)算設(shè)備能夠使用。
如果光學(xué)反射器CFBG 132的頻譜帶寬僅覆蓋將被詢問的反射光學(xué)元件的操作范圍，那么僅該頻譜范圍中波長處的寬頻帶背景噪音被反射回到SOA 82中，用于進(jìn)一步放大。這在詢問期間將減小來自SOA 82的頻帶外信號的輸出，并將放大功率集中在由反射光學(xué)元件反射的波長上。
相反，利用具有覆蓋SOA 82的整個頻譜范圍的頻譜帶寬的光學(xué)反射器將減少傳輸?shù)讲ㄩL計(jì)算設(shè)備86的頻帶外的噪音量。這可以提高在波長計(jì)算設(shè)備86處的信噪比。
CFBG 132的定位充分接近(在光纖長度方面)于SOA 82，以確保傳播時間TR短于施加到SOA82的電驅(qū)動脈沖的持續(xù)時間TP(見插圖(a))，其中TR為反射光學(xué)脈沖從SOA 82傳播到CFBG 132并返回到SOA 82(如箭頭134所示)的時間。
在操作中，當(dāng)詢問系統(tǒng)130耦合到包含將被詢問的光柵G陣列的光纖94時，由SOA 82傳輸(并放大)的反射光學(xué)脈沖遇到反向反射CFBG 132，部分反射光學(xué)脈沖(～1％)傳輸?shù)讲ㄩL計(jì)算設(shè)備86，剩余的光學(xué)脈沖(～99％)向SOA82再反射回去。由于電驅(qū)動脈沖的持續(xù)時間(TP)，從而SOA 82接通的周期(也為TP)長于脈沖傳播時間TR，因此當(dāng)再反射光學(xué)脈沖返回到達(dá)SOA 82時SOA 82仍然接通(即選通仍然開啟)。第一再反射光學(xué)脈沖的持續(xù)時間(也為TP)也長于脈沖傳播時間TR，因此部分再反射光學(xué)脈沖再次傳輸通過SOA 82時經(jīng)歷進(jìn)一步放大，該部分再反射光學(xué)脈沖為長于脈沖傳播時間的光學(xué)脈沖的一部分。這在圖13中示出。
因此，傳播時間TR確定反射脈沖的能夠在詢問系統(tǒng)130中經(jīng)歷多次放大和反射(循環(huán))的部分。盡管SOA 82將一些寬頻帶背景噪音增加到反射光學(xué)脈沖中，但是在詢問期間由光柵反射的波長在再反射光學(xué)脈沖中占優(yōu)勢。因此，盡管如果施加到SOA 82的電驅(qū)動脈沖長于光學(xué)脈沖在被詢問的陣列中最接近的相鄰光柵之間傳播所花時間的兩倍，一些干擾將產(chǎn)生，但是由此得到的干擾明顯的小于由之前所述的光學(xué)脈沖不經(jīng)歷循環(huán)放大的詢問系統(tǒng)中所經(jīng)歷的干擾。因此，可以對CFBG 132和SOA 82之間的距離進(jìn)行調(diào)整，以允許使用較慢操作的SOA 82，或者驅(qū)動裝置84中較慢速度的電子設(shè)備。
離開SOA 82的再反射、再放大的光學(xué)脈沖包含由被詢問的光柵最初反射的波長，加上來自SOA 82的較低級寬頻帶背景噪音。光學(xué)脈沖沿光纖94向光柵G傳播，如前所述。再次一部分脈沖從陣列中的每個光柵反射，再次一系列反射光學(xué)脈沖(在時間和空間上分離)返回到達(dá)SOA 82。如前，當(dāng)SOA 82接通時僅一個反射光學(xué)脈沖到達(dá)，這是因?yàn)槠溆嗨忻}沖將在電驅(qū)動脈沖施加到SOA 82之前或之后到達(dá)。選定的光學(xué)脈沖通過SOA 82時被再次放大，并傳播到CFBG132，其中循環(huán)再次開始。
由被詢問的反射光學(xué)元件在該例子中為光纖光柵反射的波長的窄頻帶在通過SOA 82的來回循環(huán)路程中經(jīng)歷多次放大。由SOA 82產(chǎn)生的初始低功率的寬頻帶光學(xué)脈沖經(jīng)歷通過詢問系統(tǒng)130的多次循環(huán)，并且由于它每次通過SOA 82時的光學(xué)放大，因此快速形成為強(qiáng)的窄頻帶光學(xué)脈沖。光學(xué)脈沖可以實(shí)現(xiàn)的最終光功率取決于詢問系統(tǒng)130中的損耗特性和使用的SOA 82的飽和度和增益特性。
如前所述，用于詢問的陣列中特定光柵的選擇通過調(diào)整施加到SOA 82的電驅(qū)動脈沖的頻率來控制。選擇每個脈沖的持續(xù)時間以考慮到CFBG 132和SOA 82之間的光纖長度的作用。
當(dāng)詢問系統(tǒng)130耦合到包含將被詢問的光柵G陣列的光纖94時，根據(jù)本發(fā)明第二十實(shí)施例的光學(xué)傳感器系統(tǒng)136形成。
由于光學(xué)脈沖在詢問系統(tǒng)130中循環(huán)所經(jīng)歷的多次放大，因此非常強(qiáng)的光學(xué)脈沖可以產(chǎn)生，甚至當(dāng)被詢問的反射光學(xué)元件在該例子中為光柵具有非常低的反射率時。利用低反射率光柵意味著光學(xué)脈沖可以通過許多光柵，而在每個光柵處不會有顯著的功率損耗。3次反射干擾也顯示出對于低反射率光柵可以忽略。因此，在傳感器陣列中使用低反射率光柵使許多更多的光柵能夠包含在光學(xué)傳感器系統(tǒng)136中，并且光柵之間發(fā)生的干擾減少。
詢問系統(tǒng)130和光柵傳感器系統(tǒng)136的循環(huán)操作提供多種優(yōu)點(diǎn)。非常強(qiáng)、窄頻帶的光學(xué)脈沖可以在被詢問的光柵的諧振波長附近快速建立。對于多種類型的波長計(jì)算設(shè)備，這種強(qiáng)和窄波長的光學(xué)信號較容易進(jìn)行測量。
當(dāng)要求SOA 82放大強(qiáng)的窄頻帶光學(xué)信號時，由SOA 82產(chǎn)生的寬頻帶背景噪音減少。一旦反射光學(xué)脈沖在詢問系統(tǒng)130中經(jīng)歷了多次循環(huán)，并且主要的(所需的)光學(xué)信號建立，功率的轉(zhuǎn)移或變窄為主要(強(qiáng)反射)波長使寬頻帶背景噪音減小。這導(dǎo)致信噪比的進(jìn)一步增加。
圖14示出了根據(jù)本發(fā)明第二十一實(shí)施例的光學(xué)詢問系統(tǒng)140。詢問系統(tǒng)140基本上與之前實(shí)施例的詢問系統(tǒng)相同，但具有下述改變。相同的附圖標(biāo)記保持相應(yīng)的特征。
在該例子中，詢問系統(tǒng)進(jìn)一步包括以光纖耦合器142形式的光學(xué)路由裝置。耦合器142位于CFBG 144和SOA 82之間，CFBG 144經(jīng)由耦合器142的端口C和D耦合到SOA 82。波長計(jì)算設(shè)備86耦合到耦合器142的端口B。
這種新的光學(xué)裝置意味著它為由CFBG 144反射、并被傳輸?shù)讲ㄩL計(jì)算設(shè)備86的光學(xué)信號。因此，如果需要，CFBG 144現(xiàn)在可以被制成100％。如上所述，由CFBG 144覆蓋的頻譜范圍可以選擇為它僅覆蓋將被詢問的光柵的操作范圍。這意味著發(fā)送到波長計(jì)算設(shè)備86的光學(xué)信號僅包含位于CFBG 144的頻譜范圍中的波長。因此，通過波長計(jì)算設(shè)備看見的僅SOA產(chǎn)生的噪音位于CFBG 144的頻譜范圍(從而光柵G的操作范圍)中。在落在該頻譜范圍以外的波長處的所有光學(xué)信號將不通過CFBG 144反射，因此，不會到達(dá)波長計(jì)算設(shè)備86。這導(dǎo)致在波長計(jì)算設(shè)備86處的信噪比增加。
此外，由于CFBG 144的頻譜分布僅覆蓋將被詢問的光柵的操作頻譜范圍，因此CFBG 144的存在減少了由SOA82放大的頻帶外信號，由此提高其效率。
為了在詢問系統(tǒng)140中包括耦合器142，SOA 82和CFBG 144之間的最小分離距離必須增加。因此，施加到SOA 82的電驅(qū)動脈沖的持續(xù)時間也必須增加。耦合器142的存在將導(dǎo)致詢問系統(tǒng)140中光學(xué)損耗的增加。(通過端口A的)損耗量通過選定耦合器的耦合比(50∶50，60∶40等)來確定。選擇較低耦合比引起較低損耗，但是提供較低光學(xué)信號級到波長計(jì)算設(shè)備86。然而，詢問系統(tǒng)140中通過利用較高反射率CFBG 144產(chǎn)生的增加的增益以及由SOA 82經(jīng)歷的較低頻帶外噪音可以用于補(bǔ)償由耦合器142帶來的一些損耗。
當(dāng)詢問系統(tǒng)140耦合到包含將被詢問的光柵G陣列的光纖94時，它們一起形成根據(jù)本發(fā)明第二十二實(shí)施例的光學(xué)傳感器系統(tǒng)146。
根據(jù)本發(fā)明第二十三實(shí)施例的光學(xué)詢問系統(tǒng)在圖15示出。本實(shí)施例基本上與之前實(shí)施例相同，但具有下述改變。相同的附圖標(biāo)記保持相應(yīng)的特征。
在該例子中，耦合器142定位在SOA 82的另一側(cè)，并經(jīng)由端口A和B耦合在SOA 82和附加光纖112之間。結(jié)果，波長計(jì)算設(shè)備86直接從被詢問的光柵接收反射光學(xué)脈沖，脈沖首先不通過SOA 82。這意味著由波長計(jì)算設(shè)備86接收的反射光學(xué)脈沖不包含任何來自SOA 82的頻帶外噪音。傳輸?shù)讲ㄩL計(jì)算設(shè)備86的光學(xué)脈沖的信噪比因此提高。
當(dāng)詢問系統(tǒng)150耦合到包含將被詢問的光柵陣列的光纖94時，它們一起形成根據(jù)本發(fā)明第二十四實(shí)施例的光學(xué)傳感器系統(tǒng)152。
圖16示出了根據(jù)本發(fā)明第二十五實(shí)施例的光學(xué)詢問系統(tǒng)160，其基本上與圖14所示的詢問系統(tǒng)140相同，但具有下述改變。相同的附圖標(biāo)記保持相應(yīng)的特征。
由于耦合器142的存在，不是所有的詢問系統(tǒng)140(圖14)所需的增加的電驅(qū)動脈沖持續(xù)時間有助于循環(huán)反射光學(xué)信號的放大。電驅(qū)動脈沖的主要部分使從被詢問的光柵到達(dá)的反射光學(xué)信號通過開啟的SOA 82時被放大。電驅(qū)動脈沖的從動部分使從CFBG 144返回的再反射光學(xué)脈沖返回通過SOA 82向光柵G傳播時被進(jìn)一步放大。電驅(qū)動脈沖的中心部分沒有用于有用的目的，因?yàn)樵陔婒?qū)動脈沖的這部分期間，反射光學(xué)脈沖在SOA 82和CFBG 144之間傳播。因此，任何施加到SOA 82的電驅(qū)動脈沖在該時間產(chǎn)生不需要的噪音。該結(jié)果為延長的電驅(qū)動脈沖僅用于減小SOA 82的電效率，并降低詢問系統(tǒng)140的信噪比。
這種無效可以通過利用如圖16的插圖(a)所示的多對電驅(qū)動脈沖流來克服。SOA 82和CFBG 144之間經(jīng)由耦合器的總路徑長度然后變得決定性較小(在該例子中一般為兩米)。
每個電驅(qū)動脈沖的持續(xù)時間設(shè)定成短于光學(xué)脈沖在將被詢問的光柵陣列中最接近的相鄰光柵G之間傳播所花時間的兩倍，如上所述。對于脈沖對的完整循環(huán)的總重復(fù)周期(TT)等于反射光學(xué)脈沖在詢問期間從光柵傳播到CFBG 144所需時間的兩倍，如上所述。每對中兩個脈沖之間的周期(TR)設(shè)定成等于反射光學(xué)脈沖從SOA82傳播到CFBG 144，并返回到SOA 82所需的時間。
因此，代替具有其中中心區(qū)域沒有有用目的的單個寬電驅(qū)動脈沖，中心區(qū)域有效地被去除，剩下兩個短電驅(qū)動脈沖。當(dāng)反射光學(xué)脈沖從被詢問的光柵到達(dá)時，每對中第一電驅(qū)動脈沖用于接通SOA 82，由此傳輸和放大反射光學(xué)脈沖。當(dāng)再反射光學(xué)脈沖從CFBG 144返回到達(dá)時，第二電驅(qū)動脈沖再次接通SOA 82，由此傳輸(并放大)返回到被詢問光柵的光學(xué)脈沖。
將詢問系統(tǒng)160耦合到包含將被詢問的光柵G陣列的光纖94一起形成根據(jù)本發(fā)明第二十六實(shí)施例的光學(xué)傳感器系統(tǒng)162。
根據(jù)本發(fā)明第二十七實(shí)施例的光學(xué)詢問系統(tǒng)170在圖17示出。詢問系統(tǒng)170基本上與圖16所示的詢問系統(tǒng)160相同，但具有下述改變。相同的附圖標(biāo)記保持相應(yīng)的特征。
在之前實(shí)施例中，在將被詢問的反射光學(xué)元件陣列中具體位置處示出的一個反射光學(xué)元件的地方，實(shí)際上可能定位一組反射光學(xué)元件，在該例子中為光柵172。組中每個光柵172在不同的波長窗口中操作。本實(shí)施例的詢問系統(tǒng)170傾向于詢問這種光柵組的陣列。由于組中每個光柵172的諧振波長位于不同的波長窗口中，因此每個光柵在不同的光學(xué)通道中操作。例如，每組172可以包含7個FBG，在C頻帶中的適當(dāng)諧振波長為1530nm，1535nm，1540nm，1545nm，1550nm，1555nm和1560nm，使每個光學(xué)通道5nm寬。在該例子中，每個光柵具有2.5mm的長度，0.2nm的帶寬和4％的傳輸損耗。每組172中的光柵要求分離一段距離，該距離短于在電驅(qū)動脈沖的一半期間光學(xué)信號覆蓋的傳播距離，在該例子中分離10cm。
每組172包含相同數(shù)目的光柵，并且具有相同設(shè)定的諧振波長。相鄰組172中等同的光柵分離1m例如，一組中的1540nm光柵與相鄰組或多個組中的1540nm光柵分離1m。
將被詢問的光柵布置在這種組172中的結(jié)果為在操作期間，對于由SOA 82產(chǎn)生的每個寬頻帶光學(xué)脈沖，多個反射光學(xué)脈沖(來自組172中每個光柵的反射)在大約相同的時間返回到達(dá)SOA 82。因此，施加到SOA 82的每對中的第一電驅(qū)動脈沖使SOA 82傳輸相應(yīng)于特定光柵組172的所有反射光學(xué)脈沖。
為了分離由SOA 82傳輸?shù)亩鄠€反射光學(xué)脈沖，之前實(shí)施例的單個CFBG 144光學(xué)反射器被一系列光學(xué)反射器取代，該一系列光學(xué)反射器以FBG 174，176陣列的形式(為了清楚僅在圖17中示出了前兩個)。每個FBG 174，176反射不同頻譜范圍內(nèi)的波長，每個頻譜范圍相應(yīng)于由一個光學(xué)通道覆蓋的波長窗口，在該光學(xué)通道中將被詢問的光柵操作。在該例子中，每個FBG反射器174，176的帶寬，從而光學(xué)通道的帶寬為5nm。
每個FBG反射器174，176定位在離SOA 82的不同距離處。在該例子中，相鄰FBG反射器174，176分離1m。結(jié)果，反射光學(xué)脈沖從SOA 82到其各個FBG反射器174，176并且返回到SOA82的行程時間將取決于光學(xué)脈沖從組172中哪一個光柵反射。
因此，如前，對一對中電驅(qū)動脈沖之間的周期TR和脈沖對之間的周期TT的調(diào)整將允許特定組172中的特定光柵被選出用于詢問。
通過將詢問系統(tǒng)170耦合到包含將被詢問的光柵組172的光纖94，根據(jù)本發(fā)明第二十八實(shí)施例的光學(xué)傳感器系統(tǒng)178形成。
操作中，第一對中第二電驅(qū)動脈沖使SOA 82產(chǎn)生光學(xué)脈沖，其向被詢問的光柵傳播。一部分光學(xué)脈沖通過每個光柵反射，產(chǎn)生一系列反射光學(xué)脈沖，每個具有相應(yīng)于其各個光柵的峰值波長。來自特定組172中光柵的反射光學(xué)信號在大約相同的時間返回到達(dá)SOA 82，該時間相應(yīng)于隨后的電驅(qū)動脈沖對中第一電驅(qū)動脈沖施加到SOA 82的時間。因此，該組反射光學(xué)信號通過SOA 82傳輸并放大，從SOA 82它們繼續(xù)向前傳輸?shù)紽BG反射器174，176的陣列。
由于每個FBG反射器174，176覆蓋不同的光學(xué)通道，因此每個反射光學(xué)信號從不同的FBG反射器174，176再反射。因此，再反射光學(xué)信號向SOA 82傳播回去，但在時間和空間上分離。當(dāng)SOA 82通過電驅(qū)動脈沖的第二對中第二電驅(qū)動脈沖接通時，僅一個再反射光學(xué)脈沖到達(dá)SOA 82。其他的所有再反射光學(xué)脈沖將在SOA 82斷開時到達(dá)SOA 82，因此被阻礙在傳感器系統(tǒng)178中進(jìn)行進(jìn)一步的循環(huán)。
選定的光學(xué)脈沖通過SOA 82傳輸和放大，并再次向光柵傳播，其中它被選擇用于詢問的光柵再次反射，從而循環(huán)重復(fù)。
盡管一對中的電驅(qū)動脈沖都使光學(xué)脈沖產(chǎn)生，但由于系統(tǒng)的循環(huán)特性，僅一組光柵172能夠經(jīng)歷循環(huán)放大并到達(dá)峰值。因此，來自其他光柵組的任何可能的干擾可以忽略。
詢問系統(tǒng)170和傳感器系統(tǒng)178提供下述優(yōu)點(diǎn)。僅一個反射光學(xué)信號發(fā)送到波長計(jì)算設(shè)備86。這增加了可以使用的可能的波長計(jì)算技術(shù)的范圍。特別是，它允許使用具有無色、重復(fù)功能，能夠在波長窗口的范圍外工作的波長計(jì)算設(shè)備。例如，具有波長相關(guān)傳輸函數(shù)的上述濾光器可以由Fabry-Perot濾光器或者標(biāo)準(zhǔn)斜率濾波器取代，它們都可以制造在光纖中以減小光學(xué)損耗。
此外，由于在任何一個時間僅一個反射光學(xué)脈沖由傳感器系統(tǒng)維持，因此SOA82的所有光學(xué)放大功率可以集中在該單個光學(xué)脈沖上。SOA 82的光功率不在許多反射光學(xué)信號之間共享，因此不存在不穩(wěn)定或光學(xué)通道之間功率沖突的可能性。
圖18示出了根據(jù)本發(fā)明第二十九實(shí)施例的光學(xué)詢問系統(tǒng)180。詢問系統(tǒng)180基本上與圖17所示的詢問系統(tǒng)170相同，但具有下述改變。相同的附圖標(biāo)記保持相應(yīng)的特征。
在本實(shí)施例中，光學(xué)脈沖由脈沖光源182產(chǎn)生，SOA 82被限制為作為光學(xué)放大和選通裝置。為了避免需要復(fù)雜的時限裝置以使SOA 82將來自脈沖光源182的耦合光學(xué)脈沖選擇性選通入光纖94，脈沖光源經(jīng)由光纖耦合器184耦合到SOA82和光纖112的附加長度之間的光纖94。
通過將詢問系統(tǒng)180耦合到包含將被詢問的光柵組172陣列的光纖94，根據(jù)本發(fā)明第三十實(shí)施例的光學(xué)傳感器系統(tǒng)186形成。
根據(jù)本發(fā)明第三十一實(shí)施例的光波導(dǎo)詢問系統(tǒng)190在圖19中示出。詢問系統(tǒng)190基本上與圖17所示的詢問系統(tǒng)170相同，但具有下述改變。相同的附圖標(biāo)記保持相應(yīng)的特征。
在該例子中，耦合器142和波長計(jì)算設(shè)備86移動到SOA 82的光柵陣列側(cè)。如上文關(guān)于圖17的描述，當(dāng)SOA 82接通時，僅從FBG反射器174，176反射的光學(xué)脈沖之一返回到達(dá)SOA 82。其他所有的再反射光學(xué)信號在SOA 82斷開時到達(dá)SOA 82，因此被阻止進(jìn)一步傳輸。因此，將波長計(jì)算設(shè)備86定位在SOA82的該側(cè)具有的優(yōu)點(diǎn)在于增加所需反射光學(xué)信號的選擇性并去除來自發(fā)送到波長計(jì)算設(shè)備86的光學(xué)信號的其他波長。
將詢問系統(tǒng)190耦合到包含將被詢問的光柵陣列的光纖94形成根據(jù)本發(fā)明第三十二實(shí)施例的光學(xué)傳感器系統(tǒng)192。
根據(jù)本發(fā)明第三十三實(shí)施例的光學(xué)傳感器系統(tǒng)200在圖20中示出。傳感器系統(tǒng)200使用圖17所示的詢問系統(tǒng)170，盡管作為選擇，也可以使用圖18所示或圖19所示的光學(xué)詢問系統(tǒng)180，190。
在該例子中，傳感器系統(tǒng)200也包括兩根光纖202，204，其分別包含傳感器光柵206，208的陣列。光纖202，204經(jīng)由WDM多路調(diào)制解調(diào)器(MUX-DEMUX)210耦合到詢問系統(tǒng)170。操作中，MUX-DEMUX 210將結(jié)合的光學(xué)信號解調(diào)為多個光學(xué)信號(對于每個光學(xué)通道一個)，該結(jié)合的光學(xué)信號包含存在于在一側(cè)上的單端口212處的許多光學(xué)通道。每個解調(diào)光學(xué)信號通過MUX-DEMUX相對側(cè)的不同的輸出端口之一輸出。每個輸出端口支持不同的光學(xué)通道。MUX-DEMUX 210也反過來操作，以將多個光學(xué)信號調(diào)制為單個結(jié)合的光學(xué)信號。在該例子中，由于僅使用兩個光學(xué)通道，因此僅使用兩個輸出端口214，216。
陣列中每個光柵206，208具有相同的諧振波長，即陣列中所有的光柵206，208在相同的光學(xué)通道中操作。其中光柵206，208特別是光纖202，204操作的光學(xué)通道相應(yīng)于由MUX-DEMUX 210的輸出端口214，216支持的光學(xué)通道，光纖202，204耦合到所述輸出端口。
如上所述，詢問系統(tǒng)170可操作以空間地和通過波長通道區(qū)分光柵。因此，單獨(dú)詢問兩根光纖202，204中任一光柵206，208是可能的。
盡管僅示出了包含將被詢問的光柵206，208陣列的兩根光纖202，204連接到MUX-DEMUX 210的輸出端口，但是應(yīng)當(dāng)理解，更多數(shù)目的光纖，從而光柵陣列可以設(shè)置。可以支持的不同光柵陣列的數(shù)目僅通過由詢問器170可以詢問的波長通道數(shù)目和MUX-DEMUX 210的構(gòu)造來限制。
與利用耦合器相比(如圖5所示)相比，使用WDM MUX-DEMUX 210以將多個光柵206，208陣列耦合到單個詢問器170，從而減小存在于傳感器系統(tǒng)200中的光學(xué)損耗。在單個傳感器系統(tǒng)200中具有大數(shù)目的光柵陣列的能力在傳感應(yīng)用中是一個優(yōu)點(diǎn)，在該應(yīng)用中，測量必須以相對寬的分離位置進(jìn)行。
根據(jù)本發(fā)明第三十四實(shí)施例的光學(xué)詢問系統(tǒng)220在圖21中示出。本實(shí)施例的光學(xué)詢問系統(tǒng)220基本上與圖7所示的光學(xué)詢問系統(tǒng)80相同，但具有下述改變。相同的附圖標(biāo)記保持相應(yīng)的特征。
在本實(shí)施例中，光學(xué)檢測裝置采取光電檢測器222的形式。
光學(xué)詢問系統(tǒng)220可操作為光學(xué)時域反射計(jì)(OTDR)。如圖21所示，OTDR220可以用于詢問例如反射光學(xué)元件，其以光纖228中斷線224或插入線接頭226，或者光纖228的端部230的形式。
圖22示出了根據(jù)本發(fā)明第三十五實(shí)施例的光學(xué)詢問系統(tǒng)240。光學(xué)詢問系統(tǒng)240基本上與之前實(shí)施例的系統(tǒng)220相同，但具有下述改變。相同的附圖標(biāo)記保持相應(yīng)的特征。
在本實(shí)施例中，光學(xué)詢問系統(tǒng)240進(jìn)一步包括SOA 82和光電檢測器222之間的光學(xué)信號發(fā)送裝置，其以光纖布拉格光柵(FBG)242的形式設(shè)置在返回光學(xué)信號的光路中。FBG 242具有小于100％的反射率，以至于大部分返回光學(xué)信號由FBG 242反射，而部分返回光學(xué)信號傳輸?shù)焦怆姍z測器222。如上文關(guān)于圖12的描述，在詢問期間，返回光學(xué)信號的反射部分返回通過SOA 82并向反射光學(xué)元件傳播回去。光學(xué)詢問系統(tǒng)240可操作為OTDR。
根據(jù)本發(fā)明第三十六實(shí)施例的光學(xué)詢問系統(tǒng)250在圖23中示出。光學(xué)詢問系統(tǒng)250基本上與之前實(shí)施例的詢問系統(tǒng)240相同，但具有下述改變。相同的附圖標(biāo)記保持相應(yīng)的特征。
在本實(shí)施例中，光電檢測器222位于FBG 242的相對側(cè)，并在FBG 242和SOA 82之間。光電檢測器222利用低百分率光學(xué)耦合器252耦合到光學(xué)詢問系統(tǒng)250中。該裝置具有的優(yōu)點(diǎn)在于僅由FBG 242反射的部分返回光學(xué)信號發(fā)送到光電檢測器222。由SOA 82產(chǎn)生、在FBG 242的反射帶寬之外的任何放大的自發(fā)發(fā)射(ASE)噪音被傳輸并由此去除。
根據(jù)本發(fā)明第三十七實(shí)施例的光學(xué)詢問系統(tǒng)260在圖24中示出。光學(xué)詢問系統(tǒng)260基本上與之前實(shí)施例的系統(tǒng)250相同，但具有下述改變。
在本實(shí)施例中，光電檢測器222位于SOA 82的另一側(cè)，并經(jīng)由光學(xué)耦合器252耦合到系統(tǒng)260中。該裝置提供的優(yōu)點(diǎn)在于返回光學(xué)信號的反射部分在傳到光電檢測器222之前已經(jīng)通過SOA 82進(jìn)一步放大。
根據(jù)本發(fā)明第三十八實(shí)施例的光學(xué)詢問系統(tǒng)270在圖25中示出。本實(shí)施例的光學(xué)詢問系統(tǒng)270基本上與圖23所示的系統(tǒng)250相同，但具有下述改變。
在本實(shí)施例中，第二光學(xué)信號發(fā)送裝置以第二FBG 272的形式設(shè)置成與第一FBG 242相鄰。兩個FBG 242，272具有不同的諧振波長。類似于圖17示出的光學(xué)詢問系統(tǒng)170，驅(qū)動裝置84產(chǎn)生驅(qū)動脈沖對。每對中第一驅(qū)動脈沖使光學(xué)信號脈沖產(chǎn)生并發(fā)射到光纖228中，該光纖包含將被詢問的反射光學(xué)元件。第一驅(qū)動脈沖也選通返回光學(xué)信號，選擇哪一個將被傳輸?shù)紽BG 242，272。傳輸?shù)姆祷毓鈱W(xué)信號通過FBG 242，272之一反射，這取決于其波長。第一驅(qū)動脈沖和第二驅(qū)動脈沖之間的分離選擇使用FBG 242還是272，由此選擇操作波長帶寬。
該裝置有利于包括反射光學(xué)元件的光學(xué)系統(tǒng)，該反射光學(xué)元件具有波長相關(guān)反射屬性。例如，這使光纖斷線(其將影響所有波長)能夠與通常不影響所有波長的具體反射光學(xué)元件的波長漂移區(qū)分。
上述實(shí)施例提供多種優(yōu)點(diǎn)，如下所述。利用SOA同時作為寬頻帶源和結(jié)合的光學(xué)選通和放大裝置，詢問系統(tǒng)可以利用單個有源光學(xué)部件構(gòu)造，或者對于將被詢問的反射光學(xué)元件的每個單獨(dú)陣列構(gòu)造一個有源部件。與許多已知的現(xiàn)有系統(tǒng)相比，這減小了詢問系統(tǒng)的總的尺寸和成本，并提高了效率和可靠性。在使用基于時分復(fù)用的詢問系統(tǒng)的所述光學(xué)傳感器系統(tǒng)中，所有的光柵可以相同，這簡化了制造和安裝程序。作為選擇，光柵可以由不同類型的反射光學(xué)元件替代，每個元件再次相同。
在SOA和將被詢問的反射光學(xué)元件陣列之間提供光纖的附加長度使SOA能夠通過電驅(qū)動脈沖的連續(xù)流進(jìn)行驅(qū)動，并且在SOA形成部分光學(xué)脈沖源的地方，利用光學(xué)脈沖的連續(xù)流允許反射光學(xué)元件陣列被詢問。與基于基本已知的TDM詢問系統(tǒng)相比，這導(dǎo)致詢問系統(tǒng)具有提高的效率。
在詢問系統(tǒng)中包括一個或多個FBG反向反射器以及允許光學(xué)脈沖在傳感器系統(tǒng)中循環(huán)提供多個優(yōu)點(diǎn)。低反射率反射光學(xué)元件，如低反射率FBG可以用在光學(xué)傳感器系統(tǒng)中。與高反射率光柵相比，低反射率FBG更便宜，更少受到3次反射干擾并在功率級下降到不可接收的級之前允許更多數(shù)目的光柵用于陣列中。循環(huán)光學(xué)脈沖也意味著實(shí)現(xiàn)高信噪比(SNR)，因?yàn)镾OA的功率集中到主要的循環(huán)波長上，從而使SOA產(chǎn)生的寬頻帶ASE噪音減小。循環(huán)脈沖也比非循環(huán)脈沖所預(yù)期的更容許較慢的電和光學(xué)響應(yīng)時間(對于給定的SNR)。這意味著與使用非循環(huán)脈沖時可能的間距相比，光學(xué)傳感器系統(tǒng)中的反射光學(xué)元件可以在它們之間具有更小的間距。
通過使用電驅(qū)動脈沖對，詢問系統(tǒng)和傳感器系統(tǒng)的SNR可以進(jìn)一步增加，并且電效率提高。此外，通過選擇哪一個FBG反向反射器位于離SOA的正確距離以允許再反射信號通過SOA再次傳輸，電驅(qū)動脈沖時限的調(diào)整允許有效選擇哪一個反射光學(xué)信號，從而哪一個反射光學(xué)元件被詢問。
使用多個反向反射器使詢問系統(tǒng)能夠使用WDM和TDM。這可以用于進(jìn)一步減小被詢問的反射光學(xué)元件之間的間距，由此增加光學(xué)傳感器系統(tǒng)中反射光學(xué)元件的總數(shù)目，或者允許傳感器系統(tǒng)包括反射光學(xué)元件的多個單獨(dú)陣列。
當(dāng)詢問系統(tǒng)使用WDM和TDM時，詢問系統(tǒng)能夠在一個時間輸出單個光學(xué)信號，這允許在波長計(jì)算設(shè)備處使用更大范圍的波長詢問技術(shù)。
上述實(shí)施例的多種變型可以得到，只要不偏離本發(fā)明的范圍。特別是，本領(lǐng)域的技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解，不同類型的反射光學(xué)元件可以使用，以替代所述的光纖光柵、光纖斷線和插入線連接器。反射光學(xué)元件可以是下述任一種Fabry-Perot標(biāo)準(zhǔn)器，其可以為大的光學(xué)Fabry-Perot標(biāo)準(zhǔn)器；光纖Fabry-Perot標(biāo)準(zhǔn)器；基于光波導(dǎo)光柵的Fabry-Perot標(biāo)準(zhǔn)器；光纖的端部，其可以為鏡面端部；光纖插入線的端部；一部分光纖中的斷線；基于晶體的反射光學(xué)元件；或鏡元件。
所述三個不同的寬頻帶光學(xué)脈沖源，即加上SOA的CW寬頻帶光源，SOA本身和脈沖光源，可以可交換地使用。所述SLD可以由任何適當(dāng)?shù)腃W寬頻帶光源替代。本領(lǐng)域的技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解，光源的選擇至少部分地取決于將被詢問的反射光學(xué)元件的波長范圍，這是因?yàn)楣庠幢仨毧刹僮饕援a(chǎn)生包括那些波長的光學(xué)信號。
在將被詢問的反射光學(xué)元件描述為光柵的地方，不同數(shù)目的光柵可以使用，并且光柵可以具有與所述不同的諧振波長。陣列中的光柵也可以分離與所述不同的距離。
每個詢問系統(tǒng)可以用于詢問多于一個陣列的反射光學(xué)元件，如圖5所示的光柵，因此每個傳感器系統(tǒng)可以包括多于一個陣列的反射光學(xué)元件。
在描述光纖布拉格光柵的地方，作為選擇，可以使用平面布拉格光柵，并且布拉格光柵可以由其他類型的光波導(dǎo)光柵替代。本領(lǐng)域的技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解，如果使用平面光波導(dǎo)光柵，所述光纖將由平面光波導(dǎo)代替。這使整個詢問系統(tǒng)能夠制造為混合平面光波電路，其包含SOA，驅(qū)動電子設(shè)備和光學(xué)裝置如濾光器和反向反射器，和光學(xué)耦合器或循環(huán)器。
所述SOA可以由其他能夠脈沖操作的光學(xué)放大和選通裝置替代。特別是，增益箝位SOA作為選擇可以使用。
所述波長計(jì)算設(shè)備，即波長計(jì)和濾光器加上光電檢測器，可以交換地使用。具有波長相關(guān)傳輸函數(shù)的濾光器可以為大的光學(xué)裝置，或者可以為光波導(dǎo)光柵裝置，如傾斜布拉格光柵(如在共同未決的UK專利申請GB 0013411.4和PCT申請PCT/GB01/02422中所述)。
設(shè)置在光學(xué)脈沖源中或之后的濾光器可以具有與所述不同的頻譜傳輸分布。類似地，設(shè)置在波長計(jì)算設(shè)備之前的濾光器可以具有與所述不同的頻譜傳輸分布。所述的CFBG反向反射器可以具有與所述不同的頻譜傳輸分布，并且可以由不同的光學(xué)反射器替代，特別是不同的光纖光柵或不同的平面光波導(dǎo)光柵。在使用多于一個反向反射器的地方，與所述不同數(shù)目的反向反射器可以使用，并且在相鄰反向反射器之間可以存在不同的間距。
權(quán)利要求
1.一種光學(xué)詢問系統(tǒng)，包括光源，其可操作為產(chǎn)生將耦合到光波導(dǎo)一個端部中的光學(xué)脈沖，所述波導(dǎo)在其另一端部處光學(xué)耦合到一個或多個將被詢問的反射光學(xué)元件；光學(xué)放大和選通裝置，其光學(xué)耦合到波導(dǎo)并可操作為在詢問期間選擇性傳輸從反射光學(xué)元件返回的光學(xué)脈沖，并且其進(jìn)一步可操作為光學(xué)放大傳輸通過該光學(xué)放大和選通裝置的光學(xué)信號；和光學(xué)檢測裝置，其光學(xué)耦合到光學(xué)放大和選通裝置，并且可操作為檢測由光學(xué)放大和選通裝置傳輸?shù)姆祷毓鈱W(xué)脈沖。
2.如權(quán)利要求1所述的詢問系統(tǒng)，其中光學(xué)放大和選通裝置為能夠進(jìn)行開關(guān)操作的光學(xué)放大裝置；當(dāng)接通時光學(xué)放大和選通裝置傳輸和放大光學(xué)信號，當(dāng)斷開時光學(xué)信號的傳輸和放大被阻止。
3.如權(quán)利要求1或2所述的詢問系統(tǒng)，其中光學(xué)放大和選通裝置雙向可操作，并且可以包括半導(dǎo)體光學(xué)放大器，其可以為增益箝位半導(dǎo)體光學(xué)放大器。
4.如之前任一權(quán)利要求所述的詢問系統(tǒng)，其中詢問系統(tǒng)進(jìn)一步包括用于光學(xué)放大和選通裝置的驅(qū)動設(shè)備，所述驅(qū)動設(shè)備可操作為產(chǎn)生可變頻率的電驅(qū)動脈沖，并且使光學(xué)放大和選通裝置接通和斷開。
5.如之前任一權(quán)利要求所述的詢問系統(tǒng)，其中光源包括光學(xué)放大和選通裝置，其中當(dāng)光學(xué)放大和選通裝置接通時，它同時以放大的自發(fā)發(fā)射的形式產(chǎn)生光學(xué)信號，并將該光學(xué)信號選通為光學(xué)脈沖。
6.如權(quán)利要求1至4中任一權(quán)利要求所述的詢問系統(tǒng)，其中光源包括連續(xù)波光源，其可操作為產(chǎn)生耦合到光學(xué)放大和選通裝置的連續(xù)波光學(xué)信號，該連續(xù)波光源例如為超發(fā)光光學(xué)二極管，其中當(dāng)光學(xué)放大和選通裝置接通和斷開時，它將連續(xù)波光學(xué)信號選通為光學(xué)脈沖。
7.如權(quán)利要求1至4中任一權(quán)利要求所述的詢問系統(tǒng)，其中光源包括脈沖光源，其可操作為產(chǎn)生光學(xué)脈沖。
8.如之前任一權(quán)利要求所述的詢問系統(tǒng)，其中光學(xué)檢測裝置包括光電檢測器。
9.如權(quán)利要求1至7中任一權(quán)利要求所述的詢問系統(tǒng)，其中光學(xué)檢測裝置包括波長計(jì)算設(shè)備，例如波長計(jì)，光學(xué)頻譜分析器或者具有波長相關(guān)頻響特性的濾光器元件，其后面是光學(xué)檢測裝置如光電檢測器；光學(xué)信號的行程時間識別它返回自哪一個光柵，以及波長計(jì)，光學(xué)頻譜分析器或者濾光器和光學(xué)檢測裝置測量光學(xué)信號的波長。
10.如之前任一權(quán)利要求所述的詢問系統(tǒng)，其中詢問系統(tǒng)進(jìn)一步包括部分光波導(dǎo)，其耦合在光學(xué)放大和選通裝置和包含將被詢問的反射光學(xué)元件的光波導(dǎo)之間。
11.如之前任一權(quán)利要求所述的詢問系統(tǒng)，其中詢問系統(tǒng)進(jìn)一步包括光學(xué)信號路由裝置，其構(gòu)造成在詢問期間將從被詢問的反射光學(xué)元件返回的光學(xué)脈沖返回通過光學(xué)放大和選通裝置，并沿著朝向反射光學(xué)元件的方向發(fā)送。
12.如權(quán)利要求11所述的詢問系統(tǒng)，其中光學(xué)信號路由裝置包括光學(xué)反射器，其設(shè)置在光學(xué)放大和選通裝置之后，光學(xué)反射器的反射頻譜分布優(yōu)選覆蓋與將被詢問的一個或多個反射光學(xué)元件擁有的頻譜范圍相同的頻譜范圍，以及反射器的定位充分地接近于光學(xué)放大和選通裝置以確保光學(xué)信號從光學(xué)放大和選通裝置傳播到反射器并返回到光學(xué)放大和選通裝置所花費(fèi)的時間短于電驅(qū)動脈沖接通光學(xué)放大和選通裝置的持續(xù)時間。
13.如權(quán)利要求12所述的詢問系統(tǒng)，其中一系列光學(xué)反射器設(shè)置在光學(xué)放大和選通裝置之后，每個反射器位于離光學(xué)放大和選通裝置不同的位置處，最遠(yuǎn)反射器的定位充分接近于光學(xué)放大和選通裝置，以確保光學(xué)信號從光學(xué)放大和選通裝置傳播到最遠(yuǎn)反射器并返回到光學(xué)放大和選通裝置所花費(fèi)的時間短于電驅(qū)動脈沖接通光學(xué)放大和選通裝置的持續(xù)時間。
14.如權(quán)利要求13所述的詢問系統(tǒng)，其中每個光學(xué)反射器的反射頻譜分布覆蓋不同的頻譜范圍。
15.一種光學(xué)傳感器系統(tǒng)，其包括光波導(dǎo)，其在一個端部處耦合到一個或多個反射光學(xué)元件；所述光波導(dǎo)在其另一端部耦合到如之前任一權(quán)利要求所述的光學(xué)詢問系統(tǒng)。
16.如權(quán)利要求15所述的光學(xué)傳感器系統(tǒng)，其中光學(xué)傳感器系統(tǒng)優(yōu)選包括光波導(dǎo)，其耦合到光波導(dǎo)光柵的隔開陣列。
17.如權(quán)利要求16所述的傳感器系統(tǒng)，其中陣列中每個光柵的諧振波長位于相同的波長窗口中，由此所有的光柵在單個光學(xué)通道中操作。
18.如權(quán)利要求16所述的傳感器系統(tǒng)，其中陣列中的光柵布置成組的形式，每組包含基本上相同的一組光柵，一組中每個光柵的諧振波長位于不同的波長窗口中，從而在不同的光學(xué)通道中操作，以至于返回光學(xué)脈沖的行程時間識別被詢問的光柵屬于哪一組。
19.如權(quán)利要求15所述的傳感器系統(tǒng)，其中反射光學(xué)元件或每個反射光學(xué)元件包括Fabry-Perot標(biāo)準(zhǔn)器，其可以為大的光學(xué)Fabry-Perot標(biāo)準(zhǔn)器；光纖Fabry-Perot標(biāo)準(zhǔn)器；基于光波導(dǎo)光柵的Fabry-Perot標(biāo)準(zhǔn)器；光纖的端部，其可以為鏡面端部；光纖插入線的端部；一部分光纖中的斷線；基于晶體的反射光學(xué)元件；或鏡元件。
20.如權(quán)利要求15至19中任一權(quán)利要求所述的傳感器系統(tǒng)，其中傳感器系統(tǒng)包括多個光波導(dǎo)，每個在一端處耦合到一個或多個反射光學(xué)元件，每個光波導(dǎo)耦合到各自的光學(xué)放大和選通裝置。
全文摘要
一種光學(xué)詢問系統(tǒng)(10)包括以半導(dǎo)體光學(xué)放大器(SOA)(14)的光學(xué)放大和選通裝置和光源(12，14)。驅(qū)動裝置(22)(由可變頻率振蕩器驅(qū)動的電脈沖產(chǎn)生器)設(shè)置以產(chǎn)生施加到SOA(14)的電驅(qū)動脈沖(見插圖(a))，從而使SOA(14)接通和斷開。光源包括超發(fā)光二極管(SLD)(12)，從該光源輸出的CW通過SOA(14)選通為光學(xué)脈沖。SOA(14)光學(xué)耦合到包含被詢問的反射光學(xué)元件(光柵G)陣列的波導(dǎo)(16)。詢問系統(tǒng)進(jìn)一步包括光學(xué)耦合到SOA(14)的光學(xué)檢測裝置(18)，其可操作為計(jì)算由SOA(14)傳輸?shù)姆祷毓鈱W(xué)脈沖的波長。
文檔編號H04B10/071GK1726664SQ200380106312
公開日2006年1月25日 申請日期2003年12月15日 優(yōu)先權(quán)日2002年12月16日
發(fā)明者羅娜·安妮·歐瓦爾, 葛萊恩·大衛(wèi)·洛伊德 申請人:阿斯頓光學(xué)技術(shù)有限公司