专利名称：一种光时域反射装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及光纤传感技术领域，具体的说，涉及一种光时域反射仪的光学装置。主 要应用于安全监控、信息自动化等方面，包括但不限于交通、市政等基础设施建设领域，电 力、石油、煤炭等能源领域，石油化工、有色金属等重化工业领域。
背景技术：
近年来，随着光纤传感市场的不断升温，以光纤的拉曼效应和布里渊效应为基础 的光纤传感器由于有探测点连续分布、不受电磁干扰、探测距离远等一系列优点在光纤传 感领域得到了越来越广泛的应用。光纤传感器利用拉曼散射光在光纤中的不同位置回传的强度和时间不同定位温 度和位置，这样的装置称为 ROTDR(Raman Optical Time-Domain Reflectometry)。如图 2所示。同样以布里渊效应为原理的OTDR称为BOTDR(Brillouin OpticalTime-Domain Reflectometry)。以下均以拉曼效应为例说明，BOTDR同样原理和光路，只是波长不同而已。脉冲信号光入射进入光纤，在光纤中产生拉曼散射光，分为斯托克斯分量和反斯 托克斯分量，如图3所示。不同的应力导致两个分量的比值不一样，这样通过这两个分量的 比值可以检测光纤处的应力。不同的位置达到探测器处的时间不同，这样通过返回时间的 长短可以分辨应力发生变化对应的距离。为了取得斯托克斯分量和反斯托克斯分量，常见的方法用光耦合器将斯托克斯分 量和反斯托克斯分量同时取下，再将这两个分量输入一分二的光耦合器，在耦合器的两个 输出端口分别用光滤波器分离斯托克斯分量和反斯托克斯分量，再将两个分量分别用光纤 耦合至光探测器。这种方法最大的缺点是插入损耗很大。针对这一问题，人们提出了新的 方法，用波分复用器代替耦合器，这样减小的插入损耗。但是，在实际使用中脉冲光信号是 单模光纤输入，而传感光纤通常是多模光纤，这样就存在模式不匹配的问题，也同样导致插 入损耗的增加，导致传感检测的范围和精度下降。因此，有必要对现有技术进行改进，设计一种能减小耦合损耗、提高检测灵敏度、 结构紧凑的光时域反射仪组件。
发明内容
本发明的目的是在于提供了一种光时域反射装置。降低了插损，提高了检测范围 和灵敏度，并且实现了小型化。本发明是通过以下具体方案实现的一种光时域反射装置，该装置包括第一光纤、第一透镜、第一光学滤波器、第一光 探测器，其特征在于第一光纤端面在第一透镜前轴线上，第二光纤端面在第二透镜后轴线 上，第三透镜置于第二光探测器的一端，第四透镜置于第一光探测器的一端，第一光学滤波 器置于第一透镜后，并与反射光成角度，第二光学滤波器置于第四透镜和第一光探测器前， 与从第一光学滤波器反射过来的光成角度，第三光学滤波器置于第三透镜和第二光探测器前。所述的第一光学滤波器与反射光的角度为10-15度。所述的第二光学滤波器与反射光的角度为10-15度。所述的第三光学滤波器与入射光的角度为小于12度。整个结构采用自由空间耦合的方式完成，如图1中，第一光纤端面在第一透镜前 轴线上，第二光纤端面在第二透镜后轴线上，完成光从光纤到空间的耦合和空间到光纤的 耦合；第三透镜置于第二光探测器的一端，第四透镜置于第一光探测器的一端，分别完成斯 托克斯光和反斯托克斯光耦合到探测器中，完成光信号转换成电信号的功能；第一光学滤 波器置于第一透镜后，并与反射光成一定角度，满足反射光从第二光纤经过第二光学透镜 抵达第一光学滤波器后反射至下端的光探测器装置；第二光学滤波器置于第四透镜和第一 光探测器前，与从第一光学滤波器反射过来的光成一定角度，满足部分频率的光透过第二 光学滤波器经过第四透镜耦合到第一光探测器中，同时，部分频率的光从第二光学滤波器 反射；第三光学滤波器置于第三透镜和第二光探测器前，满足从第二光学滤波器反射过来 的光经过第三光学滤波器后，部分频率透射并经过第三透镜耦合到第二光探测器中。一种使用自由空间的方式实现ROTDR的方法，实现了光源的入射和拉曼反射光信 号分离和检测。在光源的输入端口、入射进入传感光纤、接收反射光信号，利用波长分离分 光膜片实现拉曼反射信号的分离和监测。在本发明中包含光源输入部分、光源的模式变换部分、光源入射进入传感光纤部 分、拉曼反射信号分离部分、光电监测部分。其特征在于光路自由空间光路结构实现，整个 组件输入是光纤，输出时光纤或光探测器、其他部分都是光路在空间的变换。实现了光信号 的注入、模式的变换、波长的分离和检测功能。所述的组件输入光纤可以是单模光纤如ITU-T G. 652，ITU-T G. 653或ITU-TG. 655 等或其他类型光纤。所述的组件输出光纤可以是单模光纤如ITU-T G. 652，ITU-T G. 653或ITU-TG. 655 等或其他类型光纤。如多模光纤。所述的组件的光路的空间变换可以是一个透镜或多个透镜形成的透镜组，实现光 斑模式的变换，实现模式匹配，达到最佳耦合状态。所述的组件的波长分离部分可以使用介质膜片分光来是实现，将斯托克斯分量和 反斯托克斯分量分离成空间的两路光。所述的组件的检测部分可以是光电探测器，分别将斯托克斯分量和反斯托克斯分 量的光信号转换为电信号。本发明具有如下优点和效果由上述本发明提供的技术方案可以看出，本发明在组件中利用自由空间光路实现 光斑的模式变换，达到入射光纤和出射光纤的最佳耦合状态，减小了光能量的损耗；将斯托 克斯分量和反斯托克斯分量直接入射至光探测器，减小了耦合损耗，提高了检测灵敏度，结 构紧凑。降低了插损，提高了检测范围和灵敏度，并且实现了小型化等等，经过实验表明，至 少可以降低50%以上的耦合损耗，并将至少四个分离器件集成到了一个功能模块，提高体 积集成度50%以上，并为未来降成本提供了广阔的空间。
图1为一种光时域反射仪组件装置结构2为一种ROTDR的信号光和斯托克斯分量及反斯托克斯光谱3为光斑的模式变换示意4为本发明的3个滤波器的滤波谱线图
4a为第一光学滤波器的滤波谱线图4b为第二光学滤波器的滤波谱线图4c为第三光学滤波器的滤波谱线图，其中110_第一光纤，120-第二光纤，210-第一透镜，220-第二透镜，230-第三 透镜，240-第四透镜，310-第一光学滤波器，320-第二光学滤波器，330-第三光学滤波器， 410-第一光探测器，420-第二光探测器。
具体实施例方式实施例1 本发明的核心是用自由空间光路实现拉曼光时域反射仪的方法，不仅减小了耦合 损耗，提高了检测灵敏度，而且相对传统的光纤连接法减小了体积。下面结合附图对本发明作进一步详细描述根据图1、图2、图3、图4可知，一种光时域反射装置，该装置它包括第一光纤 110、第二光纤120、第一透镜210、第二透镜220、第三透镜230、第四透镜240、第一光学滤波 器310、第二光学滤波器320、第三光学滤波器330、第一光探测器410、第二光探测器420。 其连接关系是整个结构采用自由空间耦合的方式完成，如图1中，第一光纤110端面在第 一透镜210前轴线上，第二光纤120端面在第二透镜220后轴线上，完成光从光纤到空间的 耦合和空间到光纤的耦合；第三透镜230置于第二光探测器420的一端，第四透镜240置于 第一光探测器410的一端，分别完成斯托克斯光和反斯托克斯光耦合到探测器中，完成光 信号转换成电信号的功能；第一光学滤波器310置于第一透镜210后，并与反射光成一定角 度，考虑到偏振相关性能指标，该角度一般在10或11或12或13或14或15度，满足反射 光从第二光纤120经过第二光学透镜220抵达第一光学滤波器310后反射至下端的光探测 器装置；第二光学滤波器320置于第四透镜240和第一光探测器410前，与从第一光学滤波 器310反射过来的光成一定角度，考虑到偏振相关性能指标，该角度一般在12度左10或11 或12或13或14或15度右，满足部分频率的光透过第二光学滤波器320经过第四透镜240 耦合到第一光探测器410中，同时，部分频率的光从第二光学滤波器320反射；第三光学滤 波器330置于第三透镜230和第二光探测器420前，满足从第二光学滤波器320反射过来 的光经过第三光学滤波器330后，第三光学滤波器330 —定角度放在第三透镜230与第二 光学滤波器320之间，第三光学滤波器330角度小于12度。部分频率透射并经过第三透镜 230耦合到第二光探测器420中。光源的光信号入射进入第一光纤110，从第一光纤110出射光斑经过第一透镜210 准直后，透过第一光学滤波器310后再经过第二透镜220，光信号经第二透镜220后进入第 二光纤120。为了达到最佳的耦合效果，经第二透镜220后的光信号的光斑的模场半径要与第二光纤120的模场半径一致。典型的可满足如下条件(图4) 在图1中，光信号进入第二光纤120后，经过一段距离的传输，由于拉曼效应产生 的斯托克斯分量和反斯托克斯分量反方向再次进入第二光纤120，经第二透镜220准直后， 由第一光学滤波器310反射后，分为两条路径，一条是经第二光学滤波器320滤波后，经第 四透镜240聚焦后入射在第一光探测器410上。另一条光路经第二光学滤波器320反射后 再次经第三光学滤波器330滤波后，经第二光学滤波器320聚焦后进入第二光探测器420。这里所述的光滤波器是为了分离斯托克斯分量和反斯托克斯，同时尽量减小原来 的光信号对这两个分量的干扰，增加第三光学滤波器330也是为了减少两个分量间的串 扰。一种典型的光滤波器的谱线如图4所示。
权利要求
一种光时域反射装置，该装置包括第一光纤(110)、第一透镜(210)、第一光学滤波器(310)、第一光探测器(410)，其特征在于第一光纤(110)端面在第一透镜(210)前轴线上，第二光纤(120)端面在第二透镜(220)后轴线上，第三透镜(230)置于第二光探测器(420)的一端，第四透镜(240)置于第一光探测器(410)的一端，第一光学滤波器(310)置于第一透镜(210)后，并与反射光成角度，第二光学滤波器(320)置于第四透镜(240)和第一光探测器(410)前，与从第一光学滤波器(310)反射过来的光成角度，第三光学滤波器(330)置于第三透镜(230)和第二光探测器(420)前。
2.根据权利要求1所述的一种光时域反射装置，其特征在于所述的第一光学滤波器 (310)与反射光的角度为10-15度。
3.根据权利要求1所述的一种光时域反射装置，其特征在于所述的第二光学滤波器 (320)与反射光的角度为10-15度。
4.根据权利要求1所述的一种光时域反射装置，其特征在于所述的第三光学滤波器 (330)与入射光的角度为小于12度。
全文摘要
本发明公开了一种光时域反射装置，该装置包括第一光纤、第一透镜、第一光学滤波器、第一光探测器，其特征在于第一光纤端面在第一透镜前轴线上，第二光纤端面在第二透镜后轴线上，第三透镜置于第二光探测器的一端，第四透镜置于第一光探测器的一端，第一光学滤波器置于第一透镜后，并与反射光成角度，第二光学滤波器置于第四透镜和第一光探测器前，与从第一光学滤波器反射过来的光成角度，第三光学滤波器置于第三透镜和第二光探测器前。本发明减小了耦合损耗，提高了检测灵敏度，结构紧凑。至少可以降低50％以上的耦合损耗，并将至少四个分离器件集成到了一个功能模块，提高体积集成度50％以上，并为未来降成本提供了广阔的空间。
文档编号G02B6/26GK101814954SQ20101015019
公开日2010年8月25日 申请日期2010年4月14日 优先权日2010年4月14日
发明者姚璐璐, 梁庆华, 邵军 申请人:武汉高思光电科技有限公司