一种基于双耦合结构单模错位光纤测量温度的方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于单模错位光纤测温技术领域，具体涉及一种基于双耦合结构单模错位 光纤测量温度的方法。
【背景技术】
[0002] 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、光纤震动和多重外界环境等影 响，将严重引起光信号衰减的无规律性。双光束干涉型光纤传感器、多模干涉光纤传感器和 数字式干涉型光纤传感器等在测温领域得到逐步应用，但也存在许多不足之处，如对光源、 光纤的性能要求严格、光路和信号处理系统复杂，需要考虑多种因素。由于干涉的复杂性， 传感器探测到的信号很弱，温度分辨率不高，稳定性较差，这些都导致成本增加且对温度传 感器系统的研究没有保障。
【发明内容】
[0003] 本发明解决的技术问题是提供了一种基于双耦合结构单模错位光纤测量温度的 方法，该方法通过错位光纤结构，干涉的光信号经过耦合器产生特定波长的激光，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，双耦合结构分辨率高， 性能稳定且灵敏度高。
[0004] 本发明为解决上述技术问题采用如下技术方案，一种基于双耦合结构单模错位 光纤测量温度的方法，其特征在于具体步骤为：980nm栗浦光源发出的光信号依次通过 980/1550nm波分复用器、多IM单模掺铒光纤环、光学隔离器和错位光纤，光信号在光纤中 沿着纤芯传播，当光信号通过错位光纤熔接处时开始分解，其中一部分光信号进入包层形 成包层模，另一部分光信号进入纤芯形成纤芯模，光信号在光纤中传输一段距离后包层模 和纤芯模再次耦合进入同一根光纤中，两种模式光信号在纤芯发生干涉；然后光信号经过 由第一光纤耦合器和第二光纤耦合器组成的光纤环形器并选择性输出光信号，输出的光信 号经过第三光纤耦合器后其中一部分光信号输出至光谱分析仪进行数据采集和处理，另一 部光信号通过光纤输入980/1550nm波分复用器形成反馈，当光信号再次通过错位光纤熔 接处时再次发生干涉现象，而耦合器因错位光纤处温度不变选出的激光波长不变，若错位 光纤温度改变，则经耦合器选择得到的激光波长也发生相应的改变；设定不同的温度，一方 面由光谱分析仪采集输出激光波长的偏移，另一方面对相应输出的激光信号参数采集和存 储，根据对应不同温度情况下所采集的相应输出激光的波长参数可得到波长-温度曲线， 通过测量波长进而实现对未知温度的精确测量。
[0005] 本发明与现有技术相比具有以下优点：
[0006] (1)单模光纤避免了模式色散、模式噪声以及多模光纤传输时附带的许多其他效 应；
[0007] (2)双耦合结构简单、制作成本低，与系统兼容性强，偏振相关损耗小，组成滤波器 的两个耦合器分光比和干涉臂长差取一定值时，可得到输出波形通道平坦的波长交错滤波 器的功能，提高了系统的稳定性（波长交错滤波器和梳状滤波器类似）；
[0008] (3)结构更紧凑、小巧简单、不易受外界干扰、功耗低、造价低廉，灵敏度高；
[0009] (4)测量过程简化，可以进行连续分布测量，方便迅速，便于复用。
【附图说明】
[0010] 图1是本发明的光路原理图。
[0011] 图面说明：l、980nm栗浦光源，2、980/1550nm波分复用器，3、掺铒光纤环，4、光学 隔离器，5、错位光纤，6、第一光纤親合器（90:10)，7、第二光纤親合器（90:10)，8、第三光纤 親合器（90:10)，9、光谱分析仪，10、光纤。
【具体实施方式】
[0012] 以下通过实施例对本发明的上述内容做进一步详细说明，但不应该将此理解为本 发明上述主题的范围仅限于以下的实施例，凡基于本发明上述内容实现的技术均属于本发 明的范围。
[0013] -种基于双耦合结构单模错位光纤测量温度的方法，基于光的干涉理论，980nm栗 浦光源1发出的光信号先经过980/1550nm波分复用器2 (WDM)和多匝单模掺铒光纤环3,再 通过光学隔离器4,之后光信号通过单模错位光纤5结构，经过第一个光纤耦合器6和第二 光纤耦合器7组成的光纤环形器选择输出，再经过第三光纤耦合器8输出，一路光信号通过 光谱分析仪9观察，分析相应激光波长来研究该测温系统的规律，另一路光信号通过光纤 10进过波分复用器2再次进入光路形成反馈。光束在光纤中沿着纤芯传输，当光信号通过 错位熔接处时开始分解，其一部分光信号进入包层形成包层模，另一部分光信号进入纤芯 形成纤芯模，光在光纤中传输一段距离后，包层模和纤芯模再次親合进入同一根光纤中，两 种模式光束在纤芯发生干涉。此时纤芯中有多种不同波长的光信号，经双耦合器组成的具 有选择特定波长的滤波系统输出激光。我们采用的光纤环长为L，并且采用了两个相同的光 纤耦合器。假设光纤环的非线性是克尔型的，则折射率可以表示为：
[0014]
[0015] 11。和112分别为光纤的线性和非线性折射率系数，为Tl。光波真空中的阻抗，I表示 瞬时光强，E为光电场，P为光功率，S rff为有效模面积。
[0016] 我们假定光纤的不稳定性是瞬时的，并且光纤环很短可以忽略群色散效应。
[0017] Ein⑴为入射光场，Et⑴和Er⑴分别为透射光场和反射光场，E cl (z，t)和Ec2 (z， t)分别为右半环和左半环的光场。它们的关系可以用下面的式子来描述。
[0018]
[0019]
[0020]
[0021]
[0022] γ和k分别为耦合器的强度损耗系数和强度耦合系数。
[0023] 两个半环的末端光场可以表示为：
[0024] Ecl (L/2，t) = Ecl (0，t- τ R) exp (_ a L/2) exp [_ j ( Φ 0+ Φ Ni (卜 τ R))]
[0025] Ec2 (L/2，t) = Ec2 (L/2，t- τ R) exp (- α L/2) exp [-j ( Φ 0+ Φ Ν2 (t- τ r))]
[0026] α为振幅衰减系数，τκ( = n(]L/2c)为转半圈的时间，巾。（=11九172)为转半圈 的线性相移，ΦΝ1(?-τ κ)和φΝ2α_τκ)分别为右半圈和左半圈的非线性相移，它们由下式 给出：
[0027]
[0028]
[0029] 其中 Lel (= (exp (aL)-I)/2a)，Le2 (= (1-exp (aL))/2α)分别为半圈的有效 长度，假设光纤是无损耗的α =0,可以得到Lel= Le2= L/2。
[0030] 由上面的分析我们可以得到输出光场的表达式：
[0031] Et(t) = TEin(t - τ R) exp[-j ( φ0+φΝ1(? - τ R)) ]+REt(t~2 τ R) exp [-j (2 Φ 0+ Φ N1 (t- τ R)
[0032] -ΦΝ2α-2 τκ))]
[0033] 其中 T = - (I- γ ) k exp (- a L/2)，R = (I- γ ) (l_k) exp (- a L)。
[0034] 利用上式我们可以计算出任意给定输入光源经过光纤耦合器选择后的输出表达 式。
[0035] 光信号输出后经过第三光纤耦合器，一部分光信号输出，由光谱分析仪对此进行 观察，另一部分再次返回系统，当光信号再次通过错位熔接处依旧干涉，而耦合器因温度不 变选出的激光波长不变。当温度改变，光谱仪观察输出激光波长发生偏移，对相应输出的激 光信号参数采集和存储。根据不同温度和相应输出激光的波长参数可得到波长-温度曲 线，从而实现错位光纤应用于温度传感系统。
[0036] 我们假设IJP 12为单模中纤芯模的光强和包层主要模的光强，则干涉信号强度可 以表示为：
[0037]
[0038] 其中W i U是光纤的相差，Λ IWf是有效折射率差，L是错位光纤有效干 涉区域长度，λ是工作波长。当相差满足干涉条件# = (2m-Ik (m是整数）时，相应的波 长变化可以表示为：
[0039]
[0040] 根据公式（2)可知，在两个干涉最小值之间的自由光谱范围可以近似表示为：
[0041 ]
[0042] 公式（3)表明，自由光谱范围与有效折射率和错位光纤有效长度有关，波长最低 点的变化可以表示为：
[0043]
[0044] 其中α为热膨胀系数，ε为热光系数。公式（4)表明，干涉输出经过双耦合激光 器结构，温度差与波长位移为正比关系。因此，根据实验结果可以得到经过双耦合器激光结 构的输出波长差及各个系数，进而可以测量出温度值。
[0045] 以上实施例描述了本发明的基本原理、主要特征及优点，本行业的技术人员应该 了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原 理，在不脱离本发明原理的范围下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进均落入 本发明保护的范围内。
【主权项】
1. 一种基于双耦合结构单模错位光纤测量温度的方法，其特征在于具体步骤为： 980nm栗浦光源发出的光信号依次通过980/1550nm波分复用器、多匝单模掺铒光纤环、光 学隔离器和错位光纤，光信号在光纤中沿着纤芯传播，当光信号通过错位光纤熔接处时开 始分解，其中一部分光信号进入包层形成包层模，另一部分光信号进入纤芯形成纤芯模，光 信号在光纤中传输一段距离后包层模和纤芯模再次耦合进入同一根光纤中，两种模式光信 号在纤芯发生干涉；然后光信号经过由第一光纤耦合器和第二光纤耦合器组成的光纤环形 器并选择性输出光信号，输出的光信号经过第三光纤耦合器后其中一部分光信号输出至光 谱分析仪进行数据采集和处理，另一部光信号通过光纤输入980/1550nm波分复用器形成 反馈，当光信号再次通过错位光纤熔接处时再次发生干涉现象，而耦合器因错位光纤处温 度不变选出的激光波长不变，若错位光纤温度改变，则经耦合器选择得到的激光波长也发 生相应的改变；设定不同的温度，一方面由光谱分析仪采集输出激光波长的偏移，另一方面 对相应输出的激光信号参数采集和存储，根据对应不同温度情况下所采集的相应输出激光 的波长参数可得到波长-温度曲线，通过测量波长进而实现对未知温度的精确测量。
【专利摘要】本发明公开了一种基于双耦合结构单模错位光纤测量温度的方法，该方法通过错位光纤结构，干涉的光信号经过耦合器产生特定波长的激光，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，双耦合结构分辨率高，性能稳定且灵敏度高。
【IPC分类】G01K11/32
【公开号】CN105092086
【申请号】CN201510554978
【发明人】王芳, 朱晗, 王旭, 李云鹏, 于坤, 郭彩霞, 刘玉芳, 李蕾
【申请人】河南师范大学
【公开日】2015年11月25日
【申请日】2015年9月1日