專利名稱：模式度量型光纖傳感器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明 涉及廣泛用于諸如聲傳感器或振動傳感器的物理傳感器、病人監(jiān)護傳感 器、入侵檢測系統(tǒng)等的模式度量型(modalmetric)光纖傳感器。
背景技術(shù)：
模式度量型光纖傳感器或模域傳感器基于測量多模(MM)光纖的散斑圖案輸出的 變化。當相干光入射到標準的MM光纖時，激發(fā)大量模式，這些模式將沿著光纖傳播。在光 纖的輸出端，各模式的干涉產(chǎn)生被稱為散斑圖案的圖案。能夠引起模式的相位、偏振以及分 布中任何一個的變化的對光纖的任何干擾將引起散斑圖案的變化。通過測量該變化，可以 檢測到諸如振動或應變等對光纖的物理擾動。因此，模式度量型傳感器是封裝在一根光纖 內(nèi)的多光束干涉儀，其中每個光束可以由其中一種傳播的模式表示。使用模式度量效應檢測擾動通常包括通過僅采樣或查詢整個散斑圖案的一部分 來檢測散斑圖案的變化。這可以通過使用僅檢測散斑圖案的一部分的物理限制裝置或通過 使用CCD(電荷耦合器件)檢測器以便電子地采樣所需區(qū)域或散斑圖案子區(qū)域來完成。這 是因為如果在對MM光纖擾動的過程中分析整個散斑圖案，則將檢測到可以忽略的能量強 度的變化?，F(xiàn)有技術(shù)在文獻中描述了大量模式度量型傳感器的構(gòu)造。其中大部分是光入射到傳感的多 模光纖并且查詢多模光纖輸出端的散斑圖案的透射式構(gòu)造。其他構(gòu)造是單端式的，其中光 經(jīng)由單模(SM)光纖入射到匪光纖，從匪光纖的第二端部的鏡反射端反射，并且在匪光纖 的第一端部查詢散斑圖案。查詢手段可以不同并且包括下述中之一使用單模光纖觀察散 斑圖案的至少一部分、使用傳統(tǒng)的空間濾波器、或使用CCD(電荷耦合器件)照相機僅處理 散斑圖案的一部分。這種傳感器通常具有激光光源和耦合器，該耦合器將來自激光光源的 光耦合到單模光纖的引入端，該單模光纖與傳感的多模光纖熔接。在一種反射式配置中，多模光纖可具有鏡反射端，該鏡反射端將光反射回耦合器， 之后到信號處理部分，以檢測散斑圖案的變化。當光從激光光源通過耦合器和單模光纖進 而入射到MM光纖時，基本上將激發(fā)許多纖芯導模(core-guided mode)以及一些包層導模 (cladding-guided mode) 0假設任何包層導模經(jīng)過幾十米后迅速衰減。光將從MM光纖的 遠側(cè)的鏡反射端面反射，然后返回到MM光纖的輸入端，在該處存在由在光纖中的此點所存 在的所有模式的干涉形成的散斑圖案。在該反射式配置中，將光入射到匪光纖的同一單模光纖也可充當返回光的接收 器。由于相對于多模光纖而言單模光纖具有相對較小的纖芯尺寸，SM光纖僅將有效地看到 散斑圖案的非常中央的部分，因此該單模光纖也充當空間濾波器。來自散斑圖案的該中央 部分的能量然后經(jīng)由耦合器而被檢測器接收到。將散斑圖案的任何變化或重新分布檢測為強度的變化。由于SM光纖僅支持單一 模式，因此SM光纖也可充當傳感系統(tǒng)的不靈敏引入端。作為雙向器件的耦合器允許分別同時向傳感器光纖傳輸光及從傳感器光纖接收光。當MM光纖被振動擾動時，由于整個散斑圖案中的總能量不顯示或顯示可以忽略 的變化，因此優(yōu)選空間濾波。通過僅監(jiān)測整個散斑圖案的一部分，在檢測器處將容易地將散 斑位置的變化檢測為強度的變化。然后可對該信號進行處理以判斷并測量是否存在擾動。 使用這種方法，可以將MM光纖用作入侵檢測系統(tǒng)中的傳感器。
之前已針對模式度量型傳感器介紹了大量空間濾波或限制技術(shù)，諸如由Lovely 提出的在SM光纖與MM光纖之間使用定制的間隔裝置(US5，144，689)、由Spillman提出的 使用CXD檢測器(US 7，189，958)、由Tapanes提出的使用SM至MM熔接頭(澳大利亞專利 No. 688113)以及由Fuhr等人提出的使用更加基本的自由空間空間濾波器。本發(fā)明能夠通 過提供靈敏度提高的光纖到光纖連接來實現(xiàn)空間濾波。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明可提供一種模式度量型光纖傳感器，包括多模傳感器光纖；光源，其將光射入到多模光纖以在多模傳感器光纖的端部產(chǎn)生光的多模散斑圖 案；單模光纖，其端部與多模傳感器光纖的端部連接以接收來自多模散斑圖案的光； 以及檢測器，其與單模光纖連接以檢測從多模散斑圖案接收到的光；其中，多模光纖與單模光纖的端部的端面相互成銳角地設置。多模光纖的端面可垂直于多模光纖的軸向，并且單模光纖的端面可相對于單模光 纖的軸向的垂直方向傾斜所述銳角?？商娲?，單模光纖的端面可垂直于單模光纖的軸向，并且多模光纖的端面可相 對于多模光纖的軸向的垂直方向傾斜所述銳角。在另一種替代中，多模光纖的端面和單模光纖的端面均可相對于各自的光纖軸向 的垂直方向傾斜。所述銳角可在5°至10°的范圍內(nèi)。更特別地，所述銳角可在6°至9°的范圍內(nèi)。在反射式配置中，光源可與所述單模光纖連接以便通過單模光纖將光射入到多模 光纖的所述端部，并且多模光纖的另一端部可為反射鏡式的以通過多模光纖將光反射回， 從而在多模光纖的首先所述的端部處產(chǎn)生散斑圖案。在透射式配置中，光源可將光射入到多模光纖的遠離多模光纖的首先所述的端部 的端部，以通過多模光纖和單模光纖將光透射到檢測器。在這種配置中，光源可經(jīng)由第二單 模光纖與多模光纖的遠側(cè)端部連接，通過第二單模光纖將光射入到多模光纖的遠側(cè)端部。


為了可以更加充分地解釋本發(fā)明，將參考附圖描述一些具體實施方式
，其中圖1是傳統(tǒng)的反射式模式度量型傳感器的簡圖；圖2是本發(fā)明的反射式模式度量型傳感器的簡圖；圖3是本發(fā)明的透射式模式度量型傳感器的簡圖4例示了反射式模式度量型傳感器中光纖之間的連接的一種形式，并且圖4A顯 示了在連接處多模散斑圖案的傳輸；圖5例示了來自具有平直端面的單模光纖的光的投射； 圖6例示了來自具有傾斜端面的單模光纖的光的投射；圖7例示了來自具有傾斜端面的單模光纖的光投射到具有平直端面的多模光纖；圖8例示了具有平直端面的單模光纖與具有傾斜端面的多模光纖之間的連接；圖9例示了來自具有傾斜端面的多模光纖的散斑圖案的投射；圖10例示了均具有傾斜端面的的單模光纖與多模光纖之間的連接，并且圖IOA例 示了在連接處散斑圖案的投射；圖11例示了一種類型的使用標準的SC連接器和SC適配器的光纖連接；圖12例示了圖11的組裝件；圖13例示了替代類型的連接器的元件；圖14和圖15例示了圖13的連接器的組裝件；圖16是通過圖13至圖15的連接器的截面圖；以及圖17是使用將具有不同端面傾角的單模光纖連接到具有平直端面的多模光纖的 光纖連接器的信噪比測量的曲線圖。
具體實施例方式參考顯示現(xiàn)有技術(shù)配置的圖1，控制部分12具有激光光源14、耦合器16、光電檢測 器(PD)IS以及信號處理器20。來自激光光源14的光被提供給耦合器16并且射入單模光纖22。單模光纖在24 處與具有鏡反射端28的多模光纖26熔接。光從既充當引入光纖又充當引出光纖的單模光 纖22傳播到具有遠側(cè)的鏡反射端28的多模傳感光纖26。沿多模光纖傳播的光從鏡反射端 反射并且朝單模光纖22向回傳播。多模光纖26的任何振動或擾動引起存在于多模光纖的 射入端的光的散斑圖案發(fā)生變化。所述光傳播回到耦合器并且進入檢測器18。檢測器18 將表示出由多模光纖26中的干涉模式產(chǎn)生的散斑圖案的變化的信號輸出到信號處理器20 以進行分析。在圖1的構(gòu)造中，多模光纖26與單模光纖22在24處熔接而同心地對準。由于單 模光纖22的纖芯尺寸比多模光纖26的纖芯尺寸小得多，因此該單模光纖充當空間濾波器， 使得到達檢測器的能量將來自于散斑圖案的非常中央的部分。散斑圖案的這部分與該圖案 的外側(cè)部分相比顯示了響應于對多模傳感光纖的外界擾動的較小量的空間變化或重新分 布。這可涉及這樣的事實即散斑圖案的該部分受控于在多模光纖中引導的較低階模，進而 會限制最大靈敏度。圖2例示了根據(jù)本發(fā)明制成的單端(反射式)模式度量型傳感器。該傳感器與圖 1的現(xiàn)有技術(shù)傳感器具有相似的布局，并且包括許多由同樣的附圖標記標識的相同元件。實 質(zhì)的區(qū)別在于單模光纖22與多模光纖26具有相互成銳角設置并且保持在光纖連接器33 內(nèi)的端面31、32。光纖端面31、32相對于彼此傾斜的方式使得由于下面將要描述的效果而 能夠提高模式度量型光纖傳感器的靈敏度。圖3例示了根據(jù)本發(fā)明構(gòu)造的透射式模式度量型傳感器。該透射式傳感器也采用與圖1的現(xiàn)有技術(shù)反射式模式度量型傳感器相同的元件，并且由同樣的附圖標記標識同樣的元件。透射式配置的區(qū)別實質(zhì)上在于多模光纖26的遠離單模光纖22的端部不是鏡反 射的而是通過連接部分40與第二單模光纖36連接，來自散斑圖案的光通過該第二單模光 纖而引向檢測器18。根據(jù)本發(fā)明，多模光纖26的端面41與單模光纖36的端面42在連接 部分40內(nèi)以下述方式相互成銳角地設置。圖4和圖4A圖示了單模光纖的端面與多模光纖的端面可以相互成銳角布置的一 種方式以及這將如何影響從多模光纖的端部的散斑圖案到單模光纖的光的接收。單模光纖 和多模光纖可以是圖2所示的反射式模式度量型傳感器的光纖22、26，并且這些光纖相應 地標識有各自的端面31、32。從圖4顯然看出，單模光纖的纖芯22a的直徑比多模光纖26的纖芯26a的直徑小 得多，相應地纖芯22a將接收來自多模光纖端面32處的散斑圖案的中央部分的光，從而提 供空間濾波。在圖4和圖4A所例示的配置中，多模光纖26的端面32與多模光纖軸向垂直， 并且單模光纖的端面31相對于單模光纖軸向的垂直方向傾斜銳角θ，從而兩個光纖端面 31、32相互成銳角θ設置。如下所述，角θ可以在5°至10°的范圍內(nèi)，典型地為7° -8° 的數(shù)量級。由于如圖4Α中的錐體43所示，從多模光纖26的端面32投射的光將發(fā)散到空氣 中，因此光纖22的傾斜端面將接收到整個散斑圖案的不對稱地發(fā)散或展開的中央?yún)^(qū)域，這 將放大散斑在“展開的”區(qū)域中的重新分布的任何運動。這是由于下述原因即，從圖中看 去的散斑圖案的上部在進入單模光纖22的傾斜端之前實質(zhì)上比下部發(fā)散得遠，結(jié)果上部 散斑將大于下部散斑。這將放大檢測器所看到的能量的變化，因而提高模式度量型光纖傳 感器的靈敏度。盡管將圖4和圖4Α所例示的配置描述為應用于如圖2所例示的反射式模式度量 型傳感器，但該配置可并入圖3中所例示的透射式模式度量型傳感器中多模光纖26與單模 光纖36之間的連接部分40中。在這種情況下，多模光纖的端面可以是遠離單模光纖22的 端面41，并且單模光纖的傾斜端面為光纖36的相應端面。參考顯示從平直端面和傾斜端面輸出的光的圖5和圖6，離開所示單模光纖的平 直端部的被引導光將發(fā)散。光的發(fā)散錐角將取決于光纖的數(shù)值孔徑，該數(shù)值孔徑可與光纖 的纖芯折射率和包層折射率之間的差值有關(guān)。如果如圖5所示光纖的端面垂直于光纖軸 向，則發(fā)散錐體將沿著光纖軸向指向外側(cè)。如果光纖的端面傾斜，則可以顯示出光錐在射出 時將向光纖的一側(cè)彎曲或偏斜。這可以通過簡單地考慮當光纖端面傾斜時光線如何射出端 面來例示。使用Snell (斯涅耳)定律，可以顯示出光錐實際將向如圖6所示的一側(cè)彎曲。 偏斜量取決于端面的傾角。傾角越大，偏斜越大。在圖2所示的反射式模式度量型傳感器中，具有傾斜端面31的單模光纖22以下 述方式將光入射到多模光纖26 即，優(yōu)選激發(fā)較高階模(纖芯導模和包層導模)。由于傳感 器長度較短，因此這將導致多模光纖傳感器對外界擾動的靈敏度較高。重要的是無論如何 注意到隨著多模傳感光纖26變得較長(> 50m)，這種效果將減小。這是因為多模光纖26 中的導模的分布最終將達到穩(wěn)定狀態(tài)或均衡，在該狀態(tài)下較高階模將衰減或除去，并且僅 較低階模將繼續(xù)傳播。實際上，這將散斑圖案集中到纖芯的中央部分。圖7顯示了光錐從光纖22的傾斜面31射入到光纖26的構(gòu)造。再次可以看出光錐C發(fā)生偏斜。圖8顯示了單模光纖22的端面31垂直于光纖軸向并且多模光纖26的端面32相 對于光纖軸向的垂直方向傾斜的構(gòu)造。根據(jù)此配置，從圖9中可看出光錐C處的散斑圖案 沿豎直方向偏離光纖26的實際中心而投射。這就靈敏度而言是重要的，因為已知更遠離中 心的散斑的運動對于光纖傳感器上的外界擾動更加靈敏并且在空間上經(jīng)歷較大的運動。隨 著散斑自身重新分布，這代表檢測器處的能量的變化較大。圖10和圖IOA顯示了光纖22的端面31和光纖26的端面32均傾斜的實施方式。 顯然傾斜方向不一致，從而兩端面不平行而是彼此相對成銳角。圖IOA顯示了來自于多模 光纖26的散斑圖案向下偏離并且在朝向頂部不對稱地展開的情況下由單模光纖22的傾斜 端面31接收，從而提高靈敏度。
使用根據(jù)本發(fā)明的成角度的連接器或端面的另一重要方面是這消除了由于空氣 間隙可以形成的連帶反射而在本系統(tǒng)中導致的任何噪聲。特別地，在使用諸如所呈現(xiàn)類型 的相干激光光源的系統(tǒng)中，在具有平行端面的光纖連接器之間的小空氣間隙可產(chǎn)生連帶的 法布里-珀羅標準具(Fabry-Perot etalon)，這將導致不需要的干涉測量信號。通過使用 成角度的連接器，可以消除這種連帶的干涉效應。模式度量型傳感器連接的一種實際實施方式是使用連接器化的光纖端部。一個實 例是使用圖11和圖12所例示的諸如SC連接器(Subscriber Connector，用戶連接器)等 成品連接器，其中圖11顯示了連接之前的元件，并且圖12顯示了已完成的連接。單模光纖 22終止于具有適當角度例如8°的傾斜SC連接器51，而多模光纖26終止于平直的SC連接 器52。兩根光纖可以經(jīng)由SC至SC貫通適配器53而連接在一起。圖13至圖15例示了替代的實施方式，其考慮到單模光纖端面到多模光纖端面的 靈活度和不同封裝形式。這種配置使用無封裝的套箍54、55或類似于SC連接器的裝置來 容納光纖端部，而陶瓷或塑料的開縫套筒56用于將單模光纖與多模光纖配合在一起，并且 配合后的光纖容納在不銹鋼殼體59內(nèi)以受到保護。這容許接合處具有較小的外形封裝，進 而可以安裝在配線盒內(nèi)，或者可以被氣密密封以安裝在戶外環(huán)境中。圖16例示了以圖11至圖13或圖14、圖15所例示的方式連接的已連接光纖端部 的幾何結(jié)構(gòu)。在每種情況下，單模光纖22的端部安裝在套箍57中，并且多模光纖26的端 部安裝在套箍58中。套箍典型地可具有2. 5mm的直徑并且可具有端部倒角60、61。典型 地，單模光纖22可具有9 μ m的纖芯直徑和125 μ m的包層直徑。多模光纖可典型地具有 62. 5 μ m的纖芯直徑和125 μ m的包層直徑。盡管套箍57、58在位置62處相互物理觸及，但 在兩光纖端部之間仍存在小的間隙63。對于使用具有上述尺寸的光纖和套箍并且劈開角度 為8°的連接，光纖的中心至中心間距可以為大約70μπι，并且在其最接近的點光纖間距可 以為61. 5 μ m。為了使損耗最小并且保持有效的空間濾波，優(yōu)選保持光纖端部之間的間隙盡 可能小，并且無論如何確保光纖的中心至中心間距不超過100 μ m。單模光纖的端面與多模光纖的端面之間的合適角度選擇至關(guān)重要，因為這會影響 傳感系統(tǒng)的靈敏度。為了對此進行測試，實施了實驗，其中如圖2所例示的單端(反射式) 模式度量型傳感器使用不同的單模光纖端面角度。熔接器用于使SM光纖端部與MM光纖端 部以受控方式緊密接近。為了模擬上述連接器化的實施方式，傾斜的SM光纖端部與平直的 MM光纖端部之間的中心至中心間距保持為大約70 μ m。所用傳感系統(tǒng)具有Im的SM光纖長度和具有鏡反射端的425m的MM光纖傳感長度。激光波長為1310nm。為了測試靈敏度，當傳感光纖受到擾動時，針對不同的SM光纖端面角度測量所檢 測信號的變化部分的信噪比。角度范圍測試為0至12. 6°。大的信噪比對應于引起檢測器 處能量的大變化的散斑圖案的變化。信噪比取決于由于從匪光纖傳播到傾斜的SM光纖的 光的發(fā)散造成的能量損 失結(jié)合散斑圖案如何投射到傾斜的SM光纖端部的纖芯上以及當對 MM光纖物理擾動而導致散斑圖案運動時該散斑圖案如何變化的組合。在圖17中示出了以上測試的結(jié)果，圖17標繪了隨SM光纖劈開角度而變化的所測 信噪比?？梢钥闯?，使得信噪比處于最大值而使用的最優(yōu)角度大約為7. 5°。優(yōu)選地，信噪 比應當保持在20以上，其大約對應于5°至9°的角度范圍。與SM光纖和匪光纖接合在 一起或在其纖芯接觸的情況下而連接的現(xiàn)有技術(shù)模式度量型傳感器相比，這提高了至少2。先前僅借助于實例例示了本發(fā)明的實施方式，但應當理解在不背離所附權(quán)利要求 的范圍的情況下可以做出許多修改。在所附權(quán)利要求中以及在本發(fā)明的前述描述中，除了上下文由于表述語言或必要 暗示而需要提及之外，措辭“包括”、“包含”、“具有”等變型用于開放式包含性的意義，即，指 定存在所述特征，但不排除存在或附加本發(fā)明各實施方式中的其他進一步特征。
權(quán)利要求
一種模式度量型光纖傳感器，包括多模傳感器光纖；光源，所述光源將光射入到所述多模光纖以在所述多模傳感器光纖的端部產(chǎn)生光的多模散斑圖案；單模光纖，所述單模光纖的端部與所述多模傳感器光纖的所述端部連接以接收來自所述多模散斑圖案的光；以及檢測器，所述檢測器與所述單模光纖連接以檢測從所述多模散斑圖案接收到的光；其中，所述多模光纖的所述端部的端面與所述單模光纖的所述端部的端面相互成銳角地設置。
2.如權(quán)利要求1所述的模式度量型光纖傳感器，其中，所述多模光纖的所述端面垂直 于所述多模光纖的軸向，并且所述單模光纖的所述端面相對于所述單模光纖的軸向的垂直 方向傾斜所述銳角。
3.如權(quán)利要求1所述的模式度量型光纖傳感器，其中，所述單模光纖的所述端面垂直 于所述單模光纖的軸向，并且所述多模光纖的所述端面相對于所述多模光纖的軸向的垂直 方向傾斜所述銳角。
4.如權(quán)利要求1所述的模式度量型光纖傳感器，其中，所述多模光纖的所述端面和所 述單模光纖的所述端面均相對于各自的光纖軸向的垂直方向傾斜。
5.如前述任一項權(quán)利要求所述的模式度量型光纖傳感器，其中，所述銳角在5°至 10°的范圍內(nèi)。
6.如權(quán)利要求5所述的模式度量型光纖傳感器，其中，所述銳角在6°至9°的范圍內(nèi)。
7.如前述任一項權(quán)利要求所述的模式度量型光纖傳感器，其中，所述單模光纖的所述 端部與所述多模光纖的所述端部連接，使得在兩光纖端面的中心之間存在小于ΙΟΟμπι的 間隙。
8.如權(quán)利要求7所述的模式度量型光纖傳感器，其中，所述單模光纖的所述端部與所 述多模光纖的所述端部通過連接器連接，所述連接器包括保持所述單模光纖的所述端部的 第一保持器、保持所述多模光纖的所述端部的第二保持器以及將所述第一保持器和第二保 持器相互連接的連接器結(jié)構(gòu)。
9.如權(quán)利要求8所述的模式度量型光纖傳感器，其中，所述第一保持器和第二保持器 通過所述連接器結(jié)構(gòu)而保持為相互接合在一起。
10.如權(quán)利要求8或9所述的模式度量型光纖傳感器，其中，所述連接器結(jié)構(gòu)為已連接 的光纖端部提供保護性殼體。
11.如前述任一項權(quán)利要求所述的模式度量型光纖傳感器，其中，光源與所述單模光纖 連接以便通過所述單模光纖將光射入到所述多模光纖的所述端部，并且所述多模光纖的另 一端部為反射鏡式的以通過所述多模光纖將光反射回，從而在所述多模光纖的首先所述的 端部處產(chǎn)生散斑圖案。
12.如權(quán)利要求11所述的模式度量型光纖傳感器，其中，所述光源與所述檢測器通過 耦合器連接到所述單模光纖。
13.如權(quán)利要求1至10中任一項所述的模式度量型光纖傳感器，其中，所述光源將光射 入到所述多模光纖的遠離所述多模光纖的首先所述的端部的遠側(cè)端部，以通過所述多模光纖和所述單模光纖將光傳射到所述檢測器。
14.如權(quán)利要求13所述的模式度量型光纖傳感器，其中，所述光源經(jīng)由第二單模光纖 與所述多模光纖的遠側(cè)端部連接，通過所述第二單模光纖將光射入到所述多模光纖的所述 遠側(cè)端部。
全文摘要
一種模式度量型光纖傳感器，包括多模傳感器光纖(26)；光源(14)，其將光射入到多模光纖(26)以在光纖(26)的端部產(chǎn)生光的多模散斑圖案；單模光纖(22)，其接收來自多模散斑圖案的光；以及檢測器(18)，其與單模光纖(22)連接以檢測從多模散斑圖案接收到的光。連接器(33)將多模光纖(26)的端部與單模光纖(22)的端部連接使得兩根光纖的端面(31，32)相互成銳角地設置。來自光源(14)的光可以通過單模光纖(22)而被傳輸?shù)蕉嗄９饫w(26)，并且多模光纖(26)的遠離單模光纖(22)的端部可以為反射鏡式的以沿著多模光纖將光反射回單模光纖，單模光纖將所接收到的光傳輸?shù)綑z測器(18)。
文檔編號A61K31/716GK101965367SQ200980108253
公開日2011年2月2日 申請日期2009年3月10日 優(yōu)先權(quán)日2008年3月11日
發(fā)明者伯恩哈德·庫奇奧, 吉姆·卡特西福利斯, 尤瓦拉扎·維薩加斯拉嘎爾 申請人:未來纖維技術(shù)有限公司