專利名稱：高靈敏度光纖布拉格光柵傳感器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實用新型是一種高靈敏度光纖布拉格光柵法布理—珀羅(F-P)腔傳感器，屬于光纖光柵傳感技術(shù)領(lǐng)域。
二背景技術(shù)：
光纖布拉格(Bragg)光柵是一種沿光纖長度方向折射率的周期擾動形成的元件。光纖光柵的制造源于光纖的光敏特性。自從1987年，Meltz G等人實現(xiàn)了光纖Bragg光柵的UV光側(cè)面寫入技術(shù)以后，世界各地的許多研究機構(gòu)對光纖光柵產(chǎn)生了極大的興趣。
光纖光柵的應(yīng)用主要集中在通信領(lǐng)域和傳感器領(lǐng)域。光纖Bragg光柵傳感器是波長調(diào)制型傳感器，不必如強度調(diào)制型那樣必須采取措施以補償光纖連接器和耦合器的損耗以及光源輸出功率的隨機起伏。同時，它是自參考的，可以絕對測量，不必如基于條紋計數(shù)的干涉型傳感器那樣要求初始參考。此外，光纖光柵傳感器易實現(xiàn)波分、時分復(fù)用，可構(gòu)成大數(shù)目的傳感器陣列。光纖光柵傳感器具有其它許多傳感器無法比擬的優(yōu)點，例如，抗電磁干擾、尺寸小(標準裸光纖為125μm)、重量輕、耐溫性好(工作溫度上限可達400℃～600℃)、復(fù)用能力強、傳輸距離遠(傳感器到解調(diào)端可達幾公里)、耐腐蝕、高靈敏度、被動器件、易形變等等。通過各種特殊結(jié)構(gòu)構(gòu)的設(shè)計，可以實現(xiàn)對力學(xué)量(應(yīng)力、溫度、位移、速度、頻率等)、電學(xué)量(電場、磁場、電壓、電流等)等多種物理量的光學(xué)測量。隨著通信技術(shù)的迅速發(fā)展，對于光纖Bragg光柵的需求急劇增加，光纖光柵的制造技術(shù)也日趨成熟和可靠，這些因素促進了光纖光柵的成批量生產(chǎn)的出現(xiàn)，也使光纖光柵傳感器的制作成本大幅下降，可靠性得到提高，光纖光柵開始走向?qū)嵱没?br> 光纖Bragg光柵傳感器的基本工作原理是當光柵所處外界環(huán)境發(fā)生變化時，其Bragg耦合波長也發(fā)生相應(yīng)變化。當光柵的中心耦合波長發(fā)生微小變化時，光柵的反射峰帶寬越小，這種變化就越明顯，越容易被檢測出來。
三
發(fā)明內(nèi)容
1.技術(shù)問題本實用新型的目的是提供一種光譜響應(yīng)帶寬比光纖Bragg光柵的反射峰帶寬小兩個量級，其波長靈敏度可以達到10-2pm量級的高靈敏度光纖布拉格光柵傳感器。
2.技術(shù)方案本實用新型的高靈敏度光纖布拉格光柵傳感器由光纖布拉格光柵F-P腔、單向隔器、耦合器、光纖布鞋拉格光柵順序相串聯(lián)所組成，其中光纖布拉格光柵F-P腔由兩個光纖布拉格光柵對相串聯(lián)組成，該傳感器輸入端接光纖布拉格光柵F-P腔，傳感器輸出端與單向隔器接在耦合器的同一端上。光纖布拉格光柵F-P腔采用兩只相同的光纖布拉格光柵對串聯(lián)組成，其反射率大于95％。光纖布拉格光柵的帶寬小于或等于光纖布拉格光柵F-P腔中的光纖布拉格光柵的帶寬。
這種傳感器由光纖Bragg光柵F-P腔組成的傳感頭，窄線寬可調(diào)諧激光光源和光功率探測器組成。它通過減小傳感頭耦合峰的帶寬來提高波長微小變化的可檢測靈敏度，可調(diào)激光光源的線寬要求不大于光纖Bragg光柵F-P腔的諧振峰半帶寬，不至于浪費了傳感頭的窄光譜響應(yīng)，通常小于200MHz(約2pm)即可。
在光纖上連續(xù)刻寫兩段等同的光纖布拉格光柵，兩段光柵之間間隔一段距離，當間隔距離減小到一定數(shù)值時，在光纖布拉格光柵的反射峰內(nèi)，由這兩段光纖布拉格光柵組成的F-P腔只存在一個諧振峰?？梢哉{(diào)整間隔距離使得這個諧振峰的位置處在光纖布拉格光柵的中心耦合波長處，當光纖布拉格光柵的反射峰值達到95％以上時，這個諧振峰的半帶寬要小于3pm。
光纖布拉格光柵波長λB與應(yīng)變和溫度都成線性關(guān)系，可以表示為ΔλB＝KεBε+KTBΔT (1)其中ε和ΔT分別為應(yīng)變和溫度變化量；KεB和KTB分別為光纖布拉格光柵的應(yīng)變和溫度系數(shù)，其大小主要由光纖光柵的材料、光柵周期決定。溫度對光柵的影響可以等效為應(yīng)變的影響。對光纖布拉格光柵F-P腔整體施加應(yīng)變時，光柵的空間周期和腔長等比例變化，這種等比例變化使得腔的縱模相對于光纖布拉格光柵反射譜的位置不改變，而是隨著應(yīng)變引起的光柵反射峰的漂移，光纖光柵F-P腔投射光譜整體漂移，漂移特性與光纖布拉格光柵相同。分析中我們忽略了存在應(yīng)變和溫度變化時，光柵部分和間隔部分折射率微小差異對模式漂移的影響，這在光纖布拉格光柵F-P腔在光纖布拉格光柵反射峰內(nèi)只有一個諧振峰時，F(xiàn)-P腔的腔長很小(通常只有幾個毫米)的情況下是允許的。
當使用光纖布拉格光柵F-P腔作為傳感頭時，其對溫度和應(yīng)變的靈敏度與單個普通光纖布拉格光柵是相同的，而它的諧振峰的半帶寬卻要比單個布拉格光柵的反射峰半帶寬小兩個量級，這將大大提高傳感器的可檢測的靈敏度。采用掃描極值法測量波長漂移時，使用可調(diào)諧激光光源掃描檢測透射光強，為了不浪費光纖布拉格光柵F-P腔的窄帶寬，激光光源的線寬要求不大于光柵F-P腔的帶寬，因此選擇的激光光源線寬一般要求小于200MHz。
工作原理假定組成F-P腔的一對光纖布拉格光柵完全相同。當腔長L與光纖布拉格光柵的空間周期Λ，有效折射率neff和有效折射率變化量δneff之間滿足L=(m-12)(1+δneffneff)Λ]]>(m為整數(shù))時，光纖布拉格光柵F-P腔在光柵的中心耦合波長處存在諧振峰。再減小腔長L時，可以使得在光纖布拉格光柵的反射峰內(nèi)只有光柵中心波長處一個諧振峰。當構(gòu)成F-P腔的光纖布拉格光柵的峰值反射率高于98％時，其諧振峰的半帶寬很小，對于布拉格光柵中心波長處的諧振峰可以忽略光柵反射系數(shù)相位因子的影響，半帶寬近似可用普通F-P腔的半帶寬公式Δλ=λ22πnL1-RR]]>得到。
光纖布拉格光柵波長λB與應(yīng)變和溫度都成線性關(guān)系，可以表示為ΔλB＝KεBε+KTBΔT，其中ε和ΔT分別為應(yīng)變和溫度變化量；KεB和KTB分別為光纖布拉格光柵的應(yīng)變和溫度系數(shù)，其大小主要由光纖光柵的材料、光柵周期決定。溫度對光柵的影響可以等效為應(yīng)變的影響。對光纖布拉格光柵F-P腔整體施加應(yīng)變時，光柵的空間周期和腔長等比例變化，這種等比例變化使得腔的縱模相對于光纖布拉格光柵反射譜的位置不改變，而是隨著應(yīng)變引起的光柵反射峰的漂移，光纖光柵F-P腔透射光譜整體漂移，漂移特性與光纖布拉格光柵相同。討論中我們忽略了存在應(yīng)變和溫度變化時，光柵部分和間隔部分折射率微小差異對模式漂移的影響，這在光纖布拉格光柵F-P腔在光纖布拉格光柵反射峰內(nèi)只有一個諧振峰時，F(xiàn)-P腔的腔長很小(通常小于幾個毫米)的情況下是允許的。
因此光纖布拉格光柵F-P腔有著比單個光纖布拉格光柵更窄的響應(yīng)光譜，而對溫度和應(yīng)變的敏感性能與普通光纖布拉格光柵相同。
波長漂移的測量采用掃描極值法，由于這種光纖布拉格光柵F-P腔傳感頭的響應(yīng)光譜極窄，寬譜光源在單位波長上的功率太弱，不利于測量，因此使用可調(diào)激光光源。當光源波長與腔的透射峰一致時，測得的光功率最大。腔的透射峰波長發(fā)生變化時，光功率探測器所探測到的功率也隨著改變。傳感頭的響應(yīng)光譜越窄，光功率探測器的變化對波長的微小偏移就明顯。也就是說這種傳感頭的高靈敏度是通過減小傳感頭的光譜響應(yīng)帶寬來獲得的。為了不浪費光纖布拉格光柵F-P腔的窄帶寬，激光光源的線寬要求不能大于光柵F-P腔的帶寬。
3.技術(shù)效果使用掃描極值法測量傳感頭的波長漂移時，采用光纖布拉格光柵F-P腔作為傳感頭時的可檢測靈敏度要比普通單個布拉格光柵作為傳感頭時的可檢測的靈敏度高到兩個量級。
本發(fā)明利用光纖布拉格光柵組成光纖光柵法布里—珀羅(F-P)腔結(jié)構(gòu)的傳感頭，其溫度和應(yīng)變靈敏度與普通的單個光纖Bragg光柵傳感頭相同，但是它的光譜響應(yīng)帶寬只有幾個pm，比光纖Bragg光柵的反射峰帶寬(零點幾個nm)小兩個量級。使用窄線寬可調(diào)諧激光光源進行掃描檢測時，可檢測的最小波長漂移要比傳感頭的光譜帶寬小一到兩個量級，也就是說對于這種光纖光柵F-P腔，其波長靈敏度可以達到10-2pm量級。
三

圖1是本實用新型的高靈敏度光纖布拉格光柵傳感器結(jié)構(gòu)示意圖，其中有光纖布拉格光柵F-P腔1；光纖布拉格光柵對1.1、1.2；光纖布拉格光柵2；單向隔離器3；耦合器4；傳感器輸入端5；傳感器輸出端6。
圖2是使用本實用新型的高靈敏度光纖布拉格光柵傳感器的結(jié)構(gòu)示意圖。
四具體實施方式
本實用新型的高靈敏度光纖布拉格光柵傳感器由光纖布拉格光柵F-P腔1、單向隔器3、耦合器4、光纖布鞋拉格光柵2順序相串聯(lián)所組成，其中光纖布拉格光柵F-P腔1由兩個光纖布拉格光柵對1.1、1.2相串聯(lián)組成，該傳感器輸入端5接光纖布拉格光柵F-P腔1，傳感器輸出端6與單向隔器3接在耦合器4的同一端上。光纖布拉格光柵F-P腔1采用兩只相同的光纖布拉格光柵串聯(lián)組成，其反射率大于95％。光纖布拉格光柵2的帶寬小于或等于光纖布拉格光柵F-P腔1中的光纖布拉格光柵對1.1、1.2的帶寬。
按照圖1所示結(jié)構(gòu)制作出光纖布拉格光柵F-P腔傳感頭。要求構(gòu)成光纖布拉格光柵F-P腔1的兩個光纖布拉格光柵1.1和1.2參數(shù)相同，最大反射率取在98％左右，光纖布拉格光柵2的帶寬不大于布拉格光柵1.1或1.2的帶寬，或者略小，中心耦合波長相同而反射率越高越好。光源從傳感頭的端5輸入，只有位于構(gòu)成F-P腔1的光柵1.1和1.2的反射帶寬之外的波長的光和光纖布拉格光柵F-P腔1的諧振峰內(nèi)的波長的光能夠通過這個F-P腔，經(jīng)過單向隔離器和耦合器，被耦合至光纖布拉格光柵2。而只有波長滿足F-P腔的諧振峰的光能被光纖布拉格光柵2反射回來，再經(jīng)耦合器耦合至傳感頭的端6輸出。因此光纖布拉格光柵F-P腔傳感頭的透射光譜就是F-P腔的諧振譜。選擇合適的腔長可以使得腔工作在單模狀態(tài)下，即在構(gòu)成F-P腔的光柵的半帶寬內(nèi)或者90％帶寬內(nèi)只有一個諧振峰。由于構(gòu)成F-P腔的光柵反射率可以大于98％，因此諧振峰的半寬可以小于3pm。也就是說這種結(jié)構(gòu)的光纖布拉格光柵F-P腔傳感頭的透射峰只有一個，半帶寬小于3pm，比普通光纖布拉格光柵的反射峰帶寬小兩個量級。
光纖布拉格光柵波長與應(yīng)變和溫度都成線性關(guān)系。溫度對光柵的影響可以等效為應(yīng)變的影響。對光纖布拉格光柵F-P腔整體施加應(yīng)變時，光柵的空間周期和腔長等比例變化，這種等比例變化使得腔的縱模相對于光纖布拉格光柵反射譜的位置不改變，而是隨著應(yīng)變引起的光柵反射峰的漂移，光纖光柵F-P腔透射光譜整體漂移，漂移特性與光纖布拉格光柵相同。我們忽略了存在應(yīng)變和溫度變化時，光柵部分和間隔部分折射率微小差異對模式漂移的影響，這在光纖布拉格光柵F-P腔在光纖布拉格光柵反射峰內(nèi)只有一個諧振峰時，F(xiàn)-P腔的腔長很小(通常小于幾個毫米)的情況下是允許的。因此光纖布拉格光柵F-P腔有著比單個光纖布拉格光柵更窄的響應(yīng)光譜，而對溫度和應(yīng)變的敏感性能與普通布拉格光柵相同。
采用這種結(jié)構(gòu)的光纖布拉格光柵F-P腔作為傳感頭時，要求光纖布拉格光柵F-P腔1和光纖布拉格光柵2處在相同的外界環(huán)境中，由于光纖的易彎曲特性，這個要求很容易滿足。
傳感器采用掃描極值法測量波長漂移，由光纖布拉格光柵F-P腔傳感頭，可調(diào)諧激光光源，光功率探測器和控制系統(tǒng)組成，如圖(2)所示。光進入光纖布拉格光柵F-P腔傳感頭后，再進入光功率探測器。只有在使得光源波長與腔的透射峰一致時，測得的光功率最大。外界被測環(huán)境變化時，控制系統(tǒng)監(jiān)測到光功率探測器的變化后，調(diào)整可調(diào)激光光源使得光功率探測器接收值最大。由于光纖布拉格光柵F-P腔的透射峰很窄，當腔的投射峰波長隨外界環(huán)境發(fā)生微小變化時，光功率探測器顯示出明顯變化。使用掃描極值法測量傳感頭的透射譜波長漂移時，采用光纖布拉格光柵F-P腔作為傳感頭時的可檢測靈敏度要比普通單個布拉格光柵作為傳感頭時的可檢測的靈敏度可以高到兩個量級。為了不浪費光纖布拉格光柵F-P腔的窄帶寬，激光光源的線寬要求不大于光柵F-P腔的帶寬，因此選擇的激光光源線寬一般要求小于200MHz。
圖2是使用本實用新型的高靈敏度光纖布拉格光柵傳感器的結(jié)構(gòu)示意圖。其中光纖光柵F-P傳感頭結(jié)構(gòu)如圖(1)中所示。采用自動控制系統(tǒng)控制可調(diào)諧激光光源的波長輸出，光進入光纖布拉格光柵F-P腔傳感頭后，再進入光功率探測器。只有在使得光源波長與腔的透射峰一致時，測得的光功率最大。外界被測環(huán)境變化時，控制系統(tǒng)監(jiān)測到光功率探測器的變化后，調(diào)整可調(diào)激光光源使得光功率探測器接收值最大。由于光纖布拉格光柵F-P腔的透射峰很窄，當腔的投射峰波長隨外界環(huán)境發(fā)生微小變化時，光功率探測器顯示出明顯變化。
權(quán)利要求1.一種高靈敏度光纖布拉格光柵傳感器，其特征在于該傳感器由光纖布拉格光柵F-P腔(1)、單向隔器(3)、耦合器(4)、光纖布鞋拉格光柵(2)順序相串聯(lián)所組成，其中光纖布拉格光柵F-P腔(1)由兩個光纖布拉格光柵對(1.1、1.2)相串聯(lián)組成，該傳感器輸入端(5)接光纖布拉格光柵F-P腔(1)，傳感器輸出端(6)與單向隔器(3)接在耦合器(4)的同一端上。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的高靈敏度光纖布拉格光柵傳感器，其特征在于光纖布拉格光柵F-P腔(1)采用兩只相同的光纖布拉格光柵串聯(lián)組成，其反射率大于95％。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的高靈敏度光纖布拉格光柵傳感器，其特征在于光纖布拉格光柵(2)的帶寬小于或等于光纖布拉格光柵F-P腔(1)中的光纖布拉格光柵對(1.1、1.2)的帶寬。
專利摘要高靈敏度光纖布拉格光柵傳感器是一種高靈敏度光纖布拉格光柵法布理—珀羅(F－P)腔傳感器，該傳感器由光纖布拉格光柵F－P腔1、單向隔器3、耦合器4、光纖布鞋拉格光柵2順序相串聯(lián)所組成，其中光纖布拉格光柵F－P腔由兩個光纖布拉格光柵對1.1、1.2相串聯(lián)組成，該傳感器輸入端5接光纖布拉格光柵F－P腔，傳感器輸出端6與單向隔器接在耦合器的同一端上。光纖布拉格光柵F－P腔采用兩只相同的光纖布拉格光柵串聯(lián)組成，其反射率大于95％。光纖布拉格光柵的帶寬小于或等于光纖布拉格光柵F－P腔中的光纖布拉格光柵對的帶寬。該傳感器光譜響應(yīng)帶寬比光纖Bragg光柵的反射峰帶寬小兩個量級，其波長靈敏度可以達到10
文檔編號G02B6/124GK2618176SQ0322240
公開日2004年5月26日 申請日期2003年6月2日 優(yōu)先權(quán)日2003年6月2日
發(fā)明者崔一平, 呂昌貴, 王著元, 惲斌峰, 鐘嫄 申請人:東南大學(xué)