專利名稱：基于雙錐微細(xì)光纖環(huán)形諧振腔的分布式傳感裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種基于雙錐微細(xì)光纖環(huán)形諧振腔的分布式傳感裝置，屬于光纖傳感 的技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
分布式光纖傳感是利用光纖一維空間的連續(xù)特性進(jìn)行測(cè)量的技術(shù)。光纖既作傳感 元件，又作傳輸元件，可以在整個(gè)光纖長(zhǎng)度上對(duì)沿光纖分布的環(huán)境參數(shù)進(jìn)行連續(xù)測(cè)量，同時(shí) 獲得被測(cè)量的空間分布狀態(tài)和隨時(shí)間變化的信息。分布式光纖傳感器具有一系列突出的優(yōu) 點(diǎn)，是光纖傳感器中最具發(fā)展?jié)摿Φ囊恢В蓮V泛應(yīng)用于民用工程、航天、海洋、電力、石油 化工、生物、醫(yī)療等眾多領(lǐng)域。目前分布式光纖傳感裝置按照工作原理主要有基于后向散射的分布式傳感、基 于偏振光時(shí)域反射的分布式傳感、基于光干涉的分布式傳感和基于光纖布拉格光柵的準(zhǔn)分 布式傳感四種類型?；诤笙蛏⑸涞姆植际焦饫w傳感技術(shù)是利用光波在光纖中傳輸時(shí)產(chǎn)生的后向散 射光，包括瑞利散射、拉曼散射和布里淵散射，通過這些后向散射光與被測(cè)量如溫度、應(yīng)力、 振動(dòng)等之間的關(guān)系，可以實(shí)現(xiàn)分布式光纖傳感。這種技術(shù)測(cè)量原理簡(jiǎn)單，造價(jià)相對(duì)低廉，目 前已經(jīng)能夠?qū)崿F(xiàn)IOkm以上的測(cè)量距離。但是它需要高功率、短脈沖的光源和高速信號(hào)放大 采集器件，其測(cè)量精度和空間分辨率受到器件性能和造價(jià)的限制。基于偏振光時(shí)域反射的分布式光纖傳感技術(shù)是將線偏振光脈沖耦合進(jìn)光纖，利 用散射光偏振態(tài)沿光纖變化的附加信息來對(duì)外界參量進(jìn)行監(jiān)測(cè)的一種新型傳感技術(shù)。這種 傳感技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)是具有較高的靈敏度，但由于光脈沖偏振態(tài)的統(tǒng)計(jì)隨機(jī)性，系統(tǒng)的控制成 本較高?；诠飧缮娴姆植际焦饫w傳感技術(shù)主要包括馬赫_曾德爾干涉型、薩格尼克干 涉型、邁克爾遜干涉型和法布里_珀羅干涉型。其工作原理是利用干涉儀提供的不同傳輸 路徑，使得激光光源輸出的光脈沖通過待測(cè)光路和參考光路時(shí)產(chǎn)生差異，從兩路信號(hào)的干 涉結(jié)果中提取出待測(cè)干擾傳感信息。這種傳感技術(shù)由于采用干涉效應(yīng)，對(duì)待測(cè)量的分辨率 和定位精度更高，但也導(dǎo)致系統(tǒng)的穩(wěn)定性較差。基于光纖布拉格光柵的準(zhǔn)分布式光纖傳感技術(shù)是利用光纖布拉格光柵對(duì)溫度、 應(yīng)力、振動(dòng)、彎曲、折射率等的高靈敏性來實(shí)現(xiàn)對(duì)外界參量的傳感檢測(cè)，同時(shí)利用光纖光柵 的波長(zhǎng)選擇性，通過將中心波長(zhǎng)不同的光柵級(jí)聯(lián)復(fù)用進(jìn)行分布式傳感，可增加檢測(cè)的區(qū)域 范圍，但由于每個(gè)光柵單元占用一定的測(cè)量帶寬，彼此不能交疊，因此可復(fù)用的數(shù)目受寬帶 光源譜線寬度的限制，另外系統(tǒng)成本隨復(fù)用數(shù)目線性增長(zhǎng)，檢測(cè)的空間分辨率受光柵尺寸 制約。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是，克服目前分布式光纖傳感裝置暴露出的不足，提出一種基于雙錐微細(xì)光纖環(huán)形諧振腔的分布式傳感裝置。本發(fā)明提出一種基于雙錐微細(xì)光纖環(huán)形諧振腔的分布式傳感裝置，其工作原理 是利用熔融拉制的高質(zhì)量雙錐微細(xì)光纖，采用自纏繞耦合法制成半徑為微米量級(jí)的環(huán)形 諧振腔，根據(jù)雙錐光纖高消逝場(chǎng)效應(yīng)，以及諧振腔透射譜紋波與所處環(huán)境參量間的對(duì)應(yīng)關(guān) 系，通過實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)紋波漂移，實(shí)現(xiàn)對(duì)環(huán)境變化的傳感檢測(cè)。本發(fā)明解決其技術(shù)問題的技術(shù)方案本發(fā)明提出一種基于雙錐微細(xì)光纖環(huán)形諧振腔的分布式傳感裝置，該裝置包括 寬帶光源、光隔離器、第一、第二 IXN耦合器、第一至第N帶通濾波器、第一至第N傳感線 路、光譜分析儀和計(jì)算機(jī)。各器件間的連接如下寬帶光源經(jīng)光隔離器與第一 1 XN耦合器的一字端口相連，第一 1 XN耦合器的N 個(gè)分叉端口分別接第一帶通濾波器，第二帶通濾波器，……，第N帶通濾波器的輸入端。第一帶通濾波器的輸出端與第一傳感線路的一端連接，第二帶通濾波器的輸出端 與第二傳感線路的一端連接，……，第N帶通濾波器的輸出端與第N傳感線路的一端連接。第一傳感線路、第二傳感線路、……，第N傳感線路的另一端分別與第二 IXN耦 合器的N個(gè)分叉端口相連。第二 IXN耦合器的一字端口與光譜分析儀的輸入端連接，光譜分析儀的輸出端 與計(jì)算機(jī)相連。第一傳感線路由第一一環(huán)形諧振腔，第一二環(huán)形諧振腔，……，第一 M環(huán)形諧振腔 相互串聯(lián)構(gòu)成。第二傳感線路由第二一環(huán)形諧振腔，第二二環(huán)形諧振腔，……，第二 M環(huán)形諧振腔 相互串聯(lián)構(gòu)成。......。第N傳感線路由第N —環(huán)形諧振腔，第N 二環(huán)形諧振腔，……，第匪環(huán)形諧振腔 相互串聯(lián)構(gòu)成。所有的環(huán)形諧振腔均由雙錐微細(xì)光纖自纏繞耦合制成，其半徑為不同微米量級(jí)。 雙錐微細(xì)光纖由火焰熔融拉制而成。N彡2的整數(shù)，M彡2的整數(shù)。本發(fā)明的有益效果具體如下本發(fā)明所述的一種基于雙錐微細(xì)光纖環(huán)形諧振腔的分布式傳感裝置，充分利用了 雙錐微細(xì)光纖的高消逝場(chǎng)效應(yīng)，以及諧振腔透射譜紋波與所處環(huán)境參量間的對(duì)應(yīng)關(guān)系，通 過實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)紋波漂移，實(shí)現(xiàn)對(duì)環(huán)境變化的傳感監(jiān)測(cè)。該環(huán)形諧振腔的半徑為微米量級(jí)，尺寸 小、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，而且采用一根連續(xù)雙錐微細(xì)光纖自纏繞耦合制成，使傳感與信號(hào)傳輸合而為 一，級(jí)聯(lián)與復(fù)用更加方便，與目前平面波導(dǎo)集成法制作的環(huán)形諧振腔相比，插入損耗和成本 更低。這種具有高靈敏度、微小尺寸、性價(jià)比更高的新型光纖傳感裝置，很好地解決了目前 分布式傳感的高復(fù)用成本，以及在精細(xì)度、空間分辨率要求高的場(chǎng)合應(yīng)用的局限，對(duì)推動(dòng)光 纖傳感的發(fā)展具有重要的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)意義。


圖1為采用IXN耦合器的基于雙錐微細(xì)光纖環(huán)形諧振腔的分布式傳感裝置，N和M均為> 2的整數(shù)的結(jié)構(gòu)示意圖。圖2為采用陣列波導(dǎo)光柵的基于雙錐微細(xì)光纖環(huán)形諧振腔的分布式傳感裝置，N 和M均為彡2的整數(shù)的結(jié)構(gòu)示意圖。圖3為采用IXN耦合器的基于雙錐微細(xì)光纖環(huán)形諧振腔的分布式傳感裝置，N取 2，M取2的結(jié)構(gòu)示意圖。圖4為采用陣列波導(dǎo)光柵的基于雙錐微細(xì)光纖環(huán)形諧振腔的分布式傳感裝置，N 取256，M取8的結(jié)構(gòu)示意圖。圖5為由雙錐微細(xì)光纖自纏繞耦合制成的環(huán)形諧振腔的結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步描述。實(shí)施例一，如圖1，一種基于雙錐微細(xì)光纖環(huán)形諧振腔的分布式傳感裝置包括寬 帶光源1，光隔離器2，第一、第二 IXN耦合器3、6，第一至第N帶通濾波器41、42、……、4N、 第一至第N傳感線路51、52、……、5N，光譜分析儀7和計(jì)算機(jī)8。上述各器件間的連接如 下寬帶光源1經(jīng)光隔離器2與第一 IXN耦合器3的一字端口相連，第一 IXN耦合 器3的N個(gè)分叉端口分別接第一帶通濾波器41，第二帶通濾波器42，……，第N帶通濾波 器4N的輸入端，寬帶光源1采用摻鉺光纖放大器。第一帶通濾波器41的輸出端與第一傳感線路51的一端連接，第二帶通濾波器42 的輸出端與第二傳感線路52的一端連接，……，第N帶通濾波器4N的輸出端與第N傳感 線路5N的一端連接。第一傳感線路51、第二傳感線路52、……，第N傳感線路5N的另一端分別與第二 1 X N耦合器6的N個(gè)分叉端口相連。第一、第二 IXN耦合器3、6均采用光纖星形耦合器。第二 IXN耦合器6的一字端口與光譜分析儀7的輸入端連接，光譜分析儀7的輸 出端與計(jì)算機(jī)8相連，光譜分析儀7采用AND06317。第一傳感線路51由第一一環(huán)形諧振腔511，第一二環(huán)形諧振腔512，……，第一 M 環(huán)形諧振腔51M相互串聯(lián)構(gòu)成。第二傳感線路52由第二一環(huán)形諧振腔521，第二二環(huán)形諧振腔522，……，第二 M 環(huán)形諧振腔52M相互串聯(lián)構(gòu)成。......。第N傳感線路5N由第N —環(huán)形諧振腔5N1，第N 二環(huán)形諧振腔5N2，……，第匪 環(huán)形諧振腔5匪相互串聯(lián)構(gòu)成。所有的環(huán)形諧振腔均由雙錐微細(xì)光纖自纏繞耦合制成，見圖5，其半徑為不同微米 量級(jí)。雙錐微細(xì)光纖由火焰熔融拉制而成。N≤2的整數(shù)，M彡2的整數(shù)。實(shí)施例二，如圖2，一種基于雙錐微細(xì)光纖環(huán)形諧振腔的分布式傳感裝置包括寬 帶光源1，光隔離器2，第一、第二陣列波導(dǎo)光柵3、6，第一至第N傳感線路51、52、……、5N， 光譜分析儀7和計(jì)算機(jī)8。上述各器件間的連接如下
寬帶光源1經(jīng)光隔離器2與第一陣列波導(dǎo)光柵3的一字端口相連，第一陣列波導(dǎo) 光柵3的N個(gè)分叉端口分別與第一傳感線路51，第二傳感線路52，……，第N傳感線路5N 連接，寬帶光源1采用LED。第一傳感線路51、第二傳感線路52、……，第N傳感線路5N的另一端分別與第二 陣列波導(dǎo)光柵6的N個(gè)分叉端口相連。第二陣列波導(dǎo)光柵6的一字端口與光譜分析儀7的輸入端連接，光譜分析儀7的 輸出端與計(jì)算機(jī)8相連，光譜分析儀7采用AND06317。第一傳感線路51由第一一環(huán)形諧振腔511，第一二環(huán)形諧振腔512，……，第一 M 環(huán)形諧振腔51M相互串聯(lián)構(gòu)成。第二傳感線路52由第二一環(huán)形諧振腔521，第二二環(huán)形諧振腔522，……，第二 M 環(huán)形諧振腔52M相互串聯(lián)構(gòu)成。......。第N傳感線路5N由第N —環(huán)形諧振腔5N1，第N 二環(huán)形諧振腔5N2，……，第匪 環(huán)形諧振腔5匪相互串聯(lián)構(gòu)成。所有的環(huán)形諧振腔均由雙錐微細(xì)光纖自纏繞耦合制成，見圖5，其半徑為不同微米 量級(jí)。雙錐微細(xì)光纖由火焰熔融拉制而成。N彡2的整數(shù)，M彡2的整數(shù)。實(shí)施例三，如圖3，一種基于雙錐微細(xì)光纖環(huán)形諧振腔的分布式傳感裝置包括寬 帶光源1，光隔離器2，第一、第二 1X2耦合器3、6，第一、第二帶通濾波器41、42，第一、第二 傳感線路51、52，光譜分析儀7和計(jì)算機(jī)8，上述各器件間的連接如下寬帶光源1經(jīng)光隔離器2與第一 1 X 2耦合器3的一字端口相連，第一 1 X 2耦合 器3的兩個(gè)分叉端口分別接第一帶通濾波器41和第二帶通濾波器42的輸入端，寬帶光源 1采用摻鉺光纖放大器。第一帶通濾波器41的輸出端與第一傳感線路51的一端連接，第二帶通濾波器42 的輸出端與第二傳感線路52的一端連接。第一傳感線路51、第二傳感線路52的另一端分別與第二 1X2耦合器6的兩個(gè)分 叉端口相連。第二 1X2耦合器6的一字端口與光譜分析儀7的輸入端連接，光譜分析儀7的輸 出端與計(jì)算機(jī)8相連，光譜分析儀7采用AND06317。第一傳感線路51由半徑為100 μ m的第一一環(huán)形諧振腔511，半徑為800 μ m的第 一二環(huán)形諧振腔512相互串聯(lián)構(gòu)成。第二傳感線路52由半徑為100 μ m的第二一環(huán)形諧振腔521，半徑為800 μ m的第 二二環(huán)形諧振腔522相互串聯(lián)構(gòu)成。所有的環(huán)形諧振腔均由雙錐微細(xì)光纖自纏繞耦合制成，見圖5。雙錐微細(xì)光纖由火 焰熔融拉制而成。實(shí)施例四，如圖4，一種基于雙錐微細(xì)光纖環(huán)形諧振腔的分布式傳感裝置包括寬 帶光源1、光隔離器2、第一、第二陣列波導(dǎo)光柵3、6，第一至第N傳感線路51、52、……、5N， 光譜分析儀7和計(jì)算機(jī)8，N = 256,M = 8。上述各器件間的連接如下寬帶光源1經(jīng)光隔離器2與第一陣列波導(dǎo)光柵3的一字端口相連，第一陣列波導(dǎo)光柵的256個(gè)分叉端口分別與第一傳感線路51，第二傳感線路52，……，第二百五十六傳 感線路5256連接，寬帶光源1采用LED。第一傳感線路51、第二傳感線路52、……，第二百五十六傳感線路5256的另一端 分別與第二陣列波導(dǎo)光柵6的256個(gè)分叉端口相連；第二陣列波導(dǎo)光柵6的一字端口與光譜分析儀7的輸入端連接，光譜分析儀7的 輸出端與計(jì)算機(jī)8相連，光譜分析儀7采用AND06317。第一傳感線路51由半徑為100 μ m的第一一環(huán)形諧振腔511，半徑為200 μ m的第 一二環(huán)形諧振腔512，……，半徑為800 μ m的第一八環(huán)形諧振腔518相互串聯(lián)構(gòu)成。第二傳感線路52由半徑為100 μ m的第二一環(huán)形諧振腔521，半徑為200 μ m的第 二二環(huán)形諧振腔522，……，半徑為800 μ m的第二八環(huán)形諧振腔5 相互串聯(lián)構(gòu)成；……第二百五十六傳感線路由半徑為100 μ m的第二百五十六一環(huán)形諧振腔52561，半 徑為200 μ m的第二百五十六二環(huán)形諧振腔52562，……，半徑為800 μ m的第二百五十六八 環(huán)形諧振腔52568相互串聯(lián)構(gòu)成。所有的環(huán)形諧振腔均由雙錐微細(xì)光纖自纏繞耦合制成，見圖5。雙錐微細(xì)光纖由火 焰熔融拉制而成。
權(quán)利要求
1.一種基于雙錐微細(xì)光纖環(huán)形諧振腔的分布式傳感裝置，其特征在于，該傳感裝置包 括寬帶光源(1)、光隔離器( 、第一、第二 1 XN耦合器(3、6)、第一至第N帶通濾波器01， 42，…，4N)、第一至第N傳感線路(51,52,…，5N)、光譜分析儀(7)和計(jì)算機(jī)(8)；所述各器件間的連接寬帶光源⑴經(jīng)光隔離器⑵與第一 IXN耦合器(3)的一字端口相連，第一 IXN耦 合器(3)的N個(gè)分叉端口分別接第一帶通濾波器(41)，第二帶通濾波器0幻，…，第N帶 通濾波器GN)的輸入端；第一帶通濾波器Gl)的輸出端與第一傳感線路(51)的一端連接，第二帶通濾波器 (42)的輸出端與第二傳感線路(52)的一端連接，…，第N帶通濾波器GN)的輸出端與第 N傳感線路(5N)的一端連接；第一傳感線路(51)、第二傳感線路(52)、…，第N傳感線路(5N)的另一端分別與第二 IXN耦合器(6)的N個(gè)分叉端口相連；第二 IXN耦合器(6)的一字端口與光譜分析儀(7)的輸入端連接，光譜分析儀(7)的 輸出端與計(jì)算機(jī)(8)相連；第一傳感線路(51)由第一一環(huán)形諧振腔(511)，第一二環(huán)形諧振腔(512)，…，第一 M 環(huán)形諧振腔(51M)相互串聯(lián)構(gòu)成；第二傳感線路(5 由第二一環(huán)形諧振腔(521)，第二二環(huán)形諧振腔(522)，…，第二 M環(huán)形諧振腔(52M)相互串聯(lián)構(gòu)成； · · · 第N傳感線路(5N)由第N—環(huán)形諧振腔(5m)，第N 二環(huán)形諧振腔(5N2)，…，第匪 環(huán)形諧振腔(5NM)相互串聯(lián)構(gòu)成； N彡2的整數(shù)，M彡2的整數(shù)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于雙錐微細(xì)光纖環(huán)形諧振腔的分布式傳感裝置，其特 征是所述的寬帶光源(1)為摻鉺光纖放大器或LED或其它任何波長(zhǎng)范圍在光纖低損耗窗口 的寬帶光源。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于雙錐微細(xì)光纖環(huán)形諧振腔的分布式傳感裝置，其特 征是所述的第一 IXN耦合器C3)和第二 IXN耦合器(6)為光纖星形耦合器或陣列波導(dǎo)光柵。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于雙錐微細(xì)光纖環(huán)形諧振腔的分布式傳感裝置，其特 征是第一傳感線路至第N傳感線路(51，52，…，5N)中的環(huán)形諧振腔由雙錐微細(xì)光纖自纏 繞耦合制成，其半徑為不同微米量級(jí)。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的一種基于雙錐微細(xì)光纖環(huán)形諧振腔的分布式傳感裝置，其特 征是所述的雙錐微細(xì)光纖由火焰熔融拉制而成。
全文摘要
一種基于雙錐微細(xì)光纖環(huán)形諧振腔的分布式傳感裝置，屬于光纖傳感的技術(shù)領(lǐng)域，構(gòu)成器件的連接寬帶光源(1)經(jīng)光隔離器(2)與1×N耦合器(3)的一字端口相連，1×N耦合器(3)的N個(gè)分叉端口分別經(jīng)第一至第N帶通濾波器(41，42，…，4N)與第一至第N傳感線路(51，52，…，5N)的一端相連，第一至第N傳感線路(51，52，…，5N)的另一端分別與1×N耦合器(6)的N個(gè)分叉端口相連，1×N耦合器(6)的一字端口與光譜分析儀(7)和計(jì)算機(jī)(8)相連。第一至第N傳感線路(51，52，…，5N)由半徑為微米量級(jí)的不同環(huán)形諧振腔相互串聯(lián)，環(huán)形諧振腔由一根雙錐微細(xì)光纖自纏繞耦合制成，尺寸小、插損低、性價(jià)比高、級(jí)聯(lián)與復(fù)用更加簡(jiǎn)單方便。
文檔編號(hào)G02B6/28GK102128643SQ20101059338
公開日2011年7月20日 申請(qǐng)日期2010年12月17日 優(yōu)先權(quán)日2010年12月17日
發(fā)明者彭昌, 王志軍, 盛曉娟, 董小偉 申請(qǐng)人:北京交通大學(xué)