基于包層模式干涉結(jié)合布拉格光纖光柵曲率傳感器的制造方法
【專利摘要】本實用新型公開了基于包層模式干涉結(jié)合布拉格光纖光柵曲率傳感器，由寬帶光源，光環(huán)行器，光功率計，光譜儀，3dB耦合器，帶通濾波器，傳感光纖，位移光纖平臺組成；其中傳感光纖由單模光纖、多模光纖、FBG構(gòu)成。寬帶光源發(fā)射的光束入射到傳感光纖中，由于單模光纖和多模光纖的模式匹配失衡，使在多模光纖中產(chǎn)生多個模式的干涉，再入射到刻有FBG的單模光纖后，反射回多模光纖中再次產(chǎn)生干涉。傳感光纖彎曲程度改變時，干涉圖樣會有明顯的改變，干涉光被光譜儀和光功率計接收，得出光強與曲率的線性變化關(guān)系，該發(fā)明結(jié)構(gòu)簡單，靈敏度高，在0至70℃的環(huán)境下，溫度對曲率傳感的影響可忽略，為曲率測量的實時監(jiān)測提供了一種切實可行的方案。
【專利說明】
基于包層模式干涉結(jié)合布拉格光纖光柵曲率傳感器
技術(shù)領(lǐng)域
[0001] 本實用新型屬于布拉格光纖光柵(FBG)傳感技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及包層模式干涉結(jié) 合布拉格光纖光柵曲率傳感器。
【背景技術(shù)】
[0002] 長周期光柵(LPGS)對曲率變化導(dǎo)致的傳輸共振引起的振幅變化和波長飄移有很 高的靈敏度，但是受溫度影響較大，較寬的傳輸帶寬導(dǎo)致了檢測錯誤和難以復(fù)用。
[0003] 啁嗽光柵(CFBGS)可以用來測量曲率的變化，通過彎曲程度與啁嗽頻率的關(guān)系來 檢測曲率的變化，但是這種光纖光柵傳感器在微觀的測量里就顯得非常不方便。
[0004] TFBG對低階包層模的耦合系數(shù)非常敏感，但是需要實時測量，并且光纖中的低階 包層模損耗非常大，導(dǎo)致了光譜改變的不確定性和對彎曲方向有很高的依賴性。
[0005] 布拉格光纖光柵曲率傳感器從安全監(jiān)控到建筑工程方面有很廣泛的應(yīng)用，具有無 源的操作系統(tǒng)、抗電磁干擾、靈敏度高、結(jié)構(gòu)一體化、器件成本低等特點。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006] 針對現(xiàn)有技術(shù)的不足，本實用新型的目的在于提供一種基于包層模式干涉結(jié)合布 拉格光纖光柵曲率傳感器，通過檢測多模光纖中產(chǎn)生的干涉光信號，來確定光纖曲率。該結(jié) 構(gòu)易于實現(xiàn)，靈敏度高，在〇至70°C的環(huán)境下，可忽略溫度對曲率測量的影響。
[0007] 本實用新型通過以下技術(shù)方案實現(xiàn):基于包層模式干涉結(jié)合布拉格光纖光柵曲率 傳感器，由寬帶光源（1)，光環(huán)行器(2)，光譜儀(3)，光功率計(4)，帶通濾波器(5)，3dB耦合 器(6)，第一單模光纖（7)，多模光纖(8)，第二單模光纖(9)，F(xiàn)BG(10)，第一位移光纖平臺 (11) ，第二位移光纖平臺（12)組成，其特征在于：寬帶光源（1)與光環(huán)行器(2)左端相連，光 環(huán)行器(2)右端與第一單模光纖(7)的左端相連，第一單模光纖(7)、多模光纖(8)、第二單模 光纖(9)三個結(jié)構(gòu)順次連接，光環(huán)行器(2)下端與3dB耦合器(6)上端相連，3dB耦合器(6)的 另外兩端分別與帶通濾波器(5)的右端和光譜儀(3)連接，光功率計(4)與帶通濾波器(5)的 左端相連;其中第一位移光纖平臺（11)夾住第一單模光纖（7)的左端，第二位移光纖平臺 (12) 夾住第二單模光纖(9)的右端。
[0008] 所述的多模光纖(8)的長度為1mm，直徑為62.5μπι，纖芯折射率為1.4662，包層的折 射率為1.45。
[0009] 所述的FBG(10)刻在第二單模光纖（9)中，長度為8mm，在室溫下中心波長為 1553.78nm〇
[0010] 所述的光譜儀（3)的分辨率為O.Olnm，第一位移光纖平臺（11)為固定平臺，第二 位移光纖平臺（12)為可動平臺。
[0011]本實用新型的工作原理是：寬帶光源（1)發(fā)射1520-1620nm的光束，入射到第一單 模光纖(7)_多模光纖(8)-第二單模光纖(9)結(jié)構(gòu)中，由于單模光纖和多模光纖的模式匹配 失衡的特點，在多模光纖(8)里產(chǎn)生多個模式的干涉，向前傳播到刻有FBG(10)的第二單模 光纖(9)里又激發(fā)出不同的包層模與纖芯模，經(jīng)過FBG(IO)反射回到多模光纖(8)中，再一次 在多模光纖(8)中產(chǎn)生耦合效率很高的干涉圖樣，第一單模光纖(7)-多模光纖(8)-第二單 模光纖(9)結(jié)構(gòu)彎曲變化時，干涉圖樣會產(chǎn)生明顯的變化，干涉光被光譜儀(3)和光功率計 (4) 接收，檢測光纖內(nèi)不同模式的信號的變化，得出光強與曲率變化的線性關(guān)系，在光功率 計之前加入了帶通濾波器(5)，目的為了可以分別檢測不同的布拉格模式和包層模式，實現(xiàn) 對單個纖芯模和包層模信號的檢測。
[0012]由第二單模光纖(9)導(dǎo)出i階耦合系數(shù)cU得到：
[0013]
⑴ 0 0
[0014] cU代表耦合系數(shù)、Μ代表在多模光纖中傳導(dǎo)的模式總數(shù)，Ch代表在多模光纖中的激 勵系數(shù)，ith代表電場分布，代表本征態(tài)傳播常數(shù)，Φ i代表單模光纖反射的第i階模式，包括 i = l的纖芯模與i>l的包層模。cU與多模光纖的折射率、長度、纖芯直徑有關(guān)。
[0015]
⑵
[0016] Ch代表在多模光纖中的激勵系數(shù)，會隨著光纖曲率的變化而改變，Es代表單模光纖 的電場基模。
[0017] 本實用新型的有益效果是：（1)在正常溫度范圍下測量曲率，沒有較為明顯的誤 差；（2)該結(jié)構(gòu)的傳感光纖，可以檢測任意方向的彎折變化，因此，本實用新型具有結(jié)構(gòu)簡 單，靈敏度高，〇至70 °C下，能忽略溫度對曲率測量的影響等優(yōu)點，為曲率的實時監(jiān)測提供了 一種切實可行的方案。
【附圖說明】
[0018] 圖1是基于包層模式干涉結(jié)合布拉格光纖光柵曲率傳感器的裝置連接圖。
[0019] 圖2是基于包層模式干涉結(jié)合布拉格光纖光柵曲率傳感器的系統(tǒng)原理圖。
【具體實施方式】
[0020] 下面結(jié)合附圖與【具體實施方式】對本實用新型作進一步詳細描述。
[0021] 參見附圖1，由寬帶光源（1)，光環(huán)行器(2)，光譜儀(3)，光功率計(4)，帶通濾波器 (5) ，3dB耦合器(6)，第一單模光纖(7)，多模光纖(8)，第二單模光纖(9)，F(xiàn)BG(10)，第一位移 光纖平臺（11)，第二位移光纖平臺（12)組成，其特征在于：寬帶光源（1)和光環(huán)行器(2)左端 相連，光環(huán)行器(2)右端與第一單模光纖(7)的左端相連，第一單模光纖(7)、多模光纖(8)、 第二單模光纖(9)三個結(jié)構(gòu)順次連接，光環(huán)行器(2)下端與3dB耦合器(6)上端相連，3dB耦合 器(6)的另外兩端分別與帶通濾波器(5)的右端和光譜儀(3)連接，光功率計(4)與帶通濾波 器(5)的左端相連;其中第一位移光纖平臺（11)夾住第一單模光纖(7)的左端，第二位移光 纖平臺（12)夾住第二單模光纖(9)的右端;第一單模光纖(7)-多模光纖(8)-第二單模光纖 (9)結(jié)構(gòu)參見附圖2，多模光纖(8)的長度為1mm，直徑為62.5μπι，纖芯折射率為1.4662，包層 的折射率為1.45，F(xiàn)BG( 10)刻在第二單模光纖(9)中，長度為8mm，在室溫下的中心波長為 1553.78nm，光譜儀(3)的分辨率為O.Olnm，第一位移光纖平臺（11)為固定平臺，第二位移光 纖平臺（12)為可動平臺。
[0022]第一單模光纖(7)-多模光纖(8)-第二單模光纖(9)結(jié)構(gòu)利用單模光纖與多模光纖 熔接而成，采用的光纖熔接機型號為Fujikura 60s，單模光纖與多模光纖之間使用光纖熔 接機標準程序熔接。第二位移光纖平臺（12)的作用是使第一單模光纖(7)-多模光纖(8)-第 二單模光纖(9)結(jié)構(gòu)彎曲程度可控。
[0023]本實用新型的工作原理是：寬帶光源（1)發(fā)射1520-1620nm的光束，傳播到第一單 模光纖(7)_多模光纖(8)-第二單模光纖(9)結(jié)構(gòu)中，由于單模光纖和多模光纖的模式匹配 失衡的特點，使在多模光纖(8)里產(chǎn)生多個模式干涉，向前傳播經(jīng)過刻有FBG(10)的單模光 纖2(9)里又激發(fā)出不同的包層模與纖芯模，然后反射回到多模光纖(8)中，再一次產(chǎn)生耦合 效率很高的干涉圖樣，第一單模光纖(7)-多模光纖(8)-第二單模光纖(9)結(jié)構(gòu)彎曲程度改 變時，干涉圖樣會有明顯的改變，干涉光被光譜儀(3)和光功率計(4)接收，檢測光纖內(nèi)不同 模式信號的變化，得出光強與曲率變化的線性關(guān)系，在光功率計之前加入了帶通濾波器 (5)，目的為了可以分別檢測不同的布拉格模式和包層模式，實現(xiàn)對單個纖芯模和包層模信 號的檢測。
【主權(quán)項】
1. 基于包層模式干涉結(jié)合布拉格光纖光柵曲率傳感器，由寬帶光源（1)，光環(huán)行器(2)， 光譜儀(3)，光功率計(4)，帶通濾波器(5)，3dB耦合器(6)，第一單模光纖(7)，多模光纖(8)， 第二單模光纖(9)，F(xiàn)BG(10)，第一位移光纖平臺（11)，第二位移光纖平臺（12)組成，其特征 在于：寬帶光源（1)和光環(huán)行器(2)左端相連，光環(huán)行器(2)右端與第一單模光纖(7)的左端 相連，第一單模光纖(7)、多模光纖(8)、第二單模光纖(9)三個結(jié)構(gòu)順次連接，光環(huán)行器(2) 下端與3dB耦合器(6)上端相連，3dB耦合器(6)的另外兩端分別與帶通濾波器(5)的右端和 光譜儀(3)連接，光功率計(4)與帶通濾波器(5)的左端相連;其中第一位移光纖平臺（11)夾 住第一單模光纖(7)的左端，第二位移光纖平臺（12)夾住第二單模光纖(9)的右端。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于包層模式干涉結(jié)合布拉格光纖光柵曲率傳感器，其特征 在于：多模光纖（8)的長度為1mm，直徑為62.5μπι，纖芯折射率為1.4662,包層的折射率為 1.45〇3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于包層模式干涉結(jié)合布拉格光纖光柵曲率傳感器，其特征 在于:FBG(IO)刻在第二單模光纖(9)中，長度為8mm，在室溫下中心波長為1553.78nm。4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于包層模式干涉結(jié)合布拉格光纖光柵曲率傳感器，其特征 在于:光譜儀(3)的分辨率為O.Olnm，第一位移光纖平臺（11)為固定平臺，第二位移光纖平 臺（12)為可動平臺。
【文檔編號】G01B11/24GK205655805SQ201620394832
【公開日】2016年10月19日
【申請日】2016年5月4日 公開號201620394832.0, CN 201620394832, CN 205655805 U, CN 205655805U, CN-U-205655805, CN201620394832, CN201620394832.0, CN205655805 U, CN205655805U
【發(fā)明人】孫志強, 沈常宇
【申請人】中國計量大學