集成拉曼放大器的超遠程分布式光纖拉曼光子溫度傳感器的製作方法

2023-05-31 04:46:46

專利名稱：集成拉曼放大器的超遠程分布式光纖拉曼光子溫度傳感器的製作方法
技術領域：
本發明涉及集成拉曼放大器的超遠程分布式光纖拉曼光子溫度傳感器，屬 於光纖傳感器技術領域。
技術背景在分布式光纖傳感器中，利用光纖自發拉曼散射光強度受溫度調製的原理 和光時域反射原理組成的分布式光纖拉曼光子溫度傳感器，具有廣闊的應用市 場。國內外現有的分布式光纖拉曼光子溫度傳感器由於受到系統信噪比的限制，最大測量距離為30km。本發明人曾利用光纖自發拉曼散射放大的原理改善了系 統的信噪比(張在宣，王劍鋒，劉紅林，餘向東等，InsooS.KIM，30km遠程分 布光纖拉曼溫度傳感器系統的實驗研究，中國雷射，2004， 31 (5): 613-616.EI (433813429))，最大測量距離為31km，有所改善，但沒有突破〉30km的範圍。 發明內容本發明的目的是為了提高分布式光纖拉曼光子溫度傳感器的測量範圍和測 量精度，提供一種集成光纖拉曼放大器的超遠程分布式光纖拉曼光子溫度傳感 器°為達到上述目的，本發明採取的技術解決方案是在分布式光纖拉曼光子溫 度傳感器中嵌入分布式光纖拉曼放大器。集成光纖拉曼放大器的超遠程分布式 光纖拉曼光子溫度傳感器包括分布式光纖拉曼光子溫度傳感器，分布式光纖拉 曼放大器以及50km單模光纖和光纖光柵窄帶反射濾波器，分布式光纖拉曼光子 溫度傳感器由半導體脈衝雷射器，lx2光纖雙向耦合器，波分復用器，反斯託克 斯散射光濾波器，斯託克斯拉曼散射光濾波器和兩個光電雪崩二極體組成，分 布式光纖拉曼放大器由泵浦光纖雷射器和泵浦-信號光纖耦合器組成；半導體脈 衝激光器和泵浦光纖雷射器分別與泵浦-信號光纖耦合器的輸入端相連，泵浦-信號光纖耦合器的輸出端與lx2光纖雙向耦合器的輸入端相連，lx2光纖雙向耦 合器的一個輸出端與50km單模光纖相連，光纖1x2雙向耦合器的另一個輸出端 與光纖光柵窄帶反射濾波器的輸入端相連，光纖光柵窄帶反射濾波器的輸出端 與波分復用器的輸入端連接，波分復用器輸出的背向拉曼散射光分成兩路，其 中， 一路為反斯託克斯拉曼散射光，經反斯託克斯散射光濾波器與將光信號轉 換成電信號,並進行放大的第一光電雪崩二極體相連，另一路為斯託克斯拉曼散 射光，經斯託克斯拉曼散射光濾波器與將光信號轉換成電信號,並進行放大的第
二光電雪崩二極體相連。 工作原理如下半導體脈衝雷射器和泵浦光纖雷射器產生的雷射經泵浦-信號光纖耦合器和1x2光纖雙向耦合器耦合後輸入50km單模光纖，50km單模光纖各段上產生的 放大的背向瑞利(Rayleigh)散射光、背向斯託克斯和反斯託克斯拉曼(Raman) 散射光經1x2光纖雙向耦合器輸入到光纖光柵窄帶反射濾波器，利用光纖光柵 窄帶反射濾波器抑制泵浦光纖雷射器在50km單模光纖中產生的背向瑞利散射 光，同時讓50km單模光纖各段上產生的放大的自發拉曼散射光通過，並進入到 波分復用器，由波分復用器將背向自發拉曼散射光分成兩路， 一路背向反斯託 克斯拉曼散射光，經反斯託克斯拉曼散射光濾波器濾波後進入第一光電雪崩二 極管，轉換成電信號K，並進行放大，另一路背向斯託克斯拉曼散射光經斯託 克斯拉曼散射光濾波器濾波後進入第二光電雪崩二極體，轉換成電信號R，並進行放大。測量兩個光電雪崩二極體輸出的電信號的比值》，從電信號的比值f 與溫度的關係(見式l),可以得到光纖各段處的溫度，從而獲得空間的溫度場分布r。formula see original document page 5式中k為波爾茲曼常數，h為普朗克常數，v。和v,分別為光纖上各段的反斯 託克斯和斯託克斯拉曼散射頻率，v。為半導體脈衝雷射器的頻率，A^為光纖分 子振動能級的頻率。50km單模光纖上各段的的自發拉曼散射光強度受到溫度的調製，光纖上各 段的溫度不同，它的拉曼散射光強度也不同，因此可以利用光纖的自發拉曼散 射溫度效應和光纖時域反射(OTDR)原理來製造分布式光纖拉曼光子溫度傳感 器，由光纖時域反射(OTDR)原理對各段光纖的位置進行定位。 本發明的有益效果在於本發明採用在分布式光纖拉曼光子溫度傳感器中嵌入分布式光纖拉曼放大 器，利用分布式光纖拉曼放大器在光纖中產生光的放大，使分布式光纖拉曼光 子溫度傳感器中半導體脈衝雷射不斷地獲得分布式光纖拉曼放大器的放大，由 於放大器的增益克服了光纖損耗，增強了光纖中自發拉曼散射光的強度，提高 了分布式光纖拉曼光子溫度傳感器系統的信噪比，增大了分布式光纖拉曼光子 溫度傳感器的傳輸距離，提高了測量距離和溫度測量精度。本發明巧妙地利用 了光纖受激拉曼散射效應和光纖自發拉曼散射效應，將分布式光纖拉曼放大器 與分布式光纖拉曼溫度傳感器技術融合在一起，實現了超遠程分布式光纖拉曼 溫度傳感器。


圖1是本發明的超遠程分布式光纖拉曼光子溫度傳感器的示意圖。
具體實施方式
參照圖1，發明的集成拉曼放大器的超遠程分布式光纖拉曼光子溫度傳感器，包括分布式光纖拉曼光子溫度傳感器，分布式光纖拉曼放大器以及50km單 模光纖24和光纖光柵窄帶反射濾波器25，分布式光纖拉曼光子溫度傳感器由半 導體脈衝雷射器20， lx2光纖雙向耦合器23，波分復用器26，反斯託克斯散射 光濾波器27，斯託克斯拉曼散射光濾波器28和兩個光電雪崩二極體29， 30組 成，分布式光纖拉曼放大器由泵浦光纖雷射器21和泵浦-信號光纖耦合器22組 成；半導體脈衝雷射器20和泵浦光纖雷射器21分別與泵浦-信號光纖耦合器22 的輸入端相連，泵浦-信號光纖耦合器22的輸出端與1x2光纖雙向耦合器23的 輸入端相連，1x2光纖雙向耦合器23的一個輸出端與50km單模光纖24相連， 50km單模光纖24上各段的背向瑞利散射光、斯託克斯和反斯託克斯拉曼散射 光通過光纖1x2雙向耦合器23的另一個輸出端與光纖光柵窄帶反射濾波器25 的輸入端相連，光纖光柵窄帶反射濾波器25的輸出端與波分復用器26的輸入 端連接，波分復用器26輸出的背向散射光分成兩路， 一路背向反斯託克斯散射 光經反斯託克斯散射光濾波器27與將光信號轉換成電信號，並進行放大的第一 光電雪崩二極體29相連，另一路背向斯託克斯拉曼散射光經斯託克斯拉曼散射 光濾波器28與將光信號轉換成電信號，並進行放大的第二光電雪崩二極體30相 連。本發明中，所說的半導體脈衝雷射器20可以釆用脈衝寬度小於30ns，波長
為1550nm的半導體法布利-白洛(FP)腔的高功率光纖雷射器。泵浦光纖雷射器21可以釆用波長為1455nm功率可調光纖拉曼雷射器。 光纖光柵窄帶反射濾波器25可以釆用波長為1455nm，窄帶光譜間隔為lnm，反射率高於99.5%，隔離度大於35dB的光纖光柵濾波器。波分復用器26可以釆用分隔開波長為1450nm譜帶反斯託克斯散光和波長為1660nm譜帶斯託克斯拉曼散射波的波分復用器。反斯託克斯散射波濾波器27可以釆用波長為1450nm，帶寬〉30nm、隔離度>30dB的濾波器。斯託克斯拉曼散射波的濾波器28可以釆用波長為1660nm，寬帶〉30nm、隔離度〉30dB的濾波器。
權利要求
1.集成拉曼放大器的超遠程分布式光纖拉曼光子溫度傳感器，其特徵是包括分布式光纖拉曼光子溫度傳感器，分布式光纖拉曼放大器以及50km單模光纖(24)和光纖光柵窄帶反射濾波器(25)，分布式光纖拉曼光子溫度傳感器由半導體脈衝雷射器(20)，1×2光纖雙向耦合器(23)，波分復用器(26)，反斯託克斯散射光濾波器(27)，斯託克斯拉曼散射光濾波器(28)和兩個光電雪崩二極體(29)，(30)組成，分布式光纖拉曼放大器由泵浦光纖雷射器(21)和泵浦-信號光纖耦合器(22)組成；半導體脈衝雷射器(20)和泵浦光纖雷射器(21)分別與泵浦-信號光纖耦合器(22)的輸入端相連，泵浦-信號光纖耦合器(22)的輸出端與1×2光纖雙向耦合器(23)的輸入端相連，1×2光纖雙向耦合器(23)的一個輸出端與50km單模光纖(24)相連，光纖1×2雙向耦合器(23)的另一個輸出端與光纖光柵窄帶反射濾波器(25)的輸入端相連，光纖光柵窄帶反射濾波器(25)的輸出端與波分復用器(26)的輸入端連接，波分復用器(26)輸出的背向拉曼散射光分成兩路，其中，一路為反斯託克斯拉曼散射光，經反斯託克斯散射光濾波器(27)與將光信號轉換成電信號，並進行放大的第一光電雪崩二極體(29)相連，另一路為斯託克斯拉曼散射光，經斯託克斯拉曼散射光濾波器(28)與將光信號轉換成電信號，並進行放大的第二光電雪崩二極體(30)相連。
2. 根據權利要求1所述的集成拉曼放大器的超遠程分布式光纖拉曼光子溫 度傳感器，其特徵在於所說的半導體脈衝雷射器(20)是脈衝寬度小於30ns， 波長為1550nm的半導體法布利-白洛腔的高功率光纖雷射器。
3. 根據權利要求1所述的集成拉曼放大器的超遠程分布式光纖拉曼光子溫 度傳感器，其特徵在於泵浦光纖雷射器(21)是波長為1455nm的功率可調的光 纖拉曼雷射器。
4. 根據權利要求1所述的集成拉曼放大器的超遠程分布式光纖拉曼光子溫 度傳感器，其特徵在於光纖光柵窄帶反射濾波器(25)是波長為1455nm，窄帶 光譜間隔為lnm，反射率高於99.5%，隔離度大於35dB的光纖光柵濾波器。
5. 根據權利要求1所述的集成拉曼放大器的超遠程分布式光纖拉曼光子溫 度傳感器，其特徵在于波分復用器(26)是分隔開波長為1450nm譜帶反斯託克 斯散光和波長為1660nm譜帶斯託克斯拉曼散射波的波分復用器。
6. 根據權利要求1所述的集成拉曼放大器的超遠程分布式光纖拉曼光子溫 度傳感器，其特徵在於反斯託克斯散射波濾波器(27)是波長為1450nm，帶寬 >30nm、隔離度〉30dB的濾波器。
7.根據權利要求1所述的集成拉曼放大器的超遠程分布式光纖拉曼光子溫 度傳感器，其特徵在於斯託克斯拉曼散射波的濾波器(28)是波長為1660nm， 寬帶〉30nm、隔離度〉30dB的濾波器。
全文摘要
本發明公開的集成拉曼放大器的超遠程分布式光纖拉曼光子溫度傳感器，包括分布式光纖拉曼光子溫度傳感器，分布式光纖拉曼放大器以及光纖光柵窄帶反射濾波器。採用在分布式光纖拉曼光子溫度傳感器中嵌入分布式光纖拉曼放大器，利用放大器的增益克服了光纖損耗，增強了光纖中自發拉曼散射光的強度，提高了分布式光纖拉曼光子溫度傳感器系統的信噪比，增大了分布式光纖拉曼光子溫度傳感器的傳輸距離，提高了溫度測量精度。本發明巧妙地利用了光纖受激拉曼散射效應，光纖自發拉曼散射效應和光時域反射原理，將分布式光纖拉曼放大器與分布式光纖拉曼溫度傳感器技術融合在一起，實現了超遠程分布式光纖拉曼溫度傳感器。
文檔編號G01K11/32GK101162175SQ20071015686
公開日2008年4月16日 申請日期2007年11月15日 優先權日2007年11月15日
發明者張在宣, 王劍鋒 申請人:中國計量學院