本發(fā)明涉及基于光纖光柵的光纖準(zhǔn)分布式傳感領(lǐng)域，具體提出一種滿足高性能指標(biāo)復(fù)用陣列的光纖光柵的設(shè)計方法；提出了允許公差量的計算方法，對工藝上設(shè)計生產(chǎn)能實際應(yīng)用的光纖光柵以及提高串聯(lián)復(fù)用型光纖光柵合格率具有了指導(dǎo)意義。

背景技術(shù)：

光纖光柵自被發(fā)明以來由于其良好的光學(xué)性能、純光纖器件特性以及相對簡單的加工工藝，在全光纖通信和光纖傳感領(lǐng)域得到深入廣泛的應(yīng)用。

光纖光柵在傳感領(lǐng)域的應(yīng)用，既可被用于作為傳感單元，目前已投入使用的如壓力傳感、溫度傳感和應(yīng)變傳感等；也可被用于作為反射器件和波分器件實現(xiàn)單光纖上的多傳感單元的復(fù)用，比如時分復(fù)用和波分復(fù)用等；此外光纖光柵作為傳感單元兼復(fù)用功能單元的報道也已很多。

光纖光柵最具有商用前景的應(yīng)用，便是作為透反射功能器件被用于單光纖傳感的時分/波分混合復(fù)用。以準(zhǔn)全同光纖光柵作為時分/波分復(fù)用光路的功能性器件有眾多優(yōu)點：光纖光柵制作成本相對低廉，同時光纖光柵能真正實現(xiàn)在一條光纖上的高復(fù)用度的準(zhǔn)分布式傳感。美國等國早在上世紀(jì)90年代對這一單纖復(fù)用的傳感方式做了深入研究，相關(guān)的成果也都早有報道。

然而，光纖光柵使之能成為傳感單元的環(huán)境敏感性(如中心波長對環(huán)境溫度和封裝應(yīng)力敏感；光學(xué)帶寬對光刻時間和老化時間敏感；邊模抑制比對“切趾”光斑大小敏感等)對全同光纖光柵生產(chǎn)工藝和生產(chǎn)環(huán)境提出極高的要求；同時在使用中,各復(fù)用光纖光柵受環(huán)境影響出現(xiàn)相互間光學(xué)性能的差異，或?qū)е聫?fù)用的各單元傳感性能急劇下降，甚至失效。設(shè)計既能保證光路傳感性能，又能兼顧保證簡易生產(chǎn)工藝的準(zhǔn)全同的光纖光柵，對于光纖光柵在大規(guī)模復(fù)用的準(zhǔn)分布傳感領(lǐng)域具有重要意義。

一個單纖復(fù)用光纖光柵傳感系統(tǒng)將面臨以下一些問題：返回脈沖串的脈沖均勻性、脈沖間串?dāng)_、復(fù)用規(guī)模、反射率不一致性、反射中心波長不一致性的干擾以及復(fù)用傳感系統(tǒng)抗外界的干擾能力。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)存在的不足，而提供一種適于單纖復(fù)用的準(zhǔn)全同光纖光柵設(shè)計方法。

本發(fā)明的目的是通過如下技術(shù)方案來完成的。這種適于單纖復(fù)用的準(zhǔn)全同光纖光柵設(shè)計方法，包括如下步驟：

1)、準(zhǔn)全同光纖光柵基準(zhǔn)反射率的設(shè)計：準(zhǔn)全同光纖光柵單光纖復(fù)用技術(shù)的關(guān)鍵指標(biāo)即為其基準(zhǔn)反射率，由幾個因素決定：返回脈沖功率均勻性、各復(fù)用通道間串?dāng)_量以及瑞利散射三個因素。其中返回脈沖功率均勻性和通道間串?dāng)_量是對光纖光柵反射率上限作限制，而瑞利散射是對光纖光柵反射率下限作限制。針對不同復(fù)用度的單纖復(fù)用陣列，設(shè)計光纖光柵相應(yīng)的基準(zhǔn)反射率，實現(xiàn)復(fù)用鏈路返回光脈沖功率均衡、各通道間相互串?dāng)_最小、瑞利散射干擾抑制的效果；

2)反射率允許工藝誤差的設(shè)計：光纖光柵制作時工藝誤差，真正全同的光纖光柵很難實現(xiàn)。光纖光柵制作時工藝誤差，設(shè)置一定工藝誤差允許量，在保證傳感系統(tǒng)性能的前提下，提高生產(chǎn)工藝的可行性；

3)環(huán)境溫度適應(yīng)性和抗環(huán)境應(yīng)力干擾的設(shè)計：在光纖光柵制造和使用環(huán)境中，環(huán)境溫度普遍在0℃～50℃間波動，對應(yīng)中心波長最大漂移量為0.5nm。設(shè)計光纖光柵帶寬不低于0.5nm，即偏離中心波長±0.25nm的位置，光纖光柵的反射率最大下降不高于3db，確保環(huán)境溫度變化時，返回光功率不會出現(xiàn)大的波動；復(fù)用傳感系統(tǒng)實際使用時，各相鄰光纖光柵間光纖作為動態(tài)力傳感單元時，外界環(huán)境的擾動或者被測體的應(yīng)變等，光纖光柵將連帶發(fā)生伸縮，從而影響返回光脈沖穩(wěn)定性，故需對光纖光柵抗環(huán)境應(yīng)力干擾性能力進(jìn)行設(shè)計。光纖光柵的帶寬設(shè)計在0.42nm以上，可以實現(xiàn)抗100db的光纖伸縮變化。

4)中心波長允許工藝誤差的設(shè)計：光纖光柵中心波長的偏移，將導(dǎo)致反射率的偏差，從而引起返回脈沖功率的不均勻；準(zhǔn)全同光纖光柵設(shè)計中，設(shè)置光纖光柵中心波長的不一致性的最大允許量，確保返回光脈沖的功率平衡性。

更進(jìn)一步，準(zhǔn)全同光纖光柵基準(zhǔn)反射率的設(shè)計：將用于單纖復(fù)用鏈路的光纖光柵基準(zhǔn)反射率設(shè)計在0.1％，在9個復(fù)用度的傳感系統(tǒng)中，光纖光柵的最小返回激光功率大于后向瑞利散射功率10dbm以上，滿足脈沖最大不均勻性3db，最大插損30db。

更進(jìn)一步，反射率允許工藝誤差的設(shè)計：反射率容差量由基準(zhǔn)反射率決定，在基準(zhǔn)反射率為0.01時，制作光柵反射率允許為0.01±0.0024。

更進(jìn)一步，中心波長允許工藝誤差的設(shè)計：光纖光柵中心偏差允許±0.14nm。

本發(fā)明的有益效果為：

(1)本發(fā)明提出的準(zhǔn)全同光纖光柵適用于單纖傳感復(fù)用，有利于簡化陣列工藝、降低生產(chǎn)成本和使用成本。

(2)通過光纖光柵的基準(zhǔn)反射率設(shè)計，確保了單纖復(fù)用鏈路具有返回光脈沖功率均衡、通道間相互串?dāng)_量小、瑞利散射干擾抑制的效果。

(3)分析規(guī)定了光纖光柵光學(xué)參數(shù)的工藝誤差允許量，有利于光柵生產(chǎn)、篩選以及質(zhì)量控制和評價。

附圖說明

圖1準(zhǔn)全同光纖光柵單纖復(fù)用的準(zhǔn)分布式傳感系統(tǒng)；其中1為輸入光脈沖，2為輸出光脈沖串，3是環(huán)形器，4時傳感光纖，5是光纖光柵；

圖2準(zhǔn)全同光纖光柵不同反射率情況下，復(fù)用光路的返回脈沖均勻性理論計算圖；其中橫坐標(biāo)為光纖光柵反射率，縱坐標(biāo)為系統(tǒng)返回脈沖的最大不均勻度；

圖3準(zhǔn)全同光纖光柵不同反射率情況下，復(fù)用光路的光最大插入損耗理論計算圖；其中橫坐標(biāo)為光纖光柵反射率，縱坐標(biāo)為系統(tǒng)返回脈沖的最大插入損耗；

圖4準(zhǔn)全同光纖光柵不同反射率情況下，復(fù)用光路的通道間最大強度串?dāng)_理論計算圖；其中橫坐標(biāo)為光纖光柵反射率，縱坐標(biāo)為系統(tǒng)通道間的最大強度串?dāng)_值；

圖5基準(zhǔn)反射率分別為0.01和0.005時，反射率誤差引起的最大反射功率不均勻性；橫坐標(biāo)為相對于光纖光柵基準(zhǔn)反射率的工藝誤差，縱坐標(biāo)為系統(tǒng)返回脈沖的最大不均勻度；

圖6光纖光柵中心波長偏移導(dǎo)致的反射率的偏差；(a)為光纖光柵反射譜高斯建模；其中橫坐標(biāo)為相對中心波長的偏移量，縱坐標(biāo)為反射譜的相對反射強度；(b)為光纖光柵中心波長偏移導(dǎo)致的反射率變化量的等高線圖；其中橫坐標(biāo)，縱坐標(biāo)表示中心波長的偏移，圖內(nèi)等高線為反射率的偏移量。

具體實施方式

下面將結(jié)合附圖對本發(fā)明做詳細(xì)的介紹：

圖1為準(zhǔn)全同光纖光柵單纖復(fù)用的準(zhǔn)分布式傳感系統(tǒng)，光纖光柵(5)為該系統(tǒng)具備優(yōu)良性能的關(guān)鍵器件，其設(shè)計實現(xiàn)途徑如下：

1)準(zhǔn)全同光纖光柵基準(zhǔn)反射率的設(shè)計

串聯(lián)復(fù)用后，對于第i個光纖光柵，反射脈沖功率為：

ii＝i0·(1-α)^2·(t-1)·γ^2·(t-1)·α

其中ii為第i個光纖光柵返回脈沖，i0為輸入脈沖功率，α為光纖光柵的基準(zhǔn)反射率，γ為光纖本征的傳輸衰減。

那么脈沖功率均勻性系數(shù)為：u(α)＝10·lg((1-α)^2·(t-1)·γ^2·(t-1))

光路最大插損為：il(α)＝10·lg((1-α)^2·(t-1)·γ^2·(t-1)·α)

當(dāng)需要滿足最大不均勻性不超過il0時的復(fù)用度規(guī)模：

則

以9個復(fù)用度傳感系統(tǒng)為例，圖2和圖3分別顯示了準(zhǔn)全同光纖光柵不同的反射率對應(yīng)的最大不均勻性和最大插入損耗。在脈沖均勻性要求為3db以內(nèi)時，則反射率不能大于5％，而要求最大插入損耗為30db時，則反射率不能小于0.1％。

后向瑞利散射在脈沖激光注入光纖時邊在光纖中傳輸，其強度為：

ir≈10^-3·i0·s，

i0輸入功率，s光纖背向集光系數(shù)，光纖中計算值約為0.1，故瑞利后向散射脈沖的插損在40db以上。在9個復(fù)用度的傳感系統(tǒng)中，0.1％反射率的光纖光柵的最小返回激光功率大于后向瑞利散射功率10dbm以上。

光纖光柵在復(fù)用系統(tǒng)中等間距分布時，光柵間的多重反射脈沖將疊加到單次反射的探測脈沖上，引起信道間信號串?dāng)_。按排列組合規(guī)律，第i個光柵混迭的二次反射脈沖數(shù)量為：

考慮到復(fù)用光纖光柵均為低反射率，故其中的二次以上的脈沖反射可不作考慮。以復(fù)用度為9的傳感系統(tǒng)，不同光纖光柵反射率對應(yīng)的通道間最大強度串?dāng)_量見圖4。

以上可見，以復(fù)用度為9的全同光纖光柵復(fù)用傳感系統(tǒng)，滿足脈沖最大不均勻性3db，最大插損30db時，傳感系統(tǒng)在抑制通道間信號串?dāng)_等性能也具有較好的表現(xiàn)。但當(dāng)需要組建更高復(fù)用度的傳感系統(tǒng)時，對光纖光柵的基準(zhǔn)反射率的設(shè)計，需進(jìn)一步綜合分析以上幾項指標(biāo)。

將用于單纖復(fù)用鏈路的光纖光柵基準(zhǔn)反射率設(shè)計在0.1％左右，在9個復(fù)用度的傳感系統(tǒng)中，光纖光柵的最小返回激光功率大于后向瑞利散射功率10dbm以上，滿足脈沖最大不均勻性3db，最大插損30db時，傳感系統(tǒng)在抑制通道間信號串?dāng)_等性能也具有較好的表現(xiàn)。

2)反射率允許工藝誤差的設(shè)計

設(shè)各光纖光柵反射率誤差為δαt，那么各返回脈沖強度為：

ii＝i0·(1-α+δαt)^2·(t-1)·γ^2·(t-1)·(α+δαt)

則脈沖功率不均勻性系數(shù)為：

u(α)＝10·lg((1-α+δαt)^2·(t-1)·γ^2·(t-1))

對于9復(fù)用度的準(zhǔn)全同光纖光柵，在基準(zhǔn)反射率分別為0.01和0.005時，反射率誤差引起的最大反射功率不均勻性見圖5。圖中紅點標(biāo)記顯示，光柵基準(zhǔn)反射率為0.01時，約為0.0024的反射率偏差引起的最大脈沖強度差將達(dá)到3db；而對0.005光柵基準(zhǔn)反射率，光強差3db點出現(xiàn)在0.0014的反射率偏差處，故反射率容差量由基準(zhǔn)反射率決定，在基準(zhǔn)反射率為0.01時，制作光柵反射率允許為0.01±0.0024，這通過控制工藝容易實現(xiàn)。

3)環(huán)境溫度適應(yīng)性設(shè)計

光纖光柵的中心波長與溫度變化呈線性關(guān)系，符合以下表達(dá)式：

λt＝λ0+a·δt

其中λ0為中心波長，λt為溫度變化δt時，光纖光柵對應(yīng)的中心波長，a為光纖光柵溫度應(yīng)變系數(shù)，通常為10pm/℃。

將環(huán)境溫度0℃～50℃間波動量代入上式，設(shè)計光纖光柵帶寬不低于0.5nm。

4)中心波長允許工藝誤差的設(shè)計

光纖光柵反射譜為高斯分布的譜形，見圖4。則反射率隨頻率分布可寫為如下公式：

其中rc、rλ分別表示光纖光柵中心波長處的反射率和偏離中心波長λ波長處的反射率，wλ為高斯分布標(biāo)準(zhǔn)差對應(yīng)的波長范圍，λ分別表示工作波長和光柵中心波長。

由工作溫度限制的0.5nm帶寬的指標(biāo)要求，可以得到：

則

采用0.01反射率的光纖光柵，則反射譜可以表示成：

相對于中心頻率λc±0.25nm的反射譜范圍內(nèi)，可以計算得到整個反射譜的譜形以及光柵中心波長的偏差引起的反射的相對差值，見圖6(a)。

由“反射率的允許工藝誤差的設(shè)計”中分析得到當(dāng)光纖光柵反射率定為0.01時，光柵間反射率容差為±0.0024，當(dāng)光纖光柵中心波長不一致時，也將導(dǎo)致光柵之間的反射率不一致，由圖6(b)顯示，中心波長偏移±0.14nm，能保證反射率不一致性指標(biāo)。故設(shè)計光纖光柵中心偏差允許±0.14nm。

5)抗環(huán)境應(yīng)力干擾設(shè)計

設(shè)環(huán)境應(yīng)力變化范圍為：δφdb，以光纖伸縮引起的光相位變化為基準(zhǔn)。那么光相位的變化范圍為：

傳輸光波波長設(shè)為：λ，那么λ光程變化對應(yīng)相位差為2πrad。

光相位變化范圍內(nèi)，對應(yīng)的光程差變化：

設(shè)兩相鄰光纖光柵間光纖長度為l,則平均分配到每米傳感光纖上的光程變化量為：

光纖光柵對光波選擇性反射需滿足條件為：2·n·d＝λ,d為光柵柵距,n為光纖的等效折射率。那么對應(yīng)光柵反射波長的變化量為：

設(shè)計中，設(shè)環(huán)境應(yīng)力變化范圍為100db，傳感光纖長度設(shè)為30m(激光脈沖脈寬限制)，光纖光柵中心波長為1550nm，光纖等效折射率為1.5，那么光相位的變化范圍為

對應(yīng)傳感光纖上每米的光程變化量為：

δx＝4.112×10^-4(光程)/m

則光纖光柵對應(yīng)的反射波長的變化量為：

光纖光柵的帶寬設(shè)計在0.42nm以上，可以實現(xiàn)抗100db的光纖伸縮變化。

本發(fā)明提出一種準(zhǔn)全同光纖光柵的設(shè)計方法，該方法設(shè)計的光纖光柵易于單纖的串聯(lián)復(fù)用，基于該種光纖光柵的單光纖傳感系統(tǒng)能滿足高質(zhì)量的性能指標(biāo)。提出了適于串聯(lián)復(fù)用的傳感的光纖光柵單纖設(shè)計指標(biāo)依據(jù)；基于這些指標(biāo)的要求，從理論和試驗上研究了一種特定光譜性質(zhì)的光纖光柵，分析表明光譜參數(shù)的工藝誤差對單纖復(fù)用光路的性質(zhì)有直接影響；對光纖光柵的反射率、帶寬等參數(shù)的工藝允許誤差量作了合理設(shè)計規(guī)定。

可以理解的是，對本領(lǐng)域技術(shù)人員來說，對本發(fā)明的技術(shù)方案及發(fā)明構(gòu)思加以等同替換或改變都應(yīng)屬于本發(fā)明所附的權(quán)利要求的保護(hù)范圍。