專利名稱：一種光時(shí)域反射裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及光纖傳感技術(shù)領(lǐng)域，具體的說，涉及一種光時(shí)域反射儀的光學(xué)裝 置。主要應(yīng)用于安全監(jiān)控、信息自動化等方面，包括但不限于交通、市政等基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)領(lǐng) 域，電力、石油、煤炭等能源領(lǐng)域，石油化工、有色金屬等重化工業(yè)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
近年來，隨著光纖傳感市場的不斷升溫，以光纖的拉曼效應(yīng)和布里淵效應(yīng)為基礎(chǔ) 的光纖傳感器由于有探測點(diǎn)連續(xù)分布、不受電磁干擾、探測距離遠(yuǎn)等一系列優(yōu)點(diǎn)在光纖傳 感領(lǐng)域得到了越來越廣泛的應(yīng)用。光纖傳感器利用拉曼散射光在光纖中的不同位置回傳的強(qiáng)度和時(shí)間不同定位溫 度和位置，這樣的裝置稱為 ROTDR(Raman Optical Time-Domain Reflectometry)。如圖 2所示。同樣以布里淵效應(yīng)為原理的0TDR稱為BOTDR(Brillouin OpticalTime-Domain Reflectometry)。以下均以拉曼效應(yīng)為例說明，B0TDR同樣原理和光路，只是波長不同而已。脈沖信號光入射進(jìn)入光纖，在光纖中產(chǎn)生拉曼散射光，分為斯托克斯分量和反斯 托克斯分量，如圖3所示。不同的應(yīng)力導(dǎo)致兩個(gè)分量的比值不一樣，這樣通過這兩個(gè)分量的 比值可以檢測光纖處的應(yīng)力。不同的位置達(dá)到探測器處的時(shí)間不同，這樣通過返回時(shí)間的 長短可以分辨應(yīng)力發(fā)生變化對應(yīng)的距離。為了取得斯托克斯分量和反斯托克斯分量，常見的方法用光耦合器將斯托克斯分 量和反斯托克斯分量同時(shí)取下，再將這兩個(gè)分量輸入一分二的光耦合器，在耦合器的兩個(gè) 輸出端口分別用光濾波器分離斯托克斯分量和反斯托克斯分量，再將兩個(gè)分量分別用光纖 耦合至光探測器。這種方法最大的缺點(diǎn)是插入損耗很大。針對這一問題，人們提出了新的 方法，用波分復(fù)用器代替耦合器，這樣減小的插入損耗。但是，在實(shí)際使用中脈沖光信號是 單模光纖輸入，而傳感光纖通常是多模光纖，這樣就存在模式不匹配的問題，也同樣導(dǎo)致插 入損耗的增加，導(dǎo)致傳感檢測的范圍和精度下降。因此，有必要對現(xiàn)有技術(shù)進(jìn)行改進(jìn)，設(shè)計(jì)一種能減小耦合損耗、提高檢測靈敏度、 結(jié)構(gòu)緊湊的光時(shí)域反射儀組件。
發(fā)明內(nèi)容本實(shí)用新型的目的是在于提供了一種光時(shí)域反射裝置。降低了插損，提高了檢測 范圍和靈敏度，并且實(shí)現(xiàn)了小型化。本實(shí)用新型是通過以下具體方案實(shí)現(xiàn)的一種光時(shí)域反射裝置，該裝置包括第一光纖、第一透鏡、第一光學(xué)濾波器、第一光 探測器，其特征在于第一光纖端面在第一透鏡前軸線上，第二光纖端面在第二透鏡后軸線 上，第三透鏡置于第二光探測器的一端，第四透鏡置于第一光探測器的一端，第一光學(xué)濾波 器置于第一透鏡后，并與反射光成角度，第二光學(xué)濾波器置于第四透鏡和第一光探測器前， 與從第一光學(xué)濾波器反射過來的光成角度，第三光學(xué)濾波器置于第三透鏡和第二光探測器[0010]所述的第一光學(xué)濾波器與反射光的角度為10-15度。所述的第二光學(xué)濾波器與反射光的角度為10-15度。所述的第三光學(xué)濾波器與入射光的角度為小于12度。整個(gè)結(jié)構(gòu)采用自由空間耦合的方式完成，如圖1中，第一光纖端面在第一透鏡前 軸線上，第二光纖端面在第二透鏡后軸線上，完成光從光纖到空間的耦合和空間到光纖的 耦合；第三透鏡置于第二光探測器的一端，第四透鏡置于第一光探測器的一端，分別完成斯 托克斯光和反斯托克斯光耦合到探測器中，完成光信號轉(zhuǎn)換成電信號的功能；第一光學(xué)濾 波器置于第一透鏡后，并與反射光成一定角度，滿足反射光從第二光纖經(jīng)過第二光學(xué)透鏡 抵達(dá)第一光學(xué)濾波器后反射至下端的光探測器裝置；第二光學(xué)濾波器置于第四透鏡和第一 光探測器前，與從第一光學(xué)濾波器反射過來的光成一定角度，滿足部分頻率的光透過第二 光學(xué)濾波器經(jīng)過第四透鏡耦合到第一光探測器中，同時(shí)，部分頻率的光從第二光學(xué)濾波器 反射；第三光學(xué)濾波器置于第三透鏡和第二光探測器前，滿足從第二光學(xué)濾波器反射過來 的光經(jīng)過第三光學(xué)濾波器后，部分頻率透射并經(jīng)過第三透鏡耦合到第二光探測器中。一種使用自由空間的方式實(shí)現(xiàn)R0TDR的方法，實(shí)現(xiàn)了光源的入射和拉曼反射光信 號分離和檢測。在光源的輸入端口、入射進(jìn)入傳感光纖、接收反射光信號，利用波長分離分 光膜片實(shí)現(xiàn)拉曼反射信號的分離和監(jiān)測。在本實(shí)用新型中包含光源輸入部分、光源的模式變換部分、光源入射進(jìn)入傳感光 纖部分、拉曼反射信號分離部分、光電監(jiān)測部分。其特征在于光路自由空間光路結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)， 整個(gè)組件輸入是光纖，輸出時(shí)光纖或光探測器、其他部分都是光路在空間的變換。實(shí)現(xiàn)了光 信號的注入、模式的變換、波長的分離和檢測功能。所述的組件輸入光纖可以是單模光纖如ITU-T G. 652，ITU-T G. 653或ITU-TG. 655 等或其他類型光纖。所述的組件輸出光纖可以是單模光纖如ITU-T G. 652，ITU-T G. 653或ITU-TG. 655 等或其他類型光纖。如多模光纖。所述的組件的光路的空間變換可以是一個(gè)透鏡或多個(gè)透鏡形成的透鏡組，實(shí)現(xiàn)光 斑模式的變換，實(shí)現(xiàn)模式匹配，達(dá)到最佳耦合狀態(tài)。所述的組件的波長分離部分可以使用介質(zhì)膜片分光來是實(shí)現(xiàn)，將斯托克斯分量和 反斯托克斯分量分離成空間的兩路光。所述的組件的檢測部分可以是光電探測器，分別將斯托克斯分量和反斯托克斯分 量的光信號轉(zhuǎn)換為電信號。本實(shí)用新型具有如下優(yōu)點(diǎn)和效果由上述本實(shí)用新型提供的技術(shù)方案可以看出，本實(shí)用新型在組件中利用自由空間 光路實(shí)現(xiàn)光斑的模式變換，達(dá)到入射光纖和出射光纖的最佳耦合狀態(tài)，減小了光能量的損 耗；將斯托克斯分量和反斯托克斯分量直接入射至光探測器，減小了耦合損耗，提高了檢測 靈敏度，結(jié)構(gòu)緊湊。降低了插損，提高了檢測范圍和靈敏度，并且實(shí)現(xiàn)了小型化等等，經(jīng)過實(shí) 驗(yàn)表明，至少可以降低50%以上的耦合損耗，并將至少四個(gè)分離器件集成到了一個(gè)功能模 塊，提高體積集成度50%以上，并為未來降成本提供了廣闊的空間。
圖1為一種光時(shí)域反射儀組件裝置結(jié)構(gòu)圖圖2為一種R0TDR的信號光和斯托克斯分量及反斯托克斯光譜圖圖3為光斑的模式變換示意圖圖4為本實(shí)用新型的3個(gè)濾波器的濾波譜線圖4a為第一光學(xué)濾波器的濾波譜線圖4b為第二光學(xué)濾波器的濾波譜線圖4c為第三光學(xué)濾波器的濾波譜線圖，其中110_第一光纖，120-第二光纖，210-第一透鏡，220-第二透鏡，230-第三 透鏡，240-第四透鏡，310-第一光學(xué)濾波器，320-第二光學(xué)濾波器，330-第三光學(xué)濾波器， 410-第一光探測器，420-第二光探測器。
具體實(shí)施方式
實(shí)施例1 本實(shí)用新型的核心是用自由空間光路實(shí)現(xiàn)拉曼光時(shí)域反射儀的方法，不僅減小了 耦合損耗，提高了檢測靈敏度，而且相對傳統(tǒng)的光纖連接法減小了體積。
以下結(jié)合附圖對本實(shí)用新型作進(jìn)一步詳細(xì)描述根據(jù)圖1、圖2、圖3、圖4可知，一種光時(shí)域反射裝置，該裝置它包括第一光纖 110、第二光纖120、第一透鏡210、第二透鏡220、第三透鏡230、第四透鏡240、第一光學(xué)濾波 器310、第二光學(xué)濾波器320、第三光學(xué)濾波器330、第一光探測器410、第二光探測器420。 其連接關(guān)系是整個(gè)結(jié)構(gòu)采用自由空間耦合的方式完成，如圖1中，第一光纖110端面在第 一透鏡210前軸線上，第二光纖120端面在第二透鏡220后軸線上，完成光從光纖到空間的 耦合和空間到光纖的耦合；第三透鏡230置于第二光探測器420的一端，第四透鏡240置于 第一光探測器410的一端，分別完成斯托克斯光和反斯托克斯光耦合到探測器中，完成光 信號轉(zhuǎn)換成電信號的功能；第一光學(xué)濾波器310置于第一透鏡210后，并與反射光成一定角 度，考慮到偏振相關(guān)性能指標(biāo)，該角度一般在10或11或12或13或14或15度，滿足反射 光從第二光纖120經(jīng)過第二光學(xué)透鏡220抵達(dá)第一光學(xué)濾波器310后反射至下端的光探測 器裝置；第二光學(xué)濾波器320置于第四透鏡240和第一光探測器410前，與從第一光學(xué)濾波 器310反射過來的光成一定角度，考慮到偏振相關(guān)性能指標(biāo)，該角度一般在12度左10或11 或12或13或14或15度右，滿足部分頻率的光透過第二光學(xué)濾波器320經(jīng)過第四透鏡240 耦合到第一光探測器410中，同時(shí)，部分頻率的光從第二光學(xué)濾波器320反射；第三光學(xué)濾 波器330置于第三透鏡230和第二光探測器420前，滿足從第二光學(xué)濾波器320反射過來 的光經(jīng)過第三光學(xué)濾波器330后，第三光學(xué)濾波器330 —定角度放在第三透鏡230與第二 光學(xué)濾波器320之間，第三光學(xué)濾波器330角度小于12度。部分頻率透射并經(jīng)過第三透鏡 230耦合到第二光探測器420中。光源的光信號入射進(jìn)入第一光纖110，從第一光纖110出射光斑經(jīng)過第一透鏡210 準(zhǔn)直后，透過第一光學(xué)濾波器310后再經(jīng)過第二透鏡220，光信號經(jīng)第二透鏡220后進(jìn)入第 二光纖120。為了達(dá)到最佳的耦合效果，經(jīng)第二透鏡220后的光信號的光斑的模場半徑要與第二光纖120的模場半徑一致。典型的可滿足如下條件(圖4)在圖1中，光信號進(jìn)入第二光纖120后，經(jīng)過一段距離的傳輸，由于拉曼效應(yīng)產(chǎn)生 的斯托克斯分量和反斯托克斯分量反方向再次進(jìn)入第二光纖120，經(jīng)第二透鏡220準(zhǔn)直后， 由第一光學(xué)濾波器310反射后，分為兩條路徑，一條是經(jīng)第二光學(xué)濾波器320濾波后，經(jīng)第 四透鏡240聚焦后入射在第一光探測器410上。另一條光路經(jīng)第二光學(xué)濾波器320反射后 再次經(jīng)第三光學(xué)濾波器330濾波后，經(jīng)第二光學(xué)濾波器320聚焦后進(jìn)入第二光探測器420。這里所述的光濾波器是為了分離斯托克斯分量和反斯托克斯，同時(shí)盡量減小原來 的光信號對這兩個(gè)分量的干擾，增加第三光學(xué)濾波器330也是為了減少兩個(gè)分量間的串 擾。一種典型的光濾波器的譜線如圖4所示。
權(quán)利要求一種光時(shí)域反射裝置，該裝置包括第一光纖(110)、第一透鏡(210)、第一光學(xué)濾波器(310)、第一光探測器(410)，其特征在于第一光纖(110)端面在第一透鏡(210)前軸線上，第二光纖(120)端面在第二透鏡(220)后軸線上，第三透鏡(230)置于第二光探測器(420)的一端，第四透鏡(240)置于第一光探測器(410)的一端，第一光學(xué)濾波器(310)置于第一透鏡(210)后，并與反射光成角度，第二光學(xué)濾波器(320)置于第四透鏡(240)和第一光探測器(410)前，與從第一光學(xué)濾波器(310)反射過來的光成角度，第三光學(xué)濾波器(330)置于第三透鏡(230)和第二光探測器(420)前。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種光時(shí)域反射裝置，其特征在于所述的第一光學(xué)濾波器 (310)與反射光的角度為10-15度。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種光時(shí)域反射裝置，其特征在于所述的第二光學(xué)濾波器 (320)與反射光的角度為10-15度。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種光時(shí)域反射裝置，其特征在于所述的第三光學(xué)濾波器 (330)與入射光的角度為小于12度。
專利摘要本實(shí)用新型公開了一種光時(shí)域反射裝置，該裝置包括第一光纖、第一透鏡、第一光學(xué)濾波器、第一光探測器，其特征在于第一光纖端面在第一透鏡前軸線上，第二光纖端面在第二透鏡后軸線上，第三透鏡置于第二光探測器的一端，第四透鏡置于第一光探測器的一端，第一光學(xué)濾波器置于第一透鏡后，并與反射光成角度，第二光學(xué)濾波器置于第四透鏡和第一光探測器前，與從第一光學(xué)濾波器反射過來的光成角度，第三光學(xué)濾波器置于第三透鏡和第二光探測器前。本實(shí)用新型減小了耦合損耗，提高了檢測靈敏度，結(jié)構(gòu)緊湊。至少可以降低50％以上的耦合損耗，并將至少四個(gè)分離器件集成到了一個(gè)功能模塊，提高體積集成度50％以上，并為未來降成本提供了廣闊的空間。
文檔編號G01D5/353GK201662404SQ201020163268
公開日2010年12月1日 申請日期2010年4月14日 優(yōu)先權(quán)日2010年4月14日
發(fā)明者姚璐璐, 梁慶華, 邵軍 申請人:武漢高思光電科技有限公司