本發(fā)明涉及使用解調(diào)(interrogation)光纖來(lái)測(cè)量光學(xué)特性的技術(shù)，更詳細(xì)地，涉及使用具有基于波長(zhǎng)的光吸收斜率的解調(diào)光纖的光器件的光學(xué)特性測(cè)量裝置、具有其的光纖傳感器系統(tǒng)及測(cè)量光學(xué)特性的方法。

背景技術(shù)：

最近備受關(guān)注的光纖傳感器或光纖傳感器系統(tǒng)的特征在于，系統(tǒng)的所有或部分由光纖構(gòu)成，并且上述光纖傳感器系統(tǒng)可分為測(cè)量物理量的感測(cè)部本身由光纖構(gòu)成的本征(intrinsic)形態(tài)和光纖單調(diào)地作為傳輸光源及光信號(hào)的機(jī)構(gòu)使用的非本征(extrinsic)形態(tài)。

通常，光纖傳感器或光纖傳感器系統(tǒng)利用光來(lái)進(jìn)行測(cè)量，因此與基于半導(dǎo)體及導(dǎo)電物質(zhì)的電子傳感器不同地，無(wú)須通電，從而不存在因可在周?chē)a(chǎn)生的電磁干擾而導(dǎo)致的雜音、因漏電而產(chǎn)生的破損、觸電等的隱患，并且不僅尺寸小且輕，還具有非常優(yōu)秀的靈敏度，由此可應(yīng)用于多種種類(lèi)的物理量測(cè)量。例如，光纖傳感器可利用經(jīng)過(guò)感測(cè)用光器件的光來(lái)測(cè)量基于外部環(huán)境變化的溫度、應(yīng)變(strain)、彎曲(bending)、扭曲(torsion)、壓力、折射率、濃度、PH、光輸出、電流、電壓等的多種物理量。

與電子傳感器相比，光纖傳感器因優(yōu)秀的耐環(huán)境性而具有非常長(zhǎng)的壽命，具有半永久性壽命，并且由于塑性變形少，從而具有優(yōu)秀的再現(xiàn)性，而且將光作為測(cè)量機(jī)構(gòu)使用，從而可開(kāi)發(fā)遠(yuǎn)距離測(cè)量系統(tǒng)。并且，通過(guò)利用波分復(fù)用化(WDM，wavelength division multiplexing)技術(shù)及時(shí)分復(fù)用化(TDM，time division multiplexing)技術(shù)，以單線也可開(kāi)發(fā)高速大容量測(cè)量系統(tǒng)?；谶@些優(yōu)點(diǎn)，預(yù)期光纖傳感器會(huì)很快替換現(xiàn)有的電子傳感器，但在光學(xué)特性分析及測(cè)量領(lǐng)域中，由于商業(yè)化技術(shù)的發(fā)展比較緩慢，因此在相關(guān)市場(chǎng)的擴(kuò)大方面存在很多困難。

光纖傳感器系統(tǒng)大致包括：光源部，用于構(gòu)成測(cè)量用光源；感測(cè)部，根據(jù)從外部環(huán)境施加的物理量來(lái)改變從光源部傳輸?shù)墓?輸入光)的特性；以及測(cè)量部，用于測(cè)量及分析根據(jù)感測(cè)部變換的光的特性，尤其，在測(cè)量部中，用于檢測(cè)光的檢測(cè)器和通過(guò)從上述檢測(cè)器接收的信號(hào)來(lái)導(dǎo)出上述物理量的信號(hào)分析裝置起到影響整個(gè)傳感器系統(tǒng)的性能的重要作用。

在多種光纖傳感器系統(tǒng)中較多地使用如下的方式，即，將光纖布拉格光柵(Fiber Bragg grating，F(xiàn)BG)適用于感測(cè)部，并通過(guò)分析充上述感測(cè)部產(chǎn)生的光波長(zhǎng)的移動(dòng)來(lái)測(cè)量物理量。即，在將光纖布拉格光柵使用于感測(cè)部的情況下，光纖布拉格光柵通過(guò)反射從光源部傳輸?shù)妮斎牍獾囊徊糠謥?lái)產(chǎn)生具有規(guī)定的波長(zhǎng)的帶形態(tài)的光信號(hào)，并利用這種光帶發(fā)熱中心波長(zhǎng)(或共振波長(zhǎng))的移動(dòng)特性來(lái)構(gòu)成傳感器系統(tǒng)。并且，作為這種范疇，可例舉將利用長(zhǎng)周期光纖光柵(Long period fiber gating，LPFG)、法布里-珀羅(Fabry-Perot)濾波器、布里淵散射(Brilliouin scattering)、受激布里淵散射(Stimulated Brilliouin scattering，SBS)、喇曼散射(Raman scattering)、米氏散射(Mie scattering)，相干反斯托克斯-拉曼散射(Coherent anti-stokes Raman scattering，CARS)、光參量產(chǎn)生(Optical parametric generation)、和頻產(chǎn)生(Sum frequency generation，SHG，THG)、差頻產(chǎn)生(Difference frequency generation)，四波混頻(Four Wave Mixing，F(xiàn)WM)等的科學(xué)現(xiàn)象的光器件使用于感測(cè)部而成的傳感器系統(tǒng)。

即，使所有上述感測(cè)部具有帶形態(tài)的光信號(hào)，并且根據(jù)施加在感測(cè)部的光纖器件的溫度、應(yīng)變，折射率等的所施加的物理量來(lái)使帶的中心(共振)波長(zhǎng)移動(dòng)，并通過(guò)測(cè)量上述移動(dòng)來(lái)分析物理量的變化值。雖然使用于光纖傳感器系統(tǒng)的感測(cè)用光器件無(wú)須非由光纖構(gòu)成，但考慮到與構(gòu)成光纖傳感器系統(tǒng)的其余部分的光纖器件的光連接性，優(yōu)選地，感測(cè)用光器件的整體由光纖構(gòu)成或者至少輸入部或輸出部由光纖構(gòu)成。在將多種光器件作為感測(cè)部使用的上述光纖傳感器系統(tǒng)的情況下，在感測(cè)部產(chǎn)生帶形態(tài)的光信號(hào)(信號(hào)光)，并通過(guò)測(cè)量基于環(huán)境變換的信號(hào)光的中心波長(zhǎng)的移動(dòng)來(lái)計(jì)算出物理量，因此必須需要設(shè)有測(cè)量(interrogation，解調(diào))裝置，上述測(cè)量裝置用于檢測(cè)波長(zhǎng)變化，并通過(guò)上述變化導(dǎo)出物理量。

為此，在現(xiàn)有技術(shù)領(lǐng)域中已開(kāi)發(fā)了利用基于塊狀光學(xué)濾波器、光纖耦合器、光纖光柵等的手動(dòng)型光器件的解調(diào)技術(shù)的多種光學(xué)特性分析裝置及利用其的光纖傳感器技術(shù)。

圖1為示出現(xiàn)有技術(shù)的基于利用塊狀光學(xué)(bulk optic)濾波器件的光學(xué)特性測(cè)量裝置的光纖傳感器系統(tǒng)的圖。在如圖1所示的現(xiàn)有技術(shù)的情況下，將具有規(guī)定的斜率的透射特性的邊緣濾波器(Edge Filter)及帶通濾波器(Band pass filter)等的塊狀光學(xué)濾波器件使用成解調(diào)器件。在使用邊緣濾波器及帶通濾波器等的塊狀光學(xué)濾波器件的光纖傳感器系統(tǒng)中，為了再現(xiàn)性地確保所需的光學(xué)特性，而需要在塊狀光學(xué)濾波器件與其它光纖器件之間設(shè)置光耦合，因此存在需要花費(fèi)很多時(shí)間和費(fèi)用的精密的光學(xué)校直作業(yè)及準(zhǔn)直器(collimator)等的額外的光學(xué)元件的缺點(diǎn)。

而且，在由塊狀光學(xué)構(gòu)成的這種光學(xué)元件中，為了從污染及外部振動(dòng)中保護(hù)上述光學(xué)元件且實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的光學(xué)特性，而需要外殼等的額外的部件，因此會(huì)使結(jié)構(gòu)變得復(fù)雜。通常，通過(guò)使用高真空的蒸鍍工序來(lái)在基板材料上蒸鍍多層薄膜，由此制備塊狀光學(xué)濾波器件，并且具有如下的缺點(diǎn)，即，為了減少因在暴露于空氣的表面產(chǎn)生的反射而導(dǎo)致的光損耗，而需要進(jìn)行抗反射(Anti Reflection)涂層等多種高費(fèi)用的工序作業(yè)。

并且，一旦制備完成塊狀光學(xué)濾波器，作為為了實(shí)現(xiàn)精密的解調(diào)性能而調(diào)節(jié)光吸收強(qiáng)度及斜率等的光吸收特性的機(jī)構(gòu)，無(wú)法實(shí)現(xiàn)對(duì)器件的厚度進(jìn)行額外的操作的作業(yè)，因此存在需要每次制備適合于傳感器系統(tǒng)規(guī)格的濾波器件的缺點(diǎn)。

圖2為示出現(xiàn)有技術(shù)的基于利用光纖耦合器(Optical fiber coupler)的光學(xué)特性測(cè)量裝置的光纖傳感器系統(tǒng)的圖。作為用于測(cè)量光學(xué)特性的還有一解調(diào)方法，如圖2所示，可將以使透射光譜具有規(guī)定的斜率的方式制備的光纖耦合器作為解調(diào)器件使用。在利用光纖耦合器的上述光學(xué)特性分析系統(tǒng)的情況下，雖然存在通過(guò)使耦合器端的信號(hào)和透射端的信號(hào)相交來(lái)改善靈敏度的效果，但很難確保具有線性的光吸收斜率的光學(xué)特性，并且很難制備精密地再現(xiàn)這種光學(xué)特性的光耦合器。

并且，通常，光纖耦合器的光學(xué)特性存在容易受到光的偏光特性及溫度、振動(dòng)等的外部環(huán)境的影響的問(wèn)題，因此為了解決上述問(wèn)題，而存在需要復(fù)雜的器件結(jié)構(gòu)及額外的工序技術(shù)的缺點(diǎn)。

圖3為示出現(xiàn)有技術(shù)的基于利用長(zhǎng)周期光纖光柵(Long period fiber grating)的光學(xué)特性測(cè)量裝置的光纖傳感器系統(tǒng)的圖。如圖3所示，作為用于測(cè)量光學(xué)特性的再一解調(diào)方法，已提出適用了具有斜率的長(zhǎng)周期光纖光柵的透射光譜特性的光學(xué)特性分析裝置。

在這種方法的情況下，由于由光纖構(gòu)成，而存在解決基于光學(xué)校直的問(wèn)題的效果，但在可再現(xiàn)性地制備具有相同的特性的光纖光柵的方面存在困難，并且，通常，相對(duì)于周?chē)h(huán)境需要實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定性的解調(diào)用長(zhǎng)周期光纖光柵的光學(xué)特性本身具有對(duì)振動(dòng)及溫度非常敏感且呈現(xiàn)偏光依賴(lài)特性等的多種缺點(diǎn)，從而在實(shí)現(xiàn)商業(yè)化的方面存在很多困難。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明是為了解決上述問(wèn)題而提出的，本發(fā)明的目的在于，提供可通過(guò)使用光吸收的線性度、具有相同的吸收特性的再現(xiàn)性、穩(wěn)定性及無(wú)偏光依賴(lài)性的光纖來(lái)改善傳感器系統(tǒng)的測(cè)量部的性能及效率的光學(xué)特性測(cè)量裝置及利用其的光纖傳感器系統(tǒng)。

本發(fā)明的目的在于，通過(guò)簡(jiǎn)化光學(xué)特性測(cè)量裝置的結(jié)構(gòu)，最終提供相對(duì)于現(xiàn)有的系統(tǒng)可明顯降低單價(jià)且能夠以多種形態(tài)變形的光纖傳感器系統(tǒng)。

本發(fā)明實(shí)施例的光學(xué)特性測(cè)量裝置的特征在于，作為構(gòu)成用于檢測(cè)及分析在光纖傳感器系統(tǒng)的傳感器產(chǎn)生的光信號(hào)的測(cè)量部的光學(xué)特性測(cè)量裝置，包括：第一光耦合器，向兩個(gè)光路分配從上述傳感器傳輸?shù)男盘?hào)光；解調(diào)光纖(Interrogation fiber)，設(shè)置于使上述信號(hào)光移動(dòng)的一側(cè)光路；以及檢測(cè)部，用于檢測(cè)經(jīng)過(guò)上述解調(diào)光纖的信號(hào)光的光強(qiáng)度及由上述第一光耦合器向另一側(cè)光路傳輸?shù)幕鶞?zhǔn)光的光強(qiáng)度，其中，上述解調(diào)光纖在規(guī)定的波長(zhǎng)范圍內(nèi)呈現(xiàn)線性的光吸收特性，通過(guò)比較由上述檢測(cè)部檢測(cè)出的信號(hào)光和基準(zhǔn)光的光強(qiáng)度來(lái)導(dǎo)出施加在感測(cè)部的物理量。

本發(fā)明的實(shí)施例的光纖傳感器系統(tǒng)的特征在于，包括：光源部，用于射出規(guī)定波長(zhǎng)的輸入光；感測(cè)部，通過(guò)根據(jù)所施加的物理量來(lái)改變光學(xué)特性的傳感器接收上述輸入光，并產(chǎn)生信號(hào)光；測(cè)量部，通過(guò)從上述感測(cè)部傳輸?shù)男盘?hào)光來(lái)導(dǎo)出施加在感測(cè)部的物理量；以及第二光耦合器，用于向感測(cè)部傳輸從上述光源部射出的輸入光，向測(cè)量部分配在上述感測(cè)部產(chǎn)生的信號(hào)光，上述測(cè)量部包括：第一光耦合器，用于向兩個(gè)光路分配上述信號(hào)光；解調(diào)光纖，設(shè)置于使上述信號(hào)光移動(dòng)的一側(cè)光路；以及檢測(cè)部，用于檢測(cè)經(jīng)過(guò)上述解調(diào)光纖的信號(hào)光的光強(qiáng)度及由上述第一光耦合器向另一側(cè)光路傳輸?shù)幕鶞?zhǔn)光的光強(qiáng)度，其中，上述解調(diào)光纖在規(guī)定的波長(zhǎng)范圍內(nèi)呈現(xiàn)線性的光吸收特性，通過(guò)比較由上述檢測(cè)部檢測(cè)出的信號(hào)光和基準(zhǔn)光的光強(qiáng)度來(lái)導(dǎo)出施加在上述感測(cè)部的物理量。

而且，本發(fā)明的特征在于，上述解調(diào)光纖作為在規(guī)定的波長(zhǎng)范圍內(nèi)具有線性的光吸收率的區(qū)間的光纖，在光纖生產(chǎn)工序中，在上述解調(diào)光纖中添加具有規(guī)定的光吸收特性的物質(zhì)，上述解調(diào)光纖的光吸收特性可通過(guò)調(diào)節(jié)在上述規(guī)定的波長(zhǎng)范圍內(nèi)具有線性的光吸收特性的物質(zhì)的量或者調(diào)節(jié)上述解調(diào)光纖的長(zhǎng)度來(lái)變更光吸收強(qiáng)度及斜率。

本發(fā)明的實(shí)施例的光學(xué)特性的測(cè)量方法包括：從光源部向感測(cè)部射出具有規(guī)定的波長(zhǎng)的輸入光的步驟；使上述感測(cè)部通過(guò)接收上述輸入光來(lái)產(chǎn)生信號(hào)光，并根據(jù)從外部施加的物理量來(lái)改變信號(hào)光的中心波長(zhǎng)的步驟；使上述信號(hào)光經(jīng)過(guò)設(shè)置于測(cè)量部的解調(diào)光纖且根據(jù)上述解調(diào)光纖的光吸收率來(lái)改變光強(qiáng)度的步驟；以及根據(jù)上述光強(qiáng)度來(lái)導(dǎo)出上述信號(hào)光的波長(zhǎng)的步驟。

而且，上述解調(diào)光纖作為在規(guī)定的波長(zhǎng)范圍內(nèi)具有線性的光吸收率的局域的光纖，在光纖生產(chǎn)工序中，向上述解調(diào)光纖中摻雜具有規(guī)定的光吸收特性的物質(zhì)，本發(fā)明的光學(xué)特性的測(cè)量方法還包括通過(guò)導(dǎo)出上述信號(hào)光的波長(zhǎng)來(lái)導(dǎo)出施加在上述感測(cè)部的物理量的步驟。

發(fā)明的效果

根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例，使用于光纖傳感器系統(tǒng)的測(cè)量部?jī)H由光纖構(gòu)成，因此無(wú)需光學(xué)校直，從而可提升測(cè)量數(shù)據(jù)的可信性。

根據(jù)實(shí)施例，作為僅需要在用于分析光器件用光學(xué)特性的測(cè)量部的內(nèi)部連接解調(diào)光纖即可的結(jié)構(gòu)，傳感器系統(tǒng)的構(gòu)建簡(jiǎn)單且可明顯降低單價(jià)。并且，可通過(guò)調(diào)節(jié)光纖的長(zhǎng)度或添加物質(zhì)的種類(lèi)、成分及濃度來(lái)控制光吸收斜率，以符合系統(tǒng)的特性，由于利用添加在光纖的物質(zhì)的光吸收特性，從而可去除偏光依賴(lài)性且再現(xiàn)性優(yōu)秀。

而且，即使在對(duì)測(cè)量系統(tǒng)施加影響的振動(dòng)、壓力、溫度等隨時(shí)變化的外部環(huán)境條件下也使測(cè)量值不受大影響，從而具有系統(tǒng)的穩(wěn)定性優(yōu)秀的優(yōu)點(diǎn)。

附圖說(shuō)明

圖1為示出現(xiàn)有技術(shù)的基于利用塊狀光學(xué)濾波器件的光學(xué)特性測(cè)量裝置的光纖傳感器系統(tǒng)的圖。

圖2為示出現(xiàn)有技術(shù)的基于利用光纖耦合器的光學(xué)特性測(cè)量裝置的光纖傳感器系統(tǒng)的圖。

圖3為示出現(xiàn)有技術(shù)的基于利用長(zhǎng)周期光纖光柵的光學(xué)特性測(cè)量裝置的光纖傳感器系統(tǒng)的圖。

圖4a為示出本發(fā)明實(shí)施例的光纖傳感用光學(xué)特性測(cè)量裝置的圖。

圖4b為示出本發(fā)明實(shí)施例的設(shè)置有光學(xué)特性測(cè)量裝置的光纖傳感器系統(tǒng)的圖。

圖5為示出本發(fā)明實(shí)施例的添加有釷(Tm³⁺)的解調(diào)光纖的光吸收特性的圖。

圖6為示出本發(fā)明實(shí)施例的添加有鉺(Er³⁺)的解調(diào)光纖的光吸收特性的圖。

圖7為示出本發(fā)明實(shí)施例的添加有釩(V)的解調(diào)光纖的光吸收特性的圖。

圖8a為示出本發(fā)明實(shí)施例的添加有Au納米粒子的解調(diào)光纖的光吸收特性的圖

圖8b為示出本發(fā)明實(shí)施例的添加有Au納米粒子的解調(diào)光纖中的570～595nm附近的線性的光吸收特性的圖。

圖9為示出本發(fā)明實(shí)施例的添加有PbS納米粒子的解調(diào)光纖的光吸收特性的圖。

圖10為是示出圖2的A區(qū)間中的根據(jù)經(jīng)過(guò)解調(diào)光纖的信號(hào)光的波長(zhǎng)的光強(qiáng)度變化的圖。

圖11為簡(jiǎn)略示出本發(fā)明實(shí)施例的使用將光纖布拉格光柵使用于感測(cè)部且將添加有釷的解調(diào)光纖使用于測(cè)量部的光纖傳感器系統(tǒng)的圖。

圖12的(a)部分為示出根據(jù)施加在圖11中的B地點(diǎn)的基準(zhǔn)光的光譜及波長(zhǎng)的光強(qiáng)度分布的曲線圖，圖12的(b)部分為示出根據(jù)施加在圖11中的C地點(diǎn)的因解調(diào)光纖而衰減的信號(hào)光的光譜及波長(zhǎng)的光強(qiáng)度分布的曲線圖。

圖13為簡(jiǎn)要示出本發(fā)明還有一實(shí)施例的光纖傳感器系統(tǒng)的圖。

圖14為簡(jiǎn)要示出本發(fā)明還有一實(shí)施例的光纖傳感器系統(tǒng)的圖。

圖15為簡(jiǎn)要示出本發(fā)明還有一實(shí)施例的光纖傳感器系統(tǒng)的圖。

圖16為簡(jiǎn)要示出本發(fā)明還有一實(shí)施例的光纖傳感器系統(tǒng)的圖。

圖17為示出本發(fā)明實(shí)施例的通過(guò)使用適用解調(diào)光纖技術(shù)的光纖傳感器系統(tǒng)來(lái)測(cè)量物理量的方法的流程圖。

圖18a為示出本發(fā)明實(shí)施例的光纖傳感用光學(xué)特性測(cè)量裝置的圖。

圖18b為示出本發(fā)明實(shí)施例的設(shè)置有光學(xué)特性測(cè)量裝置的光纖傳感器系統(tǒng)的圖。

圖19為示出比較本發(fā)明實(shí)施例的分別添加有鉺(Er³⁺)及鋱(Tb³⁺)的解調(diào)光纖的光吸收特性的圖。

圖20為簡(jiǎn)要示出本發(fā)明還有一實(shí)施例的光纖傳感器系統(tǒng)的圖。

圖21為簡(jiǎn)要示出本發(fā)明還有一實(shí)施例的光纖傳感器系統(tǒng)的圖。

圖22為簡(jiǎn)要示出本發(fā)明再一實(shí)施例的光纖傳感器系統(tǒng)的圖。

具體實(shí)施方式

以下，參照附圖，對(duì)本發(fā)明的實(shí)施例進(jìn)行詳細(xì)的說(shuō)明，但本發(fā)明的實(shí)施例并不限定于此。在說(shuō)明本發(fā)明的過(guò)程中，為了明確說(shuō)明本發(fā)明的主旨，而省略針對(duì)公知的功能或結(jié)構(gòu)的具體的說(shuō)明。

圖4a為示出本發(fā)明實(shí)施例的光纖傳感用光學(xué)特性測(cè)量裝置的圖。參照?qǐng)D4a，光學(xué)特性測(cè)量裝置30具有表示設(shè)置于光纖傳感器系統(tǒng)并且用于導(dǎo)出在感測(cè)部變化的物理量的測(cè)量部的構(gòu)成。

根據(jù)實(shí)施例的光學(xué)特性測(cè)量裝置30可包括第一光耦合器31、解調(diào)光纖32、檢測(cè)部33、34及分析部35。第一光耦合器31按預(yù)先設(shè)定的比率分配所傳輸?shù)墓庑盘?hào)，并通過(guò)與上述第一光耦合器31相連接的一對(duì)光輸出線傳輸上述光信號(hào)。

在上述光輸出線中的一個(gè)設(shè)置有第一檢測(cè)部33，上述第一檢測(cè)部33通過(guò)解調(diào)光纖以無(wú)光衰減的方式將從感測(cè)部傳輸?shù)男盘?hào)光的一部分作為基準(zhǔn)光接收，并檢測(cè)上述信號(hào)光的光強(qiáng)度，在另一光輸出線的從感測(cè)部傳輸?shù)男盘?hào)光的移動(dòng)光路上設(shè)置有長(zhǎng)度為L(zhǎng)的解調(diào)光纖32。

由第一光耦合器31分配的光信號(hào)通過(guò)上述解調(diào)光纖32進(jìn)行工作，在本發(fā)明的光纖傳感器系統(tǒng)可設(shè)置有用于檢測(cè)根據(jù)波長(zhǎng)產(chǎn)生其它光衰減的信號(hào)光的光強(qiáng)度的第二檢測(cè)部34。而且，本發(fā)明的光纖傳感器系統(tǒng)可設(shè)置有通過(guò)由上述第一檢測(cè)部及第二檢測(cè)部檢測(cè)出的光的光強(qiáng)度分析來(lái)計(jì)算物理量的分析部35。具體的動(dòng)作與設(shè)置于以下光纖傳感器系統(tǒng)的其它結(jié)構(gòu)一同進(jìn)行說(shuō)明。

圖4b為示出根據(jù)實(shí)施例的光纖傳感器系統(tǒng)的圖。

參照?qǐng)D4b，根據(jù)實(shí)施例的光纖傳感器系統(tǒng)100可由光源部10、感測(cè)部20、測(cè)量部30構(gòu)成。

光源部10作為在規(guī)定的波長(zhǎng)中輸出的光源，可使用基于激光二極管(LD)、超輻射發(fā)光二極管(Super luminescent diode，SLD)、發(fā)光二極管(Light emitting diode，LED)、半導(dǎo)體光放大器(Semiconductor optical amplifier，SOA)的光源、可調(diào)諧激光源(Tunable laser source)、掃頻源(Sweeping source)、寬帶光源(Broad band source)、白光源(White light source)、固體激光器(Solid state laser)、氣體激光器(Gas laser)、染料激光器(Dye laser)等。并且，根據(jù)需要，為了將光源光譜減少到規(guī)定帶寬的光帶來(lái)使用，而可在光源部設(shè)置通帶和濾波器。

感測(cè)部20包括將從光源部10輸出的輸入光轉(zhuǎn)換成光信號(hào)(信號(hào)光)來(lái)進(jìn)行傳輸?shù)墓馄骷?傳感器)。上述感測(cè)部20根據(jù)從外部施加的環(huán)境變化，即，根據(jù)物理量變化來(lái)使信號(hào)光的波長(zhǎng)發(fā)生變化。作為一例，感測(cè)部20可以為基于光纖布拉格光柵的光纖器件。將上述光纖布拉格光柵利用于感測(cè)部的光纖傳感器通過(guò)在光纖按規(guī)定的間距雕刻布拉格光柵而成，并且上述光纖傳感器為利用根據(jù)溫度、拉伸、壓力及彎曲等的外部環(huán)境(從外部施加的物理量)的變化來(lái)改變從光柵反射的光的波長(zhǎng)的特性的傳感器。若周?chē)鷾囟劝l(fā)生變化或者向光柵施加物理量，例如向光柵施加拉伸等，則使光柵部分的折射率或長(zhǎng)度發(fā)生變化，因此使反射的光的中心波長(zhǎng)(共振波長(zhǎng))移動(dòng)。因此，可通過(guò)測(cè)量從光纖布拉格光柵反射的光的波長(zhǎng)來(lái)檢測(cè)即分析上述物理量的變化。

作為另一例，上述感測(cè)部20可以為利用長(zhǎng)周期光纖光柵、法布里-珀羅濾波器、布里淵散射、受激布里淵散射、喇曼散射、米氏散射、相干反斯托克斯-拉曼散射、光參量產(chǎn)生、和頻產(chǎn)生(倍頻效應(yīng)(second harmonic generation，SHG)、三倍頻效應(yīng)(third harmonic generation，THG)、差頻產(chǎn)生、四波混頻過(guò)程等的光器件。即，使所有上述感測(cè)部20產(chǎn)生帶形態(tài)的信號(hào)光，并且根據(jù)施加在這種感測(cè)部的溫度、應(yīng)變、折射率等的變化來(lái)使帶的共振波長(zhǎng)移動(dòng)，并通過(guò)測(cè)量上述移動(dòng)來(lái)分析上述物理量的變化。使用于感測(cè)部20并產(chǎn)生信號(hào)光的光器件可由光纖器件構(gòu)成，并且，上述光器件可具有光纖以外的形態(tài)。在具有光纖以外的形態(tài)的情況下，為了容易地實(shí)現(xiàn)光連接，優(yōu)選地，使用于感測(cè)部20的上述光器件的輸入部及輸出部由光纖構(gòu)成。

在上述感測(cè)部使用光纖布拉格光柵、長(zhǎng)周期光纖光柵、法布里-珀羅濾波器等的光器件的情況下，作為光源，優(yōu)選地，將具有規(guī)定的帶的激光二極管、超輻射發(fā)光二極管、發(fā)光二極管、寬帶光源、可調(diào)諧激光源、掃頻源等使用于上述光源部10，在將喇曼散射、受激布里淵散射、四波混頻等非線性光器件使用于感測(cè)部的情況下，優(yōu)選地，將在單一波長(zhǎng)進(jìn)行振蕩的固體激光器、氣體激光器、染料激光器、可調(diào)諧激光源等的激光光源使用于上述光源部10。

在光源部10與感測(cè)部20之間可配置有光隔離器12(optical isolator)，上述光隔離器12使光的射出方向僅向一個(gè)方向射出，并且阻隔逆向反射的光，從而起到保護(hù)光源部10且減少光信號(hào)歪曲的作用。而且，本發(fā)明的光纖傳感器系統(tǒng)設(shè)置有用于分配及結(jié)合從光源部10射出的光的第二光耦合器13(Optical coupler)。優(yōu)選地，第二光耦合器為光纖耦合器。并且，作為第二光耦合器可使用循環(huán)器(Circulator)、電子束分裂器(Beam splitter)、平面光電路(Planar light circuit，PLC)型光耦合器、平面光電路型分光器(optical splitter)等，并且，為了簡(jiǎn)單地實(shí)現(xiàn)光連接，優(yōu)選地，第二光耦合器的輸入端及輸出端由光纖構(gòu)成。

而且，本發(fā)明的特征在于用于測(cè)量及分析由上述感測(cè)部20產(chǎn)生并傳輸?shù)墓庑盘?hào)的測(cè)量部30，以下，對(duì)上述測(cè)量部30的結(jié)構(gòu)進(jìn)行說(shuō)明。上述光纖傳感器系統(tǒng)設(shè)置有與設(shè)置于上述光隔離器12與感測(cè)部20之間的第二光耦合器13相連接的第一光耦合器31，在上述第一光耦合器31連接有一對(duì)光輸出線(光路)。上述第一光耦合器優(yōu)選為光纖耦合器，并且可使用電子束分裂器、光束組合器(Beam combiner)、平面光電路型光耦合器、平面光電路型分光器等。并且，在第一光耦合器中，為了簡(jiǎn)單地實(shí)現(xiàn)光連接，優(yōu)選地，第一光耦合器的輸入端及輸出端由光纖構(gòu)成。

在上述光輸出線中的一個(gè)設(shè)置有第一檢測(cè)部33，上述第一檢測(cè)部33通過(guò)解調(diào)光纖以無(wú)光衰減的方式將從感測(cè)部傳輸?shù)男盘?hào)光的一部分作為基準(zhǔn)光接收，并檢測(cè)上述信號(hào)光的光強(qiáng)度，在另一光輸出線的從感測(cè)部傳輸?shù)男盘?hào)光的移動(dòng)光路上設(shè)置有長(zhǎng)度為L(zhǎng)的解調(diào)光纖32。通過(guò)上述解調(diào)光纖32進(jìn)行解調(diào)，因此本發(fā)明的光纖傳感器系統(tǒng)可設(shè)置有用于檢測(cè)根據(jù)波長(zhǎng)而接受光衰減的信號(hào)光的光強(qiáng)度的第二檢測(cè)部34。而且，本發(fā)明的光纖傳感器系統(tǒng)可設(shè)置有通過(guò)分析由上述第一檢測(cè)部及第二檢測(cè)部檢測(cè)出的光的光強(qiáng)度來(lái)計(jì)算物理量的分析部35。

并且，本發(fā)明的特征在于，具體地使用于測(cè)量部30的上述解調(diào)光纖32，上述解調(diào)光纖32作為僅需要以熔接(fusion splicing)、對(duì)接耦合(Butt coupling)等的簡(jiǎn)單的方法使解調(diào)光纖與測(cè)量部30的另一光纖光路相連接的結(jié)構(gòu)，無(wú)須光學(xué)校直，從而可以與從外部產(chǎn)生振動(dòng)無(wú)關(guān)地，穩(wěn)定地驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。解調(diào)光纖32具有線性的光吸收特性，并且可通過(guò)調(diào)節(jié)所添加的物質(zhì)的種類(lèi)及濃度來(lái)實(shí)現(xiàn)控制，以使系統(tǒng)具有所需的光吸收波長(zhǎng)、斜率、強(qiáng)度等特性。并且，本發(fā)明的解調(diào)光纖32利用所添加的物質(zhì)的光吸收特性，因此無(wú)偏光依賴(lài)性，并且與其它解調(diào)技術(shù)不同地，即使在溫度或壓力等隨時(shí)變化的環(huán)境條件下也可穩(wěn)定地確保測(cè)量值。并且，在通過(guò)調(diào)節(jié)使用于測(cè)量部30的解調(diào)光纖32的長(zhǎng)度L來(lái)簡(jiǎn)單地變更光吸收強(qiáng)度及斜率的方面具有很大的優(yōu)點(diǎn)。

具體地，從光源部10射出的輸入光經(jīng)過(guò)光隔離器12及第二光耦合器13傳輸?shù)礁袦y(cè)部20，并且通過(guò)安裝于感測(cè)部的光器件產(chǎn)生信號(hào)光。而且，感測(cè)用光器件受到外部環(huán)境變化的影響，由此使上述信號(hào)光的波長(zhǎng)發(fā)生變化，并由第二光耦合器13進(jìn)行分配。

然后，與第二光耦合器13相連接的第一光耦合器31通過(guò)一對(duì)光輸出線向兩側(cè)方向分配從感測(cè)部10傳輸?shù)男盘?hào)光。即，向第一檢測(cè)部33分配信號(hào)光的一部分，由此使上述信號(hào)光的一部分成為用于設(shè)定起始光強(qiáng)度的基準(zhǔn)點(diǎn)的基準(zhǔn)光。而且，剩余部分的信號(hào)光通過(guò)解調(diào)光纖32受到額外的光損耗，最終成為根據(jù)共振波長(zhǎng)的位置而發(fā)生改變的具有被衰減的光強(qiáng)度的信號(hào)光，從而由第二檢測(cè)部34完成檢測(cè)。其中，基準(zhǔn)光使用于測(cè)量的理由在于，光源部10的初始光譜可根據(jù)波長(zhǎng)而具有其它輸出，并且根據(jù)壽命或外部影響使從光源部輸出并傳輸?shù)妮斎牍獾膹?qiáng)度發(fā)生變化，因此需要去除所產(chǎn)生的光信號(hào)的歪曲因素。因此，為了確保光纖傳感器系統(tǒng)的準(zhǔn)確性及穩(wěn)定性，而需要利用第一檢測(cè)部33來(lái)測(cè)量基準(zhǔn)光的光強(qiáng)度，這是非常重要的事項(xiàng)。為了測(cè)量成為這種光分析的基準(zhǔn)的基準(zhǔn)光的光強(qiáng)度，可使用多種結(jié)構(gòu)，以下，參照其它實(shí)施例，對(duì)詳細(xì)的結(jié)構(gòu)進(jìn)行更詳細(xì)的說(shuō)明。

在測(cè)量基準(zhǔn)光及信號(hào)光的過(guò)程中，根據(jù)需要，可在信號(hào)光或基準(zhǔn)光經(jīng)過(guò)的光路上設(shè)置固定型或可變型光衰減器。優(yōu)選地，可在第二光耦合器13與第一光耦合器31之間、在第一光耦合器31與第一檢測(cè)部33之間或在第一光耦合器31與第二檢測(cè)部34之間等位置設(shè)置。需要上述光衰減器的情況可例舉由于上述基準(zhǔn)光及信號(hào)光的光強(qiáng)度超過(guò)檢測(cè)部的檢測(cè)范圍而需要降低強(qiáng)度的情況。并且，需要上述光衰減器的情況可例舉需要使基準(zhǔn)光和信號(hào)光的光輸出強(qiáng)度匹配在規(guī)定的范圍內(nèi)的情況。上述光衰減器可以為由添加有光吸收物質(zhì)的光纖構(gòu)成的光衰減器。

然后，通過(guò)第一檢測(cè)部33及第二檢測(cè)部34測(cè)量從上述基準(zhǔn)光及信號(hào)光檢測(cè)出的兩個(gè)光強(qiáng)度，并向與上述檢測(cè)部相連接的分析部35傳輸上述光亮度，分析部35通過(guò)比較光強(qiáng)度來(lái)導(dǎo)出及分析上述信號(hào)光的共振波長(zhǎng)的位置，由此可最終檢測(cè)施加在感測(cè)部的物理量。根據(jù)本發(fā)明，參照其它實(shí)施例，對(duì)從上述分析部35導(dǎo)出共振波長(zhǎng)以及由此導(dǎo)出物理量的進(jìn)一步詳細(xì)的過(guò)程進(jìn)行更詳細(xì)的說(shuō)明，以下，對(duì)構(gòu)成可適用于實(shí)施例的光纖的方法進(jìn)行說(shuō)明。

上述解調(diào)光纖32的基本成分可以為由玻璃形成的物質(zhì)。上述解調(diào)用光纖的玻璃成分可以為通過(guò)添加具有上述線性的光吸收的物質(zhì)來(lái)簡(jiǎn)單地實(shí)現(xiàn)制備的氧化物(oxide)、硫族化物(chalcogenide)、氟化物(Fluoride)玻璃。上述解調(diào)用氧化物玻璃光纖的成分優(yōu)選為硅酸鹽(silicate)玻璃或二氧化硅(silica)玻璃。為了簡(jiǎn)單地與較多的使用于光纖傳感器系統(tǒng)的普通二氧化硅玻璃光纖實(shí)現(xiàn)通過(guò)熔接的光連接，上述解調(diào)用氧化物玻璃光纖的成分優(yōu)選為二氧化硅玻璃。

并且，上述解調(diào)光纖的基本成分可以為高分子(polymer)物質(zhì)。上述解調(diào)用光纖的高分子物質(zhì)成分優(yōu)選為使光纖制備簡(jiǎn)單的聚甲基丙烯酸甲酯(poly(methylmethacrylate)，PMMA)、聚丙烯(Polypropylene)、聚乙烯(Polyethylene)、聚苯乙烯(Polystyrene)、特氟龍(Teflon)、聚丙烯酸(polyacrylates)樹(shù)脂。

為了實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的小型化，將上述玻璃作為基本成分的解調(diào)光纖優(yōu)選為直徑為700μm以下的光纖。為了簡(jiǎn)單地與廣泛使用于光纖傳感器系統(tǒng)的玻璃光纖實(shí)現(xiàn)光連接，將上述玻璃作為基本成分的解調(diào)光纖更優(yōu)選為直徑為125±5μm左右的光纖。并且，為了實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的小型化，將上述高分子物質(zhì)作為基本成分的解調(diào)光纖優(yōu)選為直徑未2mm以下的光纖。為了簡(jiǎn)單地與廣泛使用于光纖傳感器系統(tǒng)的普通高分子光纖實(shí)現(xiàn)光連接,將上述高分子物質(zhì)作為基本成分的解調(diào)光纖更優(yōu)選為直徑未200～1200μm范圍的光纖。

誘導(dǎo)上述特征的光吸收特性的物質(zhì)的特征在于，上述物質(zhì)在規(guī)定波長(zhǎng)范圍內(nèi)具有單調(diào)變化的光吸收特性。更優(yōu)選地，誘導(dǎo)上述特定的光吸收特性的物質(zhì)的特征在于，上述物質(zhì)在規(guī)定波長(zhǎng)范圍內(nèi)具有線性變化的光吸收特性。因此，為了具有上述線性的光吸收特性而添加在光纖的物質(zhì)的特征在于，選自稀土類(lèi)元素、過(guò)渡金屬元素及納米粒子。

優(yōu)選地，上述稀土類(lèi)元素選自由Tm、Er、La、Ce、Pr、Nd、Pm、Sm、Eu、Gd、Tb、Dy、Ho、Yb、Lu組成的組。更優(yōu)選地，選自作為已開(kāi)發(fā)有多種光器件的波長(zhǎng)范圍的在200～2000nm區(qū)間具有更優(yōu)秀的線性的光吸收特性的Tm、Er、Pr、Nd、Pm、Sm、Eu、Tb、Dy、Ho、Yb組成的組。

優(yōu)選地，上述金屬元素選自Al、Sc、Ti、V、Cr、Mn、Fe、Co、Ni、Cu、Zn、Y、Zr、Nb、Mo、Tc、Ru、Rh、Pd、Cd、In、Sn、Hf、Ta、W、Re、Os、Ir、Pt、Tl、Pb、Bi組成的組。更優(yōu)選地，選自作為已開(kāi)發(fā)有多種光器件的在200～2000nm區(qū)間具有更優(yōu)秀的線性的光吸收特性的V、Cr、Mn、Fe、Co、Ni、Cu、W、Tl、Pb、Bi組成的組。

優(yōu)選地，誘導(dǎo)特定的吸收特性的上述稀土類(lèi)元素及金屬元素以+1、+2、+3價(jià)等的離子狀態(tài)添加，但根據(jù)情況，能夠以中性原子、二原子(diatomic)物質(zhì)形態(tài)添加。

優(yōu)選地，上述納米粒子選自Ag、Au、Cu、Si、Ge、Bi、Pb、Ti、Sn、PbS、PbSe、PbTe、CdS、CdSe、CdTe、ZnS、ZnSe、ZnTe、SnS、SnSe、SnTe、CuCl、CuCl2組成的組。

在通過(guò)使用于光纖傳感器系統(tǒng)用感測(cè)部的光纖布拉格光柵的情況下，根據(jù)應(yīng)變、溫度、壓力等的外部環(huán)境的變化移動(dòng)的通常產(chǎn)生的中心波長(zhǎng)的移動(dòng)大小限于nm程度。在添加上述稀土類(lèi)元素、過(guò)渡金屬元素及納米粒子的解調(diào)光纖的情況下，可確保具有線性的光吸收特性的波長(zhǎng)范圍為數(shù)nm至數(shù)十nm以上的范圍，因此，這種線性的光吸收特性充分使用于光纖傳感器系統(tǒng)。

添加在上述解調(diào)用光纖的物質(zhì)根據(jù)種類(lèi)、量、原子價(jià)具有分別具有不同的波長(zhǎng)范圍、斜率及強(qiáng)度的光吸收特性。因此，添加物質(zhì)的種類(lèi)、量、原子價(jià)的選擇基準(zhǔn)根據(jù)在所使用的光學(xué)特性分析過(guò)程中所需的波長(zhǎng)范圍、吸收斜率及強(qiáng)度等各種光學(xué)特性的規(guī)格而定。

通過(guò)調(diào)節(jié)上述解調(diào)光纖的長(zhǎng)度或添加的物質(zhì)的種類(lèi)、成分、濃度(量)來(lái)簡(jiǎn)單地變更根據(jù)光吸收系數(shù)的斜率。尤其，使用于光纖傳感器系統(tǒng)的光源部10的光輸出范圍、檢測(cè)部33、34的檢測(cè)輸出范圍以及使用于傳感器系統(tǒng)的其它光學(xué)元件12、13、20、31也具有多種損耗范圍，因此需要相對(duì)于上述損耗范圍來(lái)適當(dāng)?shù)恼{(diào)節(jié)使用于測(cè)量部的解調(diào)用光器件的光吸收強(qiáng)度，在本發(fā)明的解調(diào)光纖的情況下，在完成制備后，也可通過(guò)調(diào)節(jié)解調(diào)光纖的長(zhǎng)度或者串聯(lián)摻雜有誘導(dǎo)光吸收特性的互不相同的其它物質(zhì)的解調(diào)光纖來(lái)簡(jiǎn)單地變更經(jīng)過(guò)上述解調(diào)光纖的信號(hào)光的所有光吸收斜率、強(qiáng)度及分布特性。

稀土類(lèi)元素、過(guò)渡金屬元素及納米粒子的顏料物質(zhì)的價(jià)格可以是高價(jià)的。在本發(fā)明的解調(diào)光纖的情況下，以在直徑為數(shù)百μm程度的超細(xì)光纖中添加誘導(dǎo)光吸收的物質(zhì)的方法來(lái)完成制備，因此可降低上述原料物質(zhì)的消耗，從而大大較少制備成本。

并且，在本發(fā)明的解調(diào)光纖的情況下，通過(guò)光纖制備工序，在一個(gè)光纖用玻璃母材中可獲得數(shù)百m至數(shù)十km以上的解調(diào)光纖，因此光學(xué)特性幾乎相同，并且最終利用上述解調(diào)光纖可制備再現(xiàn)性非常優(yōu)秀的解調(diào)裝置。

表1示出了根據(jù)添加在本發(fā)明的解調(diào)光纖的主要添加物質(zhì)的種類(lèi)呈現(xiàn)線性的光吸收特性的波長(zhǎng)范圍的。在添加有稀土類(lèi)元素或過(guò)渡金屬元素的光纖的情況下，根據(jù)種類(lèi)在特定的波長(zhǎng)范圍存在呈現(xiàn)線性的光吸收特性的吸收帶，并選擇這些特性來(lái)使用，以符合光學(xué)特性測(cè)量系統(tǒng)所需的規(guī)格。

在添加有Tm³⁺或Tm²⁺的光纖的情況下，優(yōu)選地，將在650～673nm、680～705nm、730～768nm、770～830nm、1098～1147nm、1234～1259nm、1180-1230nm及1490～1565nm區(qū)間中呈現(xiàn)線性的光吸收特性的所有或部分波長(zhǎng)范圍利用于解調(diào)。尤其，更優(yōu)選地，如光纖布拉格光柵，將作為已開(kāi)發(fā)多種感測(cè)用光器件的波長(zhǎng)范圍的1490～1565nm波長(zhǎng)范圍利用于解調(diào)，在添加有Tm²⁺的光纖的情況下，可利用在大于Tm³⁺的波長(zhǎng)范圍產(chǎn)生的線性的光吸收特性。在添加有Er³⁺的光纖的情況下，優(yōu)選地，將在785～794nm、955～972nm、972～978nm、981～990nm、990～1008nm、1453～1482nm、1500～1545nm、1550～1567nm區(qū)間中呈現(xiàn)線性的光學(xué)特性的所有或部分波長(zhǎng)范圍利用于解調(diào)。更優(yōu)選地，將呈現(xiàn)明顯的線性的光吸收特性的955～972mm、990～1008nm、1453～1482nm、1550～1567nm區(qū)間利用于解調(diào)。尤其，更優(yōu)選地，將作為呈現(xiàn)明顯的線性的光吸收特性且如光纖布拉格光柵已開(kāi)發(fā)有光源用及感測(cè)用多種光器件的波長(zhǎng)范圍的1550～1567nm區(qū)間適用于解調(diào)。

在添加有Yb³⁺的光纖的情況下，優(yōu)選地，利用在864～908nm、910～950nm、955～990nm區(qū)間中呈現(xiàn)線性的光吸收特性的所有或部分波長(zhǎng)范圍。在添加有Tb³⁺的光纖的情況下，優(yōu)選地，利用在非常寬的500～700nm、1500～1800nm區(qū)間中呈現(xiàn)線性的光吸收特性的所有或部分波長(zhǎng)范圍。尤其，更優(yōu)選地，將非常寬且呈現(xiàn)線性度優(yōu)秀的光學(xué)特性的1600～1800nm的區(qū)間利用于解調(diào)。

在添加有Ho³⁺的光纖的情況下，優(yōu)選地，利用在440～450nm、450～460nm區(qū)間中呈現(xiàn)線性的光吸收特性的所有或部分波長(zhǎng)范圍。在添加有Dy³⁺的光纖的情況下，優(yōu)選地，利用在1120～1200nm、1240～1300nm、1500～1630nm、1680～1740nm區(qū)間中呈現(xiàn)線性的光吸收特性的所有或部分波長(zhǎng)范圍。尤其，更優(yōu)選地，將非常寬且呈現(xiàn)優(yōu)秀的光學(xué)特性的500～1630nm、1680～1740nm區(qū)間利用于解調(diào)。

并且，在添加有Pr³⁺的光纖的情況下，優(yōu)選地，利用在585～650nm、1345～1425nm及1500～1560nm區(qū)間中呈現(xiàn)線性的光吸收特性的所有或部分波長(zhǎng)范圍。更優(yōu)選地，將非常寬且呈現(xiàn)線性度優(yōu)秀的光學(xué)特性的1345～1425nm以及作為已開(kāi)發(fā)有多種光源用及傳感用光器件的波長(zhǎng)范圍的1500～1560nm區(qū)間利用于解調(diào)。

在添加有Nd³⁺的光纖的情況下，優(yōu)選地，利用在800～840nm及900～940nm區(qū)間中呈現(xiàn)線性的光吸收特性的所有或部分波長(zhǎng)范圍。在添加有Sm³⁺的光纖的情況下，優(yōu)選地，利用在1040～1070nm、1400～1440nm及1470～1520nm區(qū)間中呈現(xiàn)優(yōu)秀的線性的光吸收特性的所有或部分波長(zhǎng)范圍。

在添加在解調(diào)光纖中的上述稀土類(lèi)元素的情況下，在數(shù)nm至數(shù)十nm中的波長(zhǎng)范圍內(nèi)呈現(xiàn)優(yōu)秀的線性的光吸收特性，因此存在可利用于要求精密度的解調(diào)裝置的優(yōu)點(diǎn)。尤其，在添加有Tm³⁺或Tm²⁺的光纖中呈現(xiàn)出的基于3H₄的770～830nm附近的光吸收帶及基于3H₅的1180～1230nm附近的光吸收帶、在添加有Er³⁺的光纖中呈現(xiàn)出的基于4I_13/2的1500～1545nm附近的光吸收帶以及在添加有Yb³⁺的光纖中呈現(xiàn)出的基于2F_5/2的955～990nm附近的光吸收帶與其它光吸收帶不同地呈現(xiàn)出非常陡的光吸收斜率，因此可利用于要求非常高的敏感度的解調(diào)裝置。

在添加有V的光纖的情況下，在特別寬的510～610nm、910～1030nm、1100～1290nm區(qū)間中呈現(xiàn)適合利用于解調(diào)的線性的光吸收特性，但優(yōu)選地，利用其中的所有或部分波長(zhǎng)范圍。尤其，更優(yōu)選地，利用呈現(xiàn)線性的特性的910～1030nm、1100～1290nm波長(zhǎng)范圍。

在添加有Cr的光纖的情況下，優(yōu)選地，利用在600～750nm區(qū)間中呈現(xiàn)線性的光吸收特性的所有或部分波長(zhǎng)范圍。在添加有Cr³⁺的光纖的情況下，與添加有Cr的光纖不同地，在570～630nm及690～800nm區(qū)間中呈現(xiàn)線性的光吸收特性，但優(yōu)選地，利用其中的所有或部分波長(zhǎng)范圍。

在添加有Mn的光纖的情況下，優(yōu)選地，利用在330～390nm及500～700nm區(qū)間中呈現(xiàn)線性的光吸收特性的所有或部分波長(zhǎng)范圍。在添加有Fe的光纖的情況下，優(yōu)選地，利用在500～720nm及1670～2000nm區(qū)間中呈現(xiàn)線性的光吸收特性的所有或部分波長(zhǎng)范圍。在添加有Fe²⁺的光纖的情況下，優(yōu)選地，與添加有Fe的光纖不同地，利用在650～1000nm及1300～2000nm的非常寬的范圍中呈現(xiàn)線性的光吸收特性的所有或部分波長(zhǎng)范圍。在添加有Co的光纖的情況下，優(yōu)選地，利用在320～400nm、400～500nm、700～770nm及1000～1200nm區(qū)間中呈現(xiàn)線性的光吸收特性的所有或部分波長(zhǎng)范圍。

在添加有Ni的光纖的情況下，優(yōu)選地，利用在作為很寬的帶寬的1100～1600nm的波長(zhǎng)范圍內(nèi)呈現(xiàn)線性的光吸收特性的所有或部分波長(zhǎng)范圍。在添加有Ni²⁺的光纖的情況下，利用在420～520nm及650～750nm區(qū)間中呈現(xiàn)線性的光吸收特性的所有或部分波長(zhǎng)范圍。

在添加有Cu的光纖的情況下，優(yōu)選地，利用在250～320nm區(qū)間中呈現(xiàn)線性的光吸收特性的所有或部分波長(zhǎng)范圍。在添加有Cu²⁺的光纖的情況下，優(yōu)選地，利用在500～720nm區(qū)間中呈現(xiàn)線性的光吸收特性的所有或部分波長(zhǎng)范圍。并且作為過(guò)渡金屬元素，在添加有Bi、Pb、W或Tl的光纖的情況下，了解到在非常寬的400～1200nm范圍中攢在可適用于解調(diào)的多種光吸收帶，并且可將在這些光吸收帶中呈現(xiàn)線性的光吸收特性的波長(zhǎng)范圍使用于解調(diào)。

在添加于解調(diào)光纖的上述過(guò)渡金屬元素的情況下，存在可在數(shù)十nm至數(shù)百nm的很寬的波長(zhǎng)范圍呈現(xiàn)線性的光吸收特性的優(yōu)點(diǎn)，并且可利用于需要寬波長(zhǎng)范圍地解調(diào)裝置。

在添加有金屬或半導(dǎo)體納米粒子的解調(diào)光纖的情況下，根據(jù)表面等離子體效果或量子限制效果產(chǎn)生光吸收帶，并且在這種光吸收帶及周邊存在具有線性的光吸收特性的波長(zhǎng)范圍，并將上述波長(zhǎng)范圍使用于光纖傳感器測(cè)量系統(tǒng)。

在添加有Au或Cu納米粒子的光纖的情況下，優(yōu)選地，利用包含在320～650nm波長(zhǎng)范圍的呈現(xiàn)線性的光吸收特性的所有或部分區(qū)間。在添加有Ag納米粒子的光纖的情況下，優(yōu)選地，利用包含在300～550nm波長(zhǎng)范圍的呈現(xiàn)線性的光吸收特性的所有或部分區(qū)間。在添加有Si、Ge、Ti或Sn納米粒子的光纖的情況下，可使用在500～1200nm范圍的寬波長(zhǎng)范圍內(nèi)呈現(xiàn)明顯的線性的光吸收特性，但可通過(guò)將線性的光吸收特性利用于所有或部分區(qū)間來(lái)使用成解調(diào)光纖。

在添加有CdS、CdSe或CdTe納米粒子的光纖的情況下，在作為可見(jiàn)光區(qū)間的410～880nm區(qū)間中存在光吸收帶，但優(yōu)選地，利用包含在相應(yīng)波長(zhǎng)范圍的所有或部分區(qū)間。在添加有PbS、PbSe或PbTe納米粒子的光纖的情況下，優(yōu)選地，利用包含在440～3100nm的很寬的波長(zhǎng)范圍的所有或部分區(qū)間。并且，在添加有ZnS、ZnSe或ZnTe納米粒子的光纖的情況下，優(yōu)選地，利用包含在300～540nm的波長(zhǎng)范圍的所有或部分區(qū)間。

在添加有解調(diào)光纖的上述納米粒子的情況下，存在可通過(guò)調(diào)節(jié)光纖的折射率、添加的納米粒子的大小及分布來(lái)調(diào)節(jié)具有線性的光吸收特性的波長(zhǎng)范圍的位置的優(yōu)點(diǎn)。

表1示出可添加在本發(fā)明的解調(diào)光纖的主要添加物質(zhì)的種類(lèi)、成分以及基于上述種類(lèi)、成分的主要解調(diào)用波長(zhǎng)范圍。

表1

表1示出可適用于解調(diào)的優(yōu)選區(qū)間，但本發(fā)明并不限定于此，并且可在紫外線、可視光線及紅外線波長(zhǎng)范圍內(nèi)使用。而且，根據(jù)光纖材料的基本成分可使用于解調(diào)的波長(zhǎng)范圍可變化成規(guī)定的范圍。

以下，對(duì)實(shí)施例的解調(diào)光纖的制備方法進(jìn)行說(shuō)明。通過(guò)使用以下的光纖制備方法，可制備光吸收特性恒定且再現(xiàn)性非常高的解調(diào)光纖。

將玻璃作為基本成分的解調(diào)光纖可通過(guò)改進(jìn)的化學(xué)氣相沉積法(MCVD，Modified Chemical Vapor Deposition)、氣相軸向沉積法(VAD，Vapor Axial Deposition)、外部氣相沉積法(OVD，Outside Vapor Deposition)、等離子體化學(xué)氣相沉積法(PCVD，Plasma Chemical Vapor Deposition)、火焰氣相沉積法(FCVD，F(xiàn)urnace Chemical Vapor Deposition)等的氣相淀積工序(Chemical Vapor Deposition)來(lái)制備。并且，上述解調(diào)光纖可通過(guò)溶膠凝膠法(Solgel method)、雙坩堝法(double crucible method)、玻璃熔化法(Glass melting method)等的制備方法來(lái)制備。為了添加誘導(dǎo)上述特定的光吸收特性的物質(zhì)，在光纖制備工序中可使用溶液添加法(Solution doping method)、氣溶膠法(Aerosol method)、熱熔法(Heated frit)、熱源法(Heated source)、熱源注射器(Heated source injector)、螯合交付(Chelate delivery)等的制備方法。

將硫族化物或氟化物玻璃作為基本成分的解調(diào)光纖的情況下，可使用雙坩堝法、玻璃熔化法或氣相淀積工序來(lái)制備。

將二氧化硅玻璃作為基本成分的解調(diào)光纖的情況下，可通過(guò)使用改進(jìn)的化學(xué)氣相沉積法、氣相軸向沉積法、外部氣相沉積法、等離子體化學(xué)氣相沉積法、火焰氣相沉積法等的氣相淀積工序或溶膠凝膠法來(lái)制備。

尤其，在使用氣相淀積工序或溶膠凝膠法來(lái)制備二氧化硅光纖的情況下，可精確地調(diào)節(jié)添加在解調(diào)光纖的物質(zhì)的濃度，從而可更簡(jiǎn)單地控制在光纖傳感器系統(tǒng)用測(cè)量部所需的光學(xué)特性，因此，可制備具有非常優(yōu)秀的再現(xiàn)性的解調(diào)光纖。

將高分子作為基本成分的解調(diào)光纖可通過(guò)使用聚合法(polymerization method)、擠壓法(Extrusion method)、氣相淀積工序等來(lái)制備。

圖5為示出實(shí)施例的添加有釷(Thulium，Tm³⁺)的解調(diào)光纖的光吸收特性的圖。首先，使用于實(shí)施例的解調(diào)光纖利用改進(jìn)的化學(xué)氣相沉積工序并在光纖生產(chǎn)工序中與原料氣體一同添加誘導(dǎo)特定的光吸收特性的物質(zhì)來(lái)制備。

進(jìn)一步詳細(xì)地說(shuō)明通過(guò)使用改進(jìn)的化學(xué)氣相沉積工序來(lái)制備光纖的方法，通過(guò)使用SiCl₄、GeCl₄、POCl₃、CF₄等的原料氣體來(lái)在二氧化硅管內(nèi)蒸鍍燒結(jié)的披覆層，然后蒸鍍通過(guò)部分燒結(jié)而具有微細(xì)孔隙的煙灰(soot)形態(tài)的芯層。而且，通過(guò)使用溶液添加法(Solution doping method)來(lái)使誘導(dǎo)特定的光吸收特性的物質(zhì)溶解于乙醇或水，由此制備溶液，并將上述芯層浸漬規(guī)定時(shí)間左右后，重新去除上述溶液。在去除溶液后，一定量的溶液也殘留于芯層的微細(xì)孔隙之間，并向纖芯添加殘留于這些殘留溶液內(nèi)的物質(zhì)。

最終，通過(guò)干燥(drying)、燒結(jié)(sintering)及凝結(jié)(collapsing)過(guò)程來(lái)制備光纖母材，并使上述光纖母材重新經(jīng)過(guò)光纖拉伸工藝制備成光纖。在實(shí)施例中，將水合(hydrous)形態(tài)的0.05M的TmCl₃及0.3M的AlCl₃溶解于水，并通過(guò)溶液添加法制備在纖芯添加有釷的光纖。

添加有釷等的稀土類(lèi)元素的光纖可準(zhǔn)確地調(diào)節(jié)離子的量，從而可容易地控制在測(cè)量部所要測(cè)量的光學(xué)特性，并且可制備具有相同的特性的解調(diào)光纖，因此是工序方面的再現(xiàn)性優(yōu)秀的方法。

如圖5所示，參照示出了根據(jù)以添加釷(Tm³⁺)的方式制備的解調(diào)光纖的波長(zhǎng)的光吸收系數(shù)的曲線圖可知，在800nm及1200nm附近的波長(zhǎng)中存在產(chǎn)生許多光吸收的區(qū)間，并且在1500～1563nm范圍的波長(zhǎng)中存在如A區(qū)間具有明顯的線性的斜率地光吸收特性的區(qū)間。

圖6為示出還有一實(shí)施例的根據(jù)添加有鉺(Erbium，Er³⁺)的解調(diào)光纖的波長(zhǎng)的光吸收特性的圖。使用于實(shí)施例的上述解調(diào)用光纖通過(guò)在利用改進(jìn)的化學(xué)氣相沉積工序的光纖材料制備工序中添加誘導(dǎo)上述光吸收特性的物質(zhì)來(lái)制備。參照曲線圖，可知，在大約955～972nm、990～1008nm范圍中存在根據(jù)波長(zhǎng)的具有線性的光吸收特性的區(qū)間，尤其，在1453～1482nm及1550～1567nm范圍中存在根據(jù)波長(zhǎng)的具有明顯的線性的光吸收特性的區(qū)間，可將這種特性使用于光纖傳感器系統(tǒng)用解調(diào)光纖的制備。

圖7為示出還有一實(shí)施例的根據(jù)添加有釩(Vanadium，V)的解調(diào)光纖材料的波長(zhǎng)的光吸收特性。使用于實(shí)施例的上述解調(diào)用光纖材料通過(guò)在利用玻璃熔融法及成型法的光纖材料制備工序中添加誘導(dǎo)上述光吸收特性的物質(zhì)來(lái)制備。作為主要成分使用包含SiO₂、P₂O₅及V₂O₅的氧化物玻璃，并使用玻璃熔融法在1000～1500℃的熔融溫度中制備。在完成熔融后，為了制備具有纖芯及包層結(jié)構(gòu)的光纖母材，在為此而被合適的設(shè)計(jì)的桿及管型模具中投入熔融玻璃，并在完成規(guī)定時(shí)間左右的熱處理后，分離模具，由此制備成桿及管形態(tài)的光纖母材，并使上述光纖母材經(jīng)過(guò)光纖拉伸工藝制備成直徑為120～130μm的光纖。在光纖拉伸過(guò)程中，防止因結(jié)晶化而降低光纖強(qiáng)度及增加損耗的現(xiàn)象尤為重要，為此，適當(dāng)調(diào)節(jié)玻璃成分及光纖拉伸溫度。參照曲線圖，可知，在大約535～590nm范圍中存在根據(jù)波長(zhǎng)的具有線性的光吸收特性的區(qū)間，尤其，在910～1030及1100～1290nm范圍中存在根據(jù)波長(zhǎng)具有明顯的線性的光吸收特性地區(qū)間，可將這種特性適用于光纖傳感器系統(tǒng)用解調(diào)光纖的制備。

圖8a為示出還有一實(shí)施例的根據(jù)添加有Au納米粒子的解調(diào)光纖材料的波長(zhǎng)的光吸收特性的圖，圖8b為放大示出在圖8a的添加有Au納米粒子的解調(diào)光纖中呈現(xiàn)明顯的線性的特性的570～595nm附近的光吸收光譜的圖。使用于實(shí)施例的上述解調(diào)用光纖材料通過(guò)在利用溶膠凝膠法的光纖材料制備工序中添加誘導(dǎo)上述光吸收特性的物質(zhì)來(lái)制備。作為原料物質(zhì)，與當(dāng)作作為玻璃的基質(zhì)成分的二氧化硅的原料使用的Si(OC₂H₅)₄或Si(OCH₃)₄一同使用成為C₂H₅OH及Au納米粒子的原料的HAuCl₄-4H₂O。與上述原料物質(zhì)一同使用誘導(dǎo)琉璃化的催化劑，并經(jīng)過(guò)包括水解及聚合過(guò)程的琉璃化過(guò)程來(lái)制備光纖用玻璃母材。并且，為了適合于桿及管形態(tài)的光纖用玻璃母材制備，而使上述琉璃化過(guò)程發(fā)生在由特氟隆等塑料材質(zhì)形成的模具的內(nèi)部。為了形成Au納米粒子，而在光纖拉伸過(guò)程中適當(dāng)?shù)卣{(diào)節(jié)拉伸溫度及拉伸速度或者在光纖拉伸后進(jìn)行光纖熱處理過(guò)程，以形成納米粒子。

參照?qǐng)D8a的曲線圖，可知，在大約325～340nm、510～535nm及570～595nm范圍中存在根據(jù)波長(zhǎng)具有線性的光吸收特性的區(qū)間，參照?qǐng)D8b，可知，尤其在570～595nm附近具有明顯的線性的光吸收特性?？蓪⑦@種特性使用于光纖傳感器系統(tǒng)用解調(diào)光纖的制備。

圖9為示出還有一實(shí)施例的根據(jù)添加有PbS納米粒子的解調(diào)光纖材料的波長(zhǎng)的光吸收特性的圖。使用于實(shí)施例的上述解調(diào)用光纖材料通過(guò)在利用玻璃熔融法及成型法的光纖材料制備工序中添加誘導(dǎo)上述光吸收特性的物質(zhì)來(lái)制備。并且，添加有PbS納米粒子的解調(diào)光纖可使用氣相淀積工序及溶膠凝膠法來(lái)制備。參照曲線圖，可知，在大約600～900nm及1150～1250nm的非常寬的帶寬的波長(zhǎng)范圍內(nèi)存在根據(jù)波長(zhǎng)具有線性的光吸收特性的區(qū)間，將將這種特性使用于光纖傳感器系統(tǒng)用解調(diào)光纖的制備。

以下，對(duì)經(jīng)過(guò)實(shí)施例的解調(diào)光纖的信號(hào)光的強(qiáng)度變化進(jìn)行說(shuō)明?？赏ㄟ^(guò)計(jì)算進(jìn)過(guò)解調(diào)光纖后的信號(hào)光地強(qiáng)度I與經(jīng)過(guò)解調(diào)光纖前的信號(hào)光的強(qiáng)度I₀的光強(qiáng)度之比，即，通過(guò)計(jì)算R＝10log(I/I₀)來(lái)確認(rèn)根據(jù)波長(zhǎng)的信號(hào)光的光強(qiáng)度變化。

其中，經(jīng)過(guò)解調(diào)光纖前的信號(hào)光的強(qiáng)度I₀與基準(zhǔn)光的光強(qiáng)度相對(duì)應(yīng)，并且可通過(guò)第一檢測(cè)部33進(jìn)行檢測(cè)，經(jīng)過(guò)解調(diào)光纖后的信號(hào)光的光強(qiáng)度I在第二檢測(cè)部34檢測(cè)。

圖10為使圖2的A區(qū)間中的信號(hào)光的光強(qiáng)度變化在1500nm以上的波長(zhǎng)中相對(duì)部分區(qū)間示出的圖。，上述信號(hào)光是經(jīng)過(guò)添加有長(zhǎng)度為約10cm的釷(Tm³⁺)的解調(diào)光纖的，即，如在圖5所確認(rèn)的，添加有釷的解調(diào)光纖針對(duì)相應(yīng)區(qū)間的互不相同的波長(zhǎng)具有線性依賴(lài)的特定的光吸收率，因此通過(guò)上述解調(diào)光纖的信號(hào)光的光強(qiáng)度也變化成線性，這在圖10中也可得到確認(rèn)。通過(guò)圖5及圖10，根據(jù)解調(diào)光纖的波長(zhǎng)的光吸收率為線性的區(qū)間可確保25nm至50nm以上，在實(shí)施例中可知，可檢測(cè)出相對(duì)這種區(qū)間移動(dòng)的信號(hào)光的波長(zhǎng)變化。以下，對(duì)通過(guò)解調(diào)光纖進(jìn)行變化的波長(zhǎng)及尤由此而從外部施加的物理量進(jìn)行檢測(cè)的方法進(jìn)行更詳細(xì)的說(shuō)明。

在與圖10一同說(shuō)明的利用添加有上述釷的解調(diào)光纖的實(shí)施例中，表示根據(jù)波長(zhǎng)λ的上述光強(qiáng)度比率R的分析函數(shù)如下(數(shù)學(xué)式1)。

數(shù)學(xué)式1：R＝-5.84×10^-2×λ+86.9

因此，若計(jì)算出光強(qiáng)度比率R，則可根據(jù)數(shù)學(xué)式1檢測(cè)出信號(hào)光的波長(zhǎng)λ。并且，可將光強(qiáng)度比率R與波長(zhǎng)λ的關(guān)系式廣義地表示為如下(數(shù)學(xué)式2)。

數(shù)學(xué)式2：R＝a×λ+b

其中，a和b作為系數(shù)，可以為由根據(jù)解調(diào)光纖的波長(zhǎng)的光吸收特性決定的系數(shù)。

而且，若使在感測(cè)部產(chǎn)生的信號(hào)光的波長(zhǎng)λ針對(duì)從外部施加于感測(cè)部的物理量M以線性的方式進(jìn)行變換及移動(dòng)，則可如下的表示波長(zhǎng)λ與物理量M之間的關(guān)系式。

數(shù)學(xué)式3：λ＝c×M+a

其中，c和d作為系數(shù)，可以為由根據(jù)施加物理量的感測(cè)部器件的敏感度特性確定的特性系數(shù)。

若相互結(jié)合數(shù)學(xué)式2和數(shù)學(xué)式3，則最終可整理成如下的數(shù)學(xué)式。

數(shù)學(xué)式4：R＝a×(c×M+b)+d＝p×M+q

其中，特性系數(shù)由p＝a×c、q＝a×c+d組成。因此，最終可根據(jù)數(shù)學(xué)式4從檢測(cè)出的光強(qiáng)度比率R中導(dǎo)出物理量M。

并且，在上述關(guān)系式(數(shù)學(xué)式2、數(shù)學(xué)式3)中，對(duì)解調(diào)光纖及感測(cè)部器件針對(duì)信號(hào)光的波長(zhǎng)及物理量的變化分別具有線性的一次函數(shù)特性的情況進(jìn)行了說(shuō)明，但在二次函數(shù)等具有其它單調(diào)變化函數(shù)形態(tài)的特性的情況下，導(dǎo)出物理量的過(guò)程也相同。即，可改變上述數(shù)學(xué)式2和數(shù)學(xué)式3的部分形態(tài)，但信號(hào)光的強(qiáng)度，即，從光強(qiáng)度比率R中檢測(cè)信號(hào)光的波長(zhǎng)λ，并由此測(cè)量物理量M的基本概念不變。其中，其它單調(diào)變化函數(shù)是指如指數(shù)函數(shù)、對(duì)數(shù)函數(shù)、多項(xiàng)式函數(shù)的等函數(shù)，即，使函數(shù)值在部分或所有區(qū)間中呈現(xiàn)持續(xù)增加或持續(xù)減少的單調(diào)函數(shù)(monotonic function)特性，尤其，在部分區(qū)間中具有一次函數(shù)形態(tài)的特性。

為了提高信號(hào)分析的準(zhǔn)確度以及增加分析的容易性，優(yōu)選地，使解調(diào)光纖的光吸收特性進(jìn)行單調(diào)變換。更優(yōu)選地，使解調(diào)光纖的光吸收特性根據(jù)波長(zhǎng)進(jìn)行線性變換，由此使信號(hào)分析準(zhǔn)確及容易。其中，優(yōu)選地，使吸收特性為線性的區(qū)間在對(duì)數(shù)尺度(log scale)或線性尺度(linear scale)單位中使用線性的區(qū)間。因此，在圖10中，在對(duì)數(shù)尺度中使用了完成分析的實(shí)施例，但在線性尺度中也可通過(guò)適用數(shù)學(xué)式2和數(shù)學(xué)式3來(lái)進(jìn)行分析。并且，根據(jù)情況為了提高信號(hào)分析的準(zhǔn)確度，可將所分析的波長(zhǎng)范圍分成多個(gè)，并通過(guò)使用具有各個(gè)單調(diào)變化函數(shù)形態(tài)的分析函數(shù)來(lái)進(jìn)行分析。其中，為了進(jìn)行分析，優(yōu)選地，通過(guò)使用由各個(gè)一次函數(shù)構(gòu)成的分析函數(shù)來(lái)對(duì)分成多個(gè)波長(zhǎng)范圍進(jìn)行分析。

圖18a及圖18b為分別示出本發(fā)明實(shí)施例的光纖傳感用光學(xué)特性測(cè)量裝置及利用其的光纖傳感器系統(tǒng)的圖。分別與圖4a及圖4b的實(shí)施例相比，其他部分相同，但本實(shí)施例的特征在于，在由第一光耦合器31分配并向第二檢測(cè)部34傳輸?shù)男盘?hào)光的移動(dòng)光路上設(shè)置有長(zhǎng)度為L(zhǎng)1的第一解調(diào)光纖32-1，在由第一光耦合器31分配并向第一檢測(cè)部33傳輸?shù)幕鶞?zhǔn)光的移動(dòng)光路上設(shè)置有長(zhǎng)度為L(zhǎng)2的第二解調(diào)光纖32-2。上述第一解調(diào)光纖32-1及第二解調(diào)光纖32-2的特征在于，它們由光吸收斜率相反的光纖構(gòu)成，可通過(guò)以相對(duì)的方式相互交叉光吸收斜率來(lái)改善物理量的測(cè)量敏感度。以下實(shí)施例一同對(duì)上述實(shí)施例的詳細(xì)工作原理及結(jié)構(gòu)進(jìn)行詳細(xì)的說(shuō)明。

圖19為示出對(duì)實(shí)施例的為了通過(guò)反向交叉光吸收斜率來(lái)增大測(cè)量敏感度而分別添加鉺(Er³⁺)及鋱(Tb³⁺)的解調(diào)光纖的光吸收特性進(jìn)行比較的圖。在1530～1700nm范圍的波長(zhǎng)范圍內(nèi)，在Er³⁺的情況下，具有負(fù)光吸收斜率，相反地，在Tb³⁺的情況下，具有正光吸收斜率。因此，如下的舉例說(shuō)明，與如圖4a及圖4b的結(jié)構(gòu)中的在向第二檢測(cè)部34傳輸?shù)男盘?hào)光的移動(dòng)光路上僅使用添加有Er³⁺的解調(diào)光纖的結(jié)構(gòu)相比，如圖18a及圖18b的結(jié)構(gòu)中的向第一檢測(cè)部33及第二檢測(cè)部34傳輸?shù)幕鶞?zhǔn)光及信號(hào)光的移動(dòng)光路上連接分別添加有Tb³⁺及Er³⁺的解調(diào)光纖來(lái)構(gòu)成光學(xué)特性測(cè)量裝置及光纖傳感器系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)可根據(jù)斜率的相互交叉特性提高測(cè)量敏感度。當(dāng)然，即使以變更所連接的解調(diào)光纖的順序的方式在基準(zhǔn)光及信號(hào)光的移動(dòng)光路上連接分別添加有Er³⁺及Tb³⁺的解調(diào)光纖也可獲得相同的改善效果，這對(duì)本發(fā)明所屬的技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員而言，非常容易理解。

表2示出了本發(fā)明實(shí)施例的為了以相對(duì)的方式相互交叉光吸收斜率來(lái)改善物理量的測(cè)量敏感度而可向解調(diào)光纖添加的主要添加物質(zhì)的種類(lèi)及成分以及基于上述種類(lèi)、成分的主要解調(diào)用波長(zhǎng)范圍。

表2

圖11為簡(jiǎn)要示出實(shí)施例的將光纖布拉格光柵使用于感測(cè)部且將循環(huán)器作為第二光耦合器使用的光纖傳感器系統(tǒng)的圖，圖12的(a)部分為示出根據(jù)施加在圖11中的B地點(diǎn)的基準(zhǔn)光的光譜及波長(zhǎng)的光強(qiáng)度分布的曲線圖，圖12的(b)部分為示出根據(jù)施加在圖11中的C地點(diǎn)的因解調(diào)光纖而衰減的信號(hào)光的光譜及波長(zhǎng)的光強(qiáng)度分布的曲線圖。

在圖11的實(shí)施例中適用了在1530～1560nm波長(zhǎng)范圍內(nèi)輸出強(qiáng)度為平坦的光源、在上述波長(zhǎng)范圍內(nèi)插入損耗為規(guī)定的第二光耦合器13以及在上述波長(zhǎng)范圍內(nèi)耦合器比率為50：50的規(guī)定范圍的第一光耦合器31。

參照?qǐng)D11，從光源部10射出的輸入光在感測(cè)部20的光纖布拉格光柵被反射，并通過(guò)光耦合器31向兩個(gè)光輸出線分離，一側(cè)經(jīng)過(guò)第一檢測(cè)部33以及另一側(cè)經(jīng)過(guò)解調(diào)光纖32行進(jìn)至第二檢測(cè)部34。

然后參照?qǐng)D12，根據(jù)外部環(huán)境的變化而在光纖布拉格光柵反射的并產(chǎn)生的光信號(hào)會(huì)改換共振波長(zhǎng)，與在第二檢測(cè)部34檢測(cè)出的光強(qiáng)度斜率曲線圖一同，在圖12的(b)部分示出經(jīng)過(guò)具有如圖10所示的光學(xué)特性地解調(diào)光纖后的被衰減的信號(hào)光的光譜。即，解調(diào)光纖的光衰減大小根據(jù)波長(zhǎng)進(jìn)行線性變化，因此在第二檢測(cè)部34檢測(cè)出的光強(qiáng)度也進(jìn)行線性變化。相反地，在向第一檢測(cè)部行進(jìn)的基準(zhǔn)光的情況下，由于未經(jīng)過(guò)解調(diào)光纖32而不產(chǎn)生光衰減，如圖12的(a)部分所述，若去除常規(guī)的噪音或誤差，則檢測(cè)出不依賴(lài)于波長(zhǎng)的規(guī)定的光強(qiáng)度。

然后，若對(duì)如上所述的在第一檢測(cè)部檢測(cè)出的基準(zhǔn)光地光強(qiáng)度和在第二檢測(cè)部檢測(cè)出的被衰減的信號(hào)光的光強(qiáng)度進(jìn)行比較，則可導(dǎo)出信號(hào)光的波長(zhǎng)。因此，在第一檢測(cè)部33及第二檢測(cè)部34檢測(cè)并比較所傳輸?shù)墓獾膹?qiáng)度，從而可檢測(cè)出由感測(cè)部產(chǎn)生的信號(hào)光的所變化的波長(zhǎng)，由此可最終導(dǎo)出變化后的物理量。

圖13至圖16為簡(jiǎn)要示出本發(fā)明的還有一實(shí)施例的光纖傳感器系統(tǒng)的圖。與圖11相比，在圖13中說(shuō)明的光纖傳感器系統(tǒng)具有無(wú)第一光耦合器且在第二光耦合器13直接連接第一檢測(cè)部33及解調(diào)光纖32的結(jié)構(gòu)，但其余的光纖傳感器系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及物理量測(cè)量方式與圖11的情況相同。即，在圖11的情況下，在第一光耦合器31將由感測(cè)部20產(chǎn)生的光信號(hào)分成兩個(gè)，并將其中的一部分作為基準(zhǔn)光使用，相反地，在圖13中，通過(guò)第二光耦合器13將從光源部10傳輸?shù)妮斎牍獾囊徊糠肿鳛榛鶞?zhǔn)光直接接收，并在第一檢測(cè)部33檢測(cè)光強(qiáng)度。為了使基準(zhǔn)光的強(qiáng)度衰減，在第一檢測(cè)部33之前，可配置無(wú)波長(zhǎng)依賴(lài)特性的光衰減器36。在這種情況下，由于不使用第一光耦合器，因此存在使系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單以及減低單價(jià)的優(yōu)點(diǎn)。除此之外地，使用解調(diào)光纖32的檢測(cè)部結(jié)構(gòu)、檢測(cè)及分析信號(hào)的方法與圖11一同說(shuō)明的實(shí)施例相同。

圖14為簡(jiǎn)要示出本發(fā)明還有一實(shí)施例的光纖傳感器系統(tǒng)的圖。與圖11相比，在圖14的情況下，在光源部10輸出的輸入光不經(jīng)過(guò)第二光耦合器13而直接傳輸至感測(cè)部20。然后，在感測(cè)部20產(chǎn)生的光信號(hào)由第一光耦合器31分成兩個(gè)，其中的一部分作為基準(zhǔn)光使用，并由第一檢測(cè)部33檢測(cè)出光強(qiáng)度，另一部分作為信號(hào)光使用，并經(jīng)過(guò)解調(diào)光纖32由第二檢測(cè)部34檢測(cè)出。通過(guò)使用解調(diào)光纖32來(lái)對(duì)在感測(cè)部20產(chǎn)生的光信號(hào)進(jìn)行測(cè)量及分析的測(cè)量部30結(jié)構(gòu)及方法與在圖11說(shuō)明的實(shí)施例相同。

在與圖11一同說(shuō)明的感測(cè)部20的情況下，作為制備與在光源部10輸出的輸入光的射出方向相反的光信號(hào)的情況，作為適合于這種感測(cè)部的光器件，可例舉基于光纖布拉格光柵、受激布里淵散射的光器件。相反地，在圖14說(shuō)明的感測(cè)部20的情況下，作為制備與輸入光的射出方向相同的光信號(hào)，適合于這種感測(cè)用光器件的光器件可以為利用長(zhǎng)周期光纖光柵、法布里-珀羅濾波器、喇曼散射、相干反斯托克斯-拉曼散射、光參量產(chǎn)生、和頻產(chǎn)生(DFG：SHG，THG)、差頻產(chǎn)生、四波混頻過(guò)程等的光器件。根據(jù)需要，如圖14所示，在感測(cè)部20周?chē)墒褂糜糜诒Ｗo(hù)光源部的光隔離器12及僅使在感測(cè)部產(chǎn)生的光信號(hào)通過(guò)的通帶濾波器16。

圖15為簡(jiǎn)要示出本發(fā)明的再一實(shí)施例的光纖傳感器系統(tǒng)的圖。上述光纖傳感器系統(tǒng)具有在互不相同的波長(zhǎng)中運(yùn)行的多個(gè)感測(cè)部20-1、20-2、20-3、……，因此可使用于波分復(fù)用(WDM)測(cè)量及利用其的分散型傳感系統(tǒng)領(lǐng)域。在圖15中公開(kāi)的傳感器系統(tǒng)由在互不相同的波長(zhǎng)11、12、13、……運(yùn)行的感測(cè)部20-1、20-2、20-3、……、第二光耦合器13-1、13-2、13-3、……、測(cè)量部30-1、30-2、30-3、……組構(gòu)成。更詳細(xì)地，在光源部10產(chǎn)生的輸入光經(jīng)過(guò)第二光耦合器13-1、13-2、13-3、……傳輸至感測(cè)部20-1、20-2、20-3、……，并且在上述各感測(cè)部產(chǎn)生在互不相同的共振波長(zhǎng)11、12、13、……向受到外部環(huán)境的影響的光信號(hào)。并且，各個(gè)第一光耦合器僅將在與其相對(duì)應(yīng)的感測(cè)部產(chǎn)生光信號(hào)傳輸至各個(gè)測(cè)量部30-1、30-2、30-3、……，由此檢測(cè)及分析光信號(hào)。優(yōu)選地，由于將多個(gè)波長(zhǎng)使用于測(cè)量工序，因此使用于圖15的傳感器系統(tǒng)的光源部10的特性具有腦闊上述所有波長(zhǎng)λ1、λ2、λ3、……的充分寬度的光帶。為了實(shí)現(xiàn)多重測(cè)量而結(jié)合多個(gè)在圖11中說(shuō)明的個(gè)別光纖傳感器系統(tǒng)的形態(tài)或者通過(guò)使用解調(diào)光纖來(lái)檢測(cè)及分析在各感測(cè)部產(chǎn)生的光信號(hào)的基本多重測(cè)量部的結(jié)構(gòu)及方法與在圖11中說(shuō)明的實(shí)施例相同。

圖16為簡(jiǎn)要示出本發(fā)明再一實(shí)施例的光纖傳感器系統(tǒng)的圖。上述光纖傳感器系統(tǒng)具有以相隔規(guī)定距離L1、L2、L3、……的方式形成的多個(gè)感測(cè)部20-4、20-5、20-6、……，因此可使用于時(shí)分復(fù)用(TDM)測(cè)量及利用其的分散型傳感系統(tǒng)領(lǐng)域。在到達(dá)測(cè)量部30而被檢測(cè)之前，在各感測(cè)部產(chǎn)生的光信號(hào)經(jīng)過(guò)互不相同的長(zhǎng)度的光路，因此以互不相同的時(shí)間間距被測(cè)量，從而可利用上述時(shí)間間距來(lái)相互區(qū)分在各感測(cè)部檢測(cè)出的物理量，由此進(jìn)行測(cè)量。

為此，優(yōu)選地，圖16的光源部10為以脈沖結(jié)構(gòu)驅(qū)動(dòng)的光源，并且檢測(cè)部33、34能夠以測(cè)量上述光源的方式構(gòu)成。為了實(shí)現(xiàn)多重測(cè)量而結(jié)合多個(gè)在圖11中說(shuō)明的個(gè)別光纖傳感器系統(tǒng)的形態(tài)或者通過(guò)使用解調(diào)光纖來(lái)對(duì)在各感測(cè)部產(chǎn)生的光信號(hào)進(jìn)行測(cè)量及分析的基本測(cè)量部的結(jié)構(gòu)及方法與在圖11中說(shuō)明的實(shí)施例相同。

圖20為簡(jiǎn)要示出本發(fā)明再一實(shí)施例的光纖傳感器系統(tǒng)的圖。如圖15所示的傳感器系統(tǒng)，上述光纖傳感器系統(tǒng)具有在互不相同的波長(zhǎng)中運(yùn)行的多個(gè)感測(cè)部20-1、20-2、20-3、……，從而可使用于波分復(fù)用測(cè)量及利用其的分散型傳感系統(tǒng)領(lǐng)域。上述傳感器系統(tǒng)由在互不相同的波長(zhǎng)11、12、13、……中運(yùn)行的感測(cè)部20-1、20-2、20-3、……及測(cè)量部30-1、30-2、30-3、……組構(gòu)成。

與圖15中所示的傳感器系統(tǒng)不同的是，為了分配在感測(cè)部產(chǎn)生的信號(hào)光，將多個(gè)第二光耦合器替換成第二光耦合器13及波分器件37來(lái)使用的方面。作為上述波分器件37，可使用陣列波導(dǎo)光柵(arrayed waveguide grating，AWG)、平面中階梯光柵(planar Echelle grating)、空間外差光譜儀(spatial heterodyne spectrometer)等。更詳細(xì)地，在光源部10產(chǎn)生的輸入光經(jīng)過(guò)第二光耦合器13向感測(cè)部20-1、20-2、20-3、……傳輸，并且在上述各感測(cè)部產(chǎn)生在互不相同的共振波長(zhǎng)11、12、13、……受到外部環(huán)境影響的光信號(hào)。

然后，在多個(gè)感測(cè)部產(chǎn)生的光信號(hào)根據(jù)波長(zhǎng)傳輸至分別對(duì)應(yīng)的測(cè)量部30-1、30-2、30-3、……，并由波分器件37檢測(cè)及分析光信號(hào)。在圖20所示的傳感器系統(tǒng)的情況下，與圖15所示的相比，具有可使系統(tǒng)大小小型化的優(yōu)點(diǎn)。在圖20說(shuō)明的根據(jù)波分復(fù)用化的光纖傳感器系統(tǒng)的情況下，也與圖15的情況相同，由此通過(guò)使用解調(diào)光纖來(lái)對(duì)在各感測(cè)部產(chǎn)生的光信號(hào)進(jìn)行測(cè)量及分析的基本測(cè)量部的結(jié)構(gòu)及方法與圖11一同說(shuō)明實(shí)施例相同。

與圖11一同揭示的實(shí)施例相比不同的是，在圖21中說(shuō)明的光纖傳感器系統(tǒng)代替圖11的兩個(gè)檢測(cè)部33、34而由一個(gè)檢測(cè)部33及光開(kāi)關(guān)38，除此之外，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及物理量測(cè)量方式與圖11的情況相同。接收光源部10的輸入光并在感測(cè)部20產(chǎn)生的信號(hào)光經(jīng)過(guò)第二光耦合器13及第一光耦合器31后，分別作為基準(zhǔn)光及被衰減的信號(hào)光傳輸至B地點(diǎn)及C地點(diǎn)。

然后，通過(guò)光開(kāi)關(guān)38按規(guī)定時(shí)間周期使基準(zhǔn)光及被衰減的信號(hào)光的光強(qiáng)度由相同的檢測(cè)部33檢測(cè)，并對(duì)在分析部35按規(guī)定間隔檢測(cè)出的上述基準(zhǔn)光及被衰減的信號(hào)光的強(qiáng)度進(jìn)行比較，由此計(jì)算物理量。根據(jù)需要，如圖4b及圖13所示，為了使基準(zhǔn)光或信號(hào)光的強(qiáng)度衰減，可在第二光耦合器與檢測(cè)部33之間的光路上配置光衰減器36。若利用在圖21說(shuō)明的方法，則可明顯地減少圖15及圖20中的因波分復(fù)用化而需要的多個(gè)光耦合器及檢測(cè)部的數(shù)量，從而具有可降低傳感器系統(tǒng)結(jié)構(gòu)費(fèi)用的優(yōu)點(diǎn)。

圖22為簡(jiǎn)要示出本發(fā)明再一實(shí)施例的光纖傳感器系統(tǒng)的圖。與圖4b及圖11相比，在圖22的情況下，用于產(chǎn)生信號(hào)光的感測(cè)部20-7并未通過(guò)光纖與第二光耦合器13相連接，而是以中間隔著由氣體或液體形成的規(guī)定間距的自由空間40的方式形成。

更詳細(xì)地，在圖22揭示的傳感器系統(tǒng)的情況下，在光源部10輸出的輸入光經(jīng)過(guò)第二光耦合器13后，通過(guò)與上述第二光耦合器13相連接的收發(fā)用光器件39向感測(cè)部20-7側(cè)射出。然后，輸入光在經(jīng)過(guò)規(guī)定間距的自由空間40后到達(dá)至感測(cè)部20-7，并在上述感測(cè)部20-7產(chǎn)生信號(hào)光。所產(chǎn)生的上述信號(hào)光重新經(jīng)過(guò)自由空間40后，經(jīng)過(guò)收發(fā)用光器件39到達(dá)至第二光耦合器，并由與上述第二光耦合器相連接的第一光耦合器31分成兩個(gè)，其中的一部分作為基準(zhǔn)光使用，并由第一檢測(cè)部33檢測(cè)光強(qiáng)度，另一部分作為信號(hào)光使用，并在經(jīng)過(guò)解調(diào)光纖32后，由第二檢測(cè)部34檢測(cè)。

通過(guò)使用解調(diào)光纖32來(lái)對(duì)在感測(cè)部20-7產(chǎn)生的光信號(hào)進(jìn)行測(cè)量及分析的測(cè)量部30的結(jié)構(gòu)及方法與圖4b及圖11中說(shuō)明的實(shí)施例相同。并且，作為用于獲得基準(zhǔn)光的方法，代替圖4b及圖11中揭示的結(jié)構(gòu)，可利用在圖13說(shuō)明的傳感器系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。圖22中的上述收發(fā)用光器件39可通過(guò)具有向感測(cè)部20-7傳輸輸入光的輸出部功能和接收在感測(cè)部20-7產(chǎn)生的信號(hào)光并向第二光耦合器13側(cè)進(jìn)行傳輸?shù)氖展獠抗δ埽瑥亩捎蓡蝹€(gè)至多個(gè)光學(xué)鏡頭構(gòu)成。并且，上述收發(fā)用光器件39可以為漸變折射率(GRIN)鏡頭或熱膨脹芯(Thermally expended core，TEC)光纖器件等構(gòu)成光纖型準(zhǔn)直器(collimator)。并且，上述收發(fā)用光器件39為了增大輸出及收光效率可具有擴(kuò)增所輸出的輸入光的直徑的功能。

并且，在上述感測(cè)部20-7的體積大的情況下，上述收發(fā)用光器件39可具有改變朝向感測(cè)部20-7的輸入光的方向的掃描功能。并且，可在光路上使用如圖11所示地用于保護(hù)光源部10的光隔離器12及如圖14所述地僅使在感測(cè)部產(chǎn)生的光信號(hào)通過(guò)的通帶濾波器16。在上述感測(cè)部20-7產(chǎn)生的信號(hào)光可以為根據(jù)瑞利(Rayleigh)散射、米氏(Mie)散射、拉曼(Raman)散射、布里淵散射及多普勒效應(yīng)等的光信號(hào)。上述感測(cè)部20-7可以為大氣及海洋等的流體物質(zhì)?？赏ㄟ^(guò)分布在這種流體物質(zhì)內(nèi)的黃沙、微塵、氣溶膠(aerosol)及浮游生物等的超細(xì)物質(zhì)的特性來(lái)使上述信號(hào)光的中心波長(zhǎng)等的光學(xué)特性發(fā)生變化，并且利用光纖傳感器系統(tǒng)來(lái)測(cè)量這種信號(hào)光的特性變化，因此可分析上述感測(cè)部20-7的特性變化，例如，大氣及海洋等的流向及存在于流體物質(zhì)內(nèi)的上述超細(xì)物質(zhì)的分布特性。

作為再一實(shí)施例，可通過(guò)復(fù)合結(jié)合圖4a、4b、11、13、14、16、18a、18b、19、21中說(shuō)明的光纖傳感器系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、圖15及圖20中說(shuō)明的波分復(fù)用結(jié)構(gòu)以及圖16中說(shuō)明的時(shí)分復(fù)用結(jié)構(gòu)來(lái)構(gòu)成光纖傳感器系統(tǒng)。

即，實(shí)施例的光學(xué)特性測(cè)量裝置及利用其的光纖傳感器系統(tǒng)與現(xiàn)有的相比，作為可更簡(jiǎn)單地連接解調(diào)光纖的結(jié)構(gòu)，測(cè)量部無(wú)須針對(duì)內(nèi)部部件的光學(xué)校直，并且具有不受振動(dòng)、壓力、溫度等外部環(huán)境的影響的特性。并且，在結(jié)構(gòu)方面單純且系統(tǒng)制備簡(jiǎn)單，因此可明顯地降低單價(jià)，并且，若本發(fā)明的光纖傳感器系統(tǒng)利用上述實(shí)施例中說(shuō)明的基本測(cè)量結(jié)構(gòu)及原理，則除了在上述實(shí)施例中說(shuō)明的結(jié)構(gòu)以外，還能夠以多種結(jié)構(gòu)制備。

圖17為示出利用本發(fā)明的多種實(shí)施例的光纖傳感器系統(tǒng)來(lái)測(cè)量光學(xué)特性的方法的流程圖。參照?qǐng)D17，對(duì)實(shí)施例的光學(xué)特性的測(cè)量方法進(jìn)行說(shuō)明。

首先，從光源部下馬關(guān)感測(cè)部射出具有規(guī)定的波長(zhǎng)的輸入光。上述感測(cè)部能夠以包括光纖布拉格光柵的方式由多種光器件構(gòu)成，并且由感測(cè)用光器件基于從光源傳輸?shù)妮斎牍猱a(chǎn)生信號(hào)光(光信號(hào))。然后，根據(jù)外部環(huán)境的變化，即，根據(jù)施加在感測(cè)部的物理量變化(S1)使感測(cè)部受到影響，由此使在感測(cè)部產(chǎn)生的信號(hào)光的中心波長(zhǎng)進(jìn)行移動(dòng)(S2)。

為了測(cè)量根據(jù)施加在感測(cè)部的物理量而移動(dòng)的信號(hào)光的波長(zhǎng)，使信號(hào)光的一部分向設(shè)置于測(cè)量部的作為測(cè)量部光纖的解調(diào)光纖進(jìn)行傳輸。在上述解調(diào)光纖中光吸收特性根據(jù)波長(zhǎng)呈現(xiàn)線性，因此若信號(hào)光經(jīng)過(guò)上述上述解調(diào)光纖，則根據(jù)上述信號(hào)光的波長(zhǎng)改變光強(qiáng)度(S3)。然后，進(jìn)過(guò)解調(diào)并根據(jù)波長(zhǎng)受到其它衰減的信號(hào)光的光強(qiáng)度與未經(jīng)過(guò)解調(diào)光纖的基準(zhǔn)光的光強(qiáng)度一同在檢測(cè)部檢測(cè)(S4)。

可通過(guò)比較在檢測(cè)部檢測(cè)出的基準(zhǔn)光和信號(hào)光的光強(qiáng)度來(lái)在分析部導(dǎo)出信號(hào)光的波長(zhǎng)，最終可基于所導(dǎo)出的信號(hào)光的波長(zhǎng)來(lái)導(dǎo)出根據(jù)溫度、應(yīng)變(變形)、彎曲(bending)、扭曲(torsion)、壓力、折射率、濃度等外部環(huán)境變化而施加在感測(cè)部的物理量(S5)。

以上，以本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例為中心對(duì)本發(fā)明進(jìn)行了說(shuō)明，但上述優(yōu)選實(shí)施例僅用于例示，并不用于限制本發(fā)明，只要是本發(fā)明所屬技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員，則可在未脫離本發(fā)明的本質(zhì)上的特性的范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)以上未進(jìn)行例示的多種變形和引用。例如，可通過(guò)變更在本發(fā)明的實(shí)施例具體說(shuō)明的個(gè)結(jié)構(gòu)要素來(lái)實(shí)施。而且，需要理解的是，與這些變形和引用相關(guān)的差異也包含在所附的發(fā)明要求保護(hù)范圍中規(guī)定的本發(fā)明的范圍。

本發(fā)明可適用于分析光器件用光學(xué)特性的光纖傳感器，從而具有產(chǎn)業(yè)上的可利用性。