利用偏振相关损耗特性的光纤光栅温度检测方法

摘要

利用偏振相关损耗特性的光纤光栅温度检测方法，本发明涉及一种使用光纤光栅检测温度变化的方法。用于检测温度变化。它解决了利用反射光波长变化测量待测温度变化时因为反射光波长是一个范围值而很难精确确定反射光波长变化数值的问题。本发明的方法包括下述步骤：一、将入射光入射到光纤光栅后反射，所述光纤光栅为偏振相关的光栅；二、得到的反射光在偏振光栅选定的长轴和短轴方向上出现光谱差异，安置在光纤光栅反射光路中的PDL分析解调仪利用光谱差异得到光纤光栅偏振相关损耗值，三、将PDL分析解调仪得到的偏振相关损耗值的变化，换算成外界环境温度的变化值。

说明书

技术领域

本发明涉及一种使用光纤光栅检测温度变化的方法。

背景技术

光纤光栅传感技术是目前较为成熟的传感技术，光纤光栅是利用光纤材料的光敏性， 通过紫外光曝光的方法将入射光相干场图样写入纤芯，在纤芯内产生沿纤芯轴向的折射率 周期性变化，从而形成永久性空间的相位光栅，其实质就是在纤芯内形成一个窄带的(透 射或反射)滤波器或反射镜。利用这一特性可制造出许多性能独特的光纤器件，它们都具 有反射峰值波长可调范围大、附加损耗小、体积小，易与光纤耦合，可与其它光器件兼容 成一体，不受环境尘埃影响等一系列优异性能。

当光纤光栅所处环境的温度发生变化时，光栅的周期和纤芯折射率将发生变化，从而 使反射光的峰值波长发生相应的变化，通过测量待测温度变化前后反射光波长的变化，就 可以计算出待测温度的变化情况。利用测量反射光的峰值波长变化测温度的测量方法如图 1和图2所示，该测量方法存在的缺点是：反射光的峰值波长曲线是一个比较宽的单峰曲 线，环境温度变化后，单峰曲线沿横轴(横轴代表反射光波长的值，纵轴代表反射光的功 率)发生位移，由于单峰曲线在最高点处较平坦，因此很难精确确定因为温度变化出现的 反射光波长变化。

发明内容

本发明的目的是提供利用偏振相关损耗特性的光纤光栅温度检测方法，以解决利用 反射光波长变化测量待测温度变化时，因为反射光波长是一个范围值而很难精确确定反射 光中心波长的问题。本发明的方法包括下述步骤：一、将入射光入射到光纤光栅后反射， 所述光纤光栅为偏振相关的光栅；二、得到的反射光在偏振光栅选定的长轴和短轴方向上 出现光谱差异，安置在光纤光栅反射光路中的PDL分析解调仪利用光谱差异得到光纤光栅 偏振相关损耗值，三、将PDL分析解调仪得到的偏振相关损耗最大值对应的波长值的变化 换算成外界环境温度的变化值。

偏振相关损耗(PDL-polarization dependent loss)是指器件的传输损耗与光的偏振 态有关的现象，它是无源光器件中的一种重要偏振效应。

光学系统的PDL描述的是光学系统对传输光的偏振态的敏感程度。PDL定义为对应 等光强的所有可能输入偏振态的最大传输和最小传输的比例。PDL一般用dB来表示：

$\mathrm{PDL}\left(\lambda \right)=10{\log }_{10}\frac{P_{\max }\left(\lambda \right)}{p_{\min }\left(\lambda \right)}---(1-1)$

对一般光纤来说，其PDL非常小(≤0.1dB)。作为反射元件的FBG，它的PDL可以 表示成：

$\mathrm{PDL}\left(\lambda \right)=10{\log }_{10}\frac{R_{\max }\left(\lambda \right)}{R_{\min }\left(\lambda \right)}---(1-2)$

其中R_max和R_min分别表示FBG偏振态的最大反射光强和最小反射光强。

本发明的原理是运用光纤光栅在外场作用下双折射的变化所引起的敏感的偏振特性 的变化，根据测定光栅导出光的偏振特性的变化来测定相应的物理量。这种基于偏振特性 的传感方法相比于基于波长漂移的光纤光栅传感方法有自身的优势，从图1中可以看到， 偏振相关损耗值在图1上表现为具有两个峰值的曲线，其在横轴(波长值)上的投影是一 个极窄的范围，因此很容易确定其横坐标值。而且在温度变化的情况下，这两个峰值之间 的距离是不变的，任取一条峰值曲线就能完成本发明温度变化的标定。当外界环境的温度 发生变化以后，两个峰值相对于横轴坐标发生位移量值，非常容易确定。解决了利用反射 光波长变化测量待测温度变化时因为反射光波长是一个较宽的范围值而很难精确确定反 射光波长变化数值的问题。

附图说明

图1是按本发明方法得到的偏振相关损耗值与反射光波长曲线的对比示意图；横轴表 示波长，左边的纵轴表示偏振相关损耗值，右边的纵轴表示反射光的功率谱；图2是已有 技术利用反射光峰值曲线方法在不同温度下得到的不同反射光峰值曲线；图3是本发明方 法在不同温度下得到的不同偏振相关损耗值；图4是左右PDL峰值随温度变化曲线。下 面的是左峰值，上面的是右峰值。

具体实施方式

具体实施方式一：结合图1至图4具体说明本实施方式。本实施方式的方法包括下 述步骤：一、将入射光入射到光纤光栅后反射，所述光纤光栅为偏振相关的光栅；入射光 为覆盖光纤光栅反射谱移动最大范围的宽带平坦光源。二、得到的反射光在偏振光栅选定 的长轴和短轴方向上出现光谱差异，安置在光纤光栅反射光路中的PDL分析解调仪利用光 谱差异得到光纤光栅偏振相关损耗值，光纤光栅受被测温度的改变影响，反射峰移动，同 时引起偏振相关损耗峰值的改变；三、将PDL分析解调仪得到的偏振相关损耗值的变化， 换算成外界环境温度的变化值。所述偏振光栅选择切趾FBG。所述入射光来自宽带平坦 光源。

(1)切趾FBG反射谱线随温度的变化

图3是不同温度下的反射谱线，图2是反射谱中心波长随温度变化的测量结果。通过 图3可以看出，随着温度的升高，切趾FBG的反射谱线整体向波长增大的方向发生平移， 谱线形状未发生变化。对图3中反射谱线中心波长随温度变化的测量数据进行了线性拟合 得到图4，其中实心点为实验测量数值，直线为线性拟合曲线。拟合曲线表明谱线中心波 长的温度灵敏度为9.25pm/℃.

(2)切趾FBG反射PDL随温度的变化

切趾FBG的PDL随温度的变化情况如图3所示。从图3中可以看出各个温度下的PDL 都有类似的锐利的双峰。随着温度的升高，PDL的谱线形状变化不大，但整体向长波方向 平移。

根据反复试验可以看出，切趾光纤光栅的反射偏振相关损耗双峰出现的位置在同一情 况、同一温度下的位置具有不变性。这一可重复性为静态或准静态的温度测量提供了依据。 从图4的FBG反射中心波长和PDL双峰位置随温度的变化的比较中可以看出，PDL双峰 的位置与温度之间有比反射中心波长与温度之间更好的线性对应。另外，比较图1和2可 以看出PDL峰的可分辨度远高于反射谱的可分辨度。所以可以通过测量切趾FBG的反射 PDL来提高FBG测温的准确度，这种准确度的提高不涉及光栅的封装方式。