CN102829806A

CN102829806A - 基于相移光纤光栅的光纤传感系统

Info

Publication number: CN102829806A
Application number: CN2012103032170A
Authority: CN
Inventors: 徐团伟; 李芳�; 刘育梁
Original assignee: Institute of Semiconductors of CAS
Current assignee: Institute of Semiconductors of CAS
Priority date: 2012-08-23
Filing date: 2012-08-23
Publication date: 2012-12-19
Anticipated expiration: 2032-08-23
Also published as: CN102829806B

Abstract

本发明提供了一种基于相移光纤光栅的光纤传感系统，包括：半导体激光光源，产生具有预设波长宽度的激光；第一耦合器，用于将具有预设波长宽度的激光耦合至相移光纤光栅；并将由布拉格光纤光栅反射回来的信号激光耦合至第二耦合器；相移光纤光栅，其透射窗口随该相移光纤光栅外界物理量的变化而变化，经过该相移光纤光栅的激光被透射的部分构成比预设波长窄的信号激光；布拉格光纤光栅，用于反射信号激光，反射后的信号激光经过相移光纤光栅后传输至第一耦合器；第二耦合器，将信号激光耦合至波长解调仪；波长解调仪，由信号激光解调出相移光纤光栅的外界物理量。本发明不需要高分辨率的光谱仪或者窄线宽可调谐激光器，从而大幅度节约了成本。

Description

基于相移光纤光栅的光纤传感系统

技术领域

本发明涉及光学传感器技术领域，尤其涉及一种基于相移光纤光栅的光纤传感系统。

背景技术

光纤光栅(Fibre Bragg Grating，简称FBG)是利用光纤中的光敏性制成的，纤芯的折射率呈周期性调制，从而形成一个窄带的(透射或反射)滤波器或反射镜。当它受到外界环境温度、压力等物理量影响时，其中心波长会发生变化，因此基于光纤光栅作为传感器可用于测量外界物理量的变化。光纤光栅传感系统具有抗电磁干扰、耐腐蚀、化学性能稳定、体积小、重量轻等优点，可广泛应用于测量温度、压力、应变、加速度等，目前已广泛应用于大型结构建筑、石油勘探、地震波监测以及海洋环境监测等领域。

相移光纤光栅是一种特殊的光纤光栅。与布拉格光纤光栅相比，它的纵向折射率调制在中心处发生了相位跳变，使得光栅的透射谱存在唯一透射峰，且透射峰的线宽可小于1pm，远小于布拉格光纤光栅，因此基于无源相移光栅的传感系统具有更高的波长分辨率。1999年，美国MichelLeBlanc等人首次采用相移光栅作为传感单元，通过可调谐激光器进行波长扫描获取透射峰的波长变化，进而检测压力的变化。2008年，意大利D.Gatti和西班牙D.Janner等人利用线宽为55MHz的相移光栅，通过Pound-Drever-Hall(PDH)频率锁定的波长解调技术进行应力测量，在大于100kHz频段最小可探测应变达到5pε/√Hz。2010年，意大利Timothy T-YLam等人把相移光栅安装在悬臂梁结构中用作加速度计，同样采用PDH技术进行波长解调，最大可测量加速度达到50g以上，在10Hz以上最小可探测加速度为50μgrms/√Hz。2011年，德国Amir Rosenthal等人采用相移光栅作为超声探头，通过强度解调的方式进行测量，最小可探测压强为440Pa，有效测量带宽达到10MHz。

现有技术中已经提出了波长解调的方法，但是，现有技术的波长解调系统需要应用到高分辨率的光谱仪或者窄线宽可调谐激光器，系统成本高，推广应用难度大。

发明内容

(一)要解决的技术问题

为解决上述的一个或多个问题，本发明提供了一种基于相移光栅的光纤传感系统。

(二)技术方案

根据本发明的一个方面，提供了一种基于相移光纤光栅的光纤传感系统，包括：半导体激光光源，用于产生具有预设波长宽度的激光；第一耦合器，其b端口连接至半导体激光光源，用于具有预设波长宽度的激光耦合至相移光纤光栅；并将由布拉格光纤光栅反射回来的信号激光耦合至第二耦合器的a端口；相移光纤光栅，其前端连接至第一耦合器的a端口，其透射窗口随该相移光纤光栅外界物理量的变化而变化，经过该相移光纤光栅的激光被透射的部分构成比预设波长窄的信号激光；布拉格光纤光栅，连接至相移光纤光栅，用于反射信号激光，反射后的信号激光经过相移光纤光栅后传输至第一耦合器；第二耦合器，用于将信号激光耦合至波长解调仪；波长解调仪，其输入端与第二耦合器的c端口相连，用于对信号激光进行波长解调，获取相移光纤光栅的外界物理量。

(三)有益效果

从上述技术方案可以看出，本发明基于相移光栅的光纤传感系统具有以下有益效果：

(1)本发明不需要高分辨率的光谱仪或者窄线宽可调谐激光器，从而大幅度节约了成本；

(2)采用频率调制技术，增加半导体激光器的线宽，满足了相移光栅对光源线宽的要求，同时保证了足够的光功率，使得干涉式波长解调技术能够用于基于相移光栅的光纤解调系统，克服了其他解调技术的不足。

附图说明

图1为本发明实施例基于相移光纤光栅的光纤传感系统的结构示意图。

图2是本发明实施例基于相移光纤光栅的光纤传感系统中半导体激光器、相移光纤光栅和布拉格光纤光栅的光谱特性示意图。

【主要元件符号说明】

1-半导体激光器； 2-单向光隔离器；

3-耦合器； 4-单模光纤；

5-相移光纤光栅； 6-布拉格光纤光栅；

7-耦合器； 8-波长监测模块；

9-伺服电路； 10-波长解调仪。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。

需要说明的是，在附图或说明书描述中，相似或相同的部分都使用相同的图号。且在附图中，以简化或是方便标示。再者，附图中未绘示或描述的实现方式，为所属技术领域中普通技术人员所知的形式。另外，虽然本文可提供包含特定值的参数的示范，但应了解，参数无需确切等于相应的值，而是可在可接受的误差容限或设计约束内近似于相应的值。

请参考图1，图1是本发明提供的一种基于相移光纤光栅的光纤传感系统，该系统包括：半导体激光器1，用于在伺服电路9的正弦相位调制下，产生具有预设波长宽度的激光；单向光隔离器2，与半导体激光器1相连接，用于隔离后端反射光，以防止后端反射光对半导体激光器1的不利影响；耦合器3，其b端口连接至光隔离器2，用于将通过单向光隔离器2的具有预设波长宽度的激光耦合至相移光纤光栅5；并将由布拉格光纤光栅6反射回来的信号激光耦合至耦合器7的a端口；相移光纤光栅5，其前端连接至耦合器3的a端口，其透射窗口随外界物理量的变化而变化，经过该相移光纤光栅5的激光被透射的部分构成比所述预设波长窄的信号激光；布拉格光纤光栅6，连接至相移光纤光栅5，用于反射信号激光，反射后的信号激光经过相移光纤5和单模光纤4后传输至耦合器3；耦合器7，用于将信号激光分别耦合至波长解调仪10和波长监测模块8；波长解调仪10，其输入端与耦合器7的c端口相连，用于对信号激光进行波长解调，该波长解调仪10可采用3×3耦合器波长解调技术、相位生成载波PGC波长解调技术和有源零差波长解调技术等；波长监测模块8，其输入端口与所述耦合器7的b端口相连，用于监测相移光纤光栅的透射波长，并把该波长转化为伺服电路9的反馈信号；伺服电路9，其输入端口与所述波长监测模块8的输出端口相连，其输出端口与所述半导体激光器1相连，用于根据反馈信号进行半导体激光器1的中心波长同步调节。

在本实施例中，半导体激光器1采用相位调制的单模分布反馈DFB激光器，通过伺服电路9进行相位调制从而实现激光器线宽调节。对半导体激光器进行线宽调节的原因在于：目前商用半导体激光器的线宽在1-10MHz小于透射峰的宽度，所以当透射峰波长发生变化时，只是引起强度的变化，而无法通过波长解调技术得到波长变化的信息。普通自发辐射ASE虽然能够提供宽带光源，但由于ASE光源的功率密度太低，难以满足探测的要求，同时由于光谱宽度过大，透射峰相邻波长范围的光难以滤除，因此会引入额外的杂散光。

对于单频的半导体激光器，外加频率为v_m的正弦相位调制，当调制频率小于激光器线宽Δv_3dB的半值，即v_m≤Δv_3dB/2时，将会导致激光器线宽的展宽。通过选择合适的调制频率和调制深度可以对半导体激光器的线宽进行调节，使其线宽介于100MHz-1GHz之内，以满足覆盖相移光栅5透射峰的要求，但同时又不能超出布拉格光栅6的反射带宽。在该光纤传感系统中布拉格光纤光栅的带宽、半导体激光器的线宽、相移光纤光栅透射峰的线宽满足如下关系：布拉格光纤光栅的带宽＞半导体激光光源的线宽＞相移光纤光栅透射峰的线宽，具体如图2所示。

以下介绍本发明实施例基于相移光栅的光纤传感系统的工作过程：经相位调制的单模DFB激光器线宽约为500MHz的激光经光隔离器2、耦合器3和单模光纤4进入到相移光纤光栅5；相移光纤光栅的透射峰的宽度约为几十MHz(小于1pm)，因此经过相移光纤光栅后的信号光的线宽在几十MHz；信号光在遇到布拉格光纤光栅6后被反射并再次经过相移光纤光栅5，之后又先后经过耦合器3和7，其中一部分光进入波长监测模块7，另一部分光进入干涉式波长解调仪10。进入波长监测模块7的信号光主要是监测相移光纤光栅5的透射波长是否出现偏移，当存在偏移时，产生一个正比于波长偏移量的电压信号反馈给伺服电路9，伺服电路通过比例-积分-微分反馈控制来保证半导体激光光源的中心波长和相移光纤光栅5的透射波长相同。进入干涉式波长解调仪10的信号光则用于测量外界物理量的动态信号，采用外调制的相位生成载波解调技术，波长分辨率将达到10^-4pm/√Hz～10^-5pm/√Hz之间。

可以看出，本发明基于相移光纤光栅的光纤传感系统，其不需要高分辨率的光谱仪或者窄线宽可调谐激光器，从而大幅度节约了成本。另一方面，本发明采用频率调制技术，增加半导体激光器的线宽，满足了相移光栅对光源线宽的要求，同时保证了足够的光功率，使得干涉式波长解调技术能够用于基于相移光栅的光纤解调系统。

以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种基于相移光纤光栅的光纤传感系统，其特征在于，包括：

半导体激光光源，用于产生具有预设波长宽度的激光；

第一耦合器，其b端口连接至所述半导体激光光源，用于将所述具有预设波长宽度的激光耦合至相移光纤光栅，并将由布拉格光纤光栅反射回来的信号激光耦合至第二耦合器的a端口；

相移光纤光栅，其前端连接至所述第一耦合器的a端口，其透射窗口随该相移光纤光栅外界物理量的变化而变化，经过该相移光纤光栅的激光被透射的部分构成比所述预设波长窄的信号激光；

布拉格光纤光栅，连接至所述相移光纤光栅，用于反射信号激光，反射后的信号激光经过相移光纤光栅后传输至第一耦合器；

第二耦合器，用于将所述信号激光耦合至波长解调仪；

波长解调仪，其输入端与所述第二耦合器的c端口相连，用于对所述信号激光进行波长解调，获取所述相移光纤光栅的外界物理量。

2.根据权利要求1所述的光纤传感系统，其特征在于，所述半导体激光光源包括：

伺服电路；

半导体激光器，与所述伺服电路相连接，用于在伺服电路的正弦相位调制下，产生所述具有预设波长宽度的激光。

3.根据权利要求2所述的光纤传感系统，其特征在于，还包括：波长监测模块，其输入端口与所述第二耦合器的b端口相连，用于监测相移光纤光栅的透射波长，并把该波长转化为伺服电路的反馈信号；

所述伺服电路，其输入端口与所述波长监测模块的输出端口相连，用于根据反馈信号进行半导体激光器的中心波长同步调节。

4.根据权利要求1所述的光纤传感系统，其特征在于，所述半导体激光光源的线宽大于所述相移光纤光栅透射峰的线宽，小于所述布拉格光纤光栅的带宽。

5.根据权利要求4所述的光纤传感系统，其特征在于，所述半导体激光光源的线宽介于100MHz至1GHz之间，所述相移光纤光栅透射峰的线宽介于10MHz至100MHz之间。

6.根据权利要求5所述的光纤传感系统，其特征在于，所述半导体激光光源的中心波长为1550nm，其线宽为500MHz。

7.根据权利要求1所述的光纤传感系统，其特征在于，还包括：

单向光隔离器，设置于半导体激光光源和第一耦合器之间，用于防止后端反射光进入半导体激光器光源。

8.根据权利要求1至7中任一项所述的光纤传感系统，其特征在于，所述波长解调仪采用3×3耦合器波长解调技术、相位生成载波PGC波长解调技术或有源零差波长解调技术对信号激光进行波长解调。

9.根据权利要求1至7中任一项所述的光纤传感系统，其特征在于，所述外界物理量为温度、压力、加速度、应变和应力。