CN101364025A - 一种数字式高速波长解调器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种数字式高速波长解调器，属于光纤传感领域。宽带光源(1)的输出端与环形器(2)的端口(2a)连接，环形器的端口(2b)连接光纤光栅(3)传感器，环形器(2)的端口(2c)与光电调制器(4)的一端连接，光电调制器(4)的另一端经过光纤环路控制器(5)与数字光接收机(6)连接，数字光接收机(6)进行波长识别。本发明具有结构简单、输出稳定、没有使用任何机械调节的部件等优点，所以成本低、测量速度快，能适应各种工程环境。克服了目前光纤光栅传感信号的波长解调装置依赖进口而且价格昂贵的问题，在光纤光栅传感方面具有广泛的应用前景。
Description
技术领域
本发明涉及一种数字式高速波长解调器，属于光纤通信系统和光纤传感技术领域。
背景技术
光纤光栅传感器是一类新型光纤传感技术，除了具有普通光纤传感器的许多优点外，还有一些明显优于其它光纤传感器的地方，其中最重要的就是光纤光栅传感器的传感信号为波长调制，这一传感机制的好处在于：(1)测量信号不受光源起伏、光纤弯曲损耗、连接损耗和探测器老化等因素的影响；(2)避免了一般干涉型传感器中相位测量的不清晰和对固有参考点的需要；(3)能方便的使用波分复用技术在一根光纤中串接多个布喇格光栅进行分布式测量。另外，光纤光栅很容易埋入材料中对其内部的应变和温度进行高分辨率和大范围地测量，光纤光栅传感器被认为是实现“光纤灵巧结构”的理想器件。光纤光栅传感器在民用工程结构、航空航天业、船舶航运业、石油化工业、电力工业、核工业、医学等方面取得了广泛应用。
光纤光栅(FBG)传感器及其系统的研究开发也受到了中国各级政府和研究、应用单位的重视，国家自然科学基金委、国家其他部委和地方政府都对FBG传感技术的研究提供了资助，旨在促进其发展。在此基础上，国内许多单位开展了FBG传感技术的研究，包括电流、电压、振动、应力、温度等传感器。光纤光栅传感技术经过十多年的研究和开发，已得到快速的发展，但工程化和产业化才刚刚开始，由于FBG传感器的关键技术和关键器件的应用问题和批量生产问题还没有得到很好地解决，限制了FBG传感器的大量应用。光纤光栅传感系统主要包括传感用光纤光栅、传感专用器件和光纤光栅传感信号解调装置三大部分，其中光纤光栅传感信号解调装置是最昂贵的部分，如美国Luna公司的波长解调器价格为十多万美元。Micron Optics公司的波长解调器需要几十万人民币。另外，许多实际的工程应用，需要实时监控，采样频率要求很高，而现在商用调解器扫描频率有限，如Micron Optics公司的型号为FBFSLI的波长调解器扫描频率只有100Hz，这也限制了FBG传感器的应用。目前掌握着FBG传感器的关键技术与关键器件的只有美国等少数几家公司能生产，价格非常昂贵，并且国外公司在技术上严格保密。
发明内容
光纤光栅传感器要想达到1℃和10uε的精度，需要达到波长的测试精度为0.01nm。因此，对测试精度的要求较高。而且，需要在一个很宽的范围内对多个信道的波长进行检测，测试时间受到一定的限制。只有美国等少数几家公司掌握着这种高速、精确的波长测试的关键技术。为了克服现有的技术不足，本发明提供一种数字式高速波长解调器，即波长检测器。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：
一种数字式高速波长解调器，即波长检测器，构成该高速波长解调器的器件的连接：
宽带光源的输出端与环形器的一端口连接，环形器的另一个端口与光纤光栅连接，环形器的第三端口与光电调制器的一端连接，光电调制器的另一端经过光纤环路控制器与数字光接收机连接，数字光接收机进行波长识别。
光纤环路控制器，由光纤和光开关组成，使光在光纤环路控制器中循环，提供需要的色散量，总色散量满足条件z＝n·D·L，其中，D是光纤的色散，L是光纤环路控制器中使用光纤的长度，n是由光开关控制的光在光纤中循环的次数。
光电调制器是高速相位调制器，主要是使直流光变成窄脉冲。
数字光接收机，对光脉冲进行光电变换，然后进行判决，其时钟频率高于或者等于光电调制器；一串与光纤光栅的波长相对应的“0”“1”码，从中读出光纤光栅的波长信息。
光纤环路控制器由两个1×2光开关与一段光纤(9)共同组成。
本发明和已有技术相比所具有的有效效果：
2007年文献“Novel Dispersion Compensating Module based Interrogatorfor Fiber Bragg Grating Sensors”(ECOC2007)曾经提出利用光纤色散来使不同波长的光在时域上扩展，利用示波器来进行检测。但是，一方面，光纤色散量有限，只有几十公里光纤色散量太小，无法使光在时域内有效展宽；另一方面，由于色散展宽较小，需要使用很高频的示波器(分辨率2ps)，这种高频设备非常昂贵。而且，示波器只适合在实验室中使用，又不能实现实时检测。
本发明采用环路控制器增加色散，使脉冲扩散到可以使用普通光通信接收机能够达到的速度，这样就使检测设备的成本和制作难度大幅度降低。
此外，由于该系统没有使用任何机械调节的部件，所以测量速度很快，测量速度仅仅取决于光纤光栅的总带宽和环路控制器中光纤的长度。一般来说，测量速度应该在微秒量级，远远好于现有技术。其测试精度取决于接收机的测试速度和环路控制器中光纤的总长度。由于我们关心的是光的波长，对波形则没有太多要求，因此，不需要进行模数转化和信号处理，光信号经过光电探测器之后直接进行判决，而采用通信系统中最为常用的接收机，因此，可以大大降低处理电路的难度和成本，减小系统开发的难度。
本专利提出的一种基于数字光纤通信系统的数字式高速波长解调器，主要由宽带光源、光调制器、光开关、光纤和光接收机等器件组成。具有结构简单、输出稳定、没有机械部件等特点，能够应用于光纤光栅长距离传感系统中。有望改变目前光波长解调设备依赖进口的问题，在光纤传感方面具有广泛的应用前景。
附图说明
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
图1是一种基于数字光纤通信系统的数字式高速波长解调器的原理示意图；
图2是环路控制器的原理示意图。
具体实施方式
一种数字式高速波长解调器，即波长检测器，构成该解调器的器件之间的连接为：
宽带光源1的输出端与环形器2的端口2a连接，环形器的端口2b连接光纤光栅3，环形器2的端口2c与光电调制器4的一端连接，光电调制器4的另一端经过光纤环路控制器5与数字光接收机6连接，数字光接收机6进行波长识别。
光纤环路控制器5，由光纤和光开关组成，使光在光纤环路控制器5中循环，提供需要的色散量，总色散量满足条件z＝n·D·L，其中，D是光纤的色散，L是光纤环路控制器5中使用光纤的长度，n是由光开关控制的光在光纤中循环的次数。
光电调制器4是高速相位调制器，主要是使直流光变成窄脉冲。
数字光接收机6，对光脉冲进行光电变换，然后进行判决，其时钟频率高于或者等于光电调制器4；一串与光纤光栅的波长相对应的“0”“1”码，从中读出光纤光栅的波长信息。
光纤环路控制器5由两个1×2光开关7和8与一段光纤9共同组成，每个光开关有三个端口a，b，c，通过控制光开关，端口a分别能与端口b或者端口c相连通
对光纤光栅传感器的波长检测过程如下：
1.宽带光源1输出的直流光通过环形器2输入到波长为λ1λ2......λnλn+1λn+2......λN的光纤光栅3中，则反射回来的光波长为；λ1λn+1......，λ2λn+2...，......，λn...λN；
2.把返回的光通过10Gb/s的光电调制器4，产生周期为100ps，脉冲宽度小于100ps的光脉冲；
3.将此脉冲通过光纤环路控制器5，比如使用10公里的光纤，用光纤环路控制器5使光脉冲反复经过60次，也就是相当于经过600公里光纤，如果按每公里色散17ps/km/nm计算，那么0.01nm的波长差产生的色散为0.01×17×600＝102ps，普通商用的10Gb/s的数字光接收机6的速率就是100ps，因此，就使用10Gb/s的数字光接收机6实现0.01nm的波长解调；
4.用数字光接收机6对光脉冲进行检测、判决，就可以得到代表波长的“0”、“1”序列，由于色散对光脉冲本身也有展宽作用，因此，有光的波长会出现一串连“1”，其间会出现连“0”，这样，只需要对连“1”之间的“0”进行计数，就能够知道各个光纤光栅之间的波长间隔。
5.在系统中引入一个固定波长的光纤光栅或是激光器作为基准波长，把其它的波长用它来校准，就得到所需要的所有光纤光栅的波长信息了。至此，利用10Gb/s的数字光接收机6，成功地对光纤光栅的波长进行了检测速度为微秒量级、检测精度为0.01nm的波长解调。这样就保证了光纤光栅传感器能够达到1℃和10uε的精度。
Claims (5)
1.一种数字式高速波长解调器，其特征是：宽带光源(1)的输出端与环形器(2)的端口(2a)连接，环形器的端口(2b)连接光纤光栅(3)，环形器(2)的端口(2c)与光电调制器(4)的一端连接，光电调制器(4)的另一端经过光纤环路控制器(5)与数字光接收机(6)连接，数字光接收机(6)进行波长识别。
2.根据权利要求1所述的一种数字式高速波长解调器，其特征是：光纤环路控制器(5)，由光纤和光开关组成，使光在光纤环路控制器(5)中循环，提供需要的色散量，总色散量满足条件z＝n·D·L，其中，D是光纤的色散，L是光纤环路控制器(5)中使用光纤的长度，n是由光开关控制的光在光纤中循环的次数。
3.根据权利要求1所述的一种数字式高速波长解调器，其特征是：光电调制器(4)是高速相位调制器，主要是使直流光变成窄脉冲。
4.根据权利要求1所述的一种数字式高速波长解调器，其特征是：数字光接收机(6)，对光脉冲进行光电变换，然后进行判决，其时钟频率高于或者等于光电调制器(4)；一串与光纤光栅的波长相对应的“0”“1”码，从中读出光纤光栅的波长信息。
5.根据权利要求1所述的一种数字式高速波长解调器，其特征是：光纤环路控制器(5)由两个1×2光开关(7)和(8)与一段光纤(9)共同组成，每个光开关有三个端口(a，b，c)，通过控制光开关，端口(a)分别能与端口(b)或者端口(c)相连通。
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