CN101871808A - 高稳定f-p光纤声传感器 - Google Patents

Abstract

一种高稳定F-P光纤声传感器，包括带尾纤输出的分布反馈单模半导体激光器和传感头，特点在于该分布反馈单模半导体激光器与偏振控制器件相连，该偏振控制器件与PC-APC的活动连接头的PC头相连，该PC-APC活动连接头的APC头与光隔离器相连，该光隔离器与光退偏器相连，该光退偏器经光纤与耦合器的第一端口相连，该耦合器的第二端口经单模光纤接所述的传感头，所述的耦合器的第三端口经光电探测器接信号处理与输出单元，所述的耦合器6的第四端口镀抗反射膜。本发明传感器具有调节方便，灵敏度高，信噪比高，抗干扰能力强，稳定性好等特点。

Description

高稳定F-P光纤声传感器

技术领域

本发明涉及光纤传感，特别是一种高稳定F-P光纤声传感器。

背景技术

光纤F-P传感器相对于电容式传感器具有灵敏度高，抗电磁干扰，安全可靠，体积小，耐腐蚀，可构成光纤传感网络等优点，因而在工业探伤，材料特性分析，声音传感，变压器局部放电的检测，液位及水压的测定等方面具有很好的应用前景。但是在此之前，有一些问题限制了它的广泛应用，光源的选用上，要求光源线宽不能太窄也不能太宽，并且要求非常稳定；由于激光具有一定线宽不可避免的会产生频率噪声，它是传感器系统噪声的主要因素，极大的影响了传感器信噪比的提高；由于光在光纤中传输时，其参量包括振幅、频率、相位、偏振等很容易受到外界环境干扰的影响，从而导致光纤传感器系统的抗干扰能力很差。

在先技术John F.Dorighi在“Stabilization of an embedded fiber opticFabry-Perot sensor for ultrasound detection”in IEEE Trans.Ultrason.Ferroelectr.Freq.Control 42，820-824(1995)里选用外腔激光器+反馈控制波长作为系统光源，然而这种方法由于外腔激光器的窄线宽很容易受外界环境干扰产生噪声，系统信噪比受外界环境干扰很大，并且该试验用到的外腔激光器会让该系统变得笨重而昂贵，没有考虑激光器光强的变化对干涉带来的影响，并且这种调谐过程中要用到示波器也使这种方法在实用化的过程中受到很大限制。

专利申请200610024955.6(蔡海文等)中，声传感器选用宽带光源+可调谐滤波器的方法获得线宽在1nm左右的光源，这种方法如果滤波器可靠，可以获得稳定的适合F-P传感头的光源，但是这种方法的缺点也是很明显的，除了对可调谐滤波器较高的性能指标要求而且可调谐滤波器一般比较昂贵外，经过宽带和可调谐滤波器后的光一般是比较弱的，这就会造成系统灵敏度的下降，信噪比也很低。

专利ZL200710046651.4(陈建永)中，声传感器采用DFB激光器+无隔离器的光反馈获得约10GHz的线宽，虽然极大的加宽了光源线宽，抑制了传感器系统的寄生F-P振荡。但同时，由于没有隔离器的光反馈量很容易随外界干扰因素影响而变化，而微量的光反馈变化都可能引起激光器状态，包括频率、相位的巨大变化，从而导致传感器的不稳定。

发明内容

本发明的目的在于克服上述在先技术的不足，提供了一种高稳定F-P光纤声传感器，该光纤传感器具有调谐方便、灵敏度高、输出信号不易受外界环境干扰等特点。

本发明的技术解决方案如下：

一种高稳定F-P光纤声传感器，包括带尾纤输出的分布反馈单模半导体激光器和传感头，特点在于该分布反馈单模半导体激光器与偏振控制器件的输入端相连，该偏振控制器件的输出端与PC-APC的活动连接头的PC头相连，该PC-APC活动连接头的APC头与光隔离器的输入端相连，该光隔离器的输出端口与光退偏器的输入端相连，该光退偏器的输出端经光纤与耦合器的第一端口相连，该耦合器的第二端口经单模光纤接所述的传感头，所述的耦合器的第三端口经光电探测器接信号处理与输出单元，所述的耦合器6的第四端口镀抗反射膜，所述的传感头包括F-P腔，该F-P腔的两腔面分别接硅膜和导光光纤，所述的硅膜、F-P腔和导光光纤接头由石英套固定，所述的导光光纤接头接所述的单模光纤，所述的传感头的F-P腔的腔长小于100mm，所述的PC-APC活动连接头的一端是PC端面镀10％反射膜，另一端是不镀膜的APC端面，所述的隔离器是-60dB隔离度的光隔离器，所述的光退偏器是一3dB耦合器的第三端口和第四端口之间通过光纤连接而成，该3dB耦合器第一端口为光退偏器输入端口并与所述光隔离器连接，该3dB耦合器第二端口为输出端口与所述耦合器第一端口连接。

所述的偏振控制器件是偏振控制器，或者一个通过可旋转的螺母来按压光纤的机械结构。

所有的连线均采用单模光纤进行连接。除上述所述PC-APC活动连接头外，其他地方一律尽量采用APC接头，以减小额外的F-P干扰。

对于DFB的反馈效应的典型过程分析可以用范德保罗方程(Van der Polequation)来描述。外部反馈和其线宽的关系可以直接用下式来表示，

$\∂f=\frac{{\∂f}_o}{{[1+\sqrt{1+{\mathrm{\α}}^2}{\mathrm{\κ\τ}}_e\cos ({\mathrm{\ω\τ}}_e+{\tan }^{-1}\mathrm{\α})]}^2}---\left(1\right)$

其中，

为没有反馈时候DFB的线宽，τ_e为外部反馈的延迟时间，α为线宽加宽因子，

$\mathrm{\κ}=\frac{1}{{\mathrm{\τ}}_s}-\frac{1-R_s}{\sqrt{R_s}}\sqrt{R_e}---\left(2\right)$

τ_s为光在激光器半导体内部传播一周的时间，R_s是激光的前端表面的功率反射率，R_e为外部能量反馈因子。

从公式1可以看出激光器线宽的加宽由因子决定，也就是由外部的能量反馈大小和反馈延迟决定，在我们的系统中，外部光反馈由镀反射膜的光纤FC/PC活动连接头提供，在不镀膜的PC端头，反射率大约4％，4％的反馈可将DFB激光器线宽加宽至0.1nm(12.5GHz)左右，激光相干长度大大减小，抗干扰能力增强。

我们还对外部反馈对激光器的输出功率的影响进行了测量，发现反馈对激光器输出功率的影响是可以忽略的。

利用偏振控制器件，可以控制DFB激光器输出激光的两个垂直偏振态的相对大小，而反馈光的两个垂直偏振态重新进入DFB激光器的工作物质会产生不同的影响，从而对激光器输出偏振特性，激光谱宽以及其他各项参数产生影响。因此，通过简单的调节偏振控制器，就可以实现对激光光谱以及偏振特性的调节，从而提高系统的抗干扰能力。

DFB激光器输出经镀10％反射膜的PC头反馈加宽，进入耦合器前接光隔离器，从而抑制背向反射光再次进入激光器，引起激光器状态不稳定。

2X2耦合器的第四端口镀抗反射膜处理，减弱第四端口的反射光，抑制与传感光纤端面反射光干涉，从而提高系统的抗干扰能力。

光的干涉条件包括同频率，固定相位，同偏振。因此，在耦合器前接光退偏器，降低激光光源的偏振度，从而破坏干涉条件，抑制了外界环境对传感器的干扰能力。

本发明的技术效果：

1、本发明采用对传感头的F-P腔的腔长小于100μm的短腔长，这样可以降低由于激光器的频率噪声导致的系统噪声，提高系统信噪比。

2、本发明在激光器输出端面采用了10％镀膜的PC连接头，反馈激光器能量，从而加宽了激光器线宽，解决了窄带半导体激光器所带来的对外界敏感的问题，提高了系统的稳定性。

3、本发明在激光器输出端和10％镀膜PC连接头之间采用了偏振控制器件，通过偏振控制器件调节反馈进入激光器的两个相互垂直偏振态，来改变激光器的状态，主动调节偏振控制器件可以使得系统达到一个最佳状态，此时系统受环境影响最小，抗干扰能力最强。

4、对耦合器第四端口进行了抗反膜处理，使得激光光源进入耦合器第四端口的光不能发射回来进入传感器，避免反射回来的光与第二端口干涉，影响系统的稳定性。

5、在耦合器前接光退偏器，减小光源的偏振度，减小光波相干性，提高系统的抗干扰能力。

附图说明

图1是本发明高稳定F-P光纤传感器的结构示意图。

图2是本发明光纤声传感器的干涉传感头的典型结构示意图。

图3是光退偏器的结构示意图。

具体实施方式

先请参阅图1，图1是本发明高稳定F-P光纤声传感器的结构示意图，也是本发明实施例的结构示意图，由图可见，本发明高稳定F-P光纤声传感器，包括带尾纤输出的分布反馈单模半导体激光器1和传感头8，该分布反馈单模半导体激光器1与偏振控制器件2的输入端相连，该偏振控制器件2的输出端与PC-APC的活动连接头3的PC头301相连，该PC-APC活动连接头3的APC头302与光隔离器4的输入端相连，该光隔离器4的输出端口与光退偏器5的输入端相连，该光退偏器5的输出端经光纤与耦合器6的第一端口601相连，该耦合器6的第二端口602经单模光纤7接所述的传感头8，所述的耦合器6的第三端口603经光电探测器9接信号处理与输出单元10，所述的耦合器6的第四端口604镀抗反射膜，所述的传感头8包括F-P腔802，该F-P腔802的两腔面分别接硅膜801和导光光纤804，所述的硅膜801、F-P腔802和导光光纤接头804由石英套803固定，所述的导光光纤接头804接所述的单模光纤7，所述的传感头8的F-P腔802的腔长小于100mm，所述的PC-APC活动连接头3的一端301是PC端面镀10％反射膜，另一端302是不镀膜的APC端面，所述的隔离器4是-60dB隔离度的光隔离器，所述的光退偏器5是一3dB耦合器50的第三端口503和第四端口504之间通过光纤505连接而成，该3dB耦合器50第一端口为光退偏器5输入端口501并与所述光隔离器4连接，该3dB耦合器50第二端口502为输出端口与所述耦合器6第一端口601连接。

所述的偏振控制器件2可以是偏振控制器，或者一个通过可旋转的螺母来按压光纤的机械结构。

在本实施例中一分布反馈单模半导体激光器(DFB)的中心波长在1550nm，激光器线宽2.7MHz。

所述的耦合器6为2×2的3dB耦合器。

所述的光电探测器9选为1550nm附近的光电探测器。

所有的连线都采用单模光纤进行连接，除上述所述PC-APC活动连接头外，其他地方一律尽量采用APC接头，以减小额外的F-P干扰。

本实施例的工作情况如下：

光从分布反馈单模半导体激光器1出发，经过偏振控制器件2，到达PC-APC活动连接头3的镀膜的PC反射端面301，于是一部分光经由PC端面301反溃回分布反馈单模半导体激光器1，从而改变分布反馈单模半导体激光器1特性，通过调节偏振控制器件2，可以调节反馈回分布反馈单模半导体激光器1的两垂直偏振的光的大小，进而控制分布反馈单模半导体激光器1从APC端面302出射光的光谱以及偏振特性，通过选择适当的PC反射端面301的反射率和偏振控制器件2的状态，可以使得分布反馈单模半导体激光器1光谱极大展宽，实验表明可以取得1000倍以上的光谱线宽展宽，展宽后的分布反馈单模半导体激光器相干长度大大减小，从而抑制外界干扰对系统的影响。APC端面302接光隔离器4，光隔离器4输出接光退偏器5，光退偏器5输出接耦合器6第一端口601，光隔离器4的作用是分布反馈单模半导体激光器1出来的光只能经过隔离器4输出，而隔离器4后面的光不能反向进入分布反馈单模半导体激光器1，这样可以防止隔离器4后光路的干扰以及反射点对分布反馈单模半导体激光器1反馈光量的改变，稳定了分布反馈单模半导体激光器1的反馈量，从而使传感器系统具有较高的稳定性。光退偏器5对具有一定偏振度的光源1进行退偏，降低分布反馈单模半导体激光器偏振度，从而破坏干涉的同偏振条件，使得在光纤链路上的干涉大大减小，抑制了光纤链路干扰对系统稳定性的影响。而传感头8因为F-P腔802长度很短，远小于光波相干长度，不同偏振方向的光波各自发生干涉，其传感灵敏度不会受到大的影响。从第二端口602输出经单模光纤7进入传感头8，传感头8由硅膜801、F-P腔802、石英套803和导光光纤804构成，F-P腔802长度小于100μm，这是为了减小频率噪声对传感器系统噪声的影响。当光束进入传感头8时候，在导光光纤804的端面有一部分反射，一部分进入F-P腔802后被硅膜801反射，这两部分在导光光纤804的端面处产生干涉，属于低精细度的干涉结果，由于分布反馈单模半导体激光器1经过偏振控制器件2和PC-APC端面3的PC端面301反射后线宽加宽，因此只需要考虑一次反射的干涉结果。硅膜801与导光光纤端面804的端面形成一个F-P腔802。外界振动使硅膜801产生受迫振动，进而改变F-P腔802的腔长，这样在导光光纤端面804的干涉条纹将会对光的强度进行调制，被调制的信号光经过单模光纤7从耦合器6的第二端口602输入，由耦合器6的第三端口603输出，从第三端口603输出的信号光被探测器9探测，转换为电信号，称为信号光电信号，该信号光电信号进入信号处理与输出电路10，输出信号可以接示波器观察或者直接接耳机转换为声音信号。第四端口604进行抗反射处理，以防止反射光与第二端口602反射回来的光干涉，对系统产生较大的干扰。

本发明很重要的一点，就是可以通过调节偏振控制器件2，控制分布反馈单模半导体激光器两个垂直偏振态的相互关系，再结合后面PC-APC活动连接头3的PC反射端面301，从而控制分布反馈单模半导体激光器的状态，而分布反馈单模半导体激光器的状态的好坏直接决定了系统由于光干涉产生的干扰。因此，我们可以直观而方便的通过调节偏振控制器件2来使得系统的抗干扰能力大大增强，提高系统稳定性。

信号处理输出单元10可根据需要有信号前置放大，滤波，后级放大后接到示波器上或者显示系统上，或者前置放大后由数据采集卡连接到电脑上，以对信号进行处理，以得到探测信号的诸如频率，强度，声速，方位等物理量。

实验表明，本发明传感器具有调节方便，灵敏度高，信噪比高，抗干扰能力强，稳定性好等特点。

Claims (2)

1.一种高稳定F-P光纤声传感器，包括带尾纤输出的分布反馈单模半导体激光器(1)和传感头(8)，特征在于该分布反馈单模半导体激光器(1)与偏振控制器件(2)的输入端相连，该偏振控制器件(2)的输出端与PC-APC的活动连接头(3)的PC头(301)相连，该PC-APC活动连接头(3)的APC头(302)与光隔离器(4)的输入端相连，该光隔离器(4)的输出端口与光退偏器(5)的输入端相连，该光退偏器(5)的输出端经光纤与耦合器(6)的第一端口(601)相连，该耦合器(6)的第二端口(602)经单模光纤(7)接所述的传感头(8)，所述的耦合器(6)的第三端口(603)经光电探测器(9)接信号处理与输出单元(10)，所述的耦合器6的第四端口(604)镀抗反射膜，所述的传感头(8)包括F-P腔(802)，该F-P腔(802)的两腔面分别接硅膜(801)和导光光纤(804)，所述的硅膜(801)、F-P腔(802)和导光光纤接头(804)由石英套(803)固定，所述的导光光纤接头(804)接所述的单模光纤(7)，所述的传感头(8)的F-P腔(802)的腔长小于100mm，所述的PC-APC活动连接头(3)的一端(301)是PC端面镀10％反射膜，另一端(302)是不镀膜的APC端面，所述的隔离器(4)是-60dB隔离度的光隔离器，所述的光退偏器(5)是一3dB耦合器(50)的第三端口(503)和第四端口(504)之间通过光纤(505)连接而成，该3dB耦合器(50)第一端口为光退偏器(5)输入端口(501)并与所述光隔离器(4)连接，该3dB耦合器(50)第二端口(502)为输出端口与所述耦合器(6)第一端口(601)连接。

2.根据权利要求1所述的高稳定F-P光纤声传感器，其特征在于所述的偏振控制器件(2)是偏振控制器，或者一个通过可旋转的螺母来按压光纤的机械结构。

Images