CN102494874B - 一种可调激光型光纤光栅波长解调装置 - Google Patents
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Abstract
一种可调激光型光纤光栅波长解调装置，它包括微处理器模块和与之电联接的采样及模数转换电路和激光器电流驱动电路，采样及模数转换电路与光电探测电路电联接，激光器电流驱动电路与激光器电联接，其特征是所述激光器为VCSEL激光器；所述采样及模数转换电路包括第一采样及模数转换电路；所述光电探测电路包括第一光电探测电路；所述激光器发出的光经过第一光纤耦合器到达被测光纤光栅，从被测光纤光栅返回的光进入第一光电探测电路。它通过使用宽范围波长可调谐VCSEL激光器对光纤光栅的反射波长进行扫描，经过光电探测、数字处理，得到光纤光栅的波长，结合光学参考气室波长参考，使得解调精度好，范围宽，系统更稳定，满足光纤光栅的解调需求。
Description
技术领域
本发明属于光电检测技术领域，能够实现对光纤光栅中心波长的精确、稳定、快速、大范围的检测，可以应用于光纤光栅传感器应用的各种场合。
背景技术
1978年科研人员首次发现掺锗石英光纤紫外光敏特性——光诱导产生布拉格光栅效应。光纤光栅传感器是利用布拉格光纤光栅的波长对温度、应力参量的敏感特性而制成的一种新型光纤传感器。与传统的光纤传感器相比，光纤光栅传感器将被测信息转化为共振波长的移动，即采用波长调制方式，同时还可方便地将多只光栅复用，这是其它传感器件无法比拟的。光纤光栅传感器的出现给光纤传感领域带来了新的生机，这种传感器适用于特殊结构的传感网络，如:水坝寿命监测、桥梁缺陷检测、大型运输载体的复合材料等等。现在，用于信息摄取的光纤光栅传感器及光纤光栅传感网络已成为研究热点。光纤光栅的工作原理如附图2所示，光纤光栅是一种反射式光纤滤波器件，通常采用紫外线干涉条纹照射一段10mm长的裸光纤，在纤芯产生折射率周期调制，光波导内传播的前向导模会与后向反射模式进行耦合，形成布拉格反射。对于特定的空间折射率调制周期（Λ）和纤芯有效折射率（neff），布拉格波长为：
λB＝2 n eff Λ （1）
由式(1)可以看出：n eff与Λ的改变均会引起反射光波长的改变。因此，通过一定的封装设计，使外界温度、应力的变化导致n eff与Λ发生改变，即可使FBG达到对其敏感的目的。光纤光栅在温度、应变检测上的应用正是基于这一原理。光纤光栅波长与温度的关系如附图3所示。
在光纤光栅传感技术的不断发展中，出现了多种波长解调技术。一般都是基于宽带光源及光谱仪进行波长解调。这些方法存在的问题是：价格昂贵，不适合大规模推广应用；系统功耗较大，不适合便携式应用；精度和速度也不能满足要求。因此，开发一种精确、稳定、快速、大范围的光纤光栅波长解调装置成为一项重要需求。
发明内容
本发明针对现有方法的不足，提出了一种基于VCSEL型可调激光器的光纤光栅波长解调装置，能够实现对光纤光栅中心波长的精确、稳定、快速、大范围的检测，系统结构简单，功耗小，成本低。
本发明构造了一种新型的可调激光型光纤光栅波长解调装置，系统采用以VCSEL激光器为光源对光纤光栅传感器波长进行解调。由于VCSEL激光器的高速，波长扫描范围宽，功耗低的特性，本发明的大大提高了光纤光栅解调系统的解调速度，增加了解调范围，降低了系统功耗，装置采用了稳定的光学参考气室也提高了系统的解调精度和系统的稳定性。
本发明的技术实施方案如下：一种可调激光型光纤光栅波长解调装置，它包括微处理器模块和与之电联接的采样及模数转换电路和激光器电流驱动电路，采样及模数转换电路与光电探测电路电联接，激光器电流驱动电路与激光器电联接，其特征是所述激光器为VCSEL激光器；所述采样及模数转换电路包括第一采样及模数转换电路；所述光电探测电路包括第一光电探测电路；
所述激光器发出的光经过第一光纤耦合器到达被测光纤光栅，从被测光纤光栅返回的光进入第一光电探测电路。
本方案的具体特点还有，在激光器和微处理器模块之间设置有温度控制电路。所述温度控制电路为MAX1978。
所述采样及模数转换电路还包括第二和第三采样及模数转换电路；所述光电探测电路包括第二和第三光电探测电路；在第一光纤耦合器和激光器之间设置有第一光分路器，与第一光分路器上一个出射端连接的是第二光分路器，第二光分路器两路出射光分别射入第二光电探测器和光纤参考气室，从光纤参考气室射出的光射入第三光电探测器，所述第二光电探测器和第三光电探测器分别与第二采样及模拟数字转换电路和第三采样及模拟数字转换电路电联接。
光纤参考气室内充填有乙炔气体或其它被解调光纤光栅波长范围内有吸收线的气体，如氰化氢、氨气等气体。
与微处理器模块连接的还有液晶显示模块和键盘电路模块。
所述微处理器模块为MSP430F1161。
所述激光器驱动电路为ADN8810专用驱动芯片。
所述第一光分路器为1×N分路器，来串接1个或多个传感器。
VCSEL全名为垂直共振腔表面放射激光器，VCSEL光源可调范围宽达几个nm，远远大于现有的传统LD光源，且发光的效率高。另外VCSEL所需的驱动电压和电流很小，使得寿命有千万小时以上，为其他光源的100倍以上。因此采用VCSEL激光器作为光源来进行光纤光栅解调是一种非常理想方案。所用的VCSEL激光器是单模光纤耦合输出，VCSEL激光器模块具有热电制冷器，波长可以是850nm波段、1310nm波段以及1550nm波段，还可以是L波段。相应解调的光纤光栅的波长也在850nm波段、1310nm波段以及1550nm波段，还可以是L波段。所述VCSEL激光器可以通过电流和温度对其波长进行控制。对于光纤光栅波长变化小的范围，我们可以只使用电流进行调谐。对其它情况也可以采用电流和温度同时进行激光器波长控制。对VCSEL激光器，输出波长随电流变化比随温度变化更为敏感。在使用电流控制激光器波长时，激光器输出功率随电流的变化而变化。
在使用电流调谐电路进行调谐时，输出光的功率随电流的变化而变化，以VCSEL激光器的一路输出作为参考，通过光纤光栅反射光的功率与VCSEL激光器参考光功率的比值作为规一化光功率，通过规一化功率来分析，计算光纤光栅传感器的光谱和波长值。
采用了稳定的光学参考气室也提高了系统的解调精度和系统的稳定性，从激光器分出一路光，通过一个光纤参考气室，气室内充填乙炔气体或其它被解调光纤光栅波长范围内有吸收线的气体，如氰化氢、氨气等气体，利用气体的吸收谱对激光器波长进行校准，从而保证解调波长的稳定性和精度。
所述光纤参考气室是一种密封光纤参考气室，它包括一段截取的空芯光子晶体光纤，充入气体后，利用普通实芯光纤通过光纤熔接的方法将空芯光子晶体光纤两端密封。所述空芯光子晶体光纤采用NKT光子公司的HC-1550-02型空芯波导光子光纤。普通实心光纤与空芯光子晶体光纤的熔接点外表设置热缩管。在密封光纤参考气室外部套装金属管，将两端热缩管与金属管内壁粘接，进行保护。所述普通实芯光纤，位于输入光一端的是普通单模光纤，另一端作为接收端采用普通多模光纤。所述普通单模光纤为通讯行业用普通单模光纤，其芯径为9微米，包层直径为125微米。所述多模光纤为通讯行业用普通单模光纤，其芯径为50微米，包层直径为125微米。熔接时普通光纤熔接机的熔接模式设置为手动模式，熔接参数分别为：预熔电流1.5毫安，预熔时间7毫秒，熔接电流2毫安，熔接时间0.6秒，推进速度1毫秒，熔接推进10微米。所述普通光纤熔接机为南京吉隆光纤通信股份有限公司生产的KL-280型光纤熔接机。空芯光子晶体光纤又被称为微结构光纤，近年来引起广泛关注，它的横截面上有较复杂的折射率分布，通常含有不同排列形式的气孔，这些气孔的尺度与光波波长大致在同一量级且贯穿器件的整个长度，光波可以被限制在光纤芯区传播。其内部特殊的气孔结构使得光与气体可以在光纤内直接相互作用，且光子晶体光纤的损耗较低，使有效吸收光程大大增加，提高了系统的灵敏度。相对于传统采用准直透镜的光学气室，具有更低的损耗。根据要测量的不同浓度的气体，截取一段空芯光子晶体光纤，将气体充入光纤后，采用普通电弧光纤熔接的方法，利用普通实芯光纤将两端密封。
所用的微处理器模块由单片机最小系统及外围电路组成。
本发明通过使用宽范围波长可调谐VCSEL激光器对光纤光栅的反射波长进行扫描，经过光电探测、数字处理，得到光纤光栅的波长，结合光学参考气室波长参考，使得解调精度好，范围宽，系统更稳定，满足光纤光栅的解调需求。本发明采用可调谐VCSEL激光器，相对于其它解调方法功耗更低，结构简单容易实现，具有明显的成本优势。
所述的VCSEL激光器可以通过电流和温度对其波长进行控制。对于光纤光栅波长变化小的范围，我们可以只使用电流进行调谐。对其它情况也可以采用电流和温度同时进行激光器波长控制。对VCSEL激光器，输出波长随电流变化比随温度变化更为敏感。在使用电流控制激光器波长时，激光器输出功率随电流的变化而变化。在激光器的输出光通过分路器后，将其中任一路光作为参考光，这一路不再连接光纤光栅，直接连接光电探测器得到一路参考电压值，反映的是光源光功率的波动；其中一路光通过一个光纤耦合器连接光纤光栅，然后将光纤耦合器连接光电探测器得到另一路测量电压值，反映的是光纤光栅反射光光功率的变化。通过电流扫描激光器波长，得到一系列测量电压值与参考电压值，将这两路电压值进行相比，就可得到光纤光栅的反射光谱，找出反射光谱的峰值，再利用电流与激光波长的对应关系，即可得到光纤光栅的波长。再从激光器再分出一路光，通过一个光纤参考气室，气室内充填乙炔气体或其它被解调光纤光栅波长范围内有吸收线的气体如氰化氢、氨气等气体，利用气体的吸收谱对激光器波长进行校准，从而进一步保证了解调波长值的精度。本发明的有益效果可以从以上说明得出：
1）采用VCSEL激光器，使得所测光纤光栅的解调范围更宽，所组成系统产生的功耗更低，结构简单，成本低。
2）采用光纤参考气室作为波长基准对激光器波长进行校准，使得解调光纤光栅的波长更精确。
3）基于本发明设计的系统解调速度更高，可以满足光纤光栅的静态和动态解调要求。
附图说明
现结合附图对本发明做进一步的说明。图1 单通道光纤光栅传感器波长检测系统框图；图2 光纤光栅传感器工作原理；图3光纤光栅中心波长与温度的关系；图4 VCSEL激光器的温度与波长关系示意图；图5 VCSEL激光器的驱动电流与波长关系示意图；图6 VCSEL激光器的驱动电流与输出光功率的关系示意图；图7 激光器扫描光纤光栅反射光谱图；图8 乙炔气体的吸收谱；图9是光纤参考气室结构示意图。图中：1-温度控制电路；2-VCSEL激光器；3-激光器电流驱动电路；4-第一光纤耦合器；5-被测光纤光栅；6-第一光电探测电路；7-第一采样及模拟数字转换电路；8-微处理器模块；9-液晶显示模块；10-键盘电路模块；12-光纤参考气室；13-第一光分路器；14-第二光分路器；26-第二光电探测电路；27-第二采样及模拟数字转换电路；36-第三光电探测器；37-第三采样及模拟数字转换电路。121-普通单模光纤；122-空芯光子晶体光纤；123-普通多模光纤；124-热缩管；125-粘接胶水；126-金属管。
具体实施方式
如图1所示：一种可调激光型光纤光栅波长解调装置，它包括微处理器模块8和与之电联接的采样及模数转换电路和激光器电流驱动电路3，采样及模数转换电路与光电探测电路电联接，激光器电流驱动电路3与激光器电联接，所述激光器为VCSEL激光器2；所述采样及模数转换电路包括第一采样及模数转换电路7；所述光电探测电路包括第一光电探测电路6；所述激光器发出的光经过第一光纤耦合器4到达被测光纤光栅5，从被测光纤光栅5返回的光进入第一光电探测电路6。在激光器和微处理器模块8之间设置有温度控制电路1。所述温度控制电路1为MAX1978。所述采样及模数转换电路还包括第二采样及模数转换电路27和第三采样及模数转换电路37；所述光电探测电路包括第二光电探测电路26和第三光电探测器36；在第一光纤耦合器4和激光器之间设置有第一光分路器13，与第一光分路器13上一个出射端连接的是第二光分路器14，第二光分路器14两路出射光分别射入第二光电探测器26和光纤参考气室12，从光纤参考气室12射出的光射入第三光电探测器36，所述第二光电探测器26和第三光电探测器36分别与第二采样及模拟数字转换电路27和第三采样及模拟数字转换电路37电联接。光纤参考气室12内充填有乙炔气体或其它被解调光纤光栅波长范围内有吸收线的气体如氰化氢、氨气等气体。与微处理器模块8连接的还有液晶显示模块9和键盘电路模块10。所述激光器电流驱动电路3为ADN8810专用驱动芯片。
所述第一光分路器13为1×N分路器，来串接1个或多个传感器。
通过微处理器模块控制8设定温度控制电路1使其控制VCSEL激光器2的热电制冷器恒定在一个固定温度下，然后通过微处理器模块8发出锯齿波信号控制激光器电流驱动电路3产生锯齿电流注入VCSEL激光器2，使其发光，发出光的波长在一定范围内变化。VCSEL激光器2发出的光通过第一光分路器13分成两路，一路输出经过第一光纤耦合器4到被测光纤光栅5，被测光纤光栅5将激光器的光反射通过第一光纤耦合器4到达第一光电探测电路6，作为探测信号；第一光分路器13一路再经过第二光分路器14分为两路，其中一路作为参考信号，输入到第二光电探测电路26，另一路经过光纤参考气室12输入到第三光电探测电路36；微处理器模块8控制采样及模拟数字转换电路将三路光电探测电路测量的电压信号采集后，经过归一化处理计算得出所测光纤光栅的光谱，找出反射光谱的峰值，再利用电流与激光波长的对应关系，即可得到光纤光栅的波长。
图3显示了将光纤光栅置入不同温度下，测得的光纤光栅的波长岁和温度变化的线性关系，说明光纤光栅可以作为一种温度传感器件。
图4显示了将利用激光器电流驱动电路3将激光器电流控制在8mA，然后用温度控制电路1设置不同温度，得到在不同温度下VCSEL激光器2的输出波长，显示了VCSEL激光器2输出波长可以通过温度调谐。
图5显示了将利用温度控制电路1将激光器温度控制在30摄氏度，然后用激光器电流驱动电路3设置不同电流，得到在不同电流下VCSEL激光器2的输出波长，显示了VCSEL激光器2输出波长可以通过注入电流调谐，电流调谐波长范围可以达到5纳米，决定了解调的光纤光栅波长范围达到5纳米。
图6显示了将利用温度控制电路1将激光器温度控制在30摄氏度，然后用激光器电流驱动电路3设置不同电流，得到在不同电流下VCSEL激光器2的输出功率，显示了VCSEL激光器2输出功率随注入电流线性变化。
图7显示电流扫描的参考信号和测量信号的电压曲线。同时得到乙炔气体的吸收峰，根据HITRAN数据库，可以得到乙炔吸收峰的确切位置如图8，用这个吸收峰位置来对激光器的波长进行校准，使解调的光纤光栅波长更精确，参考气室吸收峰波长精度为0.1皮米。微处理器模块8还可以通过键盘模块10进行参数输入，通过液晶显示模块9进行参数和状态输出显示。虚线11内的部分可以进行复制，以便满足更多光纤光栅要求。
图1显示的VCSEL激光器2是单模光纤耦合输出，VCSEL激光器模块具有热电制冷器，波长可以是850nm波段、1310nm波段以及1550nm波段，还可以是L波段。相应解调的光纤光栅5的波长也在850nm波段、1310nm波段以及1550nm波段，还可以是L波段。
所述温度控制电路1负责对激光器的温度进行控制，采用专用控制芯片（如MAX1978）将激光器温度固定在某一温度值，温度控制稳定度为0.001摄氏度，决定了激光器的输出波长稳定度为0.1皮米，解调的光纤光栅的波长稳定度也可以达到为0.1皮米。
所述微处理器模块8采用低功耗的单片机（如MSP430F1161），包括了能使单片机运行的最小系统和外围电路。
如图9所示将气体充入空芯光子晶体光纤122中，然后用普通光纤熔接机将普通单模光纤121与空芯光子晶体光纤122一端熔接，熔接点用热缩管124保护；用普通光纤熔接机将普通多模光纤123与空芯光子晶体光纤122另一端熔接，熔接点用热缩管124保护。将熔接好的光纤放置于金属管126中，热缩管124用粘接胶水125固定于金属管内壁。然后将金属管126两端口和光纤用粘接胶水125密封固定。
Claims (7)
1.一种可调激光型光纤光栅波长解调装置，它包括微处理器模块和与之电联接的采样及模数转换电路和激光器电流驱动电路，采样及模数转换电路与光电探测电路电联接，激光器电流驱动电路与激光器电联接，其特征是所述激光器为VCSEL激光器；所述采样及模数转换电路包括第一采样及模数转换电路；所述光电探测电路包括第一光电探测电路；
所述激光器发出的光经过第一光纤耦合器到达被测光纤光栅，从被测光纤光栅返回的光进入第一光电探测电路；
所述采样及模数转换电路还包括第二和第三采样及模数转换电路；所述光电探测电路包括第二和第三光电探测电路；在第一光纤耦合器和激光器之间设置有第一光分路器，与第一光分路器上一个出射端连接的是第二光分路器，第二光分路器两路出射光分别射入第二光电探测器和光纤参考气室，从光纤参考气室射出的光射入第三光电探测器，所述第二光电探测器和第三光电探测器分别与第二采样及模拟数字转换电路和第三采样及模拟数字转换电路电联接；光纤参考气室内充填有乙炔气体或者氰化氢或者氨气；
所述光纤参考气室为一种密封光纤参考气室，它包括一段截取的空芯光子晶体光纤，充入气体后，利用普通实芯光纤通过光纤熔接的方法将空芯光子晶体光纤两端密封。
2.根据权利要求1所述的可调激光型光纤光栅波长解调装置，其特征是在激光器和微处理器模块之间设置有温度控制电路。
3.根据权利要求2所述的可调激光型光纤光栅波长解调装置，其特征是所述温度控制电路为MAX1978。
4.根据权利要求1所述的可调激光型光纤光栅波长解调装置，其特征是所述第一光分路器为1×N分路器。
5.根据权利要求1所述的可调激光型光纤光栅波长解调装置，其特征是所述空芯光子晶体光纤采用NKT光子公司的HC-1550-02型空芯波导光子光纤；普通实心光纤与空芯光子晶体光纤的熔接点外表设置热缩管；在密封光纤参考气室外部套装金属管，将两端热缩管与金属管内壁粘接。
6.根据权利要求1所述的可调激光型光纤光栅波长解调装置，其特征是所述普通实芯光纤，位于输入光一端的是普通单模光纤，另一端作为接收端采用普通多模光纤；所述普通单模光纤为通讯行业用普通单模光纤，其芯径为9微米，包层直径为125微米；所述多模光纤为通讯行业用普通多模光纤，其芯径为50微米，包层直径为125微米。
7.根据权利要求1所述的可调激光型光纤光栅波长解调装置，其特征是熔接时普通光纤熔接机的熔接模式设置为手动模式，熔接参数分别为：预熔电流1.5毫安，预熔时间7毫秒，熔接电流2毫安，熔接时间0.6秒，推进速度1毫秒，熔接推进10微米。
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| 崔俊红等.基于空芯光子晶体光纤气体吸收腔的乙炔检测系统.《光学学报》.2010,第30卷(第8期),第2263页第2节至第2265页第4节，图1-5. |
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