CN102636198B - 基于光纤环微波光子滤波器的传感解调装置和方法 - Google Patents

Abstract

基于光纤环微波光子滤波器的传感解调装置和方法，涉及一种光纤环微波光子滤波器。传感解调装置设有激光二极管、电光调制器、光纤放大器、扫频射频信号源、3-dB四端口光纤耦合器、三端口光环形器、啁啾布拉格光纤光栅、光电探测器和电功率计。采用光纤环微波光子滤波器结构，利用其对一定频率的电信号的滤波作用，将啁啾布拉格光纤光栅的波长漂移量转换为电信号的强度变化量，将波长信息解调出来。光纤环微波光子滤波器采用非相干滤波器结构，将光纤光栅的波长变化量转化为调制电信号的功率变化量，对调制的电信号进行功率检测，由于所需电信号处理芯片较为成熟，因而大大降低了解调系统的成本和复杂度。

Description

基于光纤环微波光子滤波器的传感解调装置和方法

技术领域

本发明涉及一种光纤环微波光子滤波器，尤其是涉及一种基于光纤环微波光子滤波器的传感解调装置和方法。

背景技术

光纤光栅被广泛应用于应力、温度和折射率传感系统中。在光纤光栅传感领域，发展快速解调出光纤光栅波长变化量的方法和低成本设备具有重要的意义。

传统的光纤光栅解调方法常采用光学滤波器解调方法，如可调谐F-P滤波法、非平衡M-Z光纤干涉仪法和匹配光栅法等。这些方法或者对光学滤波器的性能要求较高，成本较高；或者需要较多的光学滤波器，成本较高且结构复杂，比较难实用化。

中国专利CN201392204公开一种基于微波光子滤波器的光纤光栅传感解调装置，包括宽带光源、三端口光环形器、传感布拉格光纤光栅、电光调制器、光纤放大器、萨尼亚克环、光电探测器、电功率计，3-dB四端口光纤耦合器的两个端口通过两段光纤与线性啁啾光纤光栅的两端光连接，另两个端口作为萨尼亚克环的输入端口和输出端口。该实用新型将光纤光栅的波长变化量转化为调制电信号的功率变化量，再对调制的电信号进行功率检测，大大降低了解调装置的成本和复杂度。

发明内容

本发明的目的在于针对现有光学解调技术存在的不足，提供一种可实现低成本的基于光纤环微波光子滤波器的传感解调装置和方法。

所述基于光纤环微波光子滤波器的传感解调装置设有激光二极管、电光调制器、光纤放大器、扫频射频信号源、3-dB四端口光纤耦合器、三端口光环形器、啁啾布拉格光纤光栅、光电探测器和电功率计；所述激光二极管与电光调制器输入端光连接，电光调制器输出端与光纤放大器输入端光连接，电光调制器的电驱动端口与射频信号源电连接，光纤放大器输出端与光纤环输入端口光连接，光纤环输出端口与光电探测器输入端光连接，光电探测器输出端与电功率计输入端电连接；所述光纤环包括3-dB四端口光纤耦合器、三端口光环形器和啁啾布拉格光纤光栅，3-dB四端口光纤耦合器的一个输出端口通过第1段光纤与三端口光环形器的第1个端口相连，三端口光环形器的第2个端口通过第2段光纤与啁啾布拉格光纤光栅相连，三端口光环形器的输出端口与3-dB四端口光纤耦合器的一个输入端口相连，3-dB 四端口光纤耦合器的另两个端口分别作为光纤环的输入端口和输出端口。

所述基于光纤环微波光子滤波器的传感解调方法，采用所述基于光纤环微波光子滤波器的传感解调装置，所述方法包括以下步骤：

1）打开激光二极管，激光二极管发出波长为λ₀激光经过电光调制器（EOM）被扫频电信号f调制后进入光纤放大器中进行放大；

2）放大后的光进入光纤环，光纤环由3-dB四端口光纤耦合器的一个输入端口及一个输出端口与三端口光环形器和反射峰中心波长为λ₀的啁啾布拉格光纤光栅相连构成；所述的啁啾布拉格光纤光栅为通过紫外光在光纤中写入的折射率调制的光纤型器件，它是一种能反射一定波长带宽光的反射型器件，不同的波长在啁啾布拉格光纤光栅的不同位置反射；放大后的光的50%由3-dB四端口光纤耦合器的输入端口耦合到耦合比为3-dB四端口光纤耦合器的一个输出端口，并进入光纤环的第1段光纤，另外50%直接耦合到3-dB四端口光纤耦合器的另外一个输出端口；进入光纤环的光经过三端口光环形器到达啁啾布拉格光纤光栅；光经线性啁啾布拉格光纤光栅反射后再经过光环形器到光纤环的第2段光纤，其中50%从3-dB四端口光纤耦合器的另一个输入端口耦合到另一输出端口，另外50%再次进入光纤环，以此类推；

3）经过光纤环多次反射耦合的光从光纤环的输出端出射进入光电探测器，转化成功率为P_e的电信号。

$P_e=|0.5+\frac{0.5R}{1-0.5R{e}^{-j2\mathrm{\π\Ωn}(L+\mathrm{\ΔL})/c}}|P_0$

其中P₀为激光二极管的出射光功率，R为啁啾布拉格光纤光栅的反射率，它是与波长有关的量；激光二极管的出射光波长与啁啾布拉格光纤光栅的反射峰波长重合；n为光纤折射率，L为光在光纤环中经过的长度；ΔL为光在啁啾布拉格光纤光栅反射的位置；Ω是电信号的频率，可以看出，当光纤环中的啁啾布拉格光纤光栅的反射峰波长随着外界参量的变化而发生变化时，对激光二极管的光波长在线性啁啾布拉格光纤光栅的反射位置也会发生改变，根据上式从而通过光电探测器检测到的该微波频率处电信号的功率将发生改变。

本发明采用光纤环微波光子滤波器结构，利用其对一定频率的电信号的滤波作用，将啁啾布拉格光纤光栅的波长漂移量转换为电信号的强度变化量，从而将波长信息解调出来。光纤环微波光子滤波器采用非相干滤波器结构设计，对外界环境的干扰不敏感，同时该解调方法相比于传统的解调方案，将光纤光栅的波长变化量转化为调制电信号的功率变化量，从而对调制的电信号进行功率检测，由于所需电信号处理芯片较为成熟，因而大大降低了解调系统的成本和复杂度。

本发明特别适用于啁啾光纤光栅低成本解调方案的应用领域。具体涉及了一种采用光纤环微波光子滤波器，将啁啾光纤光栅传感的波长变化转变为所调制微波信号的幅度大小变化，从而解调出啁啾光纤光栅波长变化量以及外界传感参量变化的方法以及实现该方法的装置。

附图说明

图1为本发明实施例的结构示意图。

具体实施方式

如图1所示，所述基于光纤环微波光子滤波器的光纤光栅传感解调装置实施例设有激光二极管1、电光调制器3、光纤放大器4、扫频射频信号源2、3-dB四端口光纤耦合器5、三端口光环形器7、啁啾布拉格光纤光栅8、光电探测器10和电功率计11。所述激光二极管1与电光调制器3输入端光连接，电光调制器3输出端与光纤放大器4输入端光连接，电光调制器3的电驱动端口与扫频射频信号源2电连接，光纤放大器4输出端与光纤环输入端口光连接，光纤环输出端口与光电探测器10输入端光连接，光电探测器10输出端与电功率计11输入端电连接；所述光纤环包括3-dB四端口光纤耦合器5、三端口光环形器7和啁啾布拉格光纤光栅8，3-dB四端口光纤耦合器5的一个输出端口通过第1段光纤6与三端口光环形器7第1个端口相连，三端口光环形器7的第2个端口通过第2段光纤9与啁啾布拉格光纤光栅8相连，三端口光环形器7的输出端口与3-dB四端口光纤耦合器5的一个输入端口相连，3-dB四端口光纤耦合器5的另两个端口分别作为光纤环的输入端口和输出端口。

具体的检测方法包括以下步骤：

打开激光二极管。激光二极管发出波长为λ₀激光经过电光调制器（EOM）被扫频电信号f调制后进入光纤放大器中进行放大。

放大后的光进入光纤环。光纤环是将3-dB四端口光纤耦合器的一个输入端口及一个输出端口和三端口光环形器和反射峰中心波长为λ₀啁啾布拉格光纤光栅相连构成的；所述的啁啾布拉格光纤光栅为通过紫外光在光纤中写入的折射率调制的光纤型器件，它是一种能反射一定波长带宽光的反射型器件，不同的波长在啁啾布拉格光纤光栅的不同位置反射。放大后的光的50%由3-dB四端口光纤耦合器的输入端口耦合到耦合比为3-dB四端口光纤耦合器的一个输出端口，并进入光纤环的一段光纤，另外50%直接耦合到3-dB四端口光纤耦合器的另外一个输出端口；进入光纤环的光经过三端口光环形器到达啁啾布拉格光纤光栅；光经线性啁啾布拉格光纤光栅反射后再经过光环形器到光纤环的另外一段光纤，其中50%从3-dB四端口光纤耦合器的另一个输入端口耦合到另一输出端口，另外50%再次进入光纤环，以此类推；

经过光纤环多次反射耦合的光从光纤环的输出端出射进入光电探测器，转化成功率为P_e的电信号。

$P_e=|0.5+\frac{0.5R}{1-0.5R{e}^{-j2\mathrm{\π\Ωn}(L+\mathrm{\ΔL})/c}}|P_0$

其中P₀为激光二极管的出射光功率，R为啁啾布拉格光纤光栅的反射率，它是与波长有关的量；激光二极管的出射光波长与啁啾布拉格光纤光栅的反射峰波长重合；n为光纤折射率，L为光在光纤环中经过的长度；ΔL为光在啁啾布拉格光纤光栅反射的位置；Ω是电信号的频率。可以看出，当光纤环中的啁啾布拉格光纤光栅的反射峰波长随着外界参量的变化而发生变化时，对激光二极管的光波长在线性啁啾布拉格光纤光栅的反射位置也会发生改变，根据上式从而通过光电探测器检测到的该微波频率处电信号的功率将发生改变。

Claims (1)

1.基于光纤环微波光子滤波器的传感解调方法，其特征在于采用基于光纤环微波光子滤波器的传感解调装置，所述基于光纤环微波光子滤波器的传感解调装置设有激光二极管、电光调制器、光纤放大器、扫频射频信号源、3-dB四端口光纤耦合器、三端口光环形器、线性啁啾布拉格光纤光栅、光电探测器和电功率计；所述激光二极管与电光调制器输入端光连接，电光调制器输出端与光纤放大器输入端光连接，电光调制器的电驱动端口与扫频射频信号源电连接，光纤放大器输出端与光纤环输入端口光连接，光纤环输出端口与光电探测器输入端光连接，光电探测器输出端与电功率计输入端电连接；所述光纤环包括3-dB四端口光纤耦合器、三端口光环形器和线性啁啾布拉格光纤光栅，3-dB四端口光纤耦合器的一个输出端口通过第1段光纤与三端口光环形器的第1个端口相连，三端口光环形器的第2个端口通过第2段光纤与线性啁啾布拉格光纤光栅相连，三端口光环形器的输出端口与3-dB四端口光纤耦合器的一个输入端口相连，3-dB四端口光纤耦合器的另两个端口分别作为光纤环的输入端口和输出端口；

所述传感解调方法包括以下步骤：

1）打开激光二极管，激光二极管发出波长为λ₀激光经过电光调制器被扫频电信号f调制后进入光纤放大器中进行放大；

2）放大后的光进入光纤环，光纤环由3-dB四端口光纤耦合器的一个输入端口及一个输出端口与三端口光环形器和反射峰中心波长为λ₀的线性啁啾布拉格光纤光栅相连构成；所述线性啁啾布拉格光纤光栅为通过紫外光在光纤中写入的折射率调制的光纤型器件，放大后的光的50%由3-dB四端口光纤耦合器的输入端口耦合到耦合比为3-dB四端口光纤耦合器的一个输出端口，并进入光纤环的第1段光纤，另外50%直接耦合到3-dB四端口光纤耦合器的另1个输出端口；进入光纤环的光经过三端口光环形器到达线性啁啾布拉格光纤光栅；光经线性啁啾布拉格光纤光栅反射后再经过光环形器到光纤环的第2段光纤，其中50%从3-dB四端口光纤耦合器的另一个输入端口耦合到另一输出端口，另50%再次进入光纤环，以此类推；

3）经过光纤环多次反射耦合的光从光纤环的输出端出射进入光电探测器，转化成功率为P_e的电信号，

$P_e=|0.5+\frac{0.5R}{{1-0.5\mathrm{Re}}^{-j2\mathrm{\π\Ωn}(L+\mathrm{\ΔL})/c}}|P_0$

其中P₀为激光二极管的出射光功率，R为线性啁啾布拉格光纤光栅的反射率，激光二极管的出射光波长与线性啁啾布拉格光纤光栅的反射峰波长重合；n为光纤折射率，L为光在光纤环中经过的长度；ΔL为光在线性啁啾布拉格光纤光栅反射的位置；Ω是电信号的频率。