CN102636203A - 一种基于双波长拍频技术的光纤光栅传感解调装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于双波长拍频技术的光纤传感解调装置，其特征在于，包括光放大器、传感元件、可调谐带通滤波器、耦合器、光探测器和频谱分析仪，所述传感元件为基于光纤布拉格光栅制作的法布里-珀罗腔，所述可调谐带通滤波器的工作波长与所述法布里-珀罗腔的反射波波长相同，所述可调谐带通滤波器的工作带宽大于Δλ且小于2倍的Δλ，所述λ为所述法布里-珀罗腔的反射波波长，Δλ为所述法布里-珀罗腔的光谱振荡周期。本发明的优点是实现单纵模或多纵模环腔激光传感器的解调，克服现有基于拍频技术的传感器的需要具有单纵模的特性的限制，降低了系统的复杂程度，有利于基于拍频技术的传感器的制造、应用和推广。

Description

一种基于双波长拍频技术的光纤光栅传感解调装置
技术领域
本发明涉及物理传感领域，具体涉及基于光纤bragg光栅技术和拍频技术的物理传感器。
背景技术
自从上世纪70年代美国康宁公司制作出的第一代低损耗多膜光纤，光纤经过四十多年的发展已经在通信和传感等领域得到了普遍的应用。早在1978年加拿大的K.O.Hill等人便首次利用氩离子激光器在掺锗光纤中写入光纤bragg光栅，而在1989年，W.W.Morey等人首次对光纤光栅的温度和应变传感特性进行了研究，得到了光栅反射波长温度灵敏度和应变的灵敏度分别为1.1x10-2nm/με和1.2x10-3nm/με之后，基于光纤光栅的传感技术逐渐在很多领域得到应用。
光纤光栅作为光纤传感应用中的重要器件，在光纤传感上有不可代替的作用，光纤光栅是具有沿光纤轴向方向周期折射率调制无源光学器件，外界环境的变化(例如温度、应力等)会引起其结构的改变，进而改变其对内部传输光的影响，通过检测传输光并基于传输光光学性质的变化(如光强、相位、偏振态等)来探测待测参数的变化。由于光纤传感器具有抗电磁干扰、插入损耗低、结构简单、体积小、制备工艺简单、成本低廉等诸多其他有源传感器件无可比拟的优点，能在一些特殊环境下胜任，因此受到众多学者的关注和研究机构的追捧，特别是最近几年在物联网热的积极推动下，光纤传感技术得到迅速成长。
自1955年光拍频现象发现，尤其是激光出现以来，在测试方面的应用日趋广泛。基于光拍频技术的光纤光栅传感器研究，国内外均有大量报道。现有技术普遍认为单纵模双波长激光可以拍出稳定单一频率的拍频信号，因此为了更好地观察拍频信号，现有基于光纤环腔激光器的光拍频传感器，输出的激光需要具有单纵模的特性。这不仅增加了激光器对元器件的选型及精度方面的要求，而且对光纤环腔腔长的长度有较严格的限制，如为了实现激光器单纵模输出，需要在光纤环腔内常常需要加入单纵模选择装置，而光放大器的选择上通常使用模式增益竞争小的半导体光学放大器而不使用增益和兼容性更高的的掺饵光纤放大器。另外，现有的光拍频技术的光纤光栅传感器的传感元件尚未有光纤光栅法布里-珀罗腔的直接运用。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种基于双波长拍频技术的光纤光栅传感解调装置，克服现有传感测量中激光器制造成本高的缺陷。
为解决上述技术问题，本发明提供一种基于双波长拍频技术的光纤光栅传感解调装置，其特征在于，包括光放大器、传感元件、可调谐带通滤波器、耦合器、光探测器和频谱分析仪，所述传感元件为基于光纤布拉格光栅制作的法布里-珀罗腔，所述可调谐带通滤波器的工作波长与所述法布里-珀罗腔的反射波波长相同，工作带宽大于Δλ且小于2倍Δλ，所述λ为所述法布里-珀罗腔的反射波波长，Δλ为所述法布里-珀罗腔的光谱振荡周期。
可选的，所述光放大器包括半导体光放大器或掺饵光纤放大器。
这样保证传输光在经过所述可调谐带通滤波器后，输出具有双峰或单峰的传输光。当光纤光栅F-P腔在外界影响下(如应力、温度等)，其结构就会发生变化，进而改变光谱的频谱位置，即在波长上发生漂移。由于带通滤波器的工作波长及工作带宽不会发生变化，所以通过滤波器的光谱也将会发生变化。通过带通滤波器传输光用光探测器接收，并将信号进行拍频(beatfrequency)。当拍频的波长位于光栅光谱不同位置时，即当通过滤波器的光谱双峰发生变化时，其拍频出来的信号频率也有的差别，这是因为不同波长的之间的间隔是不同的，Δλ会发生微小变化，即光纤布拉格光栅法布里-珀罗腔(FBG-FPF)的自由光谱范围FSR从中心波长到两边逐渐减小，这样就可以通过观察拍频信号频率的改变来确定待测量的变化。
本发明的优点是实现单纵模或多纵模环腔激光传感器的解调，克服现有基于拍频技术的传感器的需要具有单纵模的特性的限制，降低了系统的复杂程度，有利于基于拍频技术的传感器的制造、应用和推广。
附图说明
下面结合附图和具体实施方式对本发明的技术方案作进一步具体说明。
图1为本发明的传感系统示意图。
图2为图1的传输光频谱变化示意图。
其中1-半导体光放大器SOA或掺饵光纤放大器EDFA，2-隔离器，3-光纤bragg光栅F-P腔，4-可调谐带通滤波器，，5-偏振控制器PC，6-耦合器，7-光探测器PD，8-频谱分析仪，9-控制电脑，10-可调谐滤波器光谱，11-FBG-FPF部分透射光谱，12-变化后的FBG-FPF透射光谱，13-经过可调谐滤波器后的光谱，14-变化后经可调谐滤波器的光谱，15-变化前双波长拍频的频谱图，16-变化后双波长拍频的频谱图。
具体实施方式
如图1所示，本发明的光纤传感系统是基于一个环腔光纤激光器，半导体光放大器SOA或掺饵光纤放大器EDFA 1提供传输光增益，隔离器2的作用是确保光的单向传输，抑制不利噪声，光纤光栅F-P腔滤波器(FBG-FPF)3可以提供多个窄带的带通，由于带通的带宽是由FBG-FPF腔长决定的，所以适合制作合适参数的多带通滤波器，除此之外，这里的FBG-FPF也作为传感器的传感元件，FBG-FPF形成振荡多峰的光谱在经过可调谐带通滤波器4滤出双峰，双峰传输光在光纤环腔内激射并在经过耦合器6后输出，输出的激光由探测器PD接收，最后用频谱分析仪8对拍频信号进行分析。控制电脑9用于调整调谐带通滤波器4的工作带宽。
本发明的传感原理则如图2所示，在FBG-FPF在外界环境影响变化后，FBG-FPF的光谱11也会发生移动，变化后的FBG-FPF光谱12在经过滤波器后的光谱14与变化前通过滤波器的光谱13相比，其自由光谱范围(free spectral range FSR)将会发生微小的变化，输出的激光双峰间距也会发生变化，这样也将会使得拍频的频谱频率发生一定的漂移，就可以依据拍频频率的变化来标定待测环境因素的大小。
本发明研究证明，当输出激光稳定的情况下，多纵模双波长激光的拍频信号具有高斯分布的特性，这有利于标定拍频信号中心频率，通过拍频信号中心频率的变化来探测外界待测物理量的变化，即本发明可以实现单纵模或多纵模环腔激光传感器的解调，克服现有基于拍频技术的传感器的需要具有单纵模的特性的限制。这样，有利于基于拍频技术的传感器的制造、应用和推广。
最后所应说明的是，以上具体实施方式仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (2)

1.一种基于双波长拍频技术的光纤光栅传感解调装置，其特征在于，包括光放大器、传感元件、可调谐带通滤波器、耦合器、光探测器和频谱分析仪，所述传感元件为基于光纤布拉格光栅制作的法布里-珀罗腔，所述可调谐带通滤波器的工作波长与所述法布里-珀罗腔的反射波波长相同，所述可调谐带通滤波器的工作带宽大于Δλ且小于2倍Δλ，所述λ为所述法布里-珀罗腔的反射波波长，Δλ为所述法布里-珀罗腔的光谱振荡周期。
2.根据权利要求1所述的基于双波长拍频技术的光纤光栅传感解调装置，其特征在于，所述光放大器包括半导体光放大器或掺饵光纤放大器。
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