CN102735274B - 一种微弱光纤传感信号检测系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种微弱光纤传感信号检测系统及方法，所述系统包括：第一腔镜,可调光衰减器，半导体光放大器和第二腔镜，所述第一腔镜,可调光衰减器，半导体光放大器和第二腔镜组成半导体光放大器谐振腔，所述第一腔镜和第二腔镜作为半导体光放大器谐振腔的腔镜，所述第一腔镜、可调光衰减器、半导体光放大器和第二腔镜通过光纤连接。本发明的检测方法利用半导体光放大器谐振腔的自激振荡临界点处谐振腔内损耗或增益的微弱变化会引起传输光光功率发生跳变进行检测，具有高灵敏度；检测过程中通过可调光衰减器补偿外界敏感源对系统的作用，能保证一个较大的量程；整个检测过程是在全光域内完成的，不需要进行光电转换，可靠性高。

Description

一种微弱光纤传感信号检测系统及方法

技术领域

本发明属于光电子技术领域，具体涉及微弱光纤传感信号的检测。

背景技术

光纤传感器是近年来发展起来的一种新型检测器，它利用光纤在待测媒质中感受外界物理量的变化，使光纤材料本身特性发生变化，继而引起所传输光的特性如光强、相位、偏振态、波长等发生变化，从而实现对物理量的检测。光纤传感器种类繁多，目前常用的有光强型如光纤氢气传感器、光纤微弯传感器，相位型如光纤陀螺、偏振态型如光纤电流传感器和波长调制型如光纤光栅传感器等。

现有光强型光纤传感器均是利用由外界物理量的变化引起的光纤内传输光光强的微弱变化来检测物理量，在检测过程中，通常先将所得输出光经过光电转换后再在电域内采用电子的信号处理方法如窄带滤波法、双路消噪法、同步累积法、锁定接受法、取样积分法、相关检测法等，进行处理，如信号的放大、滤波等来提高待测信号的信噪比，从而成功检测到待测信号，具体可参见文献：何兆湘.光电信号处理.武汉:华中科技大学出版社,2008.pp97-114。然而在现有的光强型光纤传感器中，由外界物理量的变化引起的光纤内传输光光强的变化十分微弱，对后置的检测器灵敏度提出了很高的要求，不利于完成微弱光纤传感信号的高灵敏度检测。

发明内容

本发明的目的是为了解决现有的微弱光纤传感信号检测存在的上述问题，提出了一种新型的微弱光纤传感信号检测系统。

本发明的技术方案是：一种微弱光纤传感信号检测系统，包括：第一腔镜,可调光衰减器，半导体光放大器和第二腔镜，所述第一腔镜、可调光衰减器、半导体光放大器和第二腔镜组成半导体光放大器谐振腔，所述第一腔镜和第二腔镜作为半导体光放大器谐振腔的腔镜，所述第一腔镜、可调光衰减器、半导体光放大器和第二腔镜通过光纤连接。

进一步的，所述的腔镜具体为光纤光栅。

更进一步的，所述的光纤光栅具体为光纤布拉格光栅。

进一步的，所述微弱光纤传感信号检测系统还包括位于谐振腔内的光学敏感元件。

进一步的，所述微弱光纤传感信号检测系统还包括位于谐振腔内的光耦合器。

更进一步的，所述光耦合器与第一光纤布拉格光栅或第二光纤布拉格光栅通过光纤连接。

基于上述系统，本发明还提出了一种微弱光纤传感信号检测方法，具体包括如下步骤：

步骤1：确定光学工作参数：

步骤1a：将半导体光放大器的注入电流设置为I，I满足|I_m-I|<=β，其中，β为预先设置的阈值，I_m为半导体光放大器的最大注入电流，确定半导体光放大器4的自发辐射增益谱线；

步骤1b：确定第一光纤布拉格光栅与第二光纤布拉格光栅，具体过程如下：利用光环形器分别测量第一光纤布拉格光栅与第二光纤布拉格光栅的反射谱线；比较第一光纤布拉格光栅与第二光纤布拉格光栅的反射谱线及半导体光放大器的自发辐射增益谱线，若半导体光放大器的增益大于检测系统固有损耗，并且第一光纤布拉格光栅与第二光纤布拉格光栅的反射谱有重叠区域，则可确定第一光纤布拉格光栅与第二光纤布拉格光栅；

步骤1c：把半导体光放大器的注入电流设为I，并保持不变，调整可调光衰减器的衰减值，得到谐振腔内传输光光功率随可调光衰减器的衰减值变化的特性曲线，所述特性曲线分为三个阶段：

第一阶段，设置可调光衰减器的衰减值初始值为0dB，对应谐振腔内传输光为自激振荡产生的激光，随着可调光衰减器的衰减值增大，谐振腔总损耗增大，但仍小于谐振腔内半导体光放大器提供的增益，谐振腔产生自激振荡输出激光；

第二阶段，当可调光衰减器的衰减值增大到谐振腔自激振荡的临界值，即谐振腔总损耗等于谐振腔内半导体光放大器提供的增益时，谐振腔处于自激振荡的临界区域；

第三阶段，当可调光衰减器的衰减值超过谐振腔自激振荡的临界值，即谐振腔总损耗大于谐振腔内半导体光放大器提供的增益时，随着可调光衰减器的衰减值的继续增大，谐振腔无法产生自激振荡，保持输出自发辐射光；

步骤2:确定静态工作点；

选取特性曲线上第二阶段，即功率发生跳变的区域为信号检测系统的工作区，把工作区的中点对应的衰减值设为信号检测系统的静态工作点；

步骤3:信号检测的实现；

步骤3a：将半导体光放大器的注入电流设为I，可调光衰减器的衰减值设置为信号检测系统的静态工作点，此时半导体光放大器谐振腔处于自激振荡临界点，对应特性曲线上第二阶段，得到谐振腔内传输光的光功率；

步骤3b：若存在外界敏感源，使信号检测系统的损耗或增益发生改变，则系统输出光功率发生跳变，跳变后的输出光功率对应特性曲线上的第一阶段或第三阶段，调节可调光衰减器的衰减值，当系统输出光功率等于步骤3a得到的谐振腔内传输光的光功率，即系统输出光功率再次对应特性曲线上的第二阶段时，记录可调光衰减器衰减值的改变量；

步骤3c:根据步骤3b得到的可调光衰减器衰减值的改变量，得到敏感源待测量，从而完成微弱光纤传感信号的检测。

本发明的有益效果：本发明提出的微弱光纤传感信号检测系统采用半导体光放大器（SOA）作为核心器件，SOA是一种单程光放大的行波器件，尺寸很小，有利于光电集成；SOA能够自发辐射产生光子，构成的检测系统可产生自激振荡，无需外加泵浦光源；本发明的检测方法利用半导体光放大器谐振腔的自激振荡临界点处谐振腔内损耗的微弱变化会引起传输光光功率发生跳变进行检测，具有高灵敏度；检测过程中通过可调光衰减器补偿外界敏感源对系统的作用，能保证一个较大的量程；整个高灵敏度的信号检测过程是在全光域内完成的，不需要进行光电转换，可靠性高。

附图说明

图1是本发明的微弱光纤传感信号检测系统示意图。

图2是光纤布拉格光栅反射谱测量装置示意图。

图3是本发明具体实施例的微弱光纤传感信号检测方法特性曲线图。

附图标记说明：1、6为光纤布拉格光栅，2为感应光纤传感信号的光学敏感元件，3为可调光衰减器，4为半导体光放大器，5为10/90光耦合器，7为输出端口，8为光环行器，10、11、12分别指光环行器的1、2、3端口，9为待测的光纤布拉格光栅。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步的说明。

如图1所示，本发明的微弱光纤传感信号检测系统，包括：第一腔镜1,可调光衰减器3，半导体光放大器4和第二腔镜6，所述第一腔镜1,可调光衰减器3，半导体光放大器4和第二腔镜6组成半导体光放大器谐振腔，所述第一腔镜1和第二腔镜6作为半导体光放大器谐振腔的腔镜，所述第一腔镜1,可调光衰减器3，半导体光放大器4和第二腔镜6通过光纤连接。

这里的腔镜可以为光纤光栅。谐振腔腔镜是指构成谐振腔的两个反射镜片，它可以是高反射率或低反射率，可以是平面、球面或光栅等多种形式。光纤光栅作为直接在光纤中制作的光栅，能够在光域中直接对光进行处理。根据折射率分布的不同，光纤光栅可以分为很多类，其中最主要的是光纤布拉格光栅和长周期光纤光栅。光纤布拉格光栅，也称为反射光栅，属于短周期光栅。它相当于一种波长可选择和带宽可调节的窄带反射元件，只对处于其反射谱内的波长进行反射。长周期光纤光栅是一种透射型光栅，它的作用是将导波中某波段的光波耦合到包层中损耗掉，而不产生反射，它相当于一个传输特性（透射率、带宽和形状）可以调节的滤波元件，也可以看成是一个宽带反射元件。

这里的光纤光栅具体为光纤布拉格光栅。

这里，所述微弱光纤传感信号检测系统还包括位于谐振腔内的光学敏感元件2。光学敏感元件是指在外界环境发生变化时，能够将该变化迅速反应到自身光学特性（折射率、强度、相位、偏振态、波长、频率等）上的元件。

这里，所述微弱光纤传感信号检测系统还包括位于谐振腔内的光耦合器5。

这里，所述光耦合器5与第一光纤布拉格光栅1或第二光纤布拉格光栅6通过光纤连接。

需要说明的是：

1.光耦合器5可以采用10/90光耦合器，且将半导体光放大器4的输出端与10/90光耦合器5分光比为90的端口相连，这样做可以使得半导体光放大器谐振腔内的光强足够大，则半导体光放大器4的自发辐射光经过腔内多次往返后在10/90光耦合器5的端口7更易于被光谱仪成功检测。

2.把半导体光放大器4的注入电流设为I是为了使半导体材料的反转粒子数达到最大值，从而获得对应的自发辐射增益谱。

3.光耦合器5与第一光纤布拉格光栅1或第二光纤布拉格光栅6通过光纤连接，且用光谱仪测量光耦合器5的端口7处的光是因为该处光的光谱特性与腔内光一致。

基于上述系统，本发明还提出了一种微弱光纤传感信号检测方法，具体包括如下步骤：

步骤1：确定光学工作参数：

步骤1a：将半导体光放大器4的注入电流设置为I，满足|I_m-I|<=β，其中，β为预先设置的阈值，I_m为半导体光放大器4最大注入电流，确定半导体光放大器4的自发辐射增益谱线。

在本实施例中，I_m为160mA，β取10mA，注入电流I设置为153.2mA。

步骤1b：确定第一光纤布拉格光栅1与第二光纤布拉格光栅6，具体过程如下：利用光环形器8分别测量第一光纤布拉格光栅1与第二光纤布拉格光栅6的反射谱线；比较第一光纤布拉格光栅1与第二光纤布拉格光栅6的反射谱线及半导体光放大器4的自发辐射增益谱线，若半导体光放大器4的增益大于检测系统固有损耗，并且第一光纤布拉格光栅1与第二光纤布拉格光栅6的反射谱有重叠区域，则可确定第一光纤布拉格光栅1与第二光纤布拉格光栅6。这里的固有损耗可以理解为：除可调光衰减器3的衰减之外的其它所有损耗。

这里确定第一光纤布拉格光栅1与第二光纤布拉格光栅6的测量装置如图2所示，光纤布拉格光栅反射谱测量装置，包括：半导体光放大器4，光环形器8和光纤布拉格光栅9，所述光纤布拉格光栅9为第一光纤布拉格光栅1或第二光纤布拉格光栅6，所述半导体光放大器4与光环形器8的端口10通过光纤连接，所述光环形器8的端口11与光纤布拉格光栅9通过光纤连接。

此时当半导体光放大器4的注入电流设为I，可调光衰减器3无外置衰减时，其自发辐射光在检测系统内经过多次往返后可产生自激振荡。

步骤1c：把半导体光放大器4的注入电流设为I，并保持不变，调整可调光衰减器3的衰减值，得到谐振腔内传输光光功率随可调光衰减器3的衰减值变化的特性曲线，所述特性曲线分为三个阶段：

第一阶段，可调光衰减器3的衰减值初始值为0dB，对应谐振腔内传输光为自激振荡产生的激光，随着可调光衰减器3的衰减值增大，谐振腔总损耗增大，但仍小于谐振腔内半导体光放大器提供的增益，谐振腔产生自激振荡输出激光；此阶段输出的激光具有较大的功率值，且该值随着可调光衰减器3的衰减值继续增大而缓慢减小。

第二阶段，当可调光衰减器3的衰减值增大到谐振腔自激振荡的临界值，即谐振腔总损耗等于谐振腔内半导体光放大器提供的增益时，谐振腔处于自激振荡的临界区域；此阶段，微弱增大可调光衰减器3的衰减值，谐振腔内传输光光功率发生跳变，跳变前输出光为谐振腔自激振荡产生的激光，光功率较大，跳变后输出光为半导体光放大器4的自发辐射光，光功率极小。

第三阶段，当可调光衰减器3的衰减值超过谐振腔自激振荡的临界值，即谐振腔总损耗大于谐振腔内半导体光放大器提供的增益时，随着可调光衰减器3的衰减值的继续增大，谐振腔无法产生自激振荡，保持输出自发辐射光。此阶段，谐振腔内传输光光功率随着可调衰减器3的衰减值继续增大而减小，且减小速率要小于第一阶段。

步骤2:确定静态工作点；

选取特性曲线上第二阶段，即功率发生跳变的区域为信号检测系统的工作区，把工作区的中点对应的衰减值α设为信号检测系统的静态工作点。

这里工作区对应的可调光衰减器3衰减值变化范围可以表示为[α_th,△α+α_th]，其中△α为一个微小量，α_th为谐振腔自激振荡临界点对应的可调光衰减器3的衰减值。

在本实施例中，如图3所示，选取特性曲线上功率发生跳变的区域AC为信号检测系统的工作区，其对应的可调光衰减器3衰减值变化范围为[3.6dB,3.65dB]，把工作区的中点B(3.625dB,-43.05dBm)对应的衰减值3.625dB设为信号检测系统的静态工作点；

步骤3:信号检测的实现；

步骤3a：将半导体光放大器4的注入电流I设为153.2mA，可调光衰减器3衰减值设置为信号检测系统的静态工作点，此时半导体光放大器谐振腔处于自激振荡临界点，对应特性曲线上第二阶段，得到谐振腔内传输光光功率。

步骤3b：若存在外界敏感源，使信号检测系统的损耗或增益发生改变，则系统输出光功率发生跳变，跳变后的输出光功率对应特性曲线上的第一阶段或第三阶段，调节可调光衰减器3的衰减值，当系统输出光功率等于-43.05dBm时，即系统输出光功率再次对应特性曲线上的第二阶段时，记录可调光衰减器3衰减值的改变量。

步骤3c:根据步骤3b得到的可调光衰减器3衰减值的改变量，得到敏感源待测量，从而完成微弱光纤传感信号的检测。

本发明的微弱光纤传感信号检测系统工作过程是：先确定信号检测系统（半导体光放大器谐振腔）能够产生自激振荡，再把信号检测系统设置在特性曲线的静态工作点a_b，当光学敏感元件2接收到外界敏感源，该敏感源作用于检测系统，使得系统损耗或增益发生改变，通过改变可调光衰减器3的衰减值大小以补偿敏感源引起的系统损耗或增益的改变，使系统输出光功率等于工作点对应输出光功率P_b，根据可调光衰减器3衰减值的改变量及预先得到的敏感源与系统损耗或增益的对应关系，可求得外界敏感源大小，从而实现对微弱光纤传感信号的检测。

本发明的实质就是利用半导体光放大器谐振腔自激振荡临界点处特性，即在谐振腔自激振荡临界点处，即谐振腔总损耗等于增益时，谐振腔总损耗或增益的微弱改变会打破谐振腔总损耗与增益的等值关系，使得谐振腔总损耗大于增益或谐振腔总损耗小于增益。当谐振腔总损耗大于增益时，谐振腔无法产生自激振荡而输出光功率极小的荧光；当谐振腔总损耗小于增益时，谐振腔产生自激振荡而输出光功率较大的激光。也就是说，在谐振腔自激振荡临界点处，谐振腔总损耗或增益的微弱改变会引起输出光光功率的剧烈变化，该种剧烈变化能够被仪器轻易地检测到。

本发明不同于现有技术中将谐振腔总损耗或增益的微弱变化转化为传输光光功率的微弱变化，而是将谐振腔总损耗或增益的微弱变化转化为输出光功率的剧烈变化，它对后置的检测器灵敏度并没有提出很高的要求，有利于完成微弱光纤传感信号的高灵敏度检测；同时在检测过程中通过可调光衰减器补偿外界敏感源对系统的作用，不管外界敏感源对系统的作用有多大，只要可调光衰减器能够完全补偿掉该作用，即该作用大小在可调光衰减器的工作范围内，则该系统能正常工作，故合适的选取可调光衰减器便能保证系统具有一个较大的量程。

如图3AC区域所示，在临界点A处谐振腔损耗增大0.05dB，输出光功率减小20.5dB。如果转换为线性坐标，即损耗增大0.01倍，输出光功率减小111倍。这样，在AC工作区域的静态工作点B附近腔内传输曲线斜率高达11100倍。在外界环境无敏感源时，产生自激振荡的谐振腔处于静态工作点处，对应可调光衰减器衰减值α和输出光功率P；在外界环境存在敏感源时，谐振腔损耗或增益发生改变，对应谐振腔总损耗与增益的关系发生变化，系统不再处于自激振荡的临界点处，此时谐振腔输出光功率发生明显跳变，通过内部的调节可调光衰减器衰减值大小对敏感源造成的损耗或增益的变化进行补偿，使得补偿后输出光功率的大小重新等于P，从而得到可调光衰减器衰减值的改变量，再根据预先得到的外界敏感源与谐振腔内部损耗或增益的对应关系便可完成对外界环境中敏感源的高灵敏度检测。

微弱光信号的高灵敏度检测是目前急需解决的难题，从本发明的具体实施例可知，本发明提出的基于半导体光放大器谐振腔的微弱光纤传感信号检测方法能够在光域里直接实现微弱信号的高灵敏度检测，同时也能保证检测的量程。

本领域的普通技术人员将会意识到，这里所述的实施例是为了帮助读者理解本发明的原理，应被理解为本发明的保护范围并不局限于这样的特别陈述和实施例。本领域的普通技术人员可以根据本发明公开的这些技术启示做出各种不脱离本发明实质的其它各种具体变形和组合，这些变形和组合仍然在本发明的保护范围内。

Claims (1)

1.一种微弱光纤传感信号检测方法，具体包括如下步骤：

步骤1：确定光学工作参数：

步骤1a：将半导体光放大器的注入电流设置为I，I满足|I_m–I|<＝β，其中，β为预先设置的阈值，I_m为半导体光放大器的最大注入电流，确定半导体光放大器的自发辐射增益谱线；

步骤1b：确定第一光纤布拉格光栅与第二光纤布拉格光栅，具体过程如下：利用光环形器分别测量第一光纤布拉格光栅与第二光纤布拉格光栅的反射谱线；比较第一光纤布拉格光栅与第二光纤布拉格光栅的反射谱线及半导体光放大器的自发辐射增益谱线，若半导体光放大器的增益大于检测系统固有损耗，并且第一光纤布拉格光栅与第二光纤布拉格光栅的反射谱有重叠区域，则可确定第一光纤布拉格光栅与第二光纤布拉格光栅；

步骤1c：把半导体光放大器的注入电流设为I，并保持不变，调整可调光衰减器的衰减值，得到谐振腔内传输光光功率随可调光衰减器的衰减值变化的特性曲线，所述特性曲线分为三个阶段：

第一阶段，设置可调光衰减器的衰减值初始值为0dB，对应谐振腔内传输光为自激振荡产生的激光，随着可调光衰减器的衰减值增大，谐振腔总损耗增大，但仍小于谐振腔内半导体光放大器提供的增益，谐振腔产生自激振荡输出激光；

第二阶段，当可调光衰减器的衰减值增大到谐振腔自激振荡的临界值，即谐振腔总损耗等于谐振腔内半导体光放大器提供的增益时，谐振腔处于自激振荡的临界区域；

第三阶段，当可调光衰减器的衰减值超过谐振腔自激振荡的临界值，即谐振腔总损耗大于谐振腔内半导体光放大器提供的增益时，随着可调光衰减器的衰减值的继续增大，谐振腔无法产生自激振荡，保持输出自发辐射光；

步骤2:确定静态工作点；

选取特性曲线上第二阶段，即功率发生跳变的区域为信号检测系统的工作区，把工作区的中点对应的衰减值设为信号检测系统的静态工作点；

步骤3:信号检测的实现；

步骤3a：将半导体光放大器的注入电流设为I，可调光衰减器的衰减值设置为信号检测系统的静态工作点，此时半导体光放大器谐振腔处于自激振荡临界点，对应特性曲线上第二阶段，得到谐振腔内传输光的光功率；

步骤3b：若存在外界敏感源，使信号检测系统的损耗或增益发生改变，则系统输出光功率发生跳变，跳变后的输出光功率对应特性曲线上的第一阶段或第三阶段，调节可调光衰减器的衰减值，当系统输出光功率等于步骤3a得到的谐振腔内传输光的光功率，即系统输出光功率再次对应特性曲线上的第二阶段时，记录可调光衰减器衰减值的改变量；

步骤3c:根据步骤3b得到的可调光衰减器衰减值的改变量，得到敏感源待测量，从而完成微弱光纤传感信号的检测。