CN102840875A

CN102840875A - 基于相移光纤光栅的传感复用系统

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Publication number: CN102840875A
Application number: CN2012103333229A
Authority: CN
Inventors: 徐团伟; 李芳�; 刘育梁
Original assignee: Institute of Semiconductors of CAS
Current assignee: Institute of Semiconductors of CAS
Priority date: 2012-09-10
Filing date: 2012-09-10
Publication date: 2012-12-26
Anticipated expiration: 2032-09-10
Also published as: CN102840875B

Abstract

本发明提供了一种基于相移光纤光栅的传感复用系统，包括：激光光源阵列，用于提供具有M个波谱带的激光，每一个波谱带均具有预设宽度；波分复用器，用于将具有M个波谱带的激光合束；脉冲发生器，用于对合束激光进行脉冲调制实现时分；相移光栅阵列，其输入端与脉冲发生器的输出端相连接，其包括N条通道；耦合器，与相移光栅阵列的输出端相连，用于将来自不同相移光纤光栅串的光传感信号进行合波；以及波长解调仪，与耦合器的输出端相连，用于解调合波后的光传感信号，还原各相移光纤光栅的外界物理量。本发明提出了波分+空分+时分的复用方式，填补了基于相移光纤光栅的传感系统的大规模组网技术的空白。

Description

基于相移光纤光栅的传感复用系统

技术领域

本发明涉及光学传感器技术领域，尤其涉及一种基于相移光纤光栅的传感复用系统。

背景技术

光纤光栅(Fibre Bragg Grating，简称FBG)是利用光纤中的光敏性制成的，纤芯的折射率成呈周期性调制，从而形成一个窄带的(透射或反射)滤波器或反射镜。当它受到外界环境温度、压力等物理量影响时，其中心波长会发生变化，因此基于光纤光栅作为传感器可用于测量外界物理量的变化。光纤光栅传感系统具有抗电磁干扰、耐腐蚀、化学性能稳定、体积小、重量轻等优点，可广泛应用于测量温度、压力、应变、加速度等，目前已广泛应用于大型结构建筑、石油勘探、地震波监测以及海洋环境监测等领域。

在微弱信号探测方面，光纤传感系统朝着高灵敏度、高分辨率和大规模组网方向发展。在光纤传感系统中，传输光的线宽制约着系统的分辨率。由于普通布拉格光纤光栅的线宽在0.1nm左右，采用干涉式波长解调技术，其波长分辨率只能达到10^-3pm/√Hz左右。为了提高系统分辨率，提出了基于光纤光栅激光器的传感系统，对于分布反馈光纤激光器而言，线宽约为kHz量级，波长分辨率可达到10^-6pm/√Hz以下，然而光纤激光传感器进行波分复用组网时，由于传输光纤瑞利散射以及激光器旁瓣的影响，存在模式跳变问题，较难实现大规模的组网。

相移光纤光栅是一种特殊的光纤光栅，与均匀光纤光栅相比，它的纵向折射率调制在中心处发生了相位跳变，使得光栅的透射谱存在唯一透射峰，且透射峰的线宽可小于1pm，远小于普通布拉格光纤光栅，因此利用相移光纤光栅进行传感，其波长分辨率要优于普通布拉格光纤光栅传感系统。不过，其保留了光纤光栅波分复用简单的优点，且不存在模式跳变问题，因此克服了光纤激光传感系统大规模组网困难的缺点。

对于光纤传感系统的大规模组网问题，通常采用波分、空分、时分以及混合复用技术，不过这些都是基于布拉格光纤光栅的传感系统，而非基于相移光栅。但复用技术所采用的具体方案离不开器件的基本特性，由于相移光纤光栅的窄带峰来自于透射，区别于布拉格光纤光栅的反射峰，因此现有的复用技术无法直接用于基于相移光纤光栅的传感系统中。

发明内容

(一)要解决的技术问题

为解决上述的一个或多个问题，本发明提供了一种基于相移光纤光栅的传感复用系统，以解决相移光纤光栅传感系统的复用问题。

(二)技术方案

根据本发明的一个方面，提供了一种基于相移光纤光栅的传感复用系统，包括：激光光源阵列，用于提供具有M个波谱带的激光，每一个波谱带均具有预设宽度；波分复用器，其输入端与激光光源阵列的输出端相连接，用于将具有M个波谱带的激光合束；脉冲发生器，其输入端与波分复用器的输出端相连接，用于对合束激光进行脉冲调制实现时分复用；相移光栅阵列，其输入端与脉冲发生器的输出端相连接，其包括N条通道，该N条通道中的第I条通道包括：第I环形器，当I＝1时，其与脉冲发生器4相连接，否则，其与上一级通道的环形器通过延迟光纤相连；第I相移光纤光栅串，其输入端与第I环行器相连接，包括T个串联的相移光纤光栅，对于每一相移光纤光栅，其中心波长与对应波谱带的中心波长相对应，其透射波长位于该波谱带内，且随外界环境物理量的变化而变化，经过该相移光纤光栅的光束，其带宽范围外及对应透射波长的光透射，带宽范围内且透射波长之外的光被反射，其中，T≤M；耦合器，与相移光栅阵列的输出端相连，用于将来自不同相移光纤光栅串的光传感信号进行合波；以及波长解调仪，与耦合器的输出端相连，用于解调合波后的光传感信号，还原各相移光纤光栅的外界物理量。

(三)有益效果

本发明中，根据相移光纤光栅的特点，提出了波分+空分+时分的复用方式，填补了基于相移光纤光栅的传感系统的大规模组网技术的空白，有助于推动光纤传感技术向高分辨率和大规模组网方向发展。

附图说明

图1是本发明实施例传感复用系统的结构示意图；

图2为本发明实施例传感复用系统中光波在传输过程中光谱形状的变化情况。

【主要元件符号说明】

1-半导体激光光源阵列； 11，12，……，1M-半导体激光光源；

2-波分复用器； 3-光隔离器；

4-脉冲发生器； 20-相移光纤光栅阵列；

51，52，……5N-环行器；61，62……-延迟光纤

71，72，……，7N-相移光纤光栅串；8-耦合器；

9-干涉式波长解调仪； 10-波长监测与反馈模块。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。

需要说明的是，在附图或说明书描述中，相似或相同的部分都使用相同的图号。且在附图中，以简化或是方便标示。再者，附图中未绘示或描述的实现方式，为所属技术领域中普通技术人员所知的形式。另外，虽然本文可提供包含特定值的参数的示范，但应了解，参数无需确切等于相应的值，而是可在可接受的误差容限或设计约束内近似于相应的值。

请参考图1，图1是本发明实施例基于相移光纤光栅的传感复用系统的示意图。如图1所示，该传感复用系统包括：半导体激光光源阵列1、波分复用器2、单向光隔离器3、脉冲发生器4、相移光栅阵列20、耦合器8、干涉式波长解调仪9和波长监测与反馈模块10，以下分别对各个部件进行详细说明。

如图1所示，半导体激光光源阵列1，由一系列的半导体激光光源(11，12，……，1M)组成，用于提供具有M个波谱带(λ₁，λ₂，……，λ_M)的激光，每一个波谱带均具有预设宽度。

为了兼顾波分+空分+时分混合复用的要求，经相位调制的单模DFB激光器阵列的带宽要大于只存在单一相移光纤光栅的传感系统，但要小于相移光纤光栅的3dB带宽，不同激光光源的波长间隔可以按照ITU的标准选择，光源阵列的光谱宽度覆盖整个相移光纤光栅串透射峰所对应的波长。在本实施例中，半导体激光光源阵列1由4只经相位调制的DFB半导体激光器组成，他们的中心波长分别为1532.68nm，1535.04nm，1537.40nm，1539.98nm，带宽约为1GHz。半导体激光光源阵列的光谱宽度覆盖整个相移光纤光栅串透射峰所对应的波长。

在本实施例中，半导体激光光源阵列(11，12，……，1M)采用具有不同波长的通信用的单模分布反馈(DFB)激光器并联组成。在这里不采用普通自发辐射(ASE)光源作为光源的主要原因是ASE光源的功率密度太低，难以满足探测的要求。对于单频的半导体激光器，外加频率为vm的正弦相位调制，当调制频率小于激光器线宽Δv_3dB的半值，即v_m≤Δv_3dB/2时，将会导致激光器线宽的展宽。通过选择合适的调制频率和调制深度可以对半导体激光器的线宽进行调节，使其线宽达到百兆赫兹以上，以满足覆盖相移光栅透射峰的要求。半导体激光光源的带宽可调，且满足半导体激光光源的光谱带宽大于相移光纤光栅透射峰的带宽，小于相移光纤光栅的3dB带宽。

如图1所示，波分复用器2，其M个波长端分别与所述半导体激光光源阵列1的M个半导体激光光源相连接，用于将半导体激光光源阵列产生的激光合束。

如图1所示，单向光隔离器3，与输入端与波分复用器2的公共端相连接，用于防止后面反射光对光源阵列的影响。

如图1所示，脉冲发生器4，与光隔离器3的输出端相连接，用于对合束激光进行脉冲调制实现时分复用。

如图1所示，相移光栅阵列20，其输入端与脉冲发生器4的输出端相连接，其包括N条通道，其中每I条通道包括：

环形器5I，当I等于1时，与所述脉冲发生器4相连接，否则，与上一级通道的环形器通过延迟光纤6I相连；

相移光纤光栅串7I，其输入端与环行器(5I)相连接，包括M个串联的相移光纤光栅，对于每一相移光纤光栅，其中心波长与半导体激光器的中心波长相对应的，其带宽大于该半导体激光器的波谱带的带宽，其透射波长位于该半导体激光器的波谱带内，且随外界环境物理量的变化而变化，相邻通道对应同一半导体激光器的两相移光纤光栅的透射波长具有预设间隔，经过该相移光纤光栅的光束，其带宽范围外及对应透射波长的光透射，带宽范围内且透射波长之外的光被反射；

如图1所示，耦合器8，与相移光栅阵列20的输出端相连，用于将来自不同相移光纤光栅串的光传感信号进行合波。

如图1所示，波长解调仪9，与耦合器8的输出端相连，用于解调合波后的光传感信号，还原各相移光纤光栅的外界物理量。该波长解调仪可以是基于3×3耦合器解调方法、相位生成载波(PGC)解调方法和有源零差解调方法等方法的干涉式波长解调仪。

如图1所示，波长监测与反馈模块10，与相移光栅阵列20的最后一环行器5N相连接，用于监测半导体激光光源阵列的波长和相移光纤光栅的中心波长的差别，并把波长差异反馈给半导体激光光源阵列，实现波长的同步跟踪，根据偏差量产生相应的反馈信号来调整光源的中心波长。具体来讲，利用经过最后一级环形器后的残余光监测半导体激光器的中心波长和相移光纤光栅的中心波长是否相同，当存在偏差时，产生一个正比于波长偏差量的反馈信号给半导体激光器，通过比例-积分-微分反馈控制来保证半导体激光器的中心波长和相移光纤光栅的中心波长相同，实现波长的同步跟踪。

本实施例中，半导体激光光源阵列1经波分复用器2合束通过光隔离器3进入脉冲发生器4，脉冲发生器可以采用声光调制器或者电光调制器，对合束的光波进行脉冲调制来实现时分复用，脉冲宽度τ应大于延迟光纤(61，62，……)所对应的延迟时间，脉冲周期T大于脉冲宽度和延迟光纤数量的乘积。该脉冲调制器的脉冲宽度τ为200ns，周期T为2ms。经脉冲调制的光波通过环行器51首先进入相移光纤光栅串71，该相移光纤光栅串有4个相移光纤光栅组成，两相邻相移光纤光栅的间隔为10m，相移光纤光栅的长度为4cm，每个相移光纤光栅的中心波长和半导体激光器的中心波长相对应，即1532.68nm，1535.04nm，1537.40nm和1539.98nm，相移光纤光栅的3dB带宽约为0.2nm(即25GHz)，相移光栅透射峰的宽度约80MHz，透射峰的位置取决与相移量，通过控制相移量的大小可以实现对透射峰波长的控制。相移光纤光栅的透射波长都处在半导体激光光源阵列光谱的覆盖范围之内，因此窄带透射峰内的光波将经过相移光纤光栅正向传输，而其他波长的光将被反射，反射光经延迟光纤61和环行器52进入下一个相移光纤光栅串72，延迟光纤61的长度为100m，对应的延迟时间大于200ns，约为500ns。相移光纤光栅串72中各透射峰对应的波长与前面相移光纤光栅串71的透射峰波长不同，两者间的差异量约为200MHz。这将会形成新的具有不同透射波长的光波，如此类推，当通过相移光栅串73后，残余反射光将进入波长监测与反馈模块10，由于延迟光纤(61，62)的存在，经过不同相移光纤光栅串(71，72，73)的正向传播的透射光通过耦合器8后形成一系列脉冲光，每个脉冲光中包含4个波长的波长信息，3个脉冲形成一组，即每个周期都内包含3个不同相移光纤光栅串的光传感信息，该脉冲阵列进入干涉式波长解调仪10。进入干涉式波长解调仪的信号光用于外界物理量的动态信号的测量，采用外调制的相位生成载波解调算法，波长分辨率将达到10^-4pm/√Hz～10^-5pm/√Hz之间。

为了更好解释和说明本实施例，图2为本发明实施例传感复用系统中光波在传输过程中光谱形状的变化情况。图2中a部分为半导体激光阵列的出射光谱，图2中b部分为相移光栅阵列的相移光栅透射光谱。可以看出单个半导体激光光源的光谱带宽大于每个相移光纤光栅透射峰的带宽，但小于相移光纤光栅的3dB带宽，整个半导体激光光源阵列的光谱宽度覆盖整个相移光纤光栅串透射峰所对应的波长。图2中c部分为经过相移光栅阵列20第1个通道后的反射光在延迟光纤61处的光谱，可以看出光谱中的凹陷处对应的信号光已经通过耦合器8形成第1个脉冲信号，该脉冲信号中包含第1个通道中所对应的λ₁₁，λ₂₁，……，λ_M1等M个波长信息。图2中d部分为经过相移光栅阵列20第2个通道后的反射光在延迟光纤62处的光谱，这时在耦合器8形成第2个脉冲信号，该脉冲信号中包含第2个通道中所对应的λ₁₂，λ₂₂，……，λ_M2等M个波长信息。如此类推，图2中e部分为经过相移光栅20所有通道后的反射光在波长监测和反馈模块10处的光谱，这时在耦合器8已形成由N个脉冲信号组成的一系列脉冲单元，每个脉冲信号的宽为τ，脉冲单元的周期为T，关于脉冲阵列的时序如图2中f部分所示。

以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种基于相移光纤光栅的传感复用系统，其特征在于，包括：

激光光源阵列，用于提供具有M个波谱带的激光，每一个波谱带均具有预设宽度；

波分复用器，其输入端与所述激光光源阵列的输出端相连接，用于将所述具有M个波谱带的激光合束；

脉冲发生器，其输入端与所述波分复用器的输出端相连接，用于对合束激光进行脉冲调制实现时分复用；

相移光栅阵列，其输入端与所述脉冲发生器的输出端相连接，其包括N条通道，该N条通道中的第I条通道包括：

第I环形器，当I＝1时，其与所述脉冲发生器4相连接，否则，其与上一级通道的环形器通过延迟光纤相连；

第I相移光纤光栅串，其输入端与所述第I环行器相连接，包括T个串联的相移光纤光栅，对于每一相移光纤光栅，其中心波长与对应波谱带的中心波长相对应，其透射波长位于该波谱带内，且随外界环境物理量的变化而变化，经过该相移光纤光栅的光束，其带宽范围外及对应透射波长的光透射，带宽范围内且透射波长之外的光被反射，其中，T≤M；

耦合器，与相移光栅阵列的输出端相连，用于将来自不同相移光纤光栅串的光传感信号进行合波；以及

波长解调仪，与耦合器的输出端相连，用于解调合波后的光传感信号，还原各相移光纤光栅的外界物理量。

2.根据权利要求1所述的传感复用系统，其特征在于，对于所述相移光栅：其带宽大于该波谱带的带宽；且

对应同一激光光源的位于不同通道的N个相移光纤光栅的透射波长不重合且具有预设频率间隔。

3.根据权利要求2所述的传感复用系统，其特征在于，所述相移光纤光栅透射峰的带宽为其3dB处的带宽；

对应同一激光光源的位于相邻通道的两个相移光纤光栅的预设频率间隔为200MHz。

4.根据权利要求4所述的传感复用系统，其特征在于，所述T＝M。

5.根据权利要求1所述的传感复用系统，其特征在于，对于所述脉冲发生器为声光调制器或者电光调制器；

所述脉冲发生器产生的脉冲满足：其脉冲宽度τ应大于延迟光纤所对应的延迟时间；其脉冲周期T大于其脉冲宽度和(N-1)的乘积。

6.根据权利要求5所述的传感复用系统，其特征在于，所述N＝4；

所述脉冲发生器产生脉冲的脉冲宽度τ为200ns，脉冲周期T为2ms；所述延迟光纤的延时量为500ns。

7.根据权利要求1所述的传感复用系统，其特征在于，还包括：

波长监测与反馈模块，与相移光栅阵列的最后一条通道的环行器相连接，用于监测相移光栅中心波长与光源中心波长的偏差，同时根据偏差量产生相应的反馈信号来调整相应激光光源的中心波长。

8.根据权利要求7所述的传感复用系统，其特征在于：

所述激光光源为半导体激光器；

所述波长检测与反馈模块，还用于对激光光源阵列中的每一半导体激光器进行正弦相位调制，使其产生的半导体激光展宽为预设宽度的波谱带。

9.根据权利要求1至8中任一项所述的传感复用系统，其特征在于，还包括：

单向光隔离器，位于所述波分复用器和脉冲发生器之间，用于隔离来自光路后端的反射光。

10.根据权利要求1至8中任一项所述的传感复用系统，其特征在于，所述波长解调仪为基于3×3耦合器解调方法、相位生成载波解调方法和有源零差解调方法的干涉式波长解调仪。