CN103278185A - 基于校准光纤光栅的腔衰荡光纤光栅传感解调装置 - Google Patents

Abstract

一种基于校准光纤光栅的腔衰荡光纤光栅传感解调装置，其结构特点是双波长可调谐窄线宽激光器和光耦合器Ⅰ之间连接有光开关，光纤环形腔沿顺时针方向依次连接光耦合器Ⅰ、校准光纤光栅、传感光纤光栅、掺铒光纤放大器、光环形器和光耦合器Ⅱ，光环形器还与去噪光纤光栅相连，光耦合器Ⅲ连接光耦合器Ⅱ，光滤波器Ⅰ和光滤波器Ⅱ均与光耦合器Ⅲ相连，光滤波器Ⅰ和信号处理器之间连有光电探测器Ⅰ，光滤波器Ⅱ和信号处理器之间连有光电探测器Ⅱ；本发明通过精确控制校准光纤光栅所处的温度和应变，测量传感波长和校准波长的腔衰荡时间常数差，即可获取传感光纤光栅所处的温度或应变，并消除光源波长漂移及环境因素对系统性能的影响。

Description

基于校准光纤光栅的腔衰荡光纤光栅传感解调装置

技术领域

本发明涉及一种基于校准光纤光栅的腔衰荡光纤光栅传感解调装置。

背景技术

腔衰荡技术主要用于光谱领域的测试，具有痕量检测能力。近年来，基于腔衰荡的光纤光栅应力传感被提出。但是，目前已经提出的腔衰荡光纤光栅解调技术，只采用传感光纤光栅。这种系统的缺点是系统性能不仅受限于环境因素（如温度或应变），而且受限于光源波长漂移。环境因素造成光纤环形腔折射率和腔长的变化，从而引起腔衰荡时间常数的变化，造成光纤光栅传感系统解调误差，最终影响外界参数的测量精度。不同波长的光经过光纤光栅后具有不同的透射率，因此，光源波长漂移也会造成腔衰荡时间常数的变化，从而造成光纤光栅传感系统的解调误差，最终影响外界参数的测量精度。

发明内容

本发明的目的在于提供了一种基于校准光纤光栅的腔衰荡光纤光栅传感解调装置，它能消除外界环境因素和光源波长漂移对测量性能的影响。

本发明是这样来实现的，它包括双波长可调谐窄线宽激光器、光开关、光耦合器Ⅰ、校准光纤光栅、传感光纤光栅、掺铒光纤放大器、光环形器、去噪光纤光栅、光耦合器Ⅱ、光纤环形腔、光耦合器Ⅲ、光滤波器Ⅰ、光滤波器Ⅱ、光电探测器Ⅰ、光电探测器Ⅱ和信号处理器，其特征在于双波长可调谐窄线宽激光器和光耦合器Ⅰ之间连接有光开关，光纤环形腔沿顺时针方向依次连接光耦合器Ⅰ、校准光纤光栅、传感光纤光栅、掺铒光纤放大器、光环形器和光耦合器Ⅱ，光环形器还与去噪光纤光栅相连，光耦合器Ⅲ连接光耦合器Ⅱ，光滤波器Ⅰ和光滤波器Ⅱ均与光耦合器Ⅲ相连，光滤波器Ⅰ和信号处理器之间连有光电探测器Ⅰ，光滤波器Ⅱ和信号处理器之间连有光电探测器Ⅱ；所述的光耦合器Ⅰ和光耦合器Ⅱ分光比均为1:99；所述的光耦合器Ⅲ的损耗为3dB；所述的光纤环形腔中同时存在校准光纤光栅和传感光纤光栅；通过精确控制所述的校准光纤光栅所处的温度和应变，从而消除光源波长漂移及环境因素对系统测量精度的影响。

本发明的工作原理和使用方法为：

第一、在光纤环形腔中有两个光纤光栅，一个是校准光纤光栅，另一个是传感光纤光栅。其中，除了谐振波长不同外，校准光纤光栅和传感光纤光栅的透射谱形状完全一样，但是，校准光纤光栅的透射带要位于传感光纤光栅平坦透射谱处； 

第二、光源采用双波长可调谐激光器，两个波长分别用作校准波长和传感波长，分别位于校准光纤光栅和传感光纤光栅的透射谱边缘。当外界环境参数（如温度、应变）导致传感光纤光栅的透射谱移动时，传感波长经过传感光纤光栅的透射率将发生变化，这样，传感波长的腔衰荡时间常数将发生变化。但是，校准光纤光栅处于恒温、恒压状态下（对校准光纤光栅所处环境进行控制），因此，校准波长经过校准光纤光栅的透射率不会随外界环境参数（如温度、应变）变化。而光源输出波长的漂移和环境参数引起的光纤环形腔的变化对校准波长和传感波长的腔衰荡时间常数的影响完全一样，因此，通过求校准波长和传感波长的腔衰荡时间常数差，即可消除外界外境参数和光源波长漂移对系统性能的影响；

第三、为了降低光纤环形腔的损耗，在光纤环形腔中增加了1个掺铒光纤放大器（EDFA），以提高腔的品质因子，同时增加了1个去除EDFA噪声的光纤光栅；

第四、在接收端，采用两个光滤波器，分别让校准波长和传感波长通过，这样可同时测量校准波长和传感波长的腔衰荡时间常数。

本发明的技术效果是：本发明采用双波长可调谐窄线宽激光器，使其中一个波长用作传感波长，位于传感光纤光栅透射带的边缘；另一个波长用作校准波长，位于校准光纤光栅透射带的边缘。精确控制校准光纤光栅所处的温度和应变，通过测量传感波长和校准波长的腔衰荡时间常数差，即可获取传感光纤光栅所处的温度或应变，并消除光源波长漂移及环境因素对系统性能的影响。

附图说明

图1是本发明的结构示意图。

图2为校准光纤光栅和传感光纤光栅的波形关系图。

在图中，1、双波长可调谐窄线宽激光器   2、光开关   3、光耦合器Ⅰ  4、校准光纤光栅   5、传感光纤光栅   6、 掺铒光纤放大器  7、光环形器   8、去噪光纤光栅   9、光耦合器Ⅱ  10、光纤环形腔   11、 光耦合器Ⅲ   12、光滤波器Ⅰ  13、光滤波器Ⅱ  14、光电探测器Ⅰ  15、光电探测器Ⅱ  16、 信号处理器。

具体实施方式

如图1所示，本发明是这样来实现的，它包括双波长可调谐窄线宽激光器1、光开关2、光耦合器Ⅰ3、校准光纤光栅4、传感光纤光栅5、掺铒光纤放大器6、光环形器7、去噪光纤光栅8、光耦合器Ⅱ9、光纤环形腔10、光耦合器Ⅲ11、光滤波器Ⅰ12、光滤波器Ⅱ13、光电探测器Ⅰ14、光电探测器Ⅱ15和信号处理器16，其结构特点是双波长可调谐窄线宽激光器1和光耦合器Ⅰ3之间连接有光开关2，光纤环形腔10沿顺时针方向依次连接光耦合器Ⅰ3、校准光纤光栅4、传感光纤光栅5、掺铒光纤放大器6、光环形器7和光耦合器Ⅱ9，光环形器7还与去噪光纤光栅8相连，光耦合器Ⅲ11连接光耦合器Ⅱ9，光滤波器Ⅰ12和光滤波器Ⅱ13均与光耦合器Ⅲ11相连，光滤波器Ⅰ12和信号处理器16之间连有光电探测器Ⅰ14，光滤波器Ⅱ13和信号处理器16之间连有光电探测器Ⅱ15；所述的光耦合器Ⅰ3和光耦合器Ⅱ9分光比均为1:99；所述的光耦合器Ⅲ11的损耗为3dB。

 本发明的工作过程是这样的，在光纤环形腔10中有两个光纤光栅，一个是校准光纤光栅4，另一个是传感光纤光栅5。其中，除了谐振波长不同外，校准光纤光栅4和传感光纤光栅5的透射谱形状完全一样，但是，校准光纤光栅的透射带要位于传感光纤光栅平坦透射谱处，如图2所示；波长可调谐窄线宽激光器1输出两个波长的光信号，其中一个波长作为校准波长，位于校准光纤光栅透射谱的边带；另一个波长作为传感波长，位于传感光纤光栅透射谱的边带。输出的双波长光信号经光开关2和1：99的光耦合器Ⅰ3后进入光纤环形腔10。在光纤环形腔10中，双波长光信号首先经过校准光纤光栅4，然后在进入传感光纤光栅5。为了补偿光纤环形腔的损耗，从传感光纤光栅5出来的光进入掺铒光纤放大器6（EDFA）进行放大。为了去除EDFA引起的自发辐射噪声，从EDFA出来的光经光环形器7后进入去噪光纤光栅8，去除了大部分自发辐射噪声的光信号从去噪光纤光栅8中反射回光环形器7，再经1：99的光耦合器Ⅱ9分成二部分，其中99%的光进入光纤环形腔10，进行下一个循环；1%的光进入3dB光耦合器Ⅲ11进行检测，然后再进入光滤波器Ⅰ12和光滤波器Ⅱ13。光滤波器Ⅰ12只让校准波长光信号通过，光滤波器Ⅱ13只让传感波长光信号通过。从光滤波器分离的校准波长光信号和传感波长光信号分别进入光电探测器Ⅰ14和光电探测器Ⅱ15，然后再进行信号处理，获取各自的腔衰荡时间常数。从校准波长的腔衰荡时间常数与传感波长的腔衰荡时间常数之差，便可获得外界温度或应变。

Claims (3)

1.一种基于校准光纤光栅的腔衰荡光纤光栅传感解调装置，它包括双波长可调谐窄线宽激光器、光开关、光耦合器Ⅰ、校准光纤光栅、传感光纤光栅、 掺铒光纤放大器、光环形器、去噪光纤光栅、光耦合器Ⅱ、光纤环形腔、光耦合器Ⅲ、光滤波器Ⅰ、光滤波器Ⅱ、光电探测器Ⅰ、光电探测器Ⅱ和信号处理器，其特征在于双波长可调谐窄线宽激光器和光耦合器Ⅰ之间连接有光开关，光纤环形腔沿顺时针方向依次连接光耦合器Ⅰ、校准光纤光栅、传感光纤光栅、掺铒光纤放大器、光环形器和光耦合器Ⅱ，光环形器还与去噪光纤光栅相连，光耦合器Ⅲ连接光耦合器Ⅱ，光滤波器Ⅰ和光滤波器Ⅱ均与光耦合器Ⅲ相连，光滤波器Ⅰ和信号处理器之间连有光电探测器Ⅰ，光滤波器Ⅱ和信号处理器之间连有光电探测器Ⅱ。

2.如权利要求1所述的基于校准光纤光栅的腔衰荡光纤光栅传感解调装置，其特征在于所述的光纤环形腔中同时存在校准光纤光栅和传感光纤光栅。

3.如权利要求2所述的基于校准光纤光栅的腔衰荡光纤光栅传感解调装置，其特征在于通过精确控制所述的校准光纤光栅所处的温度和应变，从而消除光源波长漂移及环境因素对系统测量精度的影响。

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