CN103776475A - 基于线性滤波器和光电探测器的光纤传感器及传感方法 - Google Patents

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张森林
周斌
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Abstract

本发明公开了一种基于线性滤波器和光电探测器的光纤传感器及传感方法。本发明包括宽带光源、线性滤波器、光纤布拉格光栅和光电探测器，宽带光源发出的宽带光首先进入线性滤波器、经过该线性滤波器的调制，输出光强度随波长呈线性变化的入射光源，此光源入射到光纤布拉格光栅处；光纤布拉格光栅所处的环境参数对反射光信号的波长进行调制，使反射光信号波长相对于所述光纤布拉格光栅的本征反射波长产生漂移；光电探测器对反射信号的光强度进行检测，进而由光强度与波长的线性关系得出当前光纤布拉格光栅所处的环境参数，完成检测。本发明将波长检测转换为光强度检测，能够避免使用昂贵的光谱仪器进行光纤传感，有效降低了成本。

Description

基于线性滤波器和光电探测器的光纤传感器及传感方法
技术领域
本发明属于光纤传感领域，特别涉及一种基于线性滤波器和光电探测器的光纤传感器及传感方法。
背景技术
光纤布拉格光栅是在光纤芯层中制作出周期性折射率变化以实现反射特定光波长（布拉格波长）性能的器件。由于这种折射率分布很容易受到应力、温度等的影响而发生变化，因此布拉格波长也会随外界环境参数的变化而变化。一般地，相对布拉格波长漂移与应力或者温度的变化呈线性相关关系。因此，光纤布拉格光栅可以应用于应力、温度等环境参数的直接检测。
在一般的光纤布拉格光栅传感器或传感系统中，光谱仪通常被用来检测布拉格光栅反射信号的波长，以此获得布拉格波长的漂移，进而根据其与应力或者温度等的变化的线性关系求得环境参数。但是这种手段并不是那么便携，因为波长分辨率较高、对环境温度等因素不敏感的光谱仪通常体积比较庞大，而且价格相当昂贵，这也限制了以光谱仪作为分析手段的光纤布拉格光栅传感器或传感系统的应用范围。如果能够将波长的检测转变成其他光信号参数的检测，最为常见的如光强度的检测，则能够直接采用光电探测器实现光纤传感。
硅光子学因为其与先进的CMOS工艺的兼容性、器件的紧凑性、廉价的制造成本、优越的性能等特性，被越来越多地应用于光互联、光路由和信号处理、长距离通信、光传感以及生物医疗等领域。应用硅光子学技术制作的片上集成无源器件如微环谐振器、马赫曾德干涉仪、直接耦合器等在光通信及光传感等领域获得了广泛的应用。
采用硅光子学技术实现的微环谐振器等器件可以获得在一定波段内近似线性的滤波特性。因此可以采用片上集成芯片对信号进行处理，实现波长检测与光强度检测的等效关系，完成光纤传感。
综上，考虑利用片上集成线性滤波器和光电探测器来实现光纤传感，能够有效替代光谱仪，对于降低光纤布拉格光栅传感的价格、拓宽其应用范围具有重要意义。
发明内容
本发明的目的就是针对现有技术的局限性，提供一种基于线性滤波器和光电探测器的光纤布拉格光栅传感器，该传感器通过线性滤波器将入射宽带光源调制为光强度随波长呈线性变化的入射信号，然后由光电探测器检测出反射信号，进而推得环境参数，相较于现有传感器，具有系统结构简单轻便，设备价格低廉的优点。
本发明的另一个目的是提供一种基于上述线性滤波器和光电探测器的传感方法。该传感方法通过检测光纤布拉格光栅反射信号的强度来实现波长信号的检测，进而实现温度、应力等环境参数的传感，具有结构简单、实现方便、价格低廉的优势。
本发明的目的通过以下的技术方案实现：基于线性滤波器和光电探测器的光纤传感器，包括宽带光源、线性滤波器、光纤布拉格光栅和光电探测器，其中宽带光源发出的宽带光首先进入线性滤波器，经过该线性滤波器的调制，输出光强度随波长呈线性变化的入射光源，此光源入射到光纤布拉格光栅处；所述光纤布拉格光栅所处的环境参数对反射光信号的波长进行调制，使反射光信号波长相对于所述光纤布拉格光栅的本征反射波长产生漂移；所述光电探测器对反射信号的光强度进行检测，进而由光强度与波长的线性关系得出当前光纤布拉格光栅所处的环境参数，完成检测。 
具体的，所述基于线性滤波器和光电探测器的光纤传感器还包括1×N光纤耦合器和2×1光纤耦合器。所述宽带光源发出的宽带光经过所述线性滤波器调制之后进入1×N光纤耦合器，分成N路,其中任意一路进入光纤布拉格光栅进行传感，反射信号经由2×1光纤耦合器进入相应的光电探测器实现对当前一路光纤环境参数的检测。
更进一步的，所述线性滤波器的滤波特性应该对工作环境温度的变化不敏感，即该滤波器的热光效应（工作环境温度的变化导致其滤波谱线的漂移）应该在0.1pm/K及以下。
一种基于线性滤波器和光电探测器的光纤传感方法，包括以下步骤：通过将宽带光源发出的宽带光进行调制形成光强度随波长呈线性变化的入射光后，经过置于待测环境中的光纤布拉格光栅反射后由光电探测器检测反射信号的光强度；由不同光强度与不同波长信号一一对应的线性关系获得反射信号的波长；根据反射信号的波长相对于光纤布拉格光栅中心反射波长的漂移与周围环境参数的关系，获取周围环境的参数，完成传感过程。
具体的，包括以下步骤：
（1）将光纤布拉格光栅置于待检测环境中，开启宽带光源。
（2）宽带光源发出的宽带光经过线性滤波器被调制成光强度随波长线性变化的光信号，然后通过1×N光纤耦合器分成N路，每一路分别入射到光纤布拉格光栅处。
（3）光纤布拉格光栅的有效折射率因受到周围环境参数的影响而发生改变，使反射信号波长相对于光纤布拉格光栅的本征反射波长有所漂移。
（4）反射信号经由2×1光纤耦合器入射到光电探测器上，检测出反射信号的光强度，通过不同波长的光信号与光强度的一一对应关系推出反射信号的波长，再根据该波长相对于光纤布拉格光栅本征反射信号波长的漂移量反推出待测环境参数，实现光纤检测。
本发明与现有技术相比，具有如下优点和有益效果：
1、本发明中线性滤波器采用片上集成技术实现，与现有CMOS技术兼容，具有结构紧凑，性能优越稳定，价格低廉的优势。
2、本发明将波长检测转换为光强度检测，能够避免使用昂贵的光谱仪器进行光纤传感，有效降低了成本，并且增强了传感系统的便携性，拓宽了其应用场合。
附图说明
图1是本发明装置的结构示意图。
图2a是线性滤波器的俯视图。
图2b是线性滤波器的剖视图。
具体实施方式
下面结合实施例及附图对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。
实施例1
如图1所示，本实施例基于线性滤波器和光电探测器的光纤布拉格光栅传感器，包括宽带光源（如超辐射发光二极管宽带光源（SLED））1、线性滤波器（Filter）2、光纤耦合器（Coupler）（包括1×N光纤耦合器3和2×1光纤耦合器4）、光纤布拉格光栅（FBG）5以及光电探测器（PD）6。其中，宽带光源1通过光纤与线性滤波器2输入端口连接；线性滤波器的输出端口与1×N光纤耦合器3的输入端口连接；1×N光纤耦合器3的N个输出端口分别和光电探测器6的输入端口一起与2×1光纤耦合器4的输入端口连接；2×1光纤耦合器4的输出端口与光纤布拉格光栅5连接。
如图2a和图2b所示，本实施例所使用的线性滤波器采用常见的微环谐振器，包括直波导2-1、微环2-2，其中，波导芯层采用硅材料2-3，上下包层分别采用SU8聚合物2-4和二氧化硅材料2-5。
本实施例所述传感器采用如下的传感方法：通过将宽带光源发出的宽带光进行调制形成光强度随波长呈线性变化的入射光后，经过置于待测环境中的光纤布拉格光栅反射后由光电探测器检测反射信号的光强度；由不同光强度与不同波长信号一一对应的线性关系获得反射信号的波长；根据反射信号的波长相对于光纤布拉格光栅中心反射波长的漂移与周围环境参数的关系，获取周围环境的参数，实现光纤传感过程。
具体的，包括以下步骤：
    （1）将光纤布拉格光栅（FBG）5置于待检测环境中，开启宽带光源1；
（2）宽带光源1发出的宽带光经过线性滤波器（Filter）2被调制成光强度随波长线性变化的光信号，然后通过1×N光纤耦合器（Coupler）3分成N路，每一路分别入射到光纤布拉格光栅（FBG）5处； 
（3）光纤布拉格光栅（FBG）5的有效折射率因受到周围环境参数的影响而发生改变，使反射信号波长相对于光纤布拉格光栅的本征反射波长有所漂移；
（4）反射信号经由2×1光纤耦合器（Coupler）4入射到光电探测器（PD）6上，检测出反射信号的光强度，通过不同波长的光信号与光强度的一一对应关系推出反射信号的波长，再根据该波长相对于光纤布拉格光栅本征反射信号波长的漂移量反推出待测环境参数，实现光纤传感检测。
本实施例中，宽带光源（如超辐射发光二极管宽带光源（SLED））1、光电探测器（PD）1×N光纤耦合器3和2×1光纤耦合器4、光纤布拉格光栅（FBG）5均为现有的成熟产品，而所需的线性滤波器可以采用先进的商业化CMOS工艺制作，利用这些现有或可以轻易实现的产品具有的功能，构建的本实施例所述系统，能够避免使用传统的光纤传感系统中必须采用的光谱仪器，因此大大降低了传感系统的成本，并有效减小了系统的体积，拓宽了其应用范围，具有较大的推广应用价值。
上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.基于线性滤波器和光电探测器的光纤传感器，其特征在于：包括宽带光源、线性滤波器、光纤布拉格光栅和光电探测器，其中宽带光源发出的宽带光经过线性滤波器进行调制，形成光强度随波长呈线性变化的入射光源入射至光纤布拉格光栅；所述光纤布拉格光栅所处的环境参数对反射信号的波长进行调制；所述光电探测器对反射信号的光强度进行检测，进而由光强度与波长的线性关系得出当前光纤所处的环境参数，完成检测。
2.根据权利要求1所述的基于线性滤波器和光电探测器的光纤传感器，其特征在于：还包括1×N光纤耦合器和2×1光纤耦合器，所述宽带光源发出的宽带光经过线性滤波器调制之后进入1×N光纤耦合器，分成N路,其中任意一路进入光纤布拉格光栅进行传感，反射信号经由2×1光纤耦合器进入光电探测器实现对当前光纤环境参数的检测。
3.根据权利要求1或2所述的基于线性滤波器和光电探测器的光纤传感器，其特征在于：所述线性滤波器的滤波特性应该对工作环境温度的变化不敏感，即工作环境温度的变化导致其滤波谱线的漂移应该在0.1pm/K及以下。
4.基于线性滤波器和光电探测器的光纤传感方法，其特征在于该方法使用权利要求1所述的光纤传感器，包括以下步骤：
通过将宽带光源发出的宽带光进行调制形成光强度随波长呈线性变化的入射光后，经过置于待测环境中的光纤布拉格光栅反射后由光电探测器检测反射信号的光强度；
由不同光强度与不同波长信号一一对应的线性关系获得反射信号的波长；
根据反射信号的波长相对于光纤布拉格光栅中心反射波长的漂移与周围环境参数的关系，获取周围环境的参数。
5.基于线性滤波器和光电探测器的光纤传感方法，其特征在于该方法使用权利要求2所述的光纤传感器，包括以下步骤：
将光纤布拉格光栅置于待检测环境中，开启宽带光源；
宽带光源发出的光经过线性滤波器变成光强度随波长线性变化的光信号，然后通过1×N光纤耦合器分成N路，每一路分别入射到光纤布拉格光栅处； 
光纤布拉格光栅的有效折射率因受到周围环境参数的影响而发生改变，使反射信号波长相对于本征反射信号波长有所漂移；
反射信号经由2×1光纤耦合器入射到光电探测器上，检测出反射信号的光强度，通过不同波长的光信号与光强度的一一对应关系推出反射信号的波长，再根据该波长相对于光纤布拉格光栅本征反射信号波长的漂移量反推出待测环境参数，实现光纤检测。
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