CN103913423A - 脉冲宽带光源大容量光子晶体光纤气体检测方法与系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及光纤传感检测技术领域，为为大幅度提高光纤气体传感检测系统的容量，提出一种可容用户数量大、成本低、实时性好、传输损耗低、抗电磁干扰能力强，能够同时实现对多用户进行检测的光子晶体光纤传感系统。为此，本发明采取的技术方案是，脉冲宽带光源大容量光子晶体光纤气体检测方法与系统，包括下列步骤：利用信号发生装置发出的射频（RF）信号通过电光调制器对宽带光源的输出光进行调制，形成时域脉冲调制宽带光信号；调制宽带光信号经过光合路器被等分成M路光信号；由光合路器输出的M路光信号经过M个不同工作波长的密集波分复用器（DWDM）实现波分复用，以实现对2M个不同用户的检测。本发明主要应用于气体检测。

Description

脉冲宽带光源大容量光子晶体光纤气体检测方法与系统

技术领域

本发明涉及光纤传感检测技术领域，具体讲，涉及基于脉冲宽带光源的大容量光时分复用(OTDM)-密集波分复用(DWDM)光子晶体光纤气体传感检测系统。 

技术背景

光纤气体传感由于具有抗电磁干扰能力强、可靠性高、便于组网远程检测等优势，而被广泛地应用于环境治理、化工生产、电力电气等行业对有毒、有害气体的检测。 

光子晶体光纤(PCF)是一种新型的光纤，由于其特有的导光和控光特性成为当前材料学、光电子学、物理学、生物学、化学、微电子等众多交叉学科的研究热点。相比于传统的光纤，光子晶体光纤具有更大的优势，逐步在光通信、光纤激光器、高分辨率滤波器、高功率传输器件、高灵敏度传感等方面得到广泛的应用。 

利用光子带隙原理导光的光子晶体光纤可以实现激光在空气纤芯区的传播，通过在光子晶体光纤内部机构的设计优化可以将95％的光限制在空气纤芯区，为光与物质的相互作用提供良好的环境。附图1是丹麦NKT公司商品化生产的两种空心光子晶体光纤的横截面图，其中心空气孔直径均为10微米，该空心光子晶体光纤在保证光以低损耗传输的同时，空的纤芯区域可以作为光信号的吸收池，实现有效、稳定的全光纤气室。专利CN102279154A提出了一种应用该光子晶体光纤制作的气室，可用于气体光谱测量，痕量测量，以及气体分子非线性光学现象的研究。 

相较于光子晶体光纤气体传感器的多元化，光子晶体光纤气体传感网络方面就鲜有文献的报道。然而，在实际气体传感应用中，使用昂贵的光学器件仅仅得到单一检测点的信息会大大增加检测的成本，因此建立一个大用户容量的气体传感网，对于共用昂贵的光学器件，如光源、电光调制器、光探测器等，降低每个接入用户的成本是十分必要和具有重要实际意义的。 

发明内容

为克服现有技术的不足，为大幅度提高光纤气体传感检测系统的容量，提出一种可容用户数量大、成本低、实时性好、传输损耗低、抗电磁干扰能力强，能够同时实现对多用户进行检测的光子晶体光纤传感系统。为此，本发明采取的技术方案是，脉冲宽带光源大容量光子晶体光纤气体检测方法，包括下列步骤：利用信号发生装置发出的射频(RF)信号通过电光调制器对宽带光源的输出光进行调制，形成时域脉冲调制宽带光信号；调制宽带光信号经过光合路器被等分成M路光信号；由光合路器输出的M路光信号经过M个不同工作波长的密集波分复用器(DWDM)实现波分复用，使得每一路波分复用信号具有不同的中心波长，使每一路波分复用信号经过1×2光纤耦合器分成两路光信号，一路直接用于PCF气室中气体的检测；另一路经过光纤延迟线后用于PCF气室中气体的检测；1×2光纤耦合器分成两路光信号分别经过PCF气室后再通过对应的光纤耦合器合成一路光信号，因而从PCF气室中输出 的2M路光信号经过对应的光纤耦合器后实现M路光信号的输出，在光纤延迟线的作用下实现光时分复用，从而实现对光信号的时分复用和波分复用；M路OTDM-DWDM光信号经过另一个光合路器由光谱接收系统接收、计算分析，以实现对2M个不同用户的检测。 

光纤延迟线采用普通的单模光纤实现，需保证信号发生装置产生的调制RF信号低电平的时间大于等于高电平的时间；同时保证光的延迟时间大于等于信号发生装置产生的调制RF信号高电平的时间；将调制RF信号设置为高低电平具有相同的时间周期，从而保证光纤延迟的时间等于脉冲信号的脉宽，便于对接收信号的分析； 

延迟时间由公式(a)所确定： 

$\mathrm{\ΔT}=\frac{\mathrm{nL}}{c}---\left(a\right)$

其中L为单模光纤的长度，c为光在真空中的传播速度，n为光纤的有效折射率。 

脉冲宽带光源大容量光子晶体光纤气体检测系统，结构为：宽带光源经过所述电光调制器时，受到所述信号发生装置发出的RF信号的调制，输出时域脉冲调制宽带光信号；调制宽带光信号经过光合路器被等分成M路光信号；由光合路器输出的M路光信号经过M个不同工作波长的密集波分复用器(DWDM)实现波分复用，使得每一路波分复用信号具有不同的中心波长，每一路波分复用信号经过1×2光纤耦合器分成两路光信号，一路直接用于PCF气室中气体的检测；另一路经过光纤延迟线后用于PCF气室中气体的检测；1×2光纤耦合器分成的两路光信号分别经过PCF气室后再通过对应的光纤耦合器合成一路光信号，因而从PCF气室中输出的2M路光信号经过对应的光纤耦合器后实现M路光信号的输出，在光纤延迟线的作用下实现光时分复用，从而实现对光信号的时分复用和波分复用；M路OTDM-DWDM光信号经过另一个光合路器由光谱接收系统接收、计算分析，以实现对2M个不同用户的检测。 

经过密集波分复用器(DWDM)输出的光信号进入的1×2光耦合器具有70:30的分光比，并且具有70分光比的一路光信号连接光纤延迟线，以方便后续数据的处理与分析。 

如果气体的可用吸收峰数为M，即使用M个DWDM，通过调节光纤延迟线的时间延迟分布，对每一路波分复用实现N个不同的时间延迟，则系统的最大容纳用户数为M×N。 

通过50：50的光耦合器将工作气室与空的气室相并联，以消除环境因素对测量结果的影响，以提高检测精度。 

本发明具备下列技术效果： 

本发明采用具有很强生命力的光时分复用，在有效地克服电子带宽的“瓶颈”的同时，可充分利用低损耗带宽资源，并且只需单个光源即可实现多用户的监测，同时采用普通的单模光纤即可实现光路的延迟，从而可以大大降低时分复用的成本。密集波分复用可以更有效地利用气体的各个吸收峰，极大的扩大可检测用户的数量。光时分复用和波分复用技术的结合使得尽可能多的用户均分昂贵的光源，从而可大大降低接入用户的成本。同时采用光子晶体光纤作为气体检测的气室，具有传输损耗低、检测灵敏度高等优点本发明可被广泛地应用于诸如甲烷(CH4)、乙炔(C2H2)、一氧化碳(CO)、一氧化氮(NO)等具有多吸收峰、易燃易爆、 有毒气体的检测。本发明市场前景好，大用户容量实现方式简单，具有良好的技术转化基础。由于本发明专利是我们自主知识产权，并且可以大大降低用户的接入成本，因此可以实现广泛的社会效益。 

附图说明

附图1为He-1550-02空芯光子晶体光纤端面图。 

附图2为基于OTDM-DWDM的光子晶体光纤传感检测网络。 

附图3为分路器各端口输出光的时序图。 

附图4为光耦合器30％端口经气室输出光的时序图。 

附图5为光耦合器70％端口经延迟线和气室输出光的时序图。 

附图6为合路器输出光的时序图。 

1—宽带光源                      2—信号发生装置              3—光分路器 

41—DWDM  Ⅰ                      42—DWDM  Ⅱ               43—DWDMM 

51—光纤耦合器Ⅰ                52—光纤耦合器Ⅱ             53—光纤耦合器M 

61—光纤延迟线Ⅰ                62—光纤延迟线Ⅱ             63—光纤延迟线M 

71—光子晶体光纤气室Ⅰ          72—光子晶体光纤气室Ⅱ 

73—光子晶体光纤气室Ⅲ          74—光子晶体光纤气室Ⅳ 

75—光子晶体光纤气室2M-1        76—光子晶体光纤气室2M 

8—光合路器                      9—光谱接收系统             10—计算分析系统 

11—电光调制器 

图7实现光子晶体光纤气体传感检测网系统的构建、分析方式示意图。 

图8由于气室在使用过程中难免会受到环境因素的影响示意图。 

具体实施方式

本发明采用光时分复用和波分复用增加光信号传输、检测的维度，提出一种大容量的光纤气体传感检测系统，可以容纳更多的接入用户，从而极大地降低了极大用户的平均成本。 

本发明提出的基于脉冲宽带光源的大容量OTDM-DWDM气体传感检测系统可极大的增加检测用户的数量，并且具有传输损耗低、检测灵敏度高、结构简单、实时性好、易实现、单用户成本低等优点。同时，该光纤气体传感系统具有高的可移植性，可以使光纤传感系统得到更大范围的应用。 

本光子晶体光纤气体传感网系统主要是利用光时分复用和波分复用相结合原理，同时实现对宽带光信号的时分复用和波分复用，以达到容纳更多的接入用户、极大降低单用户成本的目的。 

本发明是利用下述技术方案实现的：所述宽带光源经过所述电光调制器时，受到所述信号发生装置发出的RF信号的调制，输出时域脉冲调制宽带光信号。所述调制宽带光信号经过所述光合路器被等分成M路光信号，输出光路数可以视用户数所确定。由所述光合路器输出的M路光信号经过所述M个不同工作波长的密集波分复用器(DWDM)实现波分复用， 使得每一路波分复用信号具有不同的中心波长，以用于检测气体的不同的吸收峰，同时区分不同的用户。所述每一路波分复用信号经过所述光纤耦合器分成两路光信号。由1×2光纤耦合器输出的两路光信号，一路直接用于所述PCF气室中气体的检测；另一路经过所述光纤延迟线后用于所述PCF气体气室中气体的检测。从所述PCF气室中输出的2M光信号经过所述光纤耦合器实现M路光信号的输出，在所述光纤延迟线的作用下实现光时分复用，从而实现对光信号的时分复用和波分复用。所述M路OTDM-DWDM光信号经过所述光合路器由所述光谱接收系统接收、所述计算分析系统计算分析，以实现对2M个不同用户的检测。 

如果气体的可用吸收峰数为M，即使用M个DWDM，通过调节光纤延迟线的时间延迟分布，可以对每一路波分复用实现N个不同的时间延迟，则系统的最大容纳用户数为M×N。 

下面结合具体实施方式对本发明作进一步详细地描述。 

如附图2所示，本发明基于脉冲宽带光源的大容量OTDM+DWDM光子晶体光纤气体传感网系统主要包括以下三部分：调制光信号产生系统、传感检测系统网、接收分析系统。三部分的有机结合实现本发明提出的大容量光纤气体传感检测网系统。所述调制光信号产生系统主要包括宽带光源(1)、电光调制器(11)、信号发生装置(2)、光分路器(3)；所述传感检测系统主要包括DWDMⅠ(41)、DWDMⅡ(42)、DWDM M(43)、光纤耦合器Ⅰ(51)、光纤耦合器Ⅱ(52)、光纤耦合器M(53)、光纤延迟线Ⅰ(61)、光纤延迟线Ⅱ(62)、光纤延迟线M(63)、光子晶体光纤气室Ⅰ(71)、光子晶体光纤气室Ⅱ(72)、光子晶体光纤气室Ⅲ(73)、光子晶体光纤气室Ⅳ(74)、光子晶体光纤气室2M-1(75)、光子晶体光纤气室2M(76)；所述接收分析系统主要包括光合路器(8)、光谱接收系统(9)、计算分析系统(10)。 

如附图2所示，本发明传感检测网系统的工作过程是：宽带光源(1)产生一宽带光信号，该信号经过电光调制器(11)时受到信号发生装置(2)产生的RF信号的调制，由电光调制器(11)输出调制的时间序列脉冲宽带光信号。该信号被光分路器(3)等分成M等份(视用户数所定)。 

类似地，从光分路器输出的第一路光信号经过DWDMⅠ(41)输出为附图3所示的时间序列信号，而信号的中心波长与DWDMⅠ(41)工作波长λ1相一致。经DWDMⅠ(41)的时间序列信号经过70：30的光耦合器Ⅰ(51)分成强度比为70:30的两路光信号。强度为30的信号，如附图4所示，直接进入光子晶体光纤气室Ⅰ(71)；强度为70的光信号经过光纤延迟线Ⅰ(61)产生△T1的时间延迟，如附图5所示，然后进入光子晶体光纤气室Ⅱ(72)。70:30光耦合器Ⅰ(51)输出的两路光信号经过各自气室之后经光合路器(8)合成一路光信号，其时间序列如附图6所示。 

类似地，从光分路器输出的第二路光信号经过DWDMⅡ(42)输出为附图3所示的时间序列信号，而信号的中心波长与DWDMⅡ(42)工作波长λ2相一致。经DWDMⅡ(42)的时间序列信号经过70：30的光耦合器Ⅱ(52)分成强度比为70:30的两路光信号。强度为30的信号，如附图4所示，直接进入光子晶体光纤气室Ⅲ(73)；强度为7的光信号经过光纤延迟线Ⅱ(62)产生△T2的时间延迟，如附图5所示，然后进入光子晶体光纤气室Ⅳ(74)。70:30光耦合器Ⅱ(52)输出的两路光信号经过各自气室之后经光合路器(8)合成一路光信号，其时间序列如附图6所示。 

类似地，从光分路器输出的第M路光信号经过DWDM M(43)输出为附图3所示的时间序列信号，而信号的中心波长与DWDM M(43)工作波长λM相一致。经DWDM M(43)的时间序列信号经过70：30的光耦合器M(53)分成强度比为70:30的两路光信号。强度为30的信号，如附图4所示，直接进入光子晶体光纤气室2M-1(75)；强度为7的光信号经过光纤延迟线M(63)产生△T3的时间延迟，如附图5所示，然后进入光子晶体光纤气室2M(76)。70:30光耦合器M(53)输出的两路光信号经过各自气室之后经光合路器(8)合成一路光信号，其时间序列如附图6所示。 

2M个光子晶体光纤气室输出的2M路光信号时间序列经光合路器(8)进行光束合并输出一路光信号。由光合路器(8)输出的一路光信号经光谱接收系统(9)接收、计算分析系统(10)分析得到各个气室的检测信息，实现光子晶体光纤气体传感检测网系统的构建，分析方式如附图7所示：在同一时间输出不同波长，同时对于同一波长在不同时刻进行输出。 

由光分路器得到的M路光信号，经过M个耦合器后输出2M路光信号，其中的M路光信号经过光纤延迟线产生一时间延迟经过M个PCF气室输出M路光信号；另外M路光信号直接经过M个PCF气室输出M路光信号；输出的2M路光信号经光合路器输出一路光信号，其光时分复用和波分复用输出如附图7所示。该二维输出光信号经过光谱分析系统输入到计算分析系统，得到各个用户的检测信息。 

为使得本发明提出的光纤旋转连接器的性能达到最优，在实施过程中需保证： 

(1)经过密集波分复用器(DWDM)输出的光信号进入的光耦合器具有70:30的分光比，并且具有70分光比的一路光信号连接光纤延迟线，以弥补光信号在经过光纤延迟线带来的损耗。保证光耦合器具有不同的分光比可以保证后续光信号分析的可靠性。 

(2)光纤延迟线可以采用普通的单模光纤实现。需保证信号发生装置产生的调制RF信号低电平的时间大于等于高电平的时间；同时保证光的延迟时间大于等于信号发生装置产生的调制RF信号高电平的时间。将调制RF信号设置为高低电平具有相同的时间周期，从而保证光纤延迟的时间等于脉冲信号的脉宽，便于对接收信号的分析。 

延迟时间由公式(a)所确定： 

$\mathrm{\ΔT}=\frac{\mathrm{nL}}{c}---\left(a\right)$

其中L为单模光纤的长度，c为光在真空中的传播速度，n为光纤的有效折射率。 

(3)通过更换密集波分复用器DWMD的工作波长，可将各个PCF气室用于不同气体的检测，以扩大本传感检测网络的应用范围。 

(4)由于气室在使用过程中难免会受到环境因素的影响，如附图8所示，可通过50：50的光耦合器将工作气室与空的气室相并联，以消除环境因素对测量结果的影响，以提高检测精度。 

尽管上面结合图对本发明进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨的情况下，还可以作出很多变形，这些均属于本发明的保护之内。 

Claims (6)

1.一种脉冲宽带光源大容量光子晶体光纤气体检测方法，其特征是，包括下列步骤：利用信号发生装置发出的射频(RF)信号通过电光调制器对宽带光源的输出光进行调制，形成时域脉冲调制宽带光信号；调制宽带光信号经过光合路器被等分成M路光信号；由光合路器输出的M路光信号经过M个不同工作波长的密集波分复用器(DWDM)实现波分复用，使得每一路波分复用信号具有不同的中心波长，使每一路波分复用信号经过1×2光纤耦合器分成两路光信号，一路直接用于PCF气室中气体的检测；另一路经过光纤延迟线后用于PCF气室中气体的检测；1×2光纤耦合器分成两路光信号分别经过PCF气室后再通过对应的光纤耦合器合成一路光信号，因而从PCF气室中输出的2M路光信号经过对应的光纤耦合器后实现M路光信号的输出，在光纤延迟线的作用下实现光时分复用，从而实现对光信号的时分复用和波分复用；M路OTDM-DWDM光信号经过另一个光合路器由光谱接收系统接收、计算分析，以实现对2M个不同用户的检测。 

2.如权利要求1所述的脉冲宽带光源大容量光子晶体光纤气体检测方法，其特征是，光纤延迟线采用普通的单模光纤实现，需保证信号发生装置产生的调制RF信号低电平的时间大于等于高电平的时间；同时保证光的延迟时间大于等于信号发生装置产生的调制RF信号高电平的时间；将调制RF信号设置为高低电平具有相同的时间周期，从而保证光纤延迟的时间等于脉冲信号的脉宽，便于对接收信号的分析； 

延迟时间由公式(a)所确定： 

其中L为单模光纤的长度，c为光在真空中的传播速度，n为光纤的有效折射率。 

3.一种脉冲宽带光源大容量光子晶体光纤气体检测系统，其特征是，结构为：宽带光源经过所述电光调制器时，受到所述信号发生装置发出的RF信号的调制，输出时域脉冲调制宽带光信号；调制宽带光信号经过光合路器被等分成M路光信号；由光合路器输出的M路光信号经过M个不同工作波长的密集波分复用器(DWDM)实现波分复用，使得每一路波分复用信号具有不同的中心波长，每一路波分复用信号经过1×2光纤耦合器分成两路光信号，一路直接用于PCF气室中气体的检测；另一路经过光纤延迟线后用于PCF气室中气体的检测；1×2光纤耦合器分成的两路光信号分别经过PCF气室后再通过对应的光纤耦合器合成一路光信号，因而从PCF气室中输出的2M路光信号经过对应的光纤耦合器后实现M路光信号的输出，在光纤延迟线的作用下实现光时分复用(OTDM)，从而实现对光信号的时分复用和波分复用；M路OTDM-DWDM光信号经过另一个光合路器由光谱接收系统接收、计算分析，以实现对2M个不同用户的检测。 

4.如权利要求4所述的脉冲宽带光源大容量光子晶体光纤气体检测系统，其特征是，经过密集波分复用器(DWDM)输出的光信号进入的1×2光耦合器具有70:30的分光比，并且具有70分光比的一路光信号连接光纤延迟线，以方便后续数据的处理与分析。 

5.如权利要求4所述的脉冲宽带光源大容量光子晶体光纤气体检测系统，其特征是，如果气体的可用吸收峰数为M，即使用M个DWDM，通过调节光纤延迟线的时间延迟分布，对每一路波分复用实现N个不同的时间延迟，则系统的最大容纳用户数为M×N。 

6.如权利要求4所述的脉冲宽带光源大容量光子晶体光纤气体检测系统，其特征是，通过50：50的光耦合器将工作气室与空的气室相并联，以消除环境因素对测量结果的影响，以提高检测精度。