CN104880208A - 一种光波长探测器、光波长探测系统及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种光波长探测器，该光波长探测器由n个可调谐F-P腔滤波器并行排列组成，所述n个可调谐F-P腔滤波器的谐振腔厚度呈阶梯分布；所述光波长探测器一端设置有n个光输入口用于接收n路光信号以作为所述n个可调谐F-P腔滤波器的输入；所述光波长探测器另一端设置n个光输出口用于输出n路经滤波透射的光信号；所述n个可调谐F-P腔滤波器在外部可调谐电源控制下周期性调谐F-P腔滤波器通带波长。本发明能够实现多个光波长的同时解调，同时本发明还具有低成本、高集成度、体积小、便携化的特点。

Description

一种光波长探测器、光波长探测系统及方法
技术领域
本发明涉及光纤传感技术领域，具体涉及一种光波长探测器、光波长探测系统及方法。
背景技术
光纤传感技术是20世纪70年代伴随光纤通信技术的发展而迅速发展起来的，以光波为载体，光纤为媒质，感知和传输外界被测量信号的新型传感技术。作为被测量信号载体的光波不怕电磁干扰，易为各种光探测器件接收，可方便的进行光电或电光转换，易与高度发展的现代电子装置和计算机相匹配。光纤传感技术尤其是基于光纤光栅的光传感技术，以其优越的性能受到越来越多的关注。在这项技术中载有测量信号的光波长探测（解调）是光传感技术的核心，现有的光波长探测方法一般一次只能检测一个特定波长信息，无法实现多波长同时检测输出，尤其对于宽带光源，其包含的波长较多，如果利用现有的波长探测技术需要多次检测才能完成波长的解调，这给实际应用带来了不便。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明提供一种光波长探测器、光波长探测系统及方法，能够实现宽带光波长的同时解调。
为实现上述目的，本发明通过以下技术方案予以实现：
一种光波长探测器，该光波长探测器由n个可调谐F-P腔滤波器并行排列组成，所述n个可调谐F-P腔滤波器的谐振腔厚度呈阶梯分布；
所述光波长探测器一端设置有n个光输入口用于接收n路光信号以作为所述n个可调谐F-P腔滤波器的输入；
所述光波长探测器另一端设置n个光输出口用于输出n个波长的光信号；
所述n个可调谐F-P腔滤波器在外部可调谐电源控制下周期性调谐F-P腔滤波器通带波长。
其中，所述可调谐F-P腔滤波器由一对DBR反射镜和金属加热电极组成，其中一对DBR反射镜构成F-P腔，金属加热电极与外部周期电压信号相连，用于控制F-P腔滤波器的输出波长。
一种应用所述光波长探测器的光波长探测系统，该系统包括：宽带光源、耦合器、光纤、光纤传感器阵列、功分器、光波长探测器、光电检测器阵列、可调谐F-P腔滤波器调谐电源和数据处理单元，
其中，所述宽带光源与耦合器的第一接口相连；
所述耦合器的第二接口和第三接口分别与光纤传感器阵列和功分器的第一接口相连；
所述功分器的第二接口与所述光波长探测器相连；
所述光波长探测器还分别与光电检测器阵列和可调谐F-P腔滤波器调谐电源相连；
所述数据处理单元分别与所述光电检测器阵列和可调谐F-P腔滤波器调谐电源相连。
一种利用所述光波长探测系统的光波长探测方法，该方法包括：
S1：所述数据处理单元控制可调谐F-P腔滤波器调谐电源输出周期性电压，并同步加载到所述光波长探测器中的n个F-P腔滤波器的调谐电极上；
S2：所述宽带光源发出的光经过耦合器到达光纤传感器阵列；
S3：被光纤传感器阵列反射的波长经耦合器到达1:n功分器进行分路，被分成功率相等或不等的n束光，进入到所述光波长探测器中；
S4：所述光波长探测器对同时输入的n束光信号进行滤波；
S5：滤波后的光信号经过光电检测器和数据处理单元的处理，输出若干个解调波长。
其中，所述步骤S4包括：
n束光信号经光波长探测器一端的n个光输入口进入到n个F-P腔滤波器中，当光信号的某一个波长在进入的F-P腔滤波器的调谐波长范围之内，且与F-P腔滤波器的滤波特性匹配时，对应的F-P腔滤波器输出特定波长的光。
其中，所述步骤S5包括：
经过光波长探测器中n个F-P腔滤波器滤波后的光进入到光电检测器阵列中的n个光电检测器中，若某个F-P腔滤波器有波长输出，则对应的光电检测器输出的电流增大，数据处理单元同步监测n个光电检测器的电流变化，若光电检测器的电流增大超过设定的阈值时，存储该光电检测器的序号值，同时读取数据处理单元中存储的F-P腔滤波器调谐电源输出的电压信息，根据数据处理单元中设定的特定序号的光电检测器对应电压和解调波长的关系，输出对应的解调波长。
本发明至少具有如下的有益效果：
1、本发明由厚度呈阶梯变化的多个可调谐F-P腔滤波器并行排列组成的光波长探测器具有比较大的光波探测范围，可调谐F-P腔滤波器的个数和单个可调谐F-P腔滤波器的动态调谐范围决定了光波长探测器的探测范围。
2、本发明提出的光波长探测器将多个可调谐F-P腔滤波器集成在一起，体积小，方便应用。
3、利用上述宽带范围可调谐的光波长探测器组成的光波长探测系统可以实现多个波长的同步解调，提高了解调效率。
4、本发明所述的光波长探测方法中，使用同一个调谐电压对多个不同厚度的可调谐F-P腔滤波器进行调节，使得其同步效果较好。
当然，实施本发明的任一方法或产品不一定需要同时达到以上所述的所有优点。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明一个实施例中光波长探测器外部结构示意图；
图2是本发明一个实施例中光波长探测器内部结构示意图；
图3是本发明一个实施例中光波长探测器内单个可调谐F-P腔滤波器的结构示意图；
图4是单个可调谐F-P腔滤波器透射光周期变化示意图；
图5是多个可调谐F-P腔滤波器透射光周期变化示意图；
图6是本发明一个实施例中所述光波长探测系统的结构示意图；
图7是本发明一个实施例中所述光波长探测方法的流程图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
参见图1和图2，本发明实施例提出了一种光波长探测器，该光波长探测器由n个可调谐F-P腔滤波器并行排列组成，所述n个可调谐F-P腔滤波器的谐振腔厚度呈阶梯分布；
所述光波长探测器一端设置有n个光输入口用于接收n路光信号以作为所述n个可调谐F-P腔滤波器的输入；
所述光波长探测器另一端设置n个光输出口用于输出n个波长的光信号；
所述n个可调谐F-P腔滤波器在外部可调谐电源控制下周期性调谐F-P腔滤波器通带波长。
所述可调谐F-P腔滤波器由一对DBR反射镜（distributed Braggreflection,分布式布拉格反射镜）和金属加热电极组成，如图3所示，其中一对DBR反射镜构成F-P腔，金属加热电极与外部周期电压信号相连，用于控制F-P腔滤波器的输出波长。当周期性变化的电压作用在金属加热电极上时，产生周期变化的电流，电流热效应使F-P滤波腔产生与电流大小成线性关系的温度变化，使F-P滤波腔折射率及所述光信号通过F-P滤波腔的透射光波长产生周期性变化，其中，单个F-P腔滤波器透射光周期性变化情况如图4所示，当F-P腔滤波器的谐振腔的厚度不同时，其透射光的中心波长不同，本发明所述光波长探测器中集成的多个不同厚度的F-P腔滤波器透射光周期性变化情况如图5所示。
对于本发明提出的光波长探测器，其包含的F-P滤波器的个数是根据所需要调谐的波长范围进行确定的。具体地，先利用单个可调谐F-P腔滤波器的调谐宽度，确定出光波长探测器中相邻谐可调谐F-P腔滤波器的谐振腔厚度差，再根据光波长探测器欲支持的总调谐波长范围，确定出光波长探测器中可调谐F-P腔滤波器的个数，进而实现在宽带范围内的调谐。
可见，本发明实施例中，光波长探测器由厚度呈阶梯变化的多个可调谐F-P腔滤波器并行排列组成，因此具有比较大的光波探测范围。其中，可调谐F-P腔滤波器的个数和单个可调谐F-P腔滤波器的动态调谐范围决定了光波长探测器的探测范围。另外，本实施例提出的光波长探测器将多个可调谐F-P腔滤波器集成在一起，体积小，方便应用。
本发明实施例还提出了一种应用上述实施例所述光波长探测器的光波长探测系统，参见图6，包括如下：
宽带光源1、耦合器2、光纤3、光纤传感器阵列4（也称FBG传感器阵列）、功分器5、可调谐F-P腔滤波器调谐电源6、光波长探测器7、光电检测器阵列8和数据处理单元9。另外，图中10为宽带光源经过光纤传感器阵列4反射回来的光信号，图中11为周期电压控制信号。
其中，所述宽带光源1与耦合器2的第一接口相连；
所述耦合器2的第二接口和第三接口分别与光纤传感器阵列4和功分器5的第一接口相连；
所述功分器5的第二接口与所述光波长探测器相连；
所述光波长探测器7还分别与光电检测器阵列8和可调谐F-P腔滤波器调谐电源6相连；
所述数据处理单元9分别与所述光电检测器阵列8和可调谐F-P腔滤波器调谐电源6相连。
本发明实施例还提出了一种利用上述实施例所述的光波长探测系统的光波长探测方法，参见图7，包括如下步骤：
步骤701：所述数据处理单元控制可调谐F-P腔滤波器调谐电源输出周期性电压，并同步加载到所述光波长探测器中的n个F-P腔滤波器的调谐电极上；
在本步骤中，数据处理单元控制可调谐F-P腔滤波器调谐电源输出周期性电压，同步加载到并行宽带光光波长探测器中多个F-P腔滤波器的调谐电极上。例如采用锯齿形周期电压控制多个可调谐F-P腔滤波器的透射波长周期性变化。以透射波长λ1的光波为例，在调谐电压的作用下波长会由λ1逐渐增到λ2，再逐渐减小为λ1，完成一次周期变化，单个F-P腔滤波器透射波波长变化示意图如图4所示。
步骤702：所述宽带光源发出的光经过耦合器到达光纤传感器阵列。
步骤703：被光纤传感器阵列反射的波长经耦合器到达1:n功分器进行分路，被分成功率相等或不等的n束光，进入到所述光波长探测器中。
在本步骤中，参见图6，所述宽带光源发出的光经过耦合器到达光纤传感器阵列后，不同的光纤传感器将不同波长的光进行反射，被反射的波长经耦合器到达功分器，被分成功率相等或不等的n束光，进入到所述光波长探测器中。
步骤704：所述光波长探测器对同时输入的n束光信号进行滤波。
在本步骤中，n束光信号经光波长探测器一端的n个光输入口进入到n个F-P腔滤波器中，当光信号的某一个波长在进入的F-P腔滤波器的调谐波长范围之内，且与F-P腔滤波器的滤波特性匹配时（即光信号的某一波长等于周期电压控制信号下的F-P腔滤波器的透射波长时），F-P腔滤波器输出该波长的光。
步骤705：滤波后的光信号经过光电检测器和数据处理单元的处理，输出若干个解调波长。
在本步骤中，经过光波长探测器中n个F-P腔滤波器滤波后的光进入到光电检测器阵列中的n个光电检测器中，若某个F-P腔滤波器有波长输出，则对应的光电检测器输出的电流增大，数据处理单元同步监测n个光电检测器的电流变化，若光电检测器的电流增大超过设定的阈值时，存储该光电检测器的序号值，同时读取数据处理单元中存储的F-P腔滤波器调谐电源输出的电压信息，根据数据处理单元中设定的特定序号的光电检测器对应电压和解调波长的关系，输出对应的解调波长。
可见，在本实施例中，由于由厚度呈阶梯变化的多个可调谐F-P腔滤波器组成的光波长探测器具有比较大的光波探测范围，因此利用该光波长探测器组成的光波长探测系统可以实现宽带范围内的波长探测（解调），同时，由于多个可调谐F-P腔滤波器组成的光波长探测器具有同时接受光源进行解调的能力，所以利用上述光波长探测器组成的光波长探测系统实现的光波长探测方法可以实现多个波长的同步解调，提高了解调效率。
本实施例中，使用同一个调谐电压对多个不同厚度的可调谐F-P腔滤波器进行调节，使得其同步效果较好。
以上实施例仅用于说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (6)

1.一种光波长探测器，其特征在于，该光波长探测器由n个可调谐F-P腔滤波器并行排列组成，所述n个可调谐F-P腔滤波器的谐振腔厚度呈阶梯分布；
所述光波长探测器一端设置有n个光输入口用于接收n路光信号以作为所述n个可调谐F-P腔滤波器的输入；
所述光波长探测器另一端设置n个光输出口用于输出n个波长的光信号；
所述n个可调谐F-P腔滤波器在外部可调谐电源控制下周期性调谐F-P腔滤波器通带波长。
2.根据权利要求1所述的光波长探测器，其特征在于，所述可调谐F-P腔滤波器由一对DBR反射镜和金属加热电极组成，其中一对DBR反射镜构成F-P腔，金属加热电极与外部周期电压信号相连，用于控制F-P腔滤波器的输出波长。
3.一种应用权利要求2所述的光波长探测器的光波长探测系统，其特征在于，该系统包括：宽带光源、耦合器、光纤、光纤传感器阵列、功分器、光波长探测器、光电检测器阵列、可调谐F-P腔滤波器调谐电源和数据处理单元，
其中，所述宽带光源与耦合器的第一接口相连；
所述耦合器的第二接口和第三接口分别与光纤传感器阵列和功分器的第一接口相连；
所述功分器的第二接口与所述光波长探测器相连；
所述光波长探测器还分别与光电检测器阵列和可调谐F-P腔滤波器调谐电源相连；
所述数据处理单元分别与所述光电检测器阵列和可调谐F-P腔滤波器调谐电源相连。
4.一种利用权利要求3所述光波长探测系统的光波长探测方法，其特征在于，该方法包括：
S1：所述数据处理单元控制可调谐F-P腔滤波器调谐电源输出周期性电压，并同步加载到所述光波长探测器中的n个F-P腔滤波器的调谐电极上；
S2：所述宽带光源发出的光经过耦合器到达光纤传感器阵列；
S3：被光纤传感器阵列反射的波长经耦合器到达1:n功分器进行分路，被分成功率相等或不等的n束光，进入到所述光波长探测器中；
S4：所述光波长探测器对同时输入的n束光信号进行滤波；
S5：滤波后的光信号经过光电检测器和数据处理单元的处理，输出若干个解调波长。
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述步骤S4包括：
n束光信号经光波长探测器一端的n个光输入口进入到n个F-P腔滤波器中，当光信号的某一个波长在进入的F-P腔滤波器的调谐波长范围之内，且与F-P腔滤波器的滤波特性匹配时，对应的F-P腔滤波器输出特定波长的光。
6.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述步骤S5包括：
经过光波长探测器中n个F-P腔滤波器滤波后的光进入到光电检测器阵列中的n个光电检测器中，若某个F-P腔滤波器有波长输出，则对应的光电检测器输出的电流增大，数据处理单元同步监测n个光电检测器的电流变化，若光电检测器的电流增大超过设定的阈值时，存储该光电检测器的序号值，同时读取数据处理单元中存储的F-P腔滤波器调谐电源输出的电压信息，根据数据处理单元中设定的特定序号的光电检测器对应电压和解调波长的关系，输出对应的解调波长。
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