CN106525087A - 一种用于梳状光谱微小变化的高灵敏度快速解调系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于梳状光谱微小变化的高灵敏度快速解调系统，包括三端口环行器、在所述三端口环行器的二端口处设有啁啾光栅、在所述三端口环行器的三端口处设有长周期光栅和与所述长周期光栅连接的相位调制型光纤传感器；在所述长周期光栅旁设有能接收到光功率变换的光电探测器；所述光电探测器与信号处理采集显示系统连接。本发明技术方案解决了当前梳状光谱解调技术中存在的测量范围与测量速度相互矛盾、难以同时提高的问题。

Description

一种用于梳状光谱微小变化的高灵敏度快速解调系统

技术领域：

本发明涉及光谱解调技术领域，更具体涉及一种用于梳状光谱微小变化的高灵敏度快速解调系统。

背景技术：

基于模式耦合、干涉效应、环形谐振腔等技术原理的光纤传感器，也称为相位调制型光纤传感器。其基本原理为光纤内传输光的相位在被测物理量的影响下发生变化，从而使传感器输出的光谱发生偏移。检测输出光谱的偏移值，就可以获得待测物理量的大小。由于相位调制型光纤传感器输出光谱均是周期性梳状光谱，因此，研究梳状光谱微小变化的快速解调技术是实现高灵敏度、高响应速度的相位调制型光纤传感技术的关键。

目前，梳状光谱的解调技术主要可以分为两大类。一种是采用光谱测量装置(如光谱仪)直接测量光谱的偏移值，这种方法叫波长检测法。波长检测法光谱解调范围宽，可达到上百nm，实现梳状光谱的全范围解调。但是，当被测物理量变化较小时，所引起的传感器输出的梳状光谱的偏移量也很小。此时检测灵敏度会受到光谱仪本身的最高分辨率的限制。并且，由于光谱仪的波长解调速度较低(响应速度最快至ms级)，难以捕捉光谱的快速变化，不适合较高频率的瞬变信号检测系统。此外，光谱仪等设备体积笨重，价格昂贵，不便于携带。

另一种方法是可调窄带光源检测法。当周期性梳状光谱发生变化时，梳状波长附近的线性变化区域内某固定波长处的光强同时也会发生改变。选定该波长为工作波长，探测该工作波长处光强的变化，就可以实现被测信号的有效解调。由于梳状光谱半带宽窄，Q值较高，梳状光谱微小波长的变化会引起较大的光功率变化。因此，采用该方法可实现微小信号的高灵敏度检测。并且，该方法的检测速度主要取决于光电探测器的响应速度，最高可达到皮秒量级，可快速捕捉脉冲信号的变化。但是，该方法只能工作在梳状光谱的线性区域内，光谱解调范围窄，尤其是传感器输出高Q值的周期光谱特征时，其线性区范围只有几十pm。此外，该方法需要可调谐的窄带激光器作为探测源，成本高。针对不同的传感器，线性区范围不同，因此，需要预先调节探测源的工作波长，操作比较复杂。

发明内容：

本发明的目的是提供一种用于梳状光谱微小变化的高灵敏度快速解调系统，解决了当前梳状光谱解调技术中存在的测量范围与测量速度相互矛盾、难以同时提高的问题。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：一种用于梳状光谱微小变化的高灵敏度快速解调系统，包括三端口环行器、在所述三端口环行器的二端口处设有啁啾光栅、在所述三端口环行器的三端口处设有长周期光栅和与所述长周期光栅连接的相位调制型光纤传感器；在所述长周期光栅旁设有能接收到光功率变换的光电探测器；所述光电探测器与信号处理采集显示系统连接。

ASE宽带光源输出的光谱入射至所述三端口环形器中，经过所述三端口环形器的一端口输入，经所述二端口输出后进入所述啁啾光栅；所述啁啾光栅的反射谱经过所述三端口环形器的二端口输入，经所述三端口输出后进入所述长周期光栅。

选择所述啁啾光栅的反射通带范围为梳状光谱的一个光谱周期，同时其带通中心波长对准所述相位调制型光纤传感器待解调的梳状谱中心波长。

选择所述长周期光栅的透射谱的线性区域与所述啁啾光栅的反射通带范围一致，即对准梳状光谱的一个光谱周期，并且所述透射频谱的中心波长对准相位调制型光纤传感器待解调的梳状谱中心波长。

在所述相位调制型光纤传感器处，当输出的所述梳状光谱相位在被测信号影响下改变时，通过所述长周期光栅的光强就会发生变化，由于长周期光栅的透射率随之改变，通过长周期光栅的光强就会发生变化；此时，由所述光电探测器探测到的光功率变化，就得到被测物理量的大小，实现梳状光谱的高灵敏度快速解调。

所述ASE宽带光源的光谱范围为1510～1580nm，其输出光功率最大30mW。

和最接近的现有技术比，本发明提供技术方案具有以下优异效果

1、本发明技术方案同时兼具波长检测法和可调窄带光源检测法的优点；

2、本发明技术方案不仅光谱解调范围宽，而且解调速度高；

3、本发明技术方案采用高速光电探测器可达到皮秒量级，可快速捕捉被测物理信号的变化，解决了当前梳状光谱解调技术中存在的测量范围与测量速度相互矛盾、难以同时提高的问题；

4、本发明技术方案结构简单、无昂贵仪器设备、成本低、易于便携；

5、本发明技术方案实用化程度较高。

附图说明

图1为本发明实施例解调系统结构示意图；

图2为本发明实施例典型的梳状光谱图；

图3为本发明实施例长周期光栅透射谱图。

具体实施方式

下面结合实施例对发明作进一步的详细说明。

实施例1：

本例的发明提供一种用于梳状光谱微小变化的高灵敏度快速解调系统，

如附图1所示，所述系统的组成以及相关参数包括三端口环行器、在所述三端口环行器的二端口处设有啁啾光栅、在所述三端口环行器的三端口处设有长周期光栅和与所述长周期光栅连接的相位调制型光纤传感器；在所述长周期光栅旁设有能接收到光功率变换的光电探测器；所述光电探测器与信号处理采集显示系统连接。

ASE宽带光源：光谱范围1510～1580nm，输出光功率最大30mW；啁啾光栅：反射光带通范围为1542-1557nm，反射率为90％；长周期光栅：透射谱线性区范围为1542-1560nm，透射率90％；相位调制型光纤传感器，光谱周期为15nm，待解调的梳状谱中心波长为1550nm。

ASE宽带光源输出的光谱，入射至三端口环形器中，经过环形器的一端口输入，经二端口输出后进入啁啾光栅。

啁啾光栅的作用是带通反射滤波，相当于一个带通反射滤波器。为了避免梳状光谱不同周期之间的相互干扰，选择啁啾光栅反射通带范围为梳状光谱的一个光谱周期，同时带通中心波长对准相位调制型光纤传感器待解调的梳状谱中心波长。典型的梳状光谱如附图2所示，啁啾光栅的反射谱经过环形器二端口输入，经三端口输出后进入长周期光栅。

长周期光栅的作用是带阻滤波，相当于一个带阻滤波器，其透射谱在透射峰值两侧各有一段近似线性区间，如附图3所示，在这段区域内，透射率与工作波长成近似线性关系。选择长周期光栅透射谱的线性区域与啁啾光栅的反射通带范围一致，即对准梳状光谱的一个光谱周期，并且中心波长对准相位调制型光纤传感器待解调的梳状谱中心波长。

在相位调制型光纤传感器处，当输出的梳状光谱相位在被测信号影响下改变时，通过长周期光栅的光强就会发生变化，由于长周期光栅的透射率随之改变，通过长周期光栅的光强就会发生变化。

此时，由高速光电探测器探测到的光功率变化，就可以得到被测物理量的大小，实现梳状光谱的高灵敏度快速解调。

系统使用步骤

(1)根据相位调制型光纤传感器输出光谱的中心波长、光谱周期等参数确定啁啾光栅及长周期光栅的光谱带宽与范围，组建解调系统；

(2)打开ASE光源、信号处理及显示系统；

(3)观察并记录光电探测器输出值，获得被测物理信号的大小。

最后应当说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，所属领域的普通技术人员尽管参照上述实施例应当理解：依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，这些未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，均在申请待批的本发明的权利要求保护范围之内。

Claims (6)

1.一种用于梳状光谱微小变化的高灵敏度快速解调系统，其特征在于：包括三端口环行器、在所述三端口环行器的二端口处设有啁啾光栅、在所述三端口环行器的三端口处设有长周期光栅和与所述长周期光栅连接的相位调制型光纤传感器；在所述长周期光栅旁设有能接收到通过长周期光栅的光功率变化的光电探测器；所述光电探测器与信号处理采集显示系统连接。

2.如权利要求1所述的一种用于梳状光谱微小变化的高灵敏度快速解调系统，其特征在于：ASE宽带光源输出的光谱入射至所述三端口环形器中，经过所述三端口环形器的一端口输入，经所述二端口输出后进入所述啁啾光栅；所述啁啾光栅的反射谱经过所述三端口环形器的二端口输入，经所述三端口输出后进入所述长周期光栅。

3.如权利要求2所述的一种用于梳状光谱微小变化的高灵敏度快速解调系统，其特征在于：选择所述啁啾光栅的反射通带范围为梳状光谱的一个光谱周期，同时其带通中心波长对准所述相位调制型光纤传感器待解调的梳状谱中心波长。

4.如权利要求2所述的一种用于梳状光谱微小变化的高灵敏度快速解调系统，其特征在于：选择所述长周期光栅的透射谱的线性区域与所述啁啾光栅的反射通带范围一致，即对准梳状光谱的一个光谱周期，并且所述透射频谱的中心波长对准相位调制型光纤传感器待解调的梳状谱中心波长。

5.如权利要求4所述的一种用于梳状光谱微小变化的高灵敏度快速解调系统，其特征在于：在所述相位调制型光纤传感器处，当输出的所述梳状光谱相位在被测信号影响下改变时，通过所述长周期光栅的光强就会发生变化，由于长周期光栅的透射率随之改变，通过长周期光栅的光强就会发生变化；此时，由所述光电探测器探测到的光功率变化，就得到被测物理量的大小，实现梳状光谱的高灵敏度快速解调。

6.如权利要求2所述的一种用于梳状光谱微小变化的高灵敏度快速解调系统，其特征在于：所述ASE宽带光源的光谱范围为1510～1580nm，其输出光功率最大30mW。