CN107045161B - 一种多纵模光纤激光器传感复用系统 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种多纵模光纤激光器传感复用系统，包括三个波分复用器、一个隔离器、一个耦合器、一个半导体光放大器、一个偏振控制器、一个固定台、一个位移台、一个烤箱、两个衰减器以及两路裸单模光纤。该多纵模光纤激光器传感复用系统采用在激光器中插入WDM对和SOA，同时将传感量加在WDM对之间的光纤上，这样就实现了复用；通过将多波长的输出送入一个解复用器就实现了传感器的解复用，通过光电转换，就将传感量的解调变成电信号的解调，而电信号的解调是很成熟和灵活的。
Description
技术领域
本发明涉及一种传感系统，尤其是一种多纵模光纤激光器传感复用系统。
背景技术
基于光纤的传感器因其具有体积小、抗电磁干扰、高灵敏度和易于复用等优点而获得了长足的发展。通常复用的光纤传感器都是基于光纤光栅(FBG)。因为传感量改变的是FBG的波长，所以解调系统需要使用笨重的光学设备或者复杂的方案来探测波长的改变。微波光子技术另开另一解调途径，即把传感量转化成微波解调。相比于光学解调，微波解调法具有简单、紧凑和高分辨率等优点。
微波光子解调法又可以再分成两类。一类可称为被动式，主要是基于微波光子滤波器。一般来说会使用矢量网络分析仪(VNA)来获得这种传感器的频率响应(频响)。但是VNA成本较高而且扫频响的过程比较慢。另一类方案可以称为主动式，主要是基于光纤激光器。光纤激光器输出的激光送入光电探测器(PD)产生电信号。为了产生微波信号就需要光纤激光器至少输出两个模式。文献上报道的光纤激光器传感器产生的两个模式一般来自于偏振模。但是偏振模式不是很稳定。这两个模式还能够来自于两个纵模。通过在激光腔中插入双相移FBG，通过其中两个很窄的通带就可以选出两个纵模。但双相移FBG制作很复杂，而且成本也相对较高。
发明内容
本发明的目的在于提供一种结构简单易于实现的多纵模光纤激光器传感复用系统。
为了实现上述发明目的，本发明提供了一种多纵模光纤激光器传感复用系统，包括三个波分复用器、一个隔离器、一个耦合器、一个半导体光放大器、一个偏振控制器、一个固定台、一个位移台、一个烤箱、两个衰减器以及两路裸单模光纤；
两个衰减器分别串接在两路裸单模光纤上；一路裸单模光纤设有一段光纤位于烤箱内，另一路裸单模光纤设有相同长度的一段绕卷在两根铜柱上；两根铜柱分别安装在固定台和位移台上；
两路裸单模光纤的一端连接在第一波分复用器的两个分路连接端上，两路裸单模光纤的另一端连接在第二波分复用器的两个分路连接端上；第一波分复用器的合路连接端通过隔离器连接在耦合器上；第二波分复用器的合路连接端依次通过偏振控制器和半导体光放大器后连接在耦合器上；耦合器的耦合输出端连接至第三波分复用器的合路连接端上；第三波分复用器的两个分路连接端用于分别与光电探测器的两个输入端相连。
采用在激光器中插入WDM(波分复用器)对和SOA(半导体光放大器)，同时将传感量加在WDM对之间的光纤上，这样就实现了复用；通过将多波长的输出送入一个解复用器就实现了传感器的解复用，通过光电转换，就将传感量的解调变成电信号的解调，而电信号的解调是很成熟和灵活的。
作为本发明的进一步限定方案，隔离器的导通方向为耦合器至第一波分复用器的合路连接端。采用隔离器实现了耦合器至第一波分复用器的单向运行。
作为本发明的进一步限定方案，第一波分复用器与第二波分复用器的通道隔离度大于30dB。
本发明的有益效果在于：采用在激光器中插入WDM(波分复用器)对和SOA(半导体光放大器)，同时将传感量加在WDM对之间的光纤上，这样就实现了复用；通过将多波长的输出送入一个解复用器就实现了传感器的解复用，通过光电转换，就将传感量的解调变成电信号的解调，而电信号的解调是很成熟和灵活的。
附图说明
图1为本发明的多纵模光纤激光器复用系统示意图；
图2为本发明测得的WDM3之前光谱图；
图3为本发明测得的WDM3的Ch22通道光谱图；
图4为本发明测得的WDM3的Ch23通道光谱图；
图5为本发明测得的9950MHz到10050MHz之间在WDM3之前的频谱；
图6为本发明测得的9950MHz到10050MHz之间在WDM3的Ch22通道频谱；
图7为本发明测得的9950MHz到10050MHz之间在WDM3的Ch23通道频谱；
图8为本发明测得的DC到6000MHz之间在WDM3的Ch22通道频谱；
图9为本发明测得的DC到6000MHz之间在WDM3的Ch23通道频谱；
图10为本发明的Ch22和Ch23中的BFS对加在Ch22上的应变的响应；
图11为本发明的Ch22和Ch23中的BFS对加在CH23上的温度的响应；
图12为本发明的CH22和Ch23中的BFS的稳定性。
具体实施方式
如图1所示，本发明公开的多纵模光纤激光器传感复用系统包括：三个波分复用器、一个隔离器、一个耦合器、一个半导体光放大器、一个偏振控制器、一个固定台、一个位移台、一个烤箱、两个衰减器以及两路裸单模光纤；
其中，两个衰减器分别串接在两路裸单模光纤上；一路裸单模光纤设有一段光纤位于烤箱内，另一路裸单模光纤设有相同长度的一段绕卷在两根铜柱上；两根铜柱分别安装在固定台和位移台上；
两路裸单模光纤的一端连接在第一波分复用器的两个分路连接端上，两路裸单模光纤的另一端连接在第二波分复用器的两个分路连接端上；第一波分复用器的合路连接端通过隔离器连接在耦合器上；第二波分复用器的合路连接端依次通过偏振控制器和半导体光放大器后连接在耦合器上；耦合器的耦合输出端连接至第三波分复用器的合路连接端上；第三波分复用器的两个分路连接端用于分别与光电探测器的两个输入端相连；
隔离器的导通方向为耦合器至第一波分复用器的合路连接端；第一波分复用器与第二波分复用器的通道隔离度大于30dB。
激光器的增益由半导体光放大器(SOA)提供。SOA是非均匀展宽介质，能够稳定支持多波长激射。波分复用器(WDM1)和WDM2的通道互相匹配，激射波长由这些通道的中心波长所决定。因为WDM通道的带宽远远大于激光器谐振腔的自由频谱程(FSR)，所以在每个激射波长中都存在很多纵模，就是每一个激射波长都对应于一个多纵模光纤激光器传感器。这里基于光纤光栅的传感复用系统需给每一个光纤光栅分配一个波长区间，否则会造成相邻光纤光栅的串扰。本实施例中不存在这个问题，波长是固定的，传感信息是由单个波长中的多纵模携带的。相比于传统方案，此方案有望能够复用更多的传感器。将激射的多波长送入WDM3，多波长解复用到各自的通道，将每个通道的波长送入光电探测器产生电频梳，数学上可以写成
其中p和q是模式数，c是真空光速，n是激光器谐振腔的有效折射率，Li是WDM1和WDM2之间的第i个通道的长度，Lm是WDM对之外共用的激光器谐振腔的长度，N＝p-q指示某一拍频。WDM对之间的一段光纤被用来加载传感量。如果加在传感光纤上的应变产生变化，则拍频产生频移动，可以写成
其中Pe是弹光系数，li是传感光纤的长度，Δε是加载的应变量。
如果加载传感光纤上的温度产生变化，拍频也会频移，可以写成
其中α和ξ是线性扩张和热光系数，ΔT是温度变化。从(4)式和(5)式可以看出拍频是随着应变和温度线性变化的，于是解调出频移就能获得传感量。
本发明公开的多纵模光纤激光器传感复用系统在具体实施过程中，包括如下步骤：
(1)SOA(半导体光放大器)设置：本实施例复用了两个传感器；SOA提供增益，SOA前放置一个偏振控制器调节偏振态；SOA后加入一个隔离器保证单向运行。
(2)WDM(波分复用器)对中的通道设置：WDM对的通道要互相匹配，通道间的隔离度超过30dB；WDM对的Ch22和Ch23被选中用来传感，带宽都是25GHz；Ch22中的一段长为5m的裸单模光纤卷在两个铜柱之间；其中一个铜柱固定在光学平台上，另一个铜柱固定在位移台上；通过调节位移台，应变就加在了光纤上；Ch23中的一段长为5m的裸单模光纤放在一个烤箱中，烤箱可以调节箱中的温度；每一个通道之间都插入了一个可调光衰减器用来平衡波长的功率。
(3)SOA偏置电路调节光纤激光器输出：激光器腔中的多波长激光通过耦合器20％口，耦合到腔外然后送入WDM3进行解复用；当加在SOA上的电流为36mA时，光纤激光器开始激射；保持SOA的偏置电流为81mA；两个激射波长分别位于1559.53nm和1558.71nm近似对应于Ch22和Ch23的中心波长，激光总功率为-7dBm；图2显示出光纤激光器的输出光谱，被WDM3解复用后的Ch22和Ch23光谱如图3和4所示，功率分别是-11.18dBm和-11.74dBm；可以看到Ch22有一些残余的能量来自Ch23，边模抑制比测定为34.1dB。
(4)解复用后的传感量提取：将解复用前的多波长激光送到PD中，可以看到混乱的频谱，如图5所示；当把解复用后的波长分别送入光电探测器中，其频谱如图6和图7所示；可以看出解复用后的电信号的频谱都是等间隔分布的，说明传感器得到了解复用；Ch22的频谱间隔是7.3MHz，Ch23的频谱间隔是4.8MHz；理论上任何拍频都可以用来解调出传感量。根据式(3)，每一个拍频信号都是有需要等间隔的纵模对产生的，所以产生高频信号的纵模对较少，强度就比低频信号弱，这个可以从更大尺度的图8和9看出来；但是从式(4)和式(5)可以看出拍频信号的频移和初始频率成正比，也就是说高频信号的灵敏度更好；可以根据不同的应用灵活选择。
(5)复用的传感器无串扰解调测试结果：在本发明中，Ch22通道中的10038MHz处的拍频被用来解调应变，它的信噪比和3dB带宽分别是14.5dB和595KHz；而Ch23通道中的10084MHz处的信号被用来解调温度，它的信噪比和3dB带宽是10.9dB和442kHz；加在Ch22上的应变从0με加到1400με，同时Ch23中的温度保持不变；拍频信号的响应如图10所示，其中Ch22的灵敏度是-1.18kHz/με而Ch23中频率基本不变；在另一次实施中，让Ch22中的应变保持不变而Ch23中的温度从25度升到130度；结果如图11所示，可以看出Ch23中的频率对温度成线性变化，灵敏度是-9.74kHz/℃；同时Ch22中的频率基本不变；综合两次结果可以得出复用的两个传感器可以无串扰地解调。
最后测试两个通道的稳定性。保持应变和温度不变，两个通道的拍频每隔10分钟取一次持续2小时，测试结果如图12所示，Ch22和Ch23中的信号的均方根差是0.0037MHz和0.0055MHz，分别对应于3.14με和0.56℃。
Claims (3)
1.一种多纵模光纤激光器传感复用系统，其特征在于：包括三个波分复用器、一个隔离器、一个耦合器、一个半导体光放大器、一个偏振控制器、一个固定台、一个位移台、一个烤箱、两个衰减器以及两路裸单模光纤；
两个衰减器分别串接在两路裸单模光纤上；一路裸单模光纤设有一段光纤位于烤箱内，另一路裸单模光纤设有相同长度的一段绕卷在两根铜柱上；两根铜柱分别安装在固定台和位移台上；
两路裸单模光纤的一端连接在第一波分复用器的两个分路连接端上，两路裸单模光纤的另一端连接在第二波分复用器的两个分路连接端上；第一波分复用器的合路连接端通过隔离器连接在耦合器上；第二波分复用器的合路连接端依次通过偏振控制器和半导体光放大器后连接在耦合器上；耦合器的耦合输出端连接至第三波分复用器的合路连接端上；第三波分复用器的两个分路连接端用于分别与光电探测器的两个输入端相连；
传感信息是由单个波长中的多纵模携带，将激射的多波长送入第三波分复用器，多波长解复用到各自的通道，将每个通道的波长送入光电探测器产生电频梳，解调出频移就能获得传感量。
2.根据权利要求1所述的多纵模光纤激光器传感复用系统，其特征在于：隔离器的导通方向为耦合器至第一波分复用器的合路连接端。
3.根据权利要求1所述的多纵模光纤激光器传感复用系统，其特征在于：第一波分复用器与第二波分复用器的通道隔离度大于30 dB。
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