CN107389191B - 一种c波段无源光谱分析仪及其分析系统 - Google Patents

一种c波段无源光谱分析仪及其分析系统 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种C波段无源光谱分析仪，包括：激光产生器，用于产生宽带光源；可调谐滤波器，对宽带光源进行滤波形成窄带光源；第一光纤耦合器，将窄带光源分成第一光波及第二光波；第二光纤耦合器，将第一光波分成第三光波及第四光波，第三光波传输至待测器件；透射光谱采集元件，采集待测器件输出的第三光波的透射光信号；反射光谱采集元件，采集经待测器件反射并再次经过第二光纤耦合器的第三光波的反射光信号；以及波分复用器，用于滤去第二光波的中间波长；第三光纤耦合器，将第二光波分成第五光波及第六光波；标准具，标定第五光波的波长，根据该波长得到可调谐滤波器的施加电压与该波长的关系；光电探测器，用于接收标准具的透射光信号。

Description

一种C波段无源光谱分析仪及其分析系统
技术领域
本发明涉及光谱分析领域，具体涉及一种C波段无源光谱分析仪及其分析系统。
背景技术
随着光电技术的迅速发展，对光谱分析仪的需求量越来越大，目前主要的光谱检测工具多为给予衍射光栅原理制作的光谱分析仪。其体积笨重，价格昂贵，且波长检测精度低(>0.03nm)。难以适应光通信，尤其是光纤传感的使用。
可调谐滤波器为光谱分析仪中普遍使用的一种器件，采用压电陶瓷和Farby-Perot谐振腔构成，因此其输入模拟电压和透射波长之间的关系随时间将发生漂移。由于压电陶瓷的原因，谐振腔长位移与施加电压之间的关系并不唯一，从而不可避免的引起检测误差。
发明内容
本发明是为了解决上述问题而进行的，目的在于提供一种C波段无源光谱分析仪及其分析系统。
本发明提供了一种C波段无源光谱分析仪，具有这样的特征，包括：激光产生器，用于产生宽带光源；可调谐滤波器，对宽带光源进行滤波形成窄带光源；第一光纤耦合器，将窄带光源分成第一光波以及第二光波；第二光纤耦合器，将第一光波分成第三光波以及第四光波，第三光波传输至待测器件；透射光谱采集元件，采集待测器件输出的第三光波的透射光信号；反射光谱采集元件，采集经待测器件反射并再次经过第二光纤耦合器的第三光波的反射光信号；以及定标单元，包括波分复用器、第三光纤耦合器、标准具以及光电探测器；其中，波分复用器，用于滤去第二光波的中间波长；第三光纤耦合器，将滤去中间波长的第二光波分成第五光波以及第六光波；标准具，标定第五光波的波长，并根据该波长得到可调谐滤波器的施加电压与该波长的关系；光电探测器，用于接收标准具的透射光信号。
在本发明提供的C波段无源光谱分析仪中，还可以具有这样的特征，还包括：第一光电探测器，其中，该第一光电探测器用于检测第四光波的功率。
在本发明提供的C波段无源光谱分析仪中，还可以具有这样的特征：其中，定标单元还包括第二光电探测器，该第二光电探测器用于检测第六光波的光信号。
在本发明提供的C波段无源光谱分析仪中，还可以具有这样的特征，还包括：数据处理单元，其中，该数据处理单元具有A/D转换模块以及D/A转换模块，A/D转换模块用于将透射光谱采集元件、反射光谱采集元件、光电探测器、第一光电探测器以及第二光电探测器采集到的光信号的模拟电信号转换为数字信号，D/A转换模块用于输出三角波，该三角波用于驱动可调谐滤波器。
在本发明提供的C波段无源光谱分析仪中，还可以具有这样的特征：其中，激光产生器为泵浦激光器。
在本发明提供的C波段无源光谱分析仪中，还可以具有这样的特征：其中，透射光谱采集元件为光电探测器。
在本发明提供的C波段无源光谱分析仪中，还可以具有这样的特征：其中，反射光谱采集元件为光电探测器。
本发明还提供了一种C波段无源光谱分析系统，具有这样的特征，包括：C波段无源光谱分析仪，用于检测待测元件的反射光信号以及透射光信号并将反射光信号以及透射光信号转换为数字信号；以及智能终端，与光谱分析仪连接，用于接收数字信号，其中，C波段无源光谱分析仪为上述中的C波段无源光谱分析仪。
在本发明提供的C波段无源光谱分析系统，还具有这样的特征：其中，智能终端与C波段无源光谱分析仪之间通过RS232、USB或Ethernet接口连接。
发明的作用与效果
根据本发明所涉及的C波段无源光谱分析仪，因为采用了定标单元，定标单元采用标准具标定第五光波的波长，并根据该波长得到可调谐滤波器的施加电压与该波长的关系，可以避免由于可调谐滤波器中谐振腔长位移与施加电压造成的检测误差，提高了C波段无源光谱分析仪的检测精度，所以，本发明的C波段无源光谱分析仪的检测精度小于5pm，同时，成本低廉，可用于光纤通信无源器件的光谱分析，也可以用于光纤光栅传感器的信号解调。
附图说明
图1是本发明的实施例中C波段无源光谱分析系统的示意图；以及
图2是本发明的实施例中C波段无源光谱分析仪的示意图。
具体实施方式
为了使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，以下实施例结合附图对本发明C波段无源光谱分析仪及其分析系统作具体阐述。
图1是本发明的实施例中C波段无源光谱分析系统的示意图以及图2是本发明的实施例中C波段无源光谱分析仪的示意图。
如图1、2所示，C波段无源光谱分析系统100用于检测并分析待测器件200的反射光谱以及透射光谱，包括C波段无源光谱分析仪10以及移动终端20。
C波段无源光谱分析仪10用于检测待测器件200的反射光信号以及透射光信号，包括激光产生器11、可调谐滤波器12、第一光纤耦合器13、第二光纤耦合器14、透射光谱采集元件15、反射光谱采集元件16、第一光电探测器17、定标单元18以及数据处理单元19。
激光产生器11用于产生宽带光源，激光产生器11为泵浦激光器产生ASE宽带光源。
可调谐滤波器12对宽带光源进行滤波形成窄带光源。
第一光纤耦合器13将窄带光源分成第一光波以及第二光波.
第二光纤耦合器14将第一光波分成第三光波以及第四光波，第三光波传输至待测器件200，第四光波传输至定标单元18。
透射光谱采集元件15采集待测器件200在第三光波的波长处的透射光信号。透射光谱采集元件15为光电探测器。
反射光谱采集元件16采集经待测器件200反射后并再次经过第二光纤耦合器14的第三光波的反射光信号。反射光谱采集元件16为光电探测器。
第一光电探测器17用于检测第四光波的功率。
定标单元18包括波分复用器181、第三光纤耦合器182、标准具183、光电探测器184以及第二光电探测器185.
波分复用器181用于滤去第二光波的中间波长。
第三光纤耦合器182将滤去中间波长的第二光波分成第五光波以及第六光波。第五光波传输至标准具183，第六光波传输至第二光电探测器185。
标准具183标定第五光波的波长，并根据该波长得到可调谐滤波器12的施加电压与该波长的关系。
光电探测器184用于接收标准具183的透射光信号。
第二光电探测器185用于检测第六光波的光信号。
数据处理单元19具有A/D转换模块以及D/A转换模块。在本实施例中，数据处理单元19采用stm32f429系列ARM作为核心处理器。
A/D转换模块用于将透射光谱采集元件15、反射光谱采集元件16、第一光电探测器17、光电探测器184以及第二光电探测器185采集到的光信号的模拟电信号转换为数字信号，
D/A转换模块用于输出三角波，该三角波用于驱动可调谐滤波器12。
智能终端20与数据处理单元19通过RS232、USB或Ethernet接口连接，接收数据采集单元19转换后的数字信号。在本实施例中，智能终端20与数据处理单元19通过Ethernet接口连接。智能终端20为上位机。
标准具183的工作原理为：可调谐滤波器12得到窄带光源的波长是随着可调谐滤波器的施加电压而变化的，即不同的施加电压滤出不同的波长的光，这样给可调谐滤波器12依次施加(0,0.8，1.6，2.4，3.2…3300mv)的电压，便得到不同的波长，由于可调谐滤波器12自身波长与该波长光的功率的关系有温漂，需要标准具183定标(也就是说找到施加该驱动电压所滤除的波长就行)。第三光波经过待测器件200的透射光信号以及发射光信号分别与第五光波相除，即第五光波是对第三光波的补偿。
C波段无源光谱分析系统100的工作原理为：泵浦激光器发出宽带光信号，经过可调谐滤波器12后，只有某一个特定波长的光可以通过。该光波信号经过第一光纤耦合器13和第二光纤耦合器14后，送入待测器件200。待测器件200在该波长处的透射光信号通过透射光谱采集元件15接收。待测器件200的反射光再次经过第二光纤耦合器14后，通过反射光谱采集元件16接收。同时，为了补偿光源平坦度的对信号检测精度的影响，通过第一光电检测器17对泵浦激光器输出的光波进行功率实时检测，矫正光源平坦度对检测精度的影响。标准具183透射光谱由光电探测器184接收，同时为了补偿光源对标准具183透射光谱的影响，采用第二光电探测器185对输入标准具183的光信号进行检测，矫正光源光谱标准具183的影响。D/A模块输出一个三角波，信号经过电压放大和功率放大后，驱动可调谐滤波器12。同时，各路光电探测模块经过模拟放大后，通过A/D模块送入数据处理单元19中的处理器中。通过Ethernet接口，与上位机通信。
其中，第一光波得到的第三光波的透射光和反射光经光电探测器与数据处理单元19的A/D转换模块得到电压，这样经过待测器件200得到的透射光和反射光经A/D转换得到的电压与经标准具183定标得到的对应波长组合便得到所谓的光谱。透射光和反射光得到都要与第四光波(即光源)相除，也就是说第四光波用于对透射光和反射光的补偿。
实施例的作用与效果
根据本实施例中的C波段无源光谱分析仪，因为采用了定标单元，定标单元采用标准具标定第五光波的波长，并根据该波长得到可调谐滤波器的施加电压与该波长的关系，可以避免由于可调谐滤波器中谐振腔长位移与施加电压造成的检测误差，提高了C波段无源光谱分析仪的检测精度，所以，本发明的C波段无源光谱分析仪的检测精度小于5pm，同时，成本低廉，可用于光纤通信无源器件的光谱分析，也可以用于光纤光栅传感器的信号解调。
另外，本实施例中的C波段无源光谱分析仪中还设置了第一光电探测器对宽带光源的功率进行检测，补偿了光源平坦度的对信号检测精度的影响，矫正了光源平坦度对检测精度的影响。
此外，本实施例中的定标单元还设置了第二光电探测器对输入标准具的光信号进行检测，补偿了光源对标准具的透射光谱的影响，矫正光源光谱对标准具的影响。
上述实施方式为本发明的优选案例，并不用来限制本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种C波段无源光谱分析仪，用于分析待测器件的光谱，其特征在于，包括：
激光产生器，用于产生宽带光源；
可调谐滤波器，对所述宽带光源进行滤波形成窄带光源；
第一光纤耦合器，将所述窄带光源分成第一光波以及第二光波；
第二光纤耦合器，将所述第一光波分成第三光波以及第四光波，所述第三光波传输至所述待测器件；
透射光谱采集元件，采集所述待测器件输出的所述第三光波的透射光信号；
反射光谱采集元件，采集经所述待测器件反射并再次经过所述第二光纤耦合器的所述第三光波的反射光信号；以及
定标单元，包括波分复用器、第三光纤耦合器、标准具以及光电探测器；
其中，所述波分复用器，用于滤去所述第二光波的中间波长；
所述第三光纤耦合器，将滤去所述中间波长的所述第二光波分成第五光波以及第六光波；
所述标准具，标定所述第五光波的波长，并根据该波长得到所述可调谐滤波器的施加电压与该波长的关系；
所述光电探测器，用于接收所述标准具的透射光信号。
2.根据权利要求1所述的C波段无源光谱分析仪，其特征在于，还包括：
第一光电探测器，
其中，该第一光电探测器用于检测所述第四光波的功率。
3.根据权利要求1所述的C波段无源光谱分析仪，其特征在于：
其中，所述定标单元还包括第二光电探测器，该第二光电探测器用于检测所述第六光波的光信号。
4.根据权利要求1-3中任一项所述的C波段无源光谱分析仪，其特征在于，还包括：
数据处理单元，
其中，该数据处理单元具有A/D转换模块以及D/A转换模块，
所述A/D转换模块用于将所述透射光谱采集元件、所述反射光谱采集元件、所述光电探测器、所述第一光电探测器以及所述第二光电探测器采集到的光信号的模拟电信号转换为数字信号，
所述D/A转换模块用于输出三角波，该三角波用于驱动所述可调谐滤波器。
5.根据权利要求1所述的C波段无源光谱分析仪，其特征在于：
其中，所述激光产生器为泵浦激光器。
6.根据权利要求1所述的C波段无源光谱分析仪，其特征在于：
其中，所述透射光谱采集元件为光电探测器。
7.根据权利要求1所述的C波段无源光谱分析仪，其特征在于：
其中，所述反射光谱采集元件为光电探测器。
8.一种C波段无源光谱分析系统，其特征在于，包括：
C波段无源光谱分析仪，用于检测待测元件的反射光信号以及透射光信号并将所述反射光信号以及所述透射光信号转换为数字信号；
智能终端，与所述C波段无源光谱分析仪连接，用于接收所述数字信号，
其中，所述C波段无源光谱分析仪为权利要求1～7中任一项所述的C波段无源光谱分析仪。
9.根据权利要求8所述的C波段无源光谱分析系统，其特征在于：
其中，所述智能终端与所述C波段无源光谱分析仪之间通过RS232、USB或Ethernet接口连接。
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