CN111854980A - 基于非对称π相移光纤光栅的波长漂移探测装置和方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于微波光子学领域，公开了一种基于非对称π相移光纤光栅的波长漂移探测装置和方法。本发明通过采用相位调制、非对称π相移光纤光栅滤波、光路放大、温度控制等技术，可实现可调谐的单边带信号调制，然后将载波信号和单边带信号一同输入到掺铒布拉格光纤光栅的反射区域，被反射的信号在光电探测器中会产生拍频，利用拍频的变化来探测泵浦引起的掺铒布拉格光纤光栅反射谱的波长漂移。通过这种与微波领域相结合的方法，可以进行高精度的波长漂移测量，测试结果表明该系统的波长漂移测量精度为0.008nm，并且有望进一步提高。
Description
技术领域
本发明属于微波光子学领域，更具体地，涉及一种基于非对称π相移光纤光栅的波长漂移探测装置和方法。
背景技术
近年来，以光信号为载体、光纤为媒介的光纤通信得到了国内外学者的广泛研究，并且随着各种复用和高级编码技术的应用，以光纤通信为代表的光互连传输具有传输带宽大、传输损耗低、传输速率高、传输距离长的优点。而微波光子学结合了光学领域和微波领域的信号，将彼此的优点进行放大，引起了广大学者的研究兴趣，具有广阔的应用前景。
光纤光栅应用在光纤通信系统中具有尺寸小、损耗低、成本少、抗电磁干扰等优点，其中一个广泛的应用就是作为传感器。而刻写在掺铒光纤上的光纤光栅作为传感器时除了随着外部的温度和应力等因素变化而变化，还可以使用泵浦变化作为传感机制。随着泵浦功率的变化，掺铒光纤光栅的反射谱也会随之发生改变，这一特点发生在光纤内部，不需要使用外部仪器精确调节，避免了外部环境因素对仪器和实验系统的影响，从而操作更为方便、精度也更高。相移布拉格光纤光栅由于相移点处很窄区域内的低反射率的特点，可以用来作为窄带滤波器使用；并且，随着温度的改变，相移点对应的波长也随之改变，从而可以作为一个可调谐的窄带滤波器。利用这一特点，相移布拉格光纤光栅也是实现单边带调制的常用光学器件。
对于泵浦引起的掺铒布拉格光纤光栅反射谱的移动，可以通过光谱仪进行波长解调来探测。常用的商业光谱仪的精度一般是0.02nm，测量精度有限，而且通常使用商业光谱仪成本相对较高。
发明内容
针对现有技术的缺陷，本发明的目的在于提供一种基于非对称π相移光纤光栅的波长漂移探测装置和方法，旨在解决现有波长漂移测量精度较低而成本较高的问题。
为实现上述目的，本发明一方面提供了一种基于非对称π相移光纤光栅的波长漂移探测装置，包括：可调谐激光光源、第一偏振控制器、相位调制器、信号发生器、第二偏振控制器、掺铒光纤放大器、第一环形器、温度控制设备、非对称π相移光纤光栅、第二环形器、波分复用器、泵浦光源、掺铒布拉格光纤光栅、光电探测器、电信号放大器、频谱分析仪；
其中，所述可调谐激光光源经过所述第一偏振控制器连接到所述相位调制器，所述相位调制器的射频端口连接信号发生器，所述相位调制器的输出端口经过所述第二偏振控制器连接到所述掺铒光纤放大器的输入端，所述掺铒光纤放大器的输出端与所述第一环形器的第一端口相连，所述非对称π相移光纤光栅与所述第一环形器的第二端口相连，所述第一环形器的第三端口连接到所述第二环形器的第一端口；
所述波分复用器的第一端口与所述第二环形器的第二端口相连，所述波分复用器的第二端口接入所述泵浦光源，所述波分复用器的第三端口与所述掺铒布拉格光纤光栅相连；所述光电探测器的输入端与所述第二环形器的第三端口相连，且输出端依次与所述电信号放大器、频谱分析仪连接；
所述非对称π相移光纤光栅置于温度控制设备上。
进一步地，所述非对称π相移光纤光栅刻写在普通单模光纤上，在相移点两边分两段刻写光栅。
进一步地，所述第一环形器的第三端口经光耦合器连接到所述第二环形器的第一端口；
所述光耦合器为Y型光耦合器，其一个输出端连接到所述第二环形器的第一端口，另一输入端与光谱仪连接。
进一步地，所述泵浦光源为980nm波长的泵浦光源。
进一步地，所述信号发生器为40GHz的高频信号发生器。
进一步地，所述频谱分析仪为高频频谱分析仪。
本发明的另一方面还提供了一种上述波长漂移探测装置的探测方法，包括以下步骤：
利用所述非对称π相移光纤光栅的陷波特性滤除相位调制产生的其中一个边带信号，实现单边带调制；
通过所述光耦合器分出一部分光并被光谱仪监测，剩下的光被所述掺铒布拉格光纤光栅反射进入所述光电探测器中，产生拍频信号；
改变相位调制的频率，并同步调节温度，保持单边带调制效果；
进入所述掺铒布拉格光纤光栅反射区域的边带信号在不同位置处获得不同的反射率，在反射谱的极小值处拍频取得幅度最小值；
增加泵浦功率，反射谱发生红移，改变调制频率，使得拍频幅度获得新的最小值；
获取拍频取得最小值时对应的频率漂移，得到掺铒布拉格光纤光栅反射谱在泵浦作用下的波长漂移。
本发明所构思的以上技术方案用于测量由980nm泵浦引起的掺铒布拉格光纤光栅反射谱的波长漂移，与现有技术相比，能够取得下列有益效果：
(1)相对于传统的用光谱仪直接测量波长漂移的方法，本发明提出将光域上的波长漂移转换为微波光子领域的频率漂移，将反射谱上极小点的波长漂移转换成边带信号在该点位置处与光载波形成的拍频幅度最小值对应的频率漂移，其精度得到显著提高，并且本装置相对于商业光谱仪而言降低了成本。
(2)本发明中使用的非对称π相移光纤光栅提供了大带宽的高反射区域，使得调制频率变化的范围可以更广，光载波的波长可以保持不变，避免了光载波波长的变化对系统的扰动，因此系统的稳定性得到了提高。
附图说明
图1是本发明实施例提供的一种基于非对称π相移光纤光栅的高精度波长漂移探测装置的结构示意图；
图2是本发明实施例中光谱仪监测到的单边带调制效果图。
图3是本发明实施例实验过程中的光谱示意图。
附图标记含义如下：101-可调谐激光光源、102-第一偏振控制器、103-相位调制器、104-信号发生器、105-第二偏振控制器、106-掺铒光纤放大器、107-第一光环形器、108-温度控制设备、109-非对称π相移光纤光栅、110-分光比为10∶90的Y型光耦合器、111-第二环形器、112-光谱仪、113-波分复用器、114-泵浦光源、115-掺铒布拉格光纤光栅、116-光电探测器、117-电信号放大器、118-频谱分析仪。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
本发明实施例的一种基于非对称π相移光纤光栅的高精度波长漂移探测装置，其结构示意图如图1所示，包括可调谐激光光源(101)、第一偏振控制器(102)、相位调制器(103)、信号发生器(104)、第二偏振控制器(105)、掺铒光纤放大器(106)、第一环形器(107)、温度控制设备(108)、非对称π相移光纤光栅(109)、光耦合器(110)、第二环形器(111)、光谱仪(112)、波分复用器(113)、泵浦光源(114)、掺铒布拉格光纤光栅(115)、光电探测器(116)、电信号放大器(117)、频谱分析仪(118)。泵浦光源(114)具体为980nm波长的泵浦光源，非对称π相移光纤光栅(109)被置于温度控制设备(108)上。
由可调谐激光光源(101)发出连续光，经过第一偏振控制器(102)连接到相位调制器(103)上，相位调制器的射频端口接入40GHz的信号发生器(104)，相位调制器(103)的输出端口经过第二偏振控制器(105)然后连接到掺铒光纤放大器(106)上。放大之后的调制信号进入第一环形器(107)，被非对称π相移光纤光栅(109)反射，然后从第一环形器(107)的三端口输出。输出后的信号经过一个Y型光耦合器(110)，其中一小部分的光信号被光谱仪(112)监测，剩下的大部分光信号进入第二环形器(111)，然后传输到波分复用器(113)中，波分复用器的另一输入端口接入泵浦光源(114)，经过波分复用器后的光信号被掺铒布拉格光纤光栅(115)反射，然后经过第二环形器(111)输出到光电探测器(116)中，得到的电信号经过电信号放大器(117)放大，最终被频谱分析仪(118)检测。
本装置利用非对称π相移光纤光栅(109)的陷波特性滤除相位调制的其中一个边带，实现单边带调制。具体实现方法是：将载波信号和其中一个边带对应的波长放置在非对称π相移光纤光栅的高反射区域，另一个边带放置在反射谱的中心陷波处，利用其窄带滤波特性使得该边带不能被反射回环形器中。普通的对称型π相移光纤光栅为了实现窄陷波，相移点左右的高反射区域带宽不够大，当加载的调制信号频率较大时，被反射的载波信号和边带信号之间的波长距离较大，需要足够宽的波长反射区域来实现可调谐单边带调制，我们采取非对称的π相移光纤光栅，使得相移点左右的其中一边高反射区域加宽，同时也保证良好的窄带滤波效果。因此在增加调制频率的过程中，载波的波长可以保持固定，只改变调制频率，从而可以提高系统的稳定性并且简化操作。
优选地，非对称π相移光纤光栅(109)刻写在普通单模光纤上，是在相移点两边分两段刻写光栅，使其一边具有较宽的高反射平坦区域。相移点两边由两段布拉格光纤光栅组成，从而实现非对称的相移光纤光栅。
非对称π相移光纤光栅(109)被放置在精密的温度控制设备(108)上。温度控制设备(108)是具有0.01℃精度的高精度温度调制调节系统，通过进行精确的温度控制，使其陷波处对应的波长发生可调控的改变。该非对称π相移光纤光栅的反射谱随着温度的升高发生红移，从而其陷波位置可以根据温度的改变进行调节。当加载不同频率的相位调制信号时，边带的波长位置随之发生改变，此时可以改变温度来移动非对称π相移光纤光栅的陷波位置，使其与其中一个边带位置保持对应，从而达到可调谐的单边带调制效果。
考虑到偏振控制器和相位调制器的插入损耗，为了让足够的光信号进入到相移光纤光栅中进行反射，同时也为了保护相位调制器，需将调制后的光信号进行放大。另外，拍频信号在光电探测器(116)中产生之后，连接一个电信号放大器，放大拍频信号使其能够被频谱分析仪(118)探测到。光信号经过多次反射有损耗，因此在光电探测器(116)中产生的拍频信号比较弱，为了使拍频信号能够被频谱分析仪(118)探测到，因此需要进行拍频信号的电放大。因此，所述光路采用掺铒光纤放大器(106)实现光信号的放大，电路采用电信号放大器(117)进行放大，实现最终拍频信号的测量。
作为本发明的进一步优选，掺铒布拉格光纤光栅(115)是刻写在掺铒光纤上的布拉格光栅，有一段较宽的高反射率平坦区域。
作为本发明的进一步优选，本装置采用40GHz的信号发生器和高频率的频谱分析仪，从而可以使测量范围更广，采集数据更多。
作为本发明的进一步优选，本装置采用偏振控制器是为了增加系统的稳定性。
作为本发明的进一步优选，所述光耦合器(110)的分光比为10：90。
下面具体介绍本发明的作用机制：
由可调谐激光光源(101)出来的光载波信号经过相位调制器(103)后会产生两个等大反相的边带。边带的位置由所加载的调制频率决定。相位调制后的光信号经过掺铒光纤放大器(106)进行放大然后经过第一环形器(107)进入到非对称π相移光纤光栅(109)中。该非对称π相移光纤光栅(109)放置在高精度的温度控制设备(108)中，通过调节到合适的温度，使得其中一个边带与相移点处的陷波波长位置相对应，载波信号和另一个边带的波长位置设置在非对称π相移光纤光栅(109)的高反射区域，可以达到窄带滤波的效果，实现单边带调制。当加载的调制频率发生变化时，边带的位置随之发生改变，与此同时调节非对称π相移光纤光栅(109)的温度，使其反射谱发生移动，从而可以调节陷波位置与边带位置的波长保持对应，滤除边带，达到了可调谐的单边带调制效果。实验过程中采用光谱仪(112)观察单边带调制效果，监测到的结果如图2所示。
经过可调谐的单边带调制后，光信号经由第二环形器(111)被掺铒布拉格光纤光栅(115)反射。被反射的光载波信号λc和单边带信号λs在光电探测器(116)中会产生一个拍频，拍频频率为加载的相位调制的频率。改变调制频率，可以使边带信号位于掺铒布拉格光纤光栅(115)反射谱的第一极小值对应的波长附近，如图3所示，随着调制频率的增加，边带的位置由A点移动到C点对应的波长处。由于该区域反射率的不同，所得到的拍频的幅度会经历一个先减小后增大的过程，并且在到达掺铒布拉格光纤光栅(115)反射谱的第一极小值(用B点标识)的波长位置时，拍频幅度会达到最小值。在设置不同的调制频率过程中，同步调节温度，使非对称π相移光纤光栅的陷波位置调节到另一边带的波长位置处，保持单边带调制的效果。调制频率改变的频率步进越小，得到拍频幅度最小值对应的频率就越精确，对应的掺铒布拉格光纤光栅(115)反射谱的第一极小值处的波长也越精确。当980nm的泵浦光源的光功率逐渐增大时，掺铒布拉格光纤光栅(115)的反射谱会发生红移，第一极小值对应的波长也随之发生红移(用E点标识)。增大调制频率，使得边带位置位于新的极小值对应的波长附近，与此同时，调节温度，使非对称π相移光纤光栅的陷波位置调节到另一边带的波长位置处，保持单边带调制的效果。在增大调制频率的过程中，边带的位置由D点移动到F点对应的波长处，同理，拍频的幅度会先减小后增大，并且在到达E点对应的波长位置时，拍频幅度达到新的最小值。通过探测两次拍频幅度最小值对应的频率漂移，可以得到B点到E点对应的波长漂移。假定在此过程中，反射谱的形状不发生改变，以掺铒布拉格光纤光栅反射谱的第一极小值对应的波长漂移来替代掺铒布拉格光纤光栅反射谱的波长漂移，通过这种方式，将波长漂移转换成拍频达到最小值时对应的频率漂移，相比于传统的光谱仪直接解调波长漂移，该方案能进行高精度的反射谱波长漂移。实验过程中，采用的相位调制频率的频率调节步进为1GHz，对应1550nm波长区域的波长步进为0.008nm。而且，该精度还可以通过采用更小的调制频率步进以得到进一步提高。
基于上述作用机制，采用本装置的探测方法包括：
利用所述非对称π相移光纤光栅的陷波特性滤除相位调制产生的其中一个边带信号，实现单边带调制；
通过所述光耦合器分出一部分光并被光谱仪监测，剩下的光被所述掺铒布拉格光纤光栅反射进入所述光电探测器中，产生拍频信号；
改变相位调制的频率，并同步调节温度，保持单边带调制效果；
进入所述掺铒布拉格光纤光栅反射区域的边带信号在不同位置处获得不同的反射率，在反射谱的极小值处拍频取得幅度最小值；
增加泵浦功率，反射谱发生红移，改变调制频率，使得拍频幅度获得新的最小值；
获取拍频取得最小值时对应的频率漂移，得到掺铒布拉格光纤光栅反射谱在泵浦作用下的波长漂移。
本发明基于现有的光纤光栅传感技术提供了一套新的结合微波领域的波长漂移测量方案；基于非对称π相移光纤光栅的特点，实现了低成本、高精度、结构简单的波长漂移测量系统的设计与搭建。通过非对称π相移光纤光栅、温度控制器、掺铒布拉格光纤光栅、光电探测器的协同作用，可实现高精度的传感测量；并且，还通过非对称π相移光纤光栅的特殊结构，进一步扩大了调制信号的变化范围，使得实验精度更高且操作更方便。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (7)
1.一种基于非对称π相移光纤光栅的波长漂移探测装置，其特征在于，包括：可调谐激光光源(101)、第一偏振控制器(102)、相位调制器(103)、信号发生器(104)、第二偏振控制器(105)、掺铒光纤放大器(106)、第一环形器(107)、温度控制设备(108)、非对称π相移光纤光栅(109)、第二环形器(111)、波分复用器(113)、泵浦光源(114)、掺铒布拉格光纤光栅(115)、光电探测器(116)、电信号放大器(117)、频谱分析仪(118)；
其中，所述可调谐激光光源(101)经过所述第一偏振控制器(102)连接到所述相位调制器(103)，所述相位调制器(103)的射频端口连接信号发生器(104)，所述相位调制器(103)的输出端口经过所述第二偏振控制器(105)连接到所述掺铒光纤放大器(106)的输入端，所述掺铒光纤放大器(106)的输出端与所述第一环形器(107)的第一端口相连，所述非对称π相移光纤光栅(109)与所述第一环形器(107)的第二端口相连，所述第一环形器(107)的第三端口连接到所述第二环形器(111)的第一端口；
所述波分复用器(113)的第一端口与所述第二环形器(111)的第二端口相连，所述波分复用器(113)的第二端口接入所述泵浦光源(114)，所述波分复用器(113)的第三端口与所述掺铒布拉格光纤光栅(115)相连；所述光电探测器(116)的输入端与所述第二环形器(111)的第三端口相连，且输出端依次与所述电信号放大器(117)、频谱分析仪(118)连接；
所述非对称π相移光纤光栅(109)置于温度控制设备(108)上。
2.如权利要求1所述的波长漂移探测装置，其特征在于，所述非对称π相移光纤光栅(109)刻写在普通单模光纤上，在相移点两边分两段刻写光栅。
3.如权利要求1所述的波长漂移探测装置，其特征在于，所述第一环形器(107)的第三端口经光耦合器(110)连接到所述第二环形器(111)的第一端口；
所述光耦合器(110)为Y型光耦合器，其一个输出端连接到所述第二环形器(111)的第一端口，另一输入端与光谱仪(112)连接。
4.如权利要求3所述的波长漂移探测装置，其特征在于，所述泵浦光源(114)为980nm波长的泵浦光源。
5.如权利要求3所述的波长漂移探测装置，其特征在于，所述信号发生器(104)为40GHz的高频信号发生器。
6.如权利要求5所述的波长漂移探测装置，其特征在于，所述频谱分析仪(118)为高频频谱分析仪。
7.一种基于权利要求3-6任一项所述波长漂移探测装置的探测方法，其特征在于，包括以下步骤：
利用所述非对称π相移光纤光栅的陷波特性滤除相位调制产生的其中一个边带信号，实现单边带调制；
通过所述光耦合器分出一部分光并被光谱仪监测，剩下的光被所述掺铒布拉格光纤光栅反射进入所述光电探测器中，产生拍频信号；
改变相位调制的频率，并同步调节温度，保持单边带调制效果；
进入所述掺铒布拉格光纤光栅反射区域的边带信号在不同位置处获得不同的反射率，在反射谱的极小值处拍频取得幅度最小值；
增加泵浦功率，反射谱发生红移，改变调制频率，使得拍频幅度获得新的最小值；
获取拍频取得最小值时对应的频率漂移，得到掺铒布拉格光纤光栅反射谱在泵浦作用下的波长漂移。
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