CN112857609B - 一种面向光纤端面接触液体折射率测量的微波光子滤波器系统及方法 - Google Patents

一种面向光纤端面接触液体折射率测量的微波光子滤波器系统及方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种面向光纤端面接触液体折射率测量的微波光子滤波器系统及方法，包括宽谱光源、电光调制器、光纤环形器、传输光纤光电探测器、频谱分析模块，本发明提供的一种面向光纤端面接触液体折射率测量的微波光子滤波器系统及方法，通过外调制的方法对输出光进行调制，使用宽谱激光光源，降低了光源要求，同时不需要使用光谱仪对波长进行解调，减少了系统成本，可实现长距离测量。

Description

一种面向光纤端面接触液体折射率测量的微波光子滤波器系 统及方法
本发明涉及微波光子学、微波光子滤波器、以及微波光子滤波器应用于传感的技术领域，具体地说，是一种面向光纤端面接触液体折射率测量的微波光子滤波器系统及方法。
背景技术
折射率是一种很重要的光学常数，借助折射率能了解物质的光学性能、纯度以及色散等性质。在化工、医药、食品、石油等行业的研究中，经常需要测定一些液体的折射率和浓度，因此对液体折射率的准确测量，在许多领域都有非常重要的意义。
海洋占地球总面积的71％，其中蕴含着大量生物资源和石油，天然气等能源，对海洋的研究有利于提高人类对海洋资源的利用率。在人类进一步探索，研究海洋，利用海洋资源谋求更长远，更优质的发展的今天，对海洋各项参数的测量十分重要。折射率作为物质光学性质的重要物理参数之一，在海水盐度测量领域也有重要作用。早期的国外研究者通过对水和盐水折射率的研究，建立了包括含盐量，温度，折射率等参数的数学模型。随着测量技术的发展，不断有国内外科学家完善折射率和盐度的测量模型。测量海水的折射率常见的方法有激光照射法、衍射法、掠面入射法、光学临界角法等[1-3]。
在现代信息技术高速发展的今天，传感技术已成为现代信息产业支柱之一的高新技术，其发展程度已成为现代科学技术发展水平的重要依据，因而受到了世界各国的广泛重视。传感技术领域当中目前最受人们关注的就是光纤传感技术，该技术与传统的传感技术在传感原理与信号处理方面有很大的不同，且在工程造价和使用范围等都优于传统的传感技术。
光纤折射率传感器是光纤传感器中的一个重要分支，光纤折射率传感器可用于生化传感和监测技术，且可以监控食品加工过程和化学工艺过程等。在食品加工和环境监测等领域中，做到实时监测具有非常重要的意义，因此光纤折射率传感器具有非常重要的研究价值。由于光纤折射率传感器在实际使用中的意义非常重大，因而受到了国内外学者的广泛关注，且取得了非常不俗的研究成果。常见的光纤折射率传感器主要有光纤光栅型[4]、拉锥光纤型[5]、光纤珐珀型[6]和菲涅尔反射型[7]等。
光纤光栅传感器是一种非常灵敏的折射率传感器，通过外界环境参量影响光纤内光波的特征参量变化，对出射光的检测便可以感知外界环境参量，光纤光栅通常可以分为两种类型：长周期光纤光栅和布拉格光纤光栅，长周期光纤光栅是通过包层模的倏逝场来测量外界折射率，布拉格光纤光栅是通过检测光栅中心波长的漂移来检测折射率；拉锥光纤型的传感原理是通过将光纤拉锥或通过化学腐蚀的方法对光纤进行处理，使光纤的包层模与外界折射率进行接触，从而破坏光在光纤内的全反射传输，使得纤芯内传输的光信号泄露与外界环境接触，导致光纤中光信号能量的损失，一般使用强度解调方法来测量外界折射率；光纤珐珀传感器是基于光干涉原理来解调的，由于其结构微小，非常适合封装，通常用于油井、航空航天等高温、高压特殊环境中，但是其对腔长的要求非常严格，通常情况下腔长一般为几十微米，且必须小于光源的相长度，否则无法发生干涉；菲涅尔反射型折射率传感器是利用切平光纤端面与外界环境的折射率差，在光纤端面与外界环境的分界面发生菲涅尔反射型，反射光通过光纤反射至光电探测器，再检测反射光强度大小便可以通过强度解调出外界折射率的大小，其优点在于制作较简单，只需要将光纤端面切平即可，在测量液体折射率时，将切平的光纤端面浸入待测溶液，通过检测反射光强度即可实现折射率测量。
光纤折射率传感器因其抗电磁干扰能力强、探头微型化等一系列优点而备受关注，但是也存在制作工艺复杂，结构复杂、集成度差等问题。
微波光子学将微波学与光子学相结合，集成了微波学与光子学的优点，在射频波(电磁辐射的射频波段)和光纤之间透明转换，微波提供了低成本可移动无线连接的方式，而光纤提供了低损宽带连接，且不受电磁干扰的特点。近年来，随着微波光子(microwavephotonics，MWP)技术在高频电信号产生、高频电学信息处理等方面展现出来的显著优势，其能够克服传统电信号处理器中因采样速度有限造成的固有瓶颈，具有广泛的应用前景。光传感技术的研究人员希望将MWP技术应用于光纤传感，通过对某些微波参量的测量来提取待测量信息。
微波光子学中关键技术之一就是微波光子滤波器，其主要目的是代替传统的方法来处理射频信号，即利用射频信号直接调制光载波，并在光域内直接进行处理，具有高紧密型，电磁环境下的高兼容性，体积小且易于安装等优点，由于光波与微波间巨大的频差，参量在光域中发生的微小变化可以很明显地反映在微波频域，随着微波光子技术的发展，实现射频信号的光子处理变得更加方便和具有成本效益。利用微波光子滤波器实现传感的系统，主要实现对温度、压力、液体折射率等待测量变化的传感，其主要结构有Sagnac环型、光纤环型、MZI型、光纤光栅型等。
本发明中所用的传感方法为直接用光纤端面作为传感器件来进行对待测液体进行感知，以此来测量待测液体的折射率，此方法具有传输距离上的灵活性，可实现长距离的传感。
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发明内容
本发明的目的在于提供一种面向光纤端面接触液体折射率测量的微波光子滤波器系统及方法，为达到上述目的，本发明的技术方案如下：
本发明提出的一种微波光子滤波器的系统，包括：宽谱光源(101)，用于产生发出的放大自发辐射光(Amplified spontaneous emission light)：电光调制器(102)，用于将频率范围为f1-f2的射频信号调制到电光调制器上，即形成以FSR(Free spectral range)为周期的频谱，其中FSR为微波光子滤波器的自由频谱范围，即其中C为光的传播速度，ne为传感光纤(104)的折射率，L为光纤的传输长度，且f1和f2满足：|f2-f1|＝nFSR；光纤环形器(103)，该光纤环形器为包含3个端口的光纤环形器(包含端口1，端口2，端口3)，用来将从端口1输入的信号光传输到端口2所连接的传感光纤1中，其端口1连接电光调制器，端口2连接传感光纤，端口3连接光电探测器；传感光纤(104)，该光纤为长度为L，用来形成微波光子滤波器，其一端a连接光纤环形器的2端口，另一端b空置作为感应器件，待测量为端面接触液体的折射率，作用于传输光纤的空置b端口上；光电探测器(105)，用来把光信号转化为电信号；频谱分析模块(106)，用来把光电探测器输出的电信号转化为频率域的输出，通过对不同频率的电信号响应形成微波光子滤波器的频率响应，即显示输出信号的频谱。
进一步，该微波光子传感系统是通过传感光纤(104)的两个PC(PhysicalContact)型光纤端面之间的反射，形成微波光子滤波器，并且通过改变光纤端面接触液体折射率的方法来实现传感；其中PC(Physical Contact)型端口是采用微球面研磨抛光技术实现物理接触的光纤端口，其插芯表面研磨成轻微球面，光纤纤芯位于弯曲最高点，这样可有效减少光纤组件之间的空气隙，使两个光纤端面达到物理接触；
进一步，该系统中所用到的传感光纤(104)为两端口都为PC(Physical Contact)型光纤端口的单模光纤，其a端与是APC型光纤端面的环形器2口连接，b端空置作为感应器件；或者，该传感光纤(104)为a端是APC(Angle Physical Contact)型光纤端面，b端是PC型光纤端面的传感光纤，其a端与是PC型光纤端面的环形器2口连接；当b端的液体折射率发生改变时，应通过调整a端的光纤端面接触液体折射率改变使其与b端的折射率近似相等，即n1(a)≈n1(b)，其中n1为光纤端面所接触液体的折射率，以此来保证微波光子滤波器能够正常工作并实现传感。
进一步，该系统中所用到的光纤环形器2端口的光纤端面为APC(Angle PhysicalContact)型的光纤端面，其所连接的是传感光纤(104)的a端，即此处的光纤连接为环形器2端口的APC型光纤端面和传感光纤的PC型光纤端面的连接；或者，光纤环形器2端口的光纤端面为PC(Physical Contact)型的光纤端面，其所连接的是传感光纤(104)的a端，即此处的光纤连接为环形器2端口的PC型光纤端面和传感光纤的APC型光纤端面的连接。
进一步，该微波光子滤波器传感系统可以采用如下的测量方法，当光纤端面接触液体折射率发生改变时，所探测到的射频信号强度发生变化，从而改变微波光子滤波器的陷波深度Er，其中Er为微波光子滤波器的频率响应中最大值和最小值之间的差值。
进一步，在本发明的微波光子滤波器的传感系统中，具有如下特征：
可根据如下方法确定光纤端面在空气中的陷波深度Er：
a)确定宽谱光源的输出光功率PBOS，以及加载到电光调制器上射频信号的功率，或者射频功率对应的射频电压数值；
b)在传感端面直接接触空气的状态下，测量射频信号的扫频谱，读取扫频谱由的n个最大值Pmaxn(dBm)，{Pmax1，Pmax2…Pmaxn}，n个最小值Pminn(dBm)，{Pmin1，Pmin2…Pminn}；
c)对所测得的扫频谱中所测得的最大值和最小值做差值，得到对应的每个陷波所对应的陷波深度，即Er1＝Pmax1-Pmin1，...，Ern＝Pmaxn-Pminn；
d)对计算所得的每个陷波深度取平均值，得到微波光子滤波器所对应的平均陷波深度Er(dB)，
e)根据a)-d)的测量方法，测量空气状态下的陷波深度值Er。
进一步，在本发明的微波光于滤波器的传感系统中，当端面液体折射率改变时，可根据如下方法确定光纤端面在不同端面液体折射率情况下的陷波深度Er：
a)在每种液体折射率下，测量光电探测器的扫频谱，读取扫频谱中的n个最大值Pmaxn(dBm)，{Pmax1，Pmax2...Pmaxn}，和n个最小值Pminn(dBm)，{Pmin1，Pmin2...Pminn}；
b)对所测得的扫频谱中所测得的最大值和最小值做差值，得到对应的每个陷波所对应的陷波深度，即Er1＝Pmax1-Pmin1，...，Ern＝Pmaxn-Pminn；
c)对计算所得的每个陷波深度取平均值，得到微波光子滤波器所对应的平均陷波深度Er(dB)，即
d)根据a)-c)的测量方法，测量不同液体折射率下的微波光子滤波器陷波深度值Er，根据所测得的结果，形成数据库。
进一步，在实际测量中，对于不同的待测液体折射率，用上述检测方法进行测量，所得结果与上述方法中形成的数据库进行对比。
本发明相比于现有技术具有如下有益效果：
1、本发明所使用的光源为宽谱光源，输出的性能更为稳定，在系统内不需要使用任何偏振控制器件。
2、本发明提供的一种微波光子传感的系统及待测量提取方法，通过外调制的方法对输出光进行调制，使用宽谱激光光源，降低了光源要求。
3、本发明通过输出的电频谱幅度变化对端面液体折射率进行测量，不需要使用光谱仪对波长进行解调，减少了系统成本。
4、本发明通过微波光子滤波器的方法来检测端面液体浓度，由于光纤可实现远距离传输，因此本发明中所用到的微波光子滤波器传感系统可实现长距离的端面液体折射率测量。
附图说明
图1为本发明提供的光纤环形器1的结构示意图
图2为本发明提供的光纤干涉仪的结构示意图
图3为本发明提供的微波光子滤波器系统示意图
图4为利用本方法进行实验的结构图
图5为用本方法所检测端面液体类型的实验结果图
具体实施方式
下面结合附图和实施例详细说明本发明的实施方式。
如图1所示，光纤环形器有一种结构，包含端口1，端口1，端口3；
如图2所示，光纤干涉仪由环形器和一段长度为L的单模光纤构成，其特征为两端都是PC型光纤接头，并且一端连接光纤环形器的2端口，另一端空置。
如图3所示，光源(101)是宽谱光源(BOS)发出的放大自发辐射光(ASE)，其输出光经过电光调制器(102)，与射频信号进行调制，调制后的微波信号经过一个光纤环形器(103)，再经过一段长度为L的光纤跳线(104)，该调制后的微波信号经过光纤两端口的反射，最终形成干涉，被光电探测器(105)接收，最后经过解调进入频谱分析仪(106)进行数据采集以便后续做数据处理。
如图4所示，为如图3所示实验结构的具体实施方案，其中传输光纤(104)的长度为2km，具体实施方案是在环形器2端口加一根PC-APC的光纤端面转换线，使光纤端面a实现端面转换，与2km光纤(107)的APC型光纤端面进行匹配连接，然后再通过一根PC-APC的光纤端面转换线来将光纤的末端的端面b转换为PC型。
如图5所示，为如图4所示结构的实验结果图，从实验结果中可以看出，利用本方法进行光纤端面液体的检测，具有明显效果。

Claims (5)

1.一种微波光子滤波器的传感系统，包括：
宽谱光源(101)，用于产生发出的放大自发辐射光(Amplified spontaneous emissionlight)；
电光调制器(102)，用于将频率范围为f1-f2的射频信号调制到电光调制器上，即形成以FSR(Free spectral range)为周期的频谱，其中FSR为微波光子滤波器的自由频谱范围，即其中C为光的传播速度，ne为传感光纤(104)的折射率，L为光纤的传输长度，且f1和f2满足：|f2-f1|＝nFSR；
光纤环形器(103)，该光纤环形器为包含3个端口的光纤环形器(包含端口1，端口2，端口3)，用来将从端口1输入的信号光传输到端口2所连接的传感光纤1中，其端口1连接电光调制器，端口2连接传感光纤，端口3连接光电探测器；
传感光纤(104)，该光纤为长度为L，用来形成微波光子滤波器，其一端a连接光纤环形器的2端口，另一端b空置作为感应器件，待测量为端面接触液体的折射率，作用于传输光纤的空置b端口上；
光电探测器(105)，用来把光信号转化为电信号；
频谱分析模块(106)，用来把光电探测器输出的电信号转化为频率域的输出，通过对不同频率的电信号响应形成微波光子滤波器的频率响应，即显示输出信号的频谱；
根据如下方法确定光纤端面在不同端面液体折射率情况下的陷波深度Er：
a)在每种液体折射率下，测量光电探测器的扫频谱，读取扫频谱中的n个最大值Pmaxn(dBm)，{Pmax1，Pmax2...Pmaxn}，和n个最小值Pminn(dBm)，{Pmin1，Pmin2...Pminn}；
b)对所测得的扫频谱中所测得的最大值和最小值做差值，得到对应的每个陷波所对应的陷波深度，即Er1＝Pmax1-Pmin1，...，Ern＝Pmaxn-Pminn；
c)对计算所得的每个陷波深度取平均值，得到微波光子滤波器所对应的平均陷波深度Er(dB)，即
d)根据a)-c)的测量方法，测量m种不同液体折射率下的微波光子滤波器陷波深度值Er1，Er2，....，Erm，根据所测得的结果，形成数据库；
在实际测量中，对于不同的待测液体折射率，用上述a)-d)步骤对应的检测方法进行测量，所得结果与形成的数据库进行对比，进而得到待测液体折射率。
2.如权利要求1所述的系统，其特征为：
该系统中所用到的传感光纤(104)为两端口都为PC(Physical Contact)型光纤端口的单模光纤，其a端与是APC型光纤端面的环形器2口连接，b端空置作为感应器件；
或者，该传感光纤(104)为a端是APC(Angle Physical Contact)型光纤端面，b端是PC型光纤端面的传感光纤，其a端与是PC型光纤端面的环形器2口连接；
当b端的液体折射率发生改变时，应通过调整a端的光纤端面接触液体折射率改变使其与b端的折射率近似相等，即n1(a)≈n1(b)，其中n1为光纤端面所接触液体的折射率，以此来保证微波光子滤波器能够正常工作并实现传感。
3.如权利要求1所述的系统，其特征为：
光纤环形器2端口的光纤端面为APC(Angle Physical Contact)型的光纤端面，其所连接的是传感光纤(104)的a端，即此处的光纤连接为环形器2端口的APC型光纤端面和传感光纤的PC型光纤端面的连接；
或者，光纤环形器2端口的光纤端面为PC(Physical Contact)型的光纤端面，其所连接的是传感光纤(104)的a端，即此处的光纤连接为环形器2端口的PC型光纤端面和传感光纤的APC型光纤端面的连接。
4.如权利要求1所述的系统，其特征为：
该微波光子滤波器传感系统可以采用如下的测量方法，当光纤端面所接触的液体不同，其折射率发生改变时，所探测到的射频信号强度发生变化，从而改变微波光子滤波器的陷波深度Er，其中Er为微波光子滤波器的频率响应中最大值和最小值之间的差值。
5.如权利要求1所述的系统，可根据如下方法确定光纤端面在空气中的陷波深度Er：
a)确定宽谱光源的输出光功率PBOS，以及加载到电光调制器上射频信号的功率，或者射频功率对应的射频电压数值；
b)在传感端面直接接触空气的状态下，测量射频信号的扫频谱，读取扫频谱中的n个最大值Pmaxn(dBm)，{Pmax1，Pmax2...Pmaxn}，n个最小值Pminn(dBm)，{Pmin1，Pmin2...Pminn}；
c)对所测得的扫频谱中所测得的最大值和最小值做差值，得到对应的每个陷波所对应的陷波深度，即Er1＝Pmax1-Pmin1，...，Ern＝Pmaxn-Pminn；
d)对计算所得的每个陷波深度取平均值，得到微波光子滤波器所对应的平均陷波深度Er(dB)，即
e)根据a)-d)的测量方法，测量空气状态下的陷波深度值Er。
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