CN114812637B - 一种基于多芯光纤的通信传感一体化系统 - Google Patents
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Abstract
本发明专利提供一种基于多芯光纤的通信传感一体化系统，利用多芯光纤的不同信道作为传输链路，分别构建光学信号传输链路和光纤传感链路。对于一个多芯光纤，选取其中的两个纤芯作为传感链路，其余的纤芯作为信息传输链路。对于每一个链路，在发射端，我们采用激光器构建N路的光频梳，光频梳由N个波长复合而成。多芯光纤中，2个传感纤芯作为传感光纤，其余为信号传输光纤。在输出端，2个传感纤芯中，第一个传感纤芯的奇数波长在输出端输出，第二个传感纤芯的偶数波长在输出端输出，经过光纤信号放大器后，与信号传输链路中的传输信号做相干接收。
Description
技术领域
本发明设计光纤通信和光纤传感技术领域，尤其涉及一种基于多芯光纤的通信传感一体化系统。
背景技术
光纤通信和光纤传感系统中，通信链路和传感链路是相互独立的两个部分，然而，在光纤通信系统中，不仅需要对信息进行高速、大容量的传输，然而，外部的环境等因数的影响也会对光纤链路造成严重影响，而信息链路中传输的信息分量需要对外部因数进行屏蔽，难以对外部进行合理的监测。而在光纤传感系统中，由于传感链路设计了不同的传感结构，而该结构对于光信息的传输极为不利，难以实现光信息的有效传输。
发明内容
为解决目前光纤传感系统的光纤只能用于传感，不能实现光信息远距离传播，光纤利用率不高的问题，本发明提出以下技术方案。
本发明的技术方案为一种基于多芯光纤的通信传感一体化系统，包括光载波产生模块、发送端、多芯光纤传输链路、光纤信号放大器二、相干接收机，其中，
光载波产生模块产生光频梳，光频梳由N个波长复合而成，每一个波长的间隔为50GHz；
多芯光纤传输链路包含M根纤芯，其中两根芯刻写了布拉格光纤光栅阵列，作为传感纤芯，其余M-2根作为信号传输纤芯，M>2，两根传感纤芯内刻写N/2个光纤光栅，第一根传感光纤的N/2个光栅的中心波长分别对应于光频梳的偶数波长，第二根传感光纤的N/2个光栅的中心波长则对应于光频梳的奇数波长，信号传输纤芯内未刻写布拉格光纤光栅阵列，两根传感纤芯通过光纤信号放大器二将光信号传输给相干接收机；
相干接收机用于分别将信号传输纤芯输出的奇数波长的光信号与第一根传感光纤输出的奇数波长的光信号，和将信号传输纤芯输出的偶数波长的光信号与第二根传感光纤输出的偶数波长的光信号，进行相干接收；
发送端设有分光器、M-2个光学调制链路、两个环形器、光端机、光信号处理器，光频梳通过分光器分成M束光载波，其中M-2束光载波分别通过M-2个光学调制链路调制成所需要的光信号后，送至M-2路信号传输纤芯，两束光载波分别通过1个环形器送至两根传感纤芯内的布拉格光纤光栅阵列，布拉格光纤光栅阵列受外界待测量改变布拉格光纤光栅中心波长，与布拉格光纤光栅中心波长对应中心波长的光信号被反射，再通过环形器依次送至光端机、光信号处理器作为变化后的输出光谱，与基准输出光谱比较得到波长改变量，从而计算出待测量的改变量。
优选的，所述发送端的分光器之前还设有光纤信号放大器一，用于放大光频梳。
优选的，所述光学调制链路将光载波调制成OOK信号、QAM信号或者PAM信号。
进一步的，所述传感纤芯的位置相互对角。
进一步的，M不小于3。
进一步的，N=96。
进一步的，所述多芯光纤传输链路中所有纤芯外被包裹在包层内，所述传感纤芯背向多芯光纤传输链路中心的一侧与包层之间刻写有若干个采用飞秒激光器烧蚀刻写的周期性的刻槽，刻槽内填充监测敏感材料，形成由刻槽、刻槽内的监测敏感材料、布拉格光纤光栅组成的微结构布拉格光纤光栅，各刻槽的长度与布拉格光纤光栅的沿纤芯延伸方向的长度相同，各刻槽沿包层圆周方向的宽度与传感纤芯的直径相同，刻槽周期与布拉格光纤光栅一致，且刻槽正对布拉格光纤光栅栅区，所述监测敏感材料能响应于待测量的改变产生热量和/或产生体积变化。
进一步的，所述监测敏感材料为Pt-WO3薄膜。
进一步的，所述监测敏感材料为磁致伸缩材料。
优选的，两根传感光纤中一个传感光纤的刻槽周期与布拉格光纤光栅一致，刻槽正对布拉格光纤光栅栅区，另一个传感光纤的刻槽周期位置与布拉格光纤光栅互补，刻槽与布拉格光纤光栅栅区错开。
本发明利用多芯光纤的多纤芯的优势，对不同的纤芯进行改性，实现部分传输信道作为传输链路，而少量的链路作为传感链路，进而既保证了光纤链路传输的大容量传输，也实现了对于光纤传输链路的外部信息监测。传感链路中结合FBG的波长特性，将其余可用带宽用于传输发射端的光载波，可以实现输出端光信号的相干接收，极大的消除由于激光器的性能差异，降低接收端处理的复杂度。
附图说明
图1是本发明实施例中的整体传输系统架构图；
图2是实施例1的多芯光纤的断面结构图；
图3是实施例1的多芯光纤的纵剖面结构图；
图4是实施例2的多芯光纤的断面结构图；
图5是实施例2的多芯光纤的纵剖面结构图。
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。
光频梳指光学频率梳(OFC)，是指在频谱上由一系列均匀间隔且具有相干稳定相位关系的频率分量组成的光谱。
FBG是在光纤纤芯内形成的空间相位光栅，通过光栅前向传输的纤芯模式与后向传输的纤芯模式之间发生耦合，而使前向传输的纤芯模式的能量传递给后向传输的纤芯模式，形成对入射波的反射。其反射波长即布拉格波长为λB=2neffᴧ，其中，ᴧ为光栅周期，neff为纤芯等效折射率。光纤布拉格光栅因此是在单模光纤纤芯上刻录一个或多个光栅栅区使其对一个或者多个特定波长的光敏感。光纤光栅是利用光纤材料的光敏特性，即外界入射激光和纤芯内的掺杂离子相互作用，引起光纤折射率变化的特性，其本质是在光纤纤芯内形成一个窄带滤波器，光纤光栅传感器测量的基本原理是将待测量的改变量：环境压力、温度、位移、磁场、化学物质等待测物理量的变化映射至光纤光栅反射波长的变化，当光纤受到拉伸或收缩等应变或环境温度发生变化时，光纤光栅的周期也会发生相应的变化，从而改变发射光中心波长，通过数学推导，推算出待测物理量的变化。
波长是指波在一个振动周期内传播的距离。也就是沿着波的传播方向，相邻两个振动位相相差2π的点之间的距离。波长λ等于波速v和周期T的乘积，即 λ=vT。λ为光在真空中的波长。
介质的折射率neff等于“光在真空中的速度（c）”跟“光在介质中的相速度（v）”之比，即：neff=c/v。光在介质中的波长λ’=λ/ neff。
实施例1
本发明的基于光芯光纤的通信传感一体化传输系统，包括光载波产生模块1、发送端3、多芯光纤传输链路4、光纤信号放大器二5、相干接收机6。
其中，光载波产生模块1，采用激光器产生光频梳，光频梳由N=96个波长复合而成，为了保证和现有的通信格式兼容，光频梳的每一个波长的间隔为50GHz。
多芯光纤传输链路4包含M=7根纤芯，其中2根纤芯刻写了布拉格光纤光栅(FBG)45组成的阵列，作为传感纤芯43，其余M-2=5根纤芯为常规纤芯，作为信号传输纤芯42，两根传感纤芯43内刻写N/2=48个光纤光栅44，如图3，两根传感光纤的布拉格光纤光栅(FBG)45中心波长互补，第一根传感光纤43a的48个光栅的中心波长分别对应于光频梳的偶数波长，第二根传感光纤43b的48个光栅的中心波长则对应于光频梳的奇数波长。信号传输纤芯42不做处理，两根传感纤芯43通过光纤信号放大器二5将光信号传输给相干接收机6。
相干接收机6用于分别将信号传输纤芯42输出的奇数波长的光信号与第一根传感光纤43a输出的奇数波长的光信号，和将信号传输纤芯42输出的偶数波长的光信号与第二根传感光纤43b输出的偶数波长的光信号，进行相干接收。
发送端设有光纤信号放大器一2、分光器31、M-2个光学调制链路32、2个环形器33、光端机34、光信号处理器35，光纤信号放大器一2将光频梳放大，再通过分光器31将光频梳的M个光载波分成M束，其中M-2束光载波分别通过M-2个光学调制链路32调制成所需要的光信号后，送至M-2路信号传输纤芯42，两束光载波分别通过1个环形器33送至两根传感纤芯43内的布拉格光纤光栅(FBG)阵列，布拉格光纤光栅(FBG)阵列受外界待测量改变FBG中心波长，与FBG中心波长对应中心波长的光信号被反射，再通过环形器33依次送至光端机34、光信号处理器35作为变化后的输出光谱，与基准输出光谱比较得到波长改变量，从而计算出待测量的改变量。
具体的，本方案中光频梳经EDFA或者SOA放大后，再由分光器31等分为7路光频梳信号，其中5路通过光学调制链路32调制成所需要的光信号，比如OOK信号、QAM信号或者PAM信号等。然后将这5路光信号送入5根信号传输纤芯42。其中光端机34和光信号处理器35，将2路传感纤芯43反射回的波长信息与输入的光频梳波长位置进行匹对，求出对应的监测参量。
由于多芯光纤4的传感纤芯43中刻写了FBG阵列，每个FBG的中心波长对应于一个输入的光波，根据FBG的传感原理，当链路中受到环境变化，如温度变化，FBG的中心波长就会偏移，此时受到FBG滤波的光信号的能量就会受到变化，然后改变化的光信号就会返回到光信号处理器35，通过在光信号处理器35接收光载波的波长与功率和输入时对应的光载波比对，即可得到外部监测参量。比如如果输入的光频梳中的对应的传感波长为1550 nm，对应的FBG的中心波长为1550，此时，输入的1550 nm光波全部返回光信号处理器35，返回的功率为100%，但是当FBG受到外部环境温度的影响，FBG的中心波长将会偏移，偏移量与外部环境成正比关系，当温度上升时，波长偏移13 pm/℃，偏移的越多，和输入波长的偏差越大，此时返回的能量值就会减小，根据输出的功率的差异，即可求出外部环境的温度变化量。同样其中的返回波长的监测与FBG的一一对应，通过测量不同的返回波长，即可确认FBG的监测位置。
多芯光纤传输链路4采用低串扰多芯光纤，选取其中两个靠外部的纤芯作为传感纤芯43，更容易感受外界待测量的影响，传感纤芯43的位置相互对角，可以测量的覆盖范围更广。
2根传感纤芯43中，第一根传感纤芯43内传输的奇数波长，由于不对应FBG光栅中心波长，因而在传感纤芯43的输出端输出，经过光纤信号放大器二5后，与信号传输链路42中的对应奇数波长的参数完全相同，因而可以做相干接收，第二根传感纤芯43内传输的偶数波长在传感纤芯43的输出端输出，经过光纤信号放大器二5后，与信号传输链路42中的对应偶数波长做相干接收。
本发明基于多芯光纤进行信息传输，利用其中的两个纤芯做了其他应用，一方面是用作本振光的传输，由于本振光和光信号传输的光是完全一样的，其中的多芯光纤的串扰也是。因此在相干发送端，可以消除激光器的频偏和相位影响。在相同条件下，相对于传统非相干光通信，相干光通信的接收机可以提升灵敏度20db。在这个20db的帮助下，相干光通信的通信距离可以提升100倍，达到千公里级别（非相干光大约只有几十公里）。
另一方面，该2根传感纤芯中刻写的FBG完全覆盖了传输的中心波长，传感纤芯输入端的光载波的监测光载波返回到输入端，经过光端机和光信号处理器处理后，不仅可以监测外部参量（诸如温度）引起的波长和功率变化，同样还可以反馈通多芯光纤传输链路的每一个波长的传输状态。此外，由于传感纤芯是对称排列的，其对称特性可以消除传感过程中的部分传感参量的影响，对环境待测量进行精准分析。
实施例2
在实施例1公布的基于光芯光纤的通信传感一体化传输系统的基础上进行改进，得到本实施例，与实施例1的区别在于，如图4和图5，多芯光纤传输链路4的所有纤芯外被包裹在包层7内，其中传感纤芯43背向多芯光纤传输链路4中心的一侧与包层7之间刻写有若干个采用飞秒激光器烧蚀刻写的周期性的刻槽8，刻槽8内填充监测敏感材料9，形成由刻槽8、刻槽8内的监测敏感材料9、布拉格光纤光栅(FBG)45组成的微结构布拉格光纤光栅，上方传感光纤的刻槽周期与布拉格光纤光栅一致，刻槽正对布拉格光纤光栅栅区，下方传感光纤的刻槽周期位置与布拉格光纤光栅互补，刻槽与布拉格光纤光栅栅区错开，各刻槽8的长度与布拉格光纤光栅(FBG)45的沿纤芯方向的长度相同，各刻槽8沿包层7圆周方向的宽度与传感纤芯43的直径相同，监测敏感材料9用于增强布拉格光纤光栅(FBG)对待测量的灵敏度，缩短响应时间。监测敏感材料9能响应于待测量的改变产生热量、或产生体积变化。
与标准FBG传感器相比，具有刻槽8并填充监测敏感材料9的FBG的灵敏度可以提高。原因如下：首先，由于刻槽8具有更大的表面积以容纳更多的监测敏感材料9，监测敏感材料9能相应于待测量的改变产生热量，因此会相比标准FBG传感器产生更多的热量。且由于刻槽8的底部靠近传感纤芯3，部分光能可能会从传感纤芯43泄漏。因此，在轻微漏光的情况下，光能可以提高温度。随着刻槽的深度和接近核心区域，光泄漏的可能性更大。这种与光的相互作用可增加敏感层的激活，其次，光纤的膨胀也会改变光栅的间距纤维膨胀系数小（0.55×10-6/K）通常，可以忽略纤维膨胀效应。由于监测敏感材料9的膨胀系数高于SiO2，因此微结构FBG具有更高的灵活性，并最终经历更大的灵敏度增强。第三，由于热应力沿纤维的均匀分布，也可以忽略热应力。然而，飞秒激光器烧蚀后光纤的内应力分布可能不均匀，因此，由于热应力分布不均匀，波长漂移可能会增加。这些因素的结合将大大提高微结构FBG的灵敏度。与标准FBG探头相比，微结构FBG探头的响应时间也可以提高。微槽深度越大，监测敏感材料9越接近传感纤芯43。因此，放热反应产生的热量越大，传递到传感纤芯43的速度越快。因此，微结构FBG比标准FBG传感器具有更快的响应时间。
如论文“XIAN ZHOU, YUTANG DAI, JOSEPH MUNA KARANJA, FUFEI LIU, AND
MINGHONG YANG. Microstructured FBG hydrogen sensor based on Pt-loadedWO3. Optics Express, 2017, 25(8): 8777-8786.”举例了监测敏感材料9可以设置为Pt-WO3薄膜，当氢气与Pt-WO3反应时，会产生大量热量，PtWO3的膨胀系数也高于SiO2，导致传感纤芯的受到的压力的改变和温度改变，物理量的变化映射至光纤光栅反射波长的变化。使微结构FBG可以检测H2和温度、压力等待测量的改变量。
如专利CN202011589927.5中公布了利用磁流体(以Fe3O4纳米颗粒为磁性颗粒，采用亚油酸作为表面活性剂)作为刻槽8内填充的监测敏感材料9。磁流体在磁场作用下磁致伸缩，改变光纤的折射率。
本发明的监测敏感材料不限于以上两种举例。本实施例中，下方传感光纤在FBG非刻写位置增敏，上方传感光纤在FBG的刻写位置增敏。现有技术中，两个FBG的输出波长对外部环境的敏感量是一致的，但是监测输出是有误差的，若两个传感光纤均在刻写位置增敏或均在非刻写位置增敏，则两个传感光纤对待测量的改变量进行监测后输出的误差相同，对两根传感光纤输出的波长取平均值，就会使得误差被放大，而本实施例中由于填充的监测敏感材料9对外部环境的敏感量是一致的，但采用互补的方式刻写在两根传感光纤上后，两根传感光纤的FBG在监测相同待测量的改变量后，两处监测敏感材料9对各自FBG的误差影响是相反的，因此对两根传感光纤输出的波长取平均值，就会抵消误差，使得误差被缩小，因此本实施的改进方案可以提高传感光纤波长的输出精度。
Claims (10)
1.一种基于多芯光纤的通信传感一体化系统，包括光载波产生模块、发送端、多芯光纤传输链路、光纤信号放大器二、相干接收机，其特征在于，
光载波产生模块产生光频梳，光频梳由N个波长复合而成，每一个波长的间隔为50GHz；
多芯光纤传输链路包含M根纤芯，其中两根芯刻写了布拉格光纤光栅阵列，作为传感纤芯，其余M-2根作为信号传输纤芯，M>2，两根传感纤芯内刻写N/2个光纤光栅，第一根传感光纤的N/2个光栅的中心波长分别对应于光频梳的偶数波长，第二根传感光纤的N/2个光栅的中心波长则对应于光频梳的奇数波长，信号传输纤芯内未刻写布拉格光纤光栅阵列，两根传感纤芯通过光纤信号放大器二将光信号传输给相干接收机；
相干接收机用于分别将信号传输纤芯输出的奇数波长的光信号与第一根传感光纤输出的奇数波长的光信号，和将信号传输纤芯输出的偶数波长的光信号与第二根传感光纤输出的偶数波长的光信号，进行相干接收；
发送端设有分光器、M-2个光学调制链路、两个环形器、光端机、光信号处理器，光频梳通过分光器分成M束光载波，其中M-2束光载波分别通过M-2个光学调制链路调制成所需要的光信号后，送至M-2路信号传输纤芯，两束光载波分别通过1个环形器送至两根传感纤芯内的布拉格光纤光栅阵列，布拉格光纤光栅阵列受外界待测量改变布拉格光纤光栅中心波长，与布拉格光纤光栅中心波长对应中心波长的光信号被反射，再通过环形器依次送至光端机、光信号处理器作为变化后的输出光谱，与基准输出光谱比较得到波长改变量，从而计算出待测量的改变量。
2.根据权利要求1所述的基于多芯光纤的通信传感一体化系统，其特征在于，所述发送端的分光器之前还设有光纤信号放大器一，用于放大光频梳。
3.根据权利要求1所述的基于多芯光纤的通信传感一体化系统，其特征在于，所述光学调制链路将光载波调制成OOK信号、QAM信号或者PAM信号。
4.根据权利要求1所述的基于多芯光纤的通信传感一体化系统，其特征在于，所述多芯光纤传输链路采用低串扰多芯光纤，选取其中两个靠外部的纤芯作为传感纤芯。
5.根据权利要求4所述的基于多芯光纤的通信传感一体化系统，其特征在于，所述传感纤芯的位置相互对角。
6.根据权利要求5所述的基于多芯光纤的通信传感一体化系统，其特征在于，M不小于3。
7.根据权利要求1~6任一项所述的基于多芯光纤的通信传感一体化系统，其特征在于，所述多芯光纤传输链路中所有纤芯外被包裹在包层内，所述传感纤芯背向多芯光纤传输链路中心的一侧与包层之间刻写有若干个采用飞秒激光器烧蚀刻写的周期性的刻槽，刻槽内填充监测敏感材料，形成由刻槽、刻槽内的监测敏感材料、布拉格光纤光栅组成的微结构布拉格光纤光栅，各刻槽的长度与布拉格光纤光栅的沿纤芯延伸方向的长度相同，各刻槽沿包层圆周方向的宽度与传感纤芯的直径相同，刻槽周期与布拉格光纤光栅一致，且刻槽正对布拉格光纤光栅栅区，所述监测敏感材料能响应于待测量的改变产生热量和/或产生体积变化。
8.根据权利要求7所述的基于多芯光纤的通信传感一体化系统，其特征在于，所述监测敏感材料为Pt-WO3薄膜。
9.根据权利要求7所述的基于多芯光纤的通信传感一体化系统，其特征在于，所述监测敏感材料为磁致伸缩材料。
10.根据权利要求7所述的基于多芯光纤的通信传感一体化系统，其特征在于，两根传感光纤中一个传感光纤的刻槽周期与布拉格光纤光栅一致，刻槽正对布拉格光纤光栅栅区，另一个传感光纤的刻槽周期位置与布拉格光纤光栅互补，刻槽与布拉格光纤光栅栅区错开。
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