CN117760472A - 一种基于阵列波导光栅的变温解调系统及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种基于阵列波导光栅的变温解调系统，包括宽谱光源、环形器、FBG阵列、集成有阵列波导光栅的温度控制电路、PD阵列、放大滤波电路、A/D信号处理单元、FPGA和上位机。该系统的核心器件为阵列波导光栅，它用于解复用从FBG反射回来的光；上位机则用于采集经FPGA反馈的阵列波导光栅各个通道的输出光功率，以及控制温度控制电路改变阵列波导光栅的温度。本发明在不降低解调精度的前提下，提升解调的动态范围及波长分辨率。
Description
技术领域
本发明涉及光纤光栅解调技术领域，特别是涉及一种基于阵列波导光栅的变温解调系统及方法。
背景技术
光纤布拉格光栅(Fiber Bragg Grating，FBG)传感器具有灵敏度高、抗电磁干扰、结构简单和多路复用能力强等内在优点。目前已报道的FBG传感解调方法有可调谐窄带滤波器法、光干涉检测法、匹配光栅滤波器法、可调谐扫描激光器法、CCD(Charge CoupledDevice)成像光谱分析法以及宽带光源滤波法，这些方法均已发展成熟。但是这些解调仪的具有一定的体积，解调速度及精度有一定的局限性，并不适用于恶劣天气、高空、深海等环境或航空航天、卫星、导弹等精度要求高的领域。在这些领域，受到被测对象受载重量和空间狭小的限制，要求除传感器外，相应的波长解调系统也应具有尺寸小、重量轻、功耗低等特点。
光子集成回路(Photonic Integrated Circuit，PIC)将光发射、光耦合、光传输、光处理以及光接收等器件利用平面光波导连接并集成到同一衬底上，这使得基于PIC的解调系统的尺寸非常小。近年来，光子集成解调系统中，常用的无源分光器件有马赫-曾德尔干涉仪(Mach-Zehnder interferometer，MZI)、微环谐振器(Micro-ring resonator，MRR)以及阵列波导光栅(Arrayed Waveguide Grating，AWG)等。其中AWG作为无源器件，内部无机械运动部件，解调速度只受光电探测器(Photodetector，PD)响应速度和模拟/数字(Analog/Digital，A/D)采样率的制约；同时，利用AWG的波分复用特性，可实现对多个FBG传感器的同时测量，以此可以实现FBG的高速解调。因此，基于AWG的光子集成解调法具有尺寸小、解调速度快等优势，通过AWG结构设计，就有望在此基础上设计出小型化、高精度、高速率的解调系统。
AWG-FBGI(Fiber Bragg Grating Interrogator,FBGI))解调性能主要受AWG相邻两通道光谱交叠程度及光谱分辨率共同制约。典型的AWG中相邻通道只有很小的通道交叠，因此，只有一个探测器给出有效光电流信号，或者当FBG波长处于AWG两通道交叠区间时，两个PD均给出小电流信号。目前国内外已有通过减小AWG衍射级数、采用单边双输入结构等方式来增大AWG的光谱交叠。但是这些方式是以牺牲解调系统的精度、复用能力等性能作为代价的。所以如何在不降低精度的前提下，同时提升动态范围和波长分辨率是基于AWG的FBG解调系统的研究重点。
发明内容
为了解决现有技术中阵列波导光栅解调系统提升解调的动态范围和波长分辨率时，导致解调系统精度低的技术问题，本发明的一个目的在于提供一种基于阵列波导光栅的变温解调系统，所述变温解调系统包括宽谱光源、环形器和FBG阵列；所述宽谱光源连接所述环形器，所述环形器连接所述FBG阵列；
所述变温解调系统还包括温度控制电路，所述温度控制电路上集成阵列波导光栅；
所述环形器连接所述阵列波导光栅，所述阵列波导光栅依次连接PD阵列、放大滤波电路、A/D信号处理单元和FPGA，所述FPGA连接所述温度控制电路；
所述温度控制电路集成上位机，用于采集所述FPGA反馈的所述阵列波导光栅各个通道的输出光功率，以及控制所述温度控制电路改变所述阵列波导光栅的温度。
优选地，所述FBG阵列包括多个FBG。
本发明的另一个目的在于提供一种基于阵列波导光栅的变温解调方法，所述方法包括如下方法步骤：
S1、宽谱光源发出光经环形器进入FBG阵列，FBG阵列反射的光经环形器进入阵列波导光栅；
阵列波导光栅解复用FBG阵列反射的光，光信号再传输至PD阵列、放大滤波电路、A/D信号处理单元和FPGA；
在一个周期T内，温度控制电路控制阵列波导光栅的温度由第一温度值上升至第二温度值或者由第二温度值下降至第一温度值；
S2、在温度变化的一个周期T内，温度控制电路集成的上位机，连续采集阵列波导光栅在不同温度值下输出的所有通道的光功率，同时获取这些光功率所对应的温度；
S3、温度变化的一个周期T结束后，温度控制电路集成的上位机，筛选出该周期T内，阵列波导光栅相邻两个通道的输出光功率差值最小的时刻对应的阵列波导光栅的温度，作为解调温度；
S4、温度控制电路控制阵列波导光栅，以解调温度解调FBG阵列的中心波长漂移量。
本发明提供的一种基于阵列波导光栅的变温解调系统及方法，针对阵列波导光栅的光纤布拉格光栅解调系统无法实现在不降低解调精度的前提下，提升解调的动态范围和波长分辨率的问题，通过给阵列波导光栅变温，引起阵列波导光栅的中心波长漂移，以提升解调性能的方式。
本发明提供的一种基于阵列波导光栅的变温解调系统及方法，首先利用温度控制电路与上位机改变阵列波导光栅温度，采集阵列波导光栅各通道的输出光功率，然后通过阵列波导光栅各通道的输出光功率确定解调温度，最后通过相对强度解调法解调光纤布拉格光栅中心波长的偏移量，可提高解调系统的动态范围、波长分辨率，同时不降低解调系统的精度。
本发明提供的一种基于阵列波导光栅的变温解调系统及方法，当温度变化时，阵列波导光栅波的导材料的折射率和体积会发生变化，导致中心波长光程的改变，出现中心波长偏移，本发明利用阵列波导光栅的温度特性来实现连续的光谱交叠及高光谱分辨率，通过改变温度使得阵列波导光栅中心波长漂移，使得解调系统可以在不降低解调精度的前提下，提升解调的动态范围及波长分辨率。
附图说明
为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1示意性示出了阵列波导光栅中心波长漂移随温度变化的曲线图。
图2示出了阵列波导光栅的相对强度解调原理图。
图3示出了本发明一种基于阵列波导光栅的变温解调系统的结构框图。
图4示出了本发明一种基于阵列波导光栅的变温解调方法的流程图。
图5示出了本发明一种基于阵列波导光栅的变温解调系统的解调光谱示意图。
具体实施方式
为了使本发明的上述以及其他特征和优点更加清楚，下面结合附图进一步描述本发明。应当理解，本文给出的具体实施例是出于向本领域技术人员解释的目的，仅是示例性的，而非限制性的。
结合图1和图2，为了使本发明更加清晰的说明，首先对阵列波导光栅(AWG)的解调原来进行说明。
温度变化会引起阵列波导光栅(AWG)的波导材料折射率的变化，从而导致阵列波导光栅(AWG)中心波长漂移，如图1所示，阵列波导光栅(AWG)中心波长漂移量与温度呈线性关系，且随着温度的升高，光谱向波长增大的方向移动。
如图2所示，阵列波导光栅(AWG)相对强度法解调光纤布拉格光栅(FBG)中心波长的偏移量的原理。设光纤布拉格光栅(FBG)的中心波长为λFBG，阵列波导光栅(AWG)的通道n和阵列波导光栅(AWG)通道n+1对应的中心波长分别为λn和λn+1。
阵列波导光栅(AWG)的通道n的透射谱波形为Ch(n)，阵列波导光栅(AWG)通道n+1的透射谱波形为Ch(n+1)，则阵列波导光栅(AWG)相邻两通道的输出光功率分为Pn和Pn+1，如图2中的阴影部分。
当光纤布拉格光栅(FBG)的反射波长随外界温度或压力等的变化而发生漂移时，光纤布拉格光栅(FBG)的反射谱与阵列波导光栅(AWG)相邻双通道透射谱叠加面积就会发生变化，即阵列波导光栅(AWG)相邻两通道的输出光功率发生变化。最后通过检测阵列波导光栅(AWG)相邻两通道的输出光功率变化以及光功率比对数与波长的关系即可解调出光纤布拉格光栅(FBG)的中心波长漂移量。解调公式如下：
其中，Pn和Pn+1分别为阵列波导光栅(AWG)的通道n、通道n+1的输出光功率，Δλ为阵列波导光栅(AWG)相邻通道的间隔，Δλn为阵列波导光栅(AWG)的通道n的半峰值带宽；Δλn+1为阵列波导光栅(AWG)的通道n+1的半峰值带宽；ΔλFBG为光纤布拉格光栅(FBG)的半峰值带宽。
如图3所示，根据本发明的实施例，提供一种基于阵列波导光栅的变温解调系统，包括宽谱光源100、环形器200和FBG阵列300。宽谱光源100连接环形器200，环形器200连接FBG阵列300。FBG阵列300包括多个FBG(FBG1、FBG1、……、FBGn)。
根据本发明的实施例，变温解调系统还包括温度控制电路400，温度控制电路上集成阵列波导光栅(AWG)500。环形器200连接阵列波导光栅阵列波导光栅(AWG)500，阵列波导光栅(AWG)500依次连接PD阵列500、放大滤波电路700、A/D信号处理单元800和FPGA，FPGA连接温度控制电路400。
温度控制电路400集成上位机900，上位机900为温控及数据采集软件程序，用于采集FPGA反馈的阵列波导光栅(AWG)500各个通道的输出光功率，以及控制温度控制电路400改变阵列波导光栅(AWG)500的温度。
如图4所示，根据本发明的实施例，提供一种基于阵列波导光栅的变温解调方法，包括如下方法步骤：
步骤S1、宽谱光源100发出光经环形器200进入FBG阵列300，FBG阵列300反射的光经环形器200进入阵列波导光栅(AWG)500。
阵列波导光栅(AWG)500解复用FBG阵列300反射的光(例如某波长的窄带高斯光)，并将扫描的光分光后输出至PD阵列600、放大滤波电路700、A/D信号处理单元800和FPGA。
在一个周期T内，温度控制电路400控制阵列波导光栅(AWG)500的温度由第一温度值(例如30℃)上升至第二温度值(例如90℃)或者由第二温度值(例如90℃)下降至第一温度值(例如30℃)。
步骤S2、在温度变化的一个周期T内，温度控制电路400集成的上位机900，连续采集阵列波导光栅(AWG)500在不同温度值下输出的所有通道的光功率，同时获取这些光功率所对应的温度。
举例来说，在温度变化的一个周期T内，在t1时刻，上位机900采集阵列波导光栅(AWG)500的温度为45℃，同时获取阵列波导光栅(AWG)500各个通道在温度45℃下的输出光功率。
例如，上位机900获取阵列波导光栅(AWG)500的通道n和通道n+1在温度45℃下的输出光功率。
步骤S3、温度变化的一个周期T结束后，温度控制电路400集成的上位机900，筛选出周期T内，阵列波导光栅(AWG)500相邻两个通道的输出光功率差值最小的时刻对应的阵列波导光栅的温度，作为解调温度。
例如在t1时刻阵列波导光栅(AWG)500相邻两个通道的输出光功率差值最小，t1时刻对应的阵列波导光栅(AWG)500温度为45℃，则将45℃作为解调温度。
步骤S4、温度控制电路400控制阵列波导光栅(AWG)500，以解调温度解调FBG阵列300的中心波长漂移量。
例如，温度控制电路400控制阵列波导光栅(AWG)500升温/降温至45℃，阵列波导光栅(AWG)500利用相对强度解调法解调FBG阵列300的中心波长漂移量。
在传统的恒温条件下利用相对强度解调法解调FBG的中心波长漂移量，必须保证每一个FBG中心波长在AWG相邻两个通道的光谱交叠的区域内漂移，解调的动态范围较小。如图5所示，本发明当FBG反射光谱位于两通道光谱交叠的区域外时，改变阵列波导光栅(AWG)500的温度，使阵列波导光栅(AWG)500的中心波长漂移，使FBG阵列300反射光谱恰好位于变温后阵列波导光栅(AWG)500的两通道的光谱交叠处，利用变温后的光谱即可解调出FBG阵列300反射谱的偏移量。
本发明通过上位机900寻找最适用于解调的温度下的光谱，利用相对强度解调法，解调出FBG阵列300反射谱的偏移量，阵列波导光栅(AWG)500实现连续的光谱交叠，在不降低解调精度的前提下提升解调的动态范围和波长分辨率。
本发明通过改变阵列波导光栅(AWG)500温度，使阵列波导光栅(AWG)500的中心波长发生漂移，达到在不降低解调精度的前提下提升解调的动态范围和波长分辨率，为实现大动态范围、高分辨率、高精度的解调系统提供核心光芯片。
尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。
Claims (3)
1.一种基于阵列波导光栅的变温解调系统，其特征在于，所述变温解调系统包括宽谱光源、环形器和FBG阵列；所述宽谱光源连接所述环形器，所述环形器连接所述FBG阵列；
所述变温解调系统还包括温度控制电路，所述温度控制电路上集成阵列波导光栅；
所述环形器连接所述阵列波导光栅，所述阵列波导光栅依次连接PD阵列、放大滤波电路、A/D信号处理单元和FPGA，所述FPGA连接所述温度控制电路；
所述温度控制电路集成上位机，用于采集所述FPGA反馈的所述阵列波导光栅各个通道的输出光功率，以及控制所述温度控制电路改变所述阵列波导光栅的温度。
2.根据权利要求1所述的变温解调系统，其特征在于，所述FBG阵列包括多个FBG。
3.一种基于阵列波导光栅的变温解调方法，其特征在于，所述方法包括如下方法步骤：
S1、宽谱光源发出光经环形器进入FBG阵列，FBG阵列反射的光经环形器进入阵列波导光栅；
阵列波导光栅解复用FBG阵列反射的光，光信号再传输至PD阵列、放大滤波电路、A/D信号处理单元和FPGA；
在一个周期T内，温度控制电路控制阵列波导光栅的温度由第一温度值上升至第二温度值或者由第二温度值下降至第一温度值；
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S4、温度控制电路控制阵列波导光栅，以解调温度解调FBG阵列的中心波长漂移量。
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Legal Events
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| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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