CN201017069Y - 光纤光栅波长解调装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种光纤光栅波长解调装置，包括宽带光源、光纤耦合器、传感光栅、光滤波器、光强检测单元及光滤波器扫描发生器，其特征在于采用铁电液晶缺陷光子晶体电调谐滤波，使本装置具有结构简单、灵敏度高、成本低、可测量范围宽、抗光强波动干扰等优点。

Description

光纤光栅波长解调装置

技术领域

本实用新型涉及一种光纤光栅波长解调装置。

背景技术

光纤光栅是一种制作在光纤上的具有窄带反射特性的光滤波器。由于石英光纤的弹性形变、热膨胀特性，以及其热光、弹光效应，使它具有对温度和应力的敏感特性，在一定范围内这一敏感特性是线性的，被广泛应用在感温探测、火灾报警、建筑健康监测系统中光纤光栅在外部温度或应力作用下，光栅区折射率或栅距发生变化，从而引起其滤波的移动。解调被测信号的本质是测量波长的移动量。由于光纤光栅对外界参量变化敏感系数比较小，一般1个微应变和1摄氏度的环境变化引起C波段光纤光栅中心波长的移动在1pm左右，所以，如何低成本地将微小的波长移动精确解调出来，是光纤光栅传感器的关键技术。目前已有几种解调方案被提出，主要有：

光谱仪法：采用光谱仪、单色仪或波长计，直接测量光纤光栅反射信号的波长位置，这种解调方式结构简单、测量精度高，但所涉及的这些仪器仪表价格昂贵，而且不易携带，不能应用于现场测量和在线测量中；

可调谐激光器法：利用可调谐激光器作为测试光源，输出的激光波长在一定的范围内连续扫描，根据光信号在扫描周期中的位置，可以测出光纤光栅反射光波长的变化。这种解调方式的反射光能量高，信号易于检测，分辨率高，但光源设计困难，成本高，价格昂贵，也不便应用于实际传感系统中；

边缘滤波法：利用滤波器的强度和波长值成一定的比例关系，将波长转化为光强的解调方式。这种方法的结构比现在常用的波长扫描解调方式简单，但光的强度不稳定，测得的波长值准确度不高。另外，对滤波器件的光谱分布要求有1-2nm的线性特性，对一般的光学器件是不太可能的，所以一般不能被应用。在此基础上提出的双边缘滤波法，采用了双滤波器，并对两路信号进行相除处理，有利于降低光强影响，但对光滤波器光谱线性特性仍然要求较高，并增加了系统的成本，也降低了系统的稳定性。

波长扫描法：现在常用的解调方法，宽带光谱经传感光栅反射，得到的窄带光进入光滤波器，扫描发生器驱动滤波器改变其透射光波长，当透射波长与光栅中心反射波长相等时滤波器透射光强最大，由扫描电压与波长关系可得到光栅反射波长。这种方法测量精度高，光强波动影响小，但对滤波器要求高，不仅要求波长扫描范围大，透射光谱带宽窄，而且透射波长与电压关系稳定，最好为线性关系，现在主要采用的是F-P腔光纤滤波器，用PZT驱动调谐，这种器件主要来自美国MI公司，成本高。同时，采用工控机对传感器系统进行控制，使系统的体积较大，携带也不方便，给传感器系统的推广应用带来了困难。

实用新型内容

本实用新型的目的是针对现有的光纤光栅波长解调装置不足而提供一种测量精度高、系统的体积较小、价格低廉的新型的光纤光栅波长解调装置。

为实现上述目的，本实用新型的光纤光栅波长解调装置，包括宽带光源、光纤耦合器、传感光栅、光滤波器、光强检测单元及光滤波器扫描发生器，其特征在于：所述光滤波器包括平面侧相对设置的两个相同的半球形玻璃基体，所述玻璃基体的球面侧表面镀有银反光层，平面侧表面依次设有光子晶体层和透明电极层，两玻璃基体的透明电极层之间夹设有铁电液晶层并形成一体，在半球玻璃镀反光层，玻璃基体球面侧表面沿轴线方向设有光纤引线，所述光子晶体层由在空间上作周期交替排列的高折射率介质a和低折射率介质b形成的多个基本周期单元构成，其中介质a的折射率为na，厚度为da，介质b的折射率为nb，厚度为db，且满足关系na·da＝nb·db＝λo/4，所述光滤波器扫描发生器为与透明电极连接的并能在一定范围内按要求输出电压的受控可调电源。

本实用新型的优点和特点：由于本实用新型的光纤光栅波长解调装置采用铁电液晶缺陷光子晶体电调谐滤波的光滤波器，使本装置具有结构简单、灵敏度高、成本低、可测量范围宽、抗光强波动干扰等优点。

下面将结合附图及具体实施例队本实用新型作进一步介绍。

附图说明

图1是本实用新型的系统结构示意图；

图2是本实用新型的系统中光滤波器的结构示意图；

图3是液晶缺陷光子晶体光滤波器的透射光谱特性图；

图4是光滤波器光线传输示意图。

具体实施方式

光纤光栅波长解调装置包括宽带光源1、光纤耦合器2、传感光栅3、光滤波器4、光强检测单元6及光滤波器扫描发生器5，其系统结构框图如图1所示，宽带光源1发出的光谱经过耦合器2耦合到传感光栅3，光强检测单元6一般可由光电转换器构成，其输入端与光纤耦合器2的另一个接口连接接收经耦合器2从传感光栅3反射得到的窄带光，而光滤波器扫描发生器5与光滤波器4连接控制光滤波器4改变其透射光波长，如图2所示，其中光滤波器4包括平面侧相对设置的两个相同的半球形玻璃基体41，玻璃基体41的球面侧表面镀有银反光层46，平面侧表面依次设有光子晶体层42和透明电极层43，两玻璃基体41的透明电极层43之间夹设有铁电液晶层44并形成一体，在半球玻璃镀反光层46，玻璃基体41球面侧表面沿轴线方向设有光纤引线45，通过在半球玻璃基体41的轴线上的顶点位置处用激光打个孔，将光纤引线45插入孔内并使光纤引线45沿半球轴线方向，注入树脂将光纤引线45粘固，光子晶体层42由在空间上作周期交替排列的高折射率介质a和低折射率介质b形成的多个基本周期单元构成，具体可以是在介质b表面镀有导电薄膜作为透明电极层43，将铁电液晶材料通过真空毛细管作用吸入腔内，它是整个光子晶体结构中的a层被铁电液晶及两侧的导电薄膜取代，铁电液晶层44作为一维光子晶体的缺陷层，每个光子晶体层42通常不少于10个周期，其中介质a的折射率为na，厚度为da，介质b的折射率为nb，厚度为db，且满足关系na·da＝nb·db＝λo/4，光滤波器扫描发生器5为与透明电极连接的并能在一定范围内按要求输出电压的受控可调电源。光滤波器4的原理是：通过在光子晶体中设置由高低折射率材料在空间上作周期交替排列而得到的人工结构材料，在其内部存在光子带隙，处于禁带区域的光波在光子晶体中被禁止传播，而如果在光子晶体中制造缺陷，它就具有滤波功能，而且具有窄带和低功耗的特点，铁电液晶存在自发极化，外电场作用时会产生起因于自发极化的作用力，即使场强很弱，液晶分子也会受到扭矩作用而转动，从而可获得纳秒级的快速响应。将铁电液晶引入到一维光子晶体中作为缺陷层，通过外加电场改变液晶缺陷层的折射率来改变光子晶体的透射光谱，即可实现可调谐滤波，并且外加电场即光滤波器扫描发生器5输出的电压值与光滤波器4的透射窄带光谱的光波长一一对应，而改变缺陷层的光学厚度(折射率和厚度的乘积，即na·da和nb·db)，就能改变滤波带的峰值位置和带宽大小。两侧的光子晶体层42中的介质周期数最好相同，否则会影响光子带隙中心位置和禁带宽度，从而影响可调谐波长范围。设计时中心辐射波长λo最好等于1.55μm或1.30μm，这样可以与现有的宽带光源1的中心波长相配。这就是本实用新型中的光滤波器4所采用的铁电液晶缺陷光子晶体电调谐滤波的工作原理。

为了使光纤光栅波长解调装置自动化程度更高、使用更方便，光强检测单元6及光滤波器扫描发生器5具体可以是包括光电转换器、A/D转换器、中央处理单元、D/A转换器、扫描发生器，光电转换器作为光强检测单元6，其输入端与光纤耦合器2的一个接口连接接收经传感光栅3反射得到的窄带光，光电转换器输出端经A/D转换器后与中央处理单元数据输入端连接，中央处理单元数据输出端经D/A转换器后与扫描发生器连接控制扫描发生器输出电压，扫描发生器输出端与光滤波器4的两透明电极连接控制两级间的电压。传感光栅3选择反射的窄带光谱的中心波长为λ＝2nΛ，n和Λ分别是光栅折射率和周期，它们对温度、应力等敏感，当环境的温度或应力变化时，光栅的中心反射波长也随之发生变化，此包含待测参量信息的反射光由耦合器2耦合进入光滤波器4，经光电转换器和A/D转换器转换为数字信号送给中央处理单元，同时中央处理单元将数字控制信号经过D/A转换器转换为模拟信号控制扫描发生器输出扫描电压，使光滤波器4的透射窄带光谱在整个禁带区域来回自动扫描，中央处理单元随时监控经光电转换器、A/D转换器转换为数字信号送入的传感光栅3选择反射的窄带光，当光滤波器4内透射窄带光谱的光波长与传感光栅3反射的窄带光波长一致时，透射光强最大，即进入光电转换器的光强最大，中央处理单元依据光滤波器扫描发生器5输出的电压值与光滤波器4的透射窄带光谱的光波长一一对应的关系通过内部数据处理计算即可方便地得到此时的传感光栅3反射的窄带光波长，并通过显示器10显示测量结果，此外系统中可以设置多个传感光栅3形成传感光栅阵列。本装置中中央处理单元可以单片机为核心，D/A转换器、扫描发生器、光电转换器、A/D转换器也都可选用通用器件，只要具有足够的精度即可，具体电路此处不再赘述。

Claims (4)

1.一种光纤光栅波长解调装置，包括宽带光源、光纤耦合器、传感光栅、光滤波器、光强检测单元及光滤波器扫描发生器，其特征在于：所述光滤波器包括平面侧相对设置的两个相同的半球形玻璃基体，所述玻璃基体的球面侧表面镀有银反光层，平面侧表面依次设有光子晶体层和透明电极层，两玻璃基体的透明电极层之间夹设有铁电液晶层并形成一体，在半球玻璃镀反光层，玻璃基体球面侧表面沿轴线方向设有光纤引线，所述光子晶体层由在空间上作周期交替排列的高折射率介质a和低折射率介质b形成的多个基本周期单元构成，其中介质a的折射率为na，厚度为da，介质b的折射率为nb，厚度为db，且满足关系na·da＝nb·db＝λo/4，所述光滤波器扫描发生器为与透明电极连接的并能在一定范围内按要求输出电压的受控可调电源。

2.根据权利要求1所述的光纤光栅波长解调装置，其特征在于：所述光强检测单元及光滤波器扫描发生器包括光电转换器、A/D转换器、中央处理单元、D/A转换器、扫描发生器，所述光电转换器输入端与光纤耦合器的一个接口连接接收经传感光栅反射得到的窄带光，所述光电转换器输出端经A/D转换器后与中央处理单元数据输入端连接，中央处理单元数据输出端经D/A转换器后与扫描发生器连接控制扫描发生器输出电压，扫描发生器输出端与光滤波器的两透明电极连接控制两级间的电压。

3.根据权利要求1或2所述的光纤光栅波长解调装置，其特征在于：所述两个半球形玻璃基体上的光子晶体层结构相同。

4.根据权利要求3所述的光纤光栅波长解调装置，其特征在于：所述λo＝1.55μm或1.30μm。

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