CN205156936U - 一种基于半导体激光器的光纤光栅解调装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供一种基于半导体激光器的光纤光栅解调装置，包括半导体激光器、光波分复用器、光环行器、光电探测器、数模转换单元、处理器、温度控制器、波长控制器和脉冲控制器，数模转换单元接收光电探测器输出的反馈电流信号，处理器接收数模转换单元输出的反馈电压信号，处理器根据反馈电压信号输出对应的中心波长信号，温度控制器接收处理器输出的温度控制信号，波长控制器接收处理器输出的波长控制信号，脉冲控制器接收处理器输出的脉冲控制信号。使光纤光栅解调装置实现扫频、脉冲输出且实现对光纤光栅中心波长，尤其是多通道、长距离、密集分布的光纤光栅进行精确、稳定、快速的检测,其还具有结构简单、消耗的功耗低和成本低等特点。

Description

一种基于半导体激光器的光纤光栅解调装置

技术领域

本实用新型属于光电检测技术领域，尤其涉及一种基于半导体激光器的光纤光栅解调装置。

背景技术

光纤光栅传感技术已广泛应用于工业安全、国防军工、基础设施和工程建筑等诸多领域，主要监测环境温度、火灾、结构件的应力应变、位移或加速度等等。与传统电子类传感器相比，光纤光栅传感具有抗干扰能力强、长期使用稳定可靠、量程大、测量精度高等优点；同时光纤光栅制作工艺成熟、制作成本低廉、封装技术成熟，使得该技术自诞生之日起便得到了广泛应用。

同时随着应用领域的拓展，光纤光栅传感逐步由点式检测逐渐向多点准分布式甚至全分布式发展，这就对复用技术提出了新的要求。目前，光纤光栅复用技术主要分波分复用（WDM）、时分复用（TDM）、频分复用（FDM）等类型。WDM技术由于受到光源带宽的限制，单通道复用个数比较少，一般为二十到四十个。FDM技术虽然提高了复用率，但受到光程差的限制，实际使用中单通道的复用个数仍然有限，同时也无法实现长距离、分布式的测量。

从光纤光栅解调方法上看，当前主要有如下几种：一种是用宽带光源作为光源，用衍射光栅和探测器阵列组成的光谱仪解调波长，这种方法的问题在于，扩展通道只能外加光开关，系统成本较高，同时也只能作分时检测。一种是用宽带光源作为光源，可调谐滤波器作为检波器件，这种方法的问题在于，宽带光源的光谱密度较低，分光通道数受限，同时可调谐滤波器没有固定的波长输出关系，需要在系统中增加标准距进行定标，系统复杂程度增加、成本增加、解调算法复杂。另外一种是用可调谐滤波器作为选频器件，半导体激光器作为泵浦，EDFA或SOA作为增益物质，制作环形腔激光器，这种方法虽然增大了光谱密度，可分光到几十个通道，但仍然需要标准距定标。

发明内容

本实用新型的目的是提供一种实现脉冲扫频且具有结构简单的基于半导体激光器的光纤光栅解调装置。

为了实现本实用新型的目的，本实用新型提供一种基于半导体激光器的光纤光栅解调装置，光纤光栅解调装置沿光路方向依次设置有半导体激光器、光波分复用器、光环行器和光电探测器，半导体激光器向光波分复用器输出脉冲激光信号，光波分复用器向光环行器输出经波分复用后的脉冲激光信号，光环行器向光电探测器输出反馈信号，其中，光纤光栅解调装置还包括数模转换单元、处理器、温度控制器、波长控制器和脉冲控制器，运算放大器、接收光电探测器输出的反馈电流信号并放大，处理器接收数模转换单元输出的反馈电压信号，处理器根据反馈电压信号计算每个通道每个光纤光栅的中心波长信号，温度控制器接收处理器输出的温度控制信号，温度控制器与半导体激光器电连接并控制半导体激光器在预设温度下工作，波长控制器接收处理器输出的波长控制信号，波长控制器与半导体激光器电连接并控制半导体激光器输出预设波长的脉冲激光信号，脉冲控制器接收处理器输出的脉冲控制信号，脉冲控制器与半导体激光器电连接并控制脉冲控制器输出预设脉冲数量的冲激光信号。

更进一步的方案是，波长控制信号包括多个波长信号，波长控制器还接收处理器输出的波长切换信号，波长控制器控制半导体激光器根据另一波长信号输出另一预设波长的脉冲激光信号。

由上述方案可见，通过处理器对温度控制器、波长控制器和脉冲控制器进行控制，继而使得半导体激光器能够输出不同波长、不同数量的脉冲激光信号，随后利用波分复用器、光环行器和光电探测器和数模转换，能够实现对光纤光栅中心波长，尤其是多通道、长距离、密集分布的光纤光栅进行精确、稳定、快速的检测，可以应用于光纤光栅传感器应用的各种场合，采用脉冲激光输出形式，可探测长距离、准分布式、多通道的光纤光栅,使光纤光栅解调装置实现扫频、脉冲输出且光纤光栅解调装置具有结构简单、消耗的功耗低和成本低等特点。且通过输出多种波长的脉冲激光继而实现扫频、脉冲输出。

更进一步的方案是，光纤光栅解调装置还包括设置在光电探测器和数模转换单元之间的运算放大器，运算放大器用于将反馈电流信号转变为电压信号并将所述电压进行放大。

更进一步的方案是，运算放大器接收处理器输出的运放控制信号，运算放大器根据运放控制信号对电压信号进行放大。

由上可见，通过运算放大器可实现弱信号增益倍数大，强信号增益倍数小，使得本解调装置的动态范围更大。

更进一步的方案是，光纤光栅解调装置还包括显示单元，显示单元接收处理器输出显示信号。

更进一步的方案是，光纤光栅解调装置还包括接口单元，处理器通过接口单元接收或发送交互信号。

更进一步的方案是，光纤光栅解调装置还包括输入单元，处理器通过接口单元接收输入控制信号。

由上可见，通过显示单元、接口单元和输入单元的设置方便了用户的使用，也有效提高光纤光栅解调装置的操作控制便利性。

附图说明

图1是本实用新型光纤光栅解调装置实施例的系统框图。

以下结合附图及实施例对本实用新型作进一步说明。

具体实施方式

参照图1，图1是一种基于半导体激光器的光纤光栅解调装置的系统框图。光纤光栅解调装置包括半导体激光器11、光波分复用器12、光环行器13、光电探测器14、运算放大器15、数模转换单元16、处理器21、温度控制器22、波长控制器23、脉冲控制器24、显示单元25、接口单元26和输入单元27。

半导体激光器11、光波分复用器12、光环行器13和光电探测器14沿光路方向依次设置，处理器21可采用FPGA信号处理器，温度控制器22主要由型号为MAX8521的温控芯片构成，波长控制器主要由型号为MAX3737的驱动芯片构成，脉冲控制器主要由型号为MX3737的驱动芯片构成电路，半导体激光器11为SG-DBR结构的半导体激光器。

温度控制器22接收处理器21输出的温度控制信号，温度控制器22与半导体激光器11连接，温度控制器22根据温度控制信号控制半导体激光器11工作在预设温度下，工作的预设温度可通过处理器21进行参数调整。

波长控制器23接收处理器21输出的波长控制信号和波长切换信号，波长控制信号包括多个波长信号，即多个不同波长的控制信号，波长控制器23与半导体激光器11电连接，波长控制器23根据不同的波长信号对半导体激光器11进行控制，使得半导体激光器11输出不同的预设波长的脉冲激光信号。

脉冲控制器24接收处理器21输出的脉冲控制信号和脉冲切换信号，脉冲控制信号包括多个脉冲信号，即多个不同脉冲数量的控制信号，脉冲控制器24与半导体激光器11电连接，脉冲控制器24根据不同的脉冲信号对半导体激光器11进行控制，使得半导体激光器11输出不同的预设脉冲数量的脉冲激光信号，且脉冲激光信号为带宽激光。

通过处理器21对温度控制器22、波长控制器23和脉冲控制器24的控制，使得半导体激光器11的输出波长的输出范围为CBand或LBand，输出线宽1MHz至2MHz，输出功率不小于10dBm，边模抑制比不小于40dB，扫描步进1GHz，脉宽10ns，重复频率100kHz，使半导体激光器11实现扫频、脉冲输出，即输出预设脉冲数量的第一波长脉冲信号后，切换输出预设脉冲数量的另一波长的脉冲信号，按这种方式完成一个周期激光波长扫描后，回到初始扫描波长，进行下一个周期，如此循环往复，得到连续波长扫描的激光脉冲输出。

半导体激光器11向光波分复用器12输出脉冲激光信号，脉冲激光信号经光波分复用器12按波长范围划分为多个信道后将波分复用后的脉冲激光信号输出到光环行器13中，经光环形器13输出到外并进入传感光纤的光纤光栅传感器中，光纤光栅传感器反射回来的反馈信号经光环形器13进入高灵敏度的光电探测器14，光电探测器14将反馈信号转变为电流信号并将该反馈电流信号输出至运算放大器15。反馈电流信号经高速运算放大器15放大处理后的电压信号输出至数模转换单元16，运算放大器15接收由处理器21输出的运放控制信号，运算放大器15根据该运放控制信号进行信号放大和运算处理转换为数字反馈电压信号，数模转换单元16将数字反馈电压信号输出至处理器21进行计算分析，得到每个通道的每个光纤光栅的中心波长。

显示单元25接收处理器21输出显示信号，显示单元25可显示处理器21计算得出的中心波长、当前工作温度、工作波长或脉冲数量等各种工作信息。输入单元27可为实体按键、键盘或鼠标等输入类工具，处理器21通过输入单元27接收输入控制信号，接口单元26可为有线通讯电路或无线通讯电路，处理器21通过有线或无线的方式接收或发送控制信号、交互信号、数据信号等，继而实现可以通过网络对处理器21、光纤光栅解调装置进行远程控制监控。

由上可见，通过处理器对温度控制器、波长控制器和脉冲控制器进行控制，继而使对半导体激光器能够输出不同波长、不同数量的脉冲激光信号，随后利用波分复用器、光环行器和光电探测器和数模转换，能够实现对光纤光栅中心波长，尤其是多通道、长距离、密集分布的光纤光栅进行精确、稳定、快速的检测，可以应用于光纤光栅传感器应用的各种场合，采用脉冲激光输出形式，可探测长距离、准分布式、多通道的光纤光栅,使光纤光栅解调装置实现扫频、脉冲输出且光纤光栅解调装置具有结构简单、消耗的功耗低和成本低等特点。系统无活动部件，抗振动能力强，可靠性高，使用寿命长，且解调装置配置灵活，解调速度更高，可以满足光纤光栅的静态和动态解调要求。

Claims (7)

1.一种基于半导体激光器的光纤光栅解调装置，所述光纤光栅解调装置沿光路方向依次设置有所述半导体激光器、光波分复用器、光环行器和光电探测器，所述半导体激光器向所述光波分复用器输出脉冲激光信号，所述光波分复用器向所述光环行器输出经波分复用后的脉冲激光信号，所述光环行器向所述光电探测器输出反馈信号；

其特征在于，

所述光纤光栅解调装置还包括：

数模转换单元，所述数模转换单元接收所述光电探测器输出的反馈电流信号；

处理器，所述处理器接收所述数模转换单元输出的反馈电压信号，所述处理器根据所述反馈电压信号输出对应的中心波长信号；

温度控制器，所述温度控制器接收所述处理器输出的温度控制信号，所述温度控制器与所述半导体激光器电连接并控制所述半导体激光器在预设温度下工作；

波长控制器，所述波长控制器接收所述处理器输出的波长控制信号，所述波长控制器与所述半导体激光器电连接并控制所述半导体激光器输出预设波长的脉冲激光信号；

脉冲控制器，所述脉冲控制器接收所述处理器输出的脉冲控制信号，所述脉冲控制器与所述半导体激光器电连接并控制所述脉冲控制器输出预设脉冲数量的脉冲激光信号。

2.根据权利要求1所述的光纤光栅解调装置，其特征在于：

所述波长控制信号包括多个波长信号，所述波长控制器还接收所述处理器输出的波长切换信号，所述波长控制器控制所述半导体激光器根据所述波长信号输出另一预设波长的脉冲激光信号。

3.根据权利要求1所述的光纤光栅解调装置，其特征在于：

所述光纤光栅解调装置还包括设置在所述光电探测器和所述数模转换单元之间的运算放大器，所述运算放大器用于将所述反馈电流信号转变为电压信号并将所述电压信号进行放大。

4.根据权利要求3所述的光纤光栅解调装置，其特征在于：

所述运算放大器接收所述处理器输出的运放控制信号，所述运算放大器根据所述运放控制信号对所述电压信号进行放大。

5.根据权利要求1至4任一项所述的光纤光栅解调装置，其特征在于：

所述光纤光栅解调装置还包括显示单元，所述显示单元接收所述处理器输出显示信号。

6.根据权利要求1至4任一项所述的光纤光栅解调装置，其特征在于：

所述光纤光栅解调装置还包括接口单元，所述处理器通过所述接口单元接收或发送交互信号。

7.根据权利要求1至4任一项所述的光纤光栅解调装置，其特征在于：

所述光纤光栅解调装置还包括输入单元，所述处理器通过所述接口单元接收输入控制信号。