CN2605705Y - 高速光纤光栅传感复用解调装置 - Google Patents

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张伟刚
赵启大
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Abstract

本实用新型是一种高速光纤光栅传感复用解调装置，属于光纤传感技术领域。本实用新型包括宽带光源、单模光纤、传感光纤光栅、折射率匹配液，2×2光纤耦合器，1×2光纤耦合器，带通滤波器，边沿滤波器，光电转换器，信号放大及数据处理器等相互连接构成。将传感阵列中的光纤光栅经适当封装后，置于待测物理场中。当某物理参数发生变化时，将引起传感光纤光栅布喇格波长发生漂移，通过本系统可检测传感阵列中各光纤光栅的波长漂移量，进而计算得出该物理参数的变化。本实用新型可适用于静态或动态物理参量的测量，并且是利用全光纤结构设计，多路并行高速解调，解调速度快，可应用于各种由光纤布喇格光栅组成的传感网络中。

Description

高速光纤光栅传感复用解调装置
所属技术领域
本实用新型涉及传感技术领域，特别是一种高速光纤光栅传感复用解调装置，适用于由多只光纤布喇格光栅组成的传感阵列的高速复用解调系统。
背景技术
光纤光栅是一种新型的光子器件，它是在光纤中建立起的一种空间周期性的折射率分布，可以改变和控制光在光纤中的传播行为。光纤光栅传感器的工作原理是借助某种装置将被测参量的变化转化为作用于光纤光栅上的应变或温度的变化，从而引起光纤光栅布喇格波长的变化。通过建立并标定光纤光栅的应变或温度响应与被测参量变化关系，就可以由光纤光栅中心波长的变化，测量出被测量的变化。将光纤光栅阵列与波分复用和时分复用系统相结合，将其埋入材料和结构内部或贴装在其表面，从而对材料的特性(如温度、压力、应变、加速度等)实现多点监测。这种传感器阵列已被广泛应用于工业、建筑业和科学研究等多个领域。对光纤光栅传感阵列中各光纤光栅进行高速波长解调，目前没有高速多点解调的光纤光栅传感复用网络系统的报导。
实用新型内容
本实用新型的目的是提供一种高速光纤光栅传感复用解调装置，它是一种新型的光纤光栅传感复用解调系统，可对光纤光栅传感阵列中各光纤光栅进行波长解调，并且由于采用了全光纤结构设计，多路并行高速解调，解调速度快。本实用新型可应用于各种由光纤布喇格光栅组成的传感网络中。
本实用新型包括宽带光源、单模光纤、传感光纤光栅、带通滤波器、边沿滤波器、光电转换器、2×2耦合器、折射率匹配液、信号放大及数据处理器和1×2耦合器构成。
本实用新型采用带通滤波器件确定工作波长范围，用边沿滤波器件达到在工作波长范围内的波长解调，再利用光电转换器件将光信号转换为电信号，进行相关处理。
本实用新型高速光纤光栅传感复用解调装置的宽带光源的波长是1545～1565nm；所述的传感光纤光栅是光纤布拉格光栅，并由一定数量的光纤布喇格光栅组成光纤光栅传感阵列，其具体数目根据网络系统需要而定；所述的光电转换器件是PIN光电二极管；所述的带通滤波器件是啁啾光纤光栅或具有准矩形反射谱的带通滤波器件；所述的边沿滤波器件是长周期光纤光栅或透射谱具有准线性上升沿或下降沿的滤波器件，利用其透射谱(波长-透射率曲线)的边沿(上升沿或下降沿)，完成波长解调的功能。
本实用新型的工作原理和流程叙述如下：
由宽带光源发出的光经耦合器(3dB)进入传感光栅阵列，从传感阵列反射后形成的窄带光源经耦合器分为4路进行波长解调。其中一路经耦合器(3dB)到达带通滤波器，其反射光再经耦合器(3dB)分为两路光束。其中一束光I1经边沿滤波器到达光电检测器。另一束光I2直接检测，以补偿由于光源强度波动对实验造成的影响。由于光纤的端面反射，使得光源的光谱对后端光电检测器件造成很大的影响。因此，需要将不用的光纤端面浸入折射率匹配液中，以尽量减少端面反射。
本实用新型采用反射谱具有准矩形谱形的器件，如啁啾光纤光栅作为带通滤波器。因此，只有中心波长在通带波长范围内的传感光纤光栅的反射光才会被反射，进入后续光路。
在前期工作中，可以通过其他仪器测定边沿滤波器的透射谱，以确定其在各波长处的透射率，得到边沿滤波器的波长-透射率函数关系。边沿滤波器的输入光强I1和输出光强I2可以通过测量确定。因此，通过计算实际透射率：
                                   η＝I2/I1则根据波长-透射率函数关系，即可求得此时对应的传感光纤光栅中心波长，达到波长解调的目的。
本实用新型由于采用多路并行解调方案，因此各路结构及技术原理相同，只是其带通滤波器的通带范围以及边沿滤波器啁啾光纤光栅的波长-透射率函数不同，由每一路的工作波长范围参数决定。
本实用新型是将传感阵列中的光纤光栅经适当封装后，置于待测物理场中。当某物理参数发生变化时，将引起传感光纤光栅布喇格波长发生漂移，通过本实用新型可检测传感阵列中各光纤光栅的波长漂移量，进而计算得出该物理参数的变化。本实用新型可适用于静态或动态物理参量的测量。
本实用新型是利用全光纤结构设计，多路并行高速解调，解调速度快。本实用新型可应用于各种由光纤布喇格光栅组成的传感网络中。
附图说明
图1是本实用新型的系统结构图。
图2是啁啾光纤光栅反射谱图。
图3是长周期光纤光栅透射谱图。
具体实施方式
下面结合附图对本实用新型作进一步的说明。
如图所示，1.宽带光源，2.单模光纤，3.传感光纤布喇格光栅(不同波长)，4.折射率匹配液，5.2×2光纤耦合器，6.1×2光纤耦合器，7.带通滤波器，8.边沿滤波器，9.光电转换器，10.信号放大及数据处理器。
连接方式：2×2耦合器5的一侧的两根光纤，一根插入折射率区配液4，另一根连接传感光纤光栅3；另外一侧的两根光纤，一根接宽带光源1，另一根接第一层1×2耦合器6的单光纤端。第一层1×2耦合器6的双光纤端分别连接第二层的两个1×2耦合器6的单光纤端。第二层1×2耦合器6的双光纤端的一根光纤分别连接到第三层1×2耦合器6的双光纤端中的一根光纤。第三层1×2耦合器6的双光纤端中的一根光纤分别连接到带通滤波器7，带通滤波器7的另一端插入折射率匹配液4中；另一根连接到1×2耦合器6的一端，1×2耦合器6的双光纤端中的一根光纤连接光电转换器9，另一根光纤连接边沿滤波器8的一端，边沿滤波器8的另一端连接光电转换器9。其他1×2耦合器6及带通滤波器7、边沿滤波器8的连接方式与之相同。光电转换器9连接到信号放大及数据处理器10。
在图1中以4路波长解调为例(可以根据需要进行路数扩展)。
以其中一路传感光纤布喇格光栅波长解调为例。
传感光纤布喇格光栅3的自由态中心波长为1551.24nm，峰值反射率为80％，谱宽为0.26nm。取啁啾光纤光栅作为带通滤波器7。所使用的啁啾光纤光栅的反射谱如图2所示，其反射谱通带波长范围为1549.00nm到1555.00nm，通带宽度约为6nm。则由于啁啾光纤光栅的反射谱限制了对应传感光纤布喇光栅的工作波长范围(即由外界物理场引起的光纤布喇格光栅中心波长的变化范围)为1549.00nm到1555.00nm。取长周期光纤光栅作为边沿滤波器件8。所使用的长周期光纤光栅的透射谱(波长-透射率曲线)如图3所示，其中心波长为1559.00nm，其下降沿从1537nm到1558nm，覆盖了该传感光纤布喇格光栅(3)的工作波长范围，且在其工作波长范围内，波长与透射率的函数关系近似为直线。
光电转换器9采用InGaAs-PIN光电二极管，其暗电流为0.025nA，响应度为0.85。
在实际应用中，将传感光纤布喇格光栅3粘贴于弹性悬臂梁(等强度梁)上。通过调整悬臂梁的弯曲程度，可以改变传感光纤布喇格光栅3的中心波长，并使其在工作波长范围内。测量不同波长处长周期光纤光栅透射的光功率与参考光功率之比，即可求得该波长处的透射率，进而根据长周期光纤光栅的波长-透射率函数求出该波长值，达到波长解调的目的。

Claims (6)

1、一种高速光纤光栅传感复用解调装置，其特征在于它包括宽带光源(1)、单模光纤(2)、传感光纤光栅(3)、折射率匹配液(4)、2×2光纤耦合器(5)、1×2光纤耦合器(6)、带通滤波器(7)、边沿滤波器(8)、光电转换器(9)和信号放大及数据处理器(10)构成；2×2耦合器(5)的一侧的两根光纤，一根插入折射率区配液(4)，另一根连接传感光纤光栅(3)；另外一侧的两根光纤，一根接宽带光源(1)，另一根接第一层1×2耦合器(6)的单光纤端；第一层1×2耦合器(6)的双光纤端分别连接第二层的两个1×2耦合器(6)的单光纤端；第二层1×2耦合器(6)的双光纤端的一根光纤分别连接到第三层1×2耦合器(6)的双光纤端中的一根光纤；第三层1×2耦合器(6)的双光纤端中的一根光纤分别连接到带通滤波器(7)，带通滤波器(7)的另一端插入折射率匹配液(4)中；另一根连接到1×2耦合器(6)的一端，1×2耦合器(6)的双光纤端中的一根光纤连接光电转换器(9)，另一根光纤连接边沿滤波器(8)的一端，边沿滤波器(8)的另一端连接光电转换器(9)；其它的1×2耦合器(6)及带通滤波器(7)、边沿滤波器8的连接方式与之相同；光电转换器(9)连接到信号放大及数据处理器(10)。
2.根据权利要求1所述的高速光纤光栅传感复用解调装置，其特征在于所述的宽带光源的波长是1545～1565nm。
3.根据权利要求1所述的高速光纤光栅传感复用解调装置，其特征在于所述的传感光纤光栅是光纤布拉格光栅。
4.根据权利要求1所述的高速光纤光栅传感复用解调装置，其特征在于所述的光电转换器件是PIN光电二极管。
5.根据权利要求1所述的高速光纤光栅传感复用解调装置，其特征在于所述的带通滤波器件是啁啾光纤光栅或具有准矩形反射谱的带通滤波器件。
6.根据权利要求1所述的高速光纤光栅传感复用解调装置，其特征在于所述的边沿滤波器件是长周期光纤光栅或透射谱具有准线性上升沿或下降沿的滤波器件。
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