CN101303241A - 基于非对称分布反馈技术的传感器 - Google Patents

Abstract

基于非对称分布反馈技术的传感器，属传感器领域，包括泵浦源，谐振腔，以及连通泵浦源和非对称分布反馈谐振腔的波分复用耦合器，以及与耦合器相连接的解调电路，其特征在于所述谐振腔是非对称分布反馈谐振腔。本发明可以明显改善DFB－FL的输出特性，有效减小分布式反馈光纤激光器(DFB－FL)的长度，从而进一步缩小体积、减轻重量、提高灵敏度。

Description

基于非对称分布反馈技术的传感器

(一)技术领域

本发明涉及一种动态应变、振动、声波传感器的传感装置，尤其涉及一种基于非对称分布反馈光纤激光器(NADFB-FL)技术的传感器。

(二)背景技术

振动传感器正被广泛应用在国民经济的各部门，然而，电子基的振动传感器体积大，易受电磁干扰，传感部件有电流与电压的存在，这大大限制了其应用范围，例如大型机电设备在工作时会产生强电磁场及存在易燃、易爆气体的场所，因此体积小、抗电磁干扰能力强、易于多点复用、传感元件不需带电的光纤振动传感器正成为研究的热点。早期的光纤振动传感器都基于光学无源设计，大致分强度型、光纤干涉仪型、光纤光栅型(FBG)，这些技术极大的推动了声波探测技术的发展，也存在着精度较低、抗外界干扰差等方面的问题。上世纪90年代发达国家的研究人员迅速开发出了分布反馈光纤激光(DFB-FL)型声波传感器，具有比较高的灵敏度，大的动态范围、非常小的体积，它还能很方便利用成熟的C波段波分复用***组成阵列，这为基于光学有源设计的光纤振动传感器的研究奠定了基础，如2004年12月份刊的《光机电信息》杂志第8页所提的DFB激光器既是此类用作光纤振动传感器的器件。但是由于传统的对称分布反馈光线激光型声波传感器它两端输出光强的对称性，使得有相当一部分光信号损失掉，效率比较低，灵敏度也有提高的潜力，体积也有减小的可能。

(三)发明内容

为克服现有技术的缺陷和不足，本发明提出了一种基于非对称分布反馈技术的传感器。

一种基于非对称分布反馈技术的传感器，它包括泵浦源，谐振腔，以及连通泵浦源和谐振腔的耦合器，以及与耦合器相连接的解调光路，其特征在于所述谐振腔是非对称分布反馈谐振腔。

所述泵浦源为980nm半导体激光器。

所述耦合器为波分复用耦合器。

所述解调光路包括与波分复用耦合器连接的马赫-贞德(Mach-Zenhder)干涉仪，以及与其相连的密集波分复用(DWDM)模块。

上述波分复用即将不同的频率放在一个单纤通道里边，叫波分复用单纤多通道，为光通讯领域术语。

本发明在使用时，980nm泵浦光通过波分复用耦合器(WDM)耦合至工作波长在C波段各个波长λ1、λ2、…λn的非对称分布反馈(NADFB)传感器谐振腔，由于外界声波会影响谐振腔的腔长，使得输出光信号的波长有一个微小的变化，这样受到泵浦的非对称分布反馈光纤激光传感器发出包含有振动信息的λ1、λ2、…λn的信号光，信号光进入马赫-贞德(Mach-Zenhder)干涉仪对波长信号解调，信号解调后进入密集波分复用***(DWDM)将各波长分开，各波长的光信号分别进入相应探测器转化成电信号，经数据采集***分析出振动信号，这样通过密集波分复用(DWDM)技术实现传感器的阵列组成。参照国际电信联盟(ITU)在C波段波分复用波长间隔设计32波长的非对称分布反馈光纤激光传感器(NADFB-FL)，可以实现单光纤32只传感器的复用。

本发明实现了基于非对称分布反馈光纤激光器(NADFB-FL)技术的声波振动传感器。它利用声波对谐振腔的扰动改变激光器输出波长拾取声波信号，非对称型谐振腔可有效改善分布反馈光纤激光器(DFB-FL)的输出特性。波长型传感方式克服了光回路损耗的变化带来的噪声，非对称分布反馈光纤激光(NADFB-FL)传感器的输出波长单色性可以做的非常好(线宽可小于20K Hz)，因此，这种传感器具有极高的分辨率(可达100uPa)，通过适当的封装技术和解调方法可使它具有极高的灵敏度，成熟的波分复用技术使这种传感器非常容易组成阵列，NADFB-FL水听器阵列的体积和重量在相同探测能力下可以减小到压电陶瓷阵列的百分之一。它将大大提高现有对称分布反馈光纤激光传感器(DFB-FL)的灵敏度，应用对“采取静音措施”，的水下武器的探测，也能广泛应用于海洋石油勘探等领域。非对称分布反馈光纤激光(NADFB-FL)传感器的发明能大大促进光学有源传感领域的发展。

非对称分布反馈谐振腔的原理及其制作工艺：

传统上主要存在着3种DFB激光器的设计方法，它们具有显著区别的运转特性。图4是一经典DFB激光器，它由折射率均匀调制的光栅构成，具有恒定的幅度和固定的周期。这一类DFB激光器在不同波长的2个单纵模下运行，其波长与光栅带隙的2个边缘相对应，从光栅两端对称地输出功率Pleft和Pright，且均等地分布在2个模式上，形成了双波长双向运转方式。然而实际中，单一波长单纵模运转是我们所期望的。这一点，可通过在光栅的空间相位中引入π-相移来实现。如果相移发生在光栅中间位置，如图4所示，由于有效谐振腔的对称性，则两端输出的功率是相等的。这样的有效谐振腔提供单一纵模双向运转，激射波长与光栅布拉格波长相对应。而如果将相移相对光栅中心非对称地放置，如图5所示，则能从光栅段较短的一端获得更大的激光功率输出。

在抽运源进纤功率65mW时，测量到的前向端最大激光输出功率约3mW的光谱曲线，在此路中未发现剩余的抽运光，而此时后向端口处则仅有约0.3mW的激光输出。并且，连续开机两小时以上，未观测到峰值波长漂移和自脉动现象，且输出功率起伏小于1％。

非对称分布反馈谐振腔的制作工艺与对称分布反馈谐振腔的制作工艺大致相同：光栅设计方法运用于Er-Yb共掺光纤，其数值孔径NA＝0.1921，纤芯半径为2.3μm，截止波长为1150nm。掺Er浓度为3×1023m^-3，掺Yb浓度为3.4×1023m^-3，光纤横截面内的折射率分布是阶跃型的，纤芯中所掺杂质均匀分布。将该光纤经过载氢处理后，在由相位掩膜所产生的紫外干涉条纹模式下曝光，折射率光栅就在光敏层上形成了。在此光栅设计长度为50mm，输出激光中心波长在1550nm。选择耦合系数κ和相移位置z_π的最佳值分别为150m^-1和29mm，Er-Yb共掺光纤长度略大于50mm，并且在刻制光栅前在其两端各焊接一段单模光纤，既便于实现单模运转，也有利于与其它通信器件连接。

本发明的有益效果可根据对上述方案的叙述得知，由于所述非对称分布反馈谐振腔相移位置不在中间或者折射率调制深度不同，产生的激光将从一端输出为主，我们利用主要输出端的光作为光信号，这样提高了对光的利用率，且由于声波等外界影响对谐振腔的影响两边不对称，提高了对外界响应的灵敏度。利用活塞式或者牙齿状的封装结构对所述传感器进行封装，可以进一步提高灵敏度，并且达到轻便小巧的目的。采用C波段的密集波分复用技术实现非对称分布反馈(NADFB)传感器阵列，可以观察到不同波长的光对声波信号的响应，提高了该传感器的精度。

本发明可以明显改善DFB-FL的输出特性，有效减小分布式反馈光纤激光器(DFB-FL)的长度，从而进一步缩小体积、减轻重量、提高灵敏度。

(四)附图说明

图1利用密集波分复用(DWDM)***组成非对称分布反馈光纤激光(NADFB-FL)传感器阵列的示意图；

图2是非对称分布反馈光纤激光器的泵浦光路；

图3是NADFB-FL对声波的响应测试***；

图4是对称分布反馈谐振腔折射率分布图；

图5是相移位置型NADFB谐振腔折射率分布图；

图6是用于声波振动传感的活塞式封装。

其中：1、泵浦源，2、耦合器，3、谐振腔，4、马赫-贞德(Mach-Zenhder)干涉仪，5、密集波分复用模块，6、光电探测器，7、数据处理模块，8、传感器振动信号输出，9、光程差(OPD)，10、压电陶瓷调制器(PZT modulator)，11、反馈放大器，12、声波，13、差分放大电路，14、低通滤波器(LPF)，15、带通滤波器(BPF)，16、数字信号处理电路(DSP)，17、硅胶，18、铝合金刚性圆筒，19、铝合金底端板，20、连接光纤，21、胶。

(五)具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明做进一步说明，但不限于此。

实施例：

一种基于非对称分布反馈技术的传感器，它包括泵浦源，谐振腔，以及连通泵浦源和谐振腔的耦合器，以及与耦合器相连接的解调光路，其特征在于所述谐振腔是非对称分布反馈谐振腔。

本发明实施例如图1所示，它包括泵浦源1、谐振腔3、以及连通泵浦源1和谐振腔3的耦合器2，以及与耦合器2相连接的解调光路，其特征在于所述谐振腔3是非对称分布反馈谐振腔。所述泵浦源1为980nm半导体激光器。所述耦合器2为波分复用耦合器。所述解调光路包括与波分复用耦合器2连接的马赫-贞德(Mach-Zenhder)干涉仪4，以及与其相连的密集波分复用(DWDM)模块5。

本发明在使用时，980nm泵浦源1通过波分复用耦合器2(WDM)耦合至工作波长在C波段各个波长λ1、λ2、…λn的非对称分布反馈光纤激光(NADFB-FL)谐振腔3中，受到泵浦的非对称分布反馈光纤激光(NADFB-FL)传感器发出包含有振动信息的λ1、λ2、…λn的信号光，信号光进入马赫-贞德(Mach Zenhder)干涉仪4对波长信号解调，信号解调后进入密集波分复用(DWDM)模块中将各波长分开，分别进入光电探测器6阵列转化成电信号，经数据处理模块7分析出振动信号，振动信号对应各传感器振动信号输出8。这样通过密集波分复用(DWDM)技术实现传感器的阵列组成。参照国际电信联盟(ITU)在C波段波分复用波长间隔设计32波长的非对称分布反馈光纤激光(NADFB-FL)传感器，可以实现单光纤32只传感器的复用。

非对称分布反馈光纤激光(NADFB-FL)传感器性能测试：如图3所示搭建光路，采用980nm半导体激光器(LD)作泵浦源1，产生的光通过波分复用耦合器2进入到非对称分布反馈谐振腔中，由于外界声波振动会使谐振腔产生一个应变，因此经泵浦后的信号光就包含了外部声波的调制信息，经过调制的信号光再通过一个耦合器2，一路经过相位延迟，另一路经过来自输出端经低通滤波反馈放大的信号的调制，共同进入光电探测器6转变成为电信号，经差分放大电路13放大得到所需要的受外界声波信号调制的光信号，通过带通滤波器15进入数字信号处理电路16进行处理，得到对外界声波信号的响应。也可以说，输出的信号光进入一个马赫-贞德(Mach-Zenhder)干涉仪4，这样可以进行非对称分布反馈光纤激光(NADFB-FL)传感器的泵浦阈值、泵浦效率、输出线宽等特性的测试宽等特性的测试，可以了解该***对当前声波相应的灵敏度以及响应谱。测试证明，非对称分布反馈光纤激光器(NADFB-FL)的输出特性可以用于声波传感器的用途，并且实现了低阈值，高效率，高灵敏度的目的。

非对称分布反馈(NADFB)传感器所用外部封装技术：所用外部封装结构采用对称分布式光纤激光传感器的常用封装：活塞式封装。如图6所示，采用半径为2mm，厚度2mm的铝合金刚性圆筒18做成外壳，内部注入硅胶17作为弹性填充物(弹性系数为4KN/m)，两端为可以做活塞运动的铝合金底端板19，底端板的半径为2mm，厚度2mm，重量为0.08g，拉置好的光纤20从底端板的中央穿过，为防止内部松弛，将光纤20加一预应力后与底端板用AB胶21粘牢，使得谐振腔位于圆筒中央。这种封装形式对纵向的声波振动非常敏感，通过有限元分析和实验验证，这种封装形式比裸光纤可以增敏40dB，有非常好的低频响应，1-1K Hz响应平坦。适合用于水听器阵列等其它声波传感装置。

Claims (4)

1.一种基于非对称分布反馈技术的传感器，它包括泵浦源，谐振腔，以及连通泵浦源和谐振腔的耦合器，以及与耦合器相连接的解调光路，其特征在于所述谐振腔是非对称分布反馈谐振腔。

2.如权利要求1所述一种基于非对称分布反馈技术的传感器，其特征在于所述泵浦源为980nm半导体激光器。

3.如权利要求1所述一种基于非对称分布反馈技术的传感器，其特征在于所述耦合器为波分复用耦合器。

4.如权利要求1所述一种基于非对称分布反馈技术的传感器，其特征在于所述解调光路包括与波分复用耦合器连接的马赫-贞德干涉仪，以及与其相连的密集波分复用模块。

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