CN101532850B - 一种布拉格光纤光栅传感解调的方法和装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种布拉格光纤光栅传感解调的方法和装置。本发明方法利用啁啾光纤光栅不同位置反射波长不同的原理，把传感光纤光栅波长的变化转化为***光程差的变化，然后通过低相干解调方法测出此光程差，可以准确得到传感光纤光栅的波长变化，进而得到传感量。实现该方法的装置包括中心波长在光通信波段的宽带光源、光纤隔离器、四端口3-dB光纤耦合器、偏振控制器、可调光纤延迟线、三端口3-dB光纤耦合器、传感光纤光栅、线性啁啾光纤光栅、光电探测器、示波器。本发明的波长分辨率测量精度较高，具有抗干扰性强，结构简单，成本低廉等优点，并且可以获得不同的分辨率和参量范围，非常适用于实际应用。

Description

一种布拉格光纤光栅传感解调的方法和装置

技术领域

本发明属于传感技术领域，涉及了一种利用一个作为参考的线性啁啾光纤光栅结合低相干解调技术来实现高精度光纤光栅传感解调的方法，以及实现该方法的设备。

背景技术

布拉格光纤光栅(FBG)由于其特有的光纤内部敏感、波长编码、易于组网等优点而成为光纤传感的一种重要器件并已得到广泛应用，如：铁路、大桥、水坝等的健康监测，主干输电线沿线的温度监控等。传统的光纤光栅解调方法常采用光学滤波器解调方法，如可调谐F-P滤波法，匹配光栅法等。这些方法或者对光学滤波器的性能要求较高，成本较高；或者需要较多的光学滤波器，成本较高且结构复杂，限制了其在实际应用中的推广。

相干解调是近年来出现的一种新的光纤光栅传感解调方案，它具有结构简单，价格低廉等优点。但是现有的光纤光栅传感相干解调方案都是基于探测干涉信号的幅值的强度解调，而干涉信号强度受到光源稳定性、光纤损耗及其他一些环境不确定性影响，因此强度解调方案的测量精确度受到了一定的限制。另外，现有相干解调方案只能测出光栅波长的变化量，而不能测出其是往长波还是短波方向变化。

发明内容

本发明的目的就是针对现有技术的不足，提出了一种利用作为参考的线性啁啾光纤光栅结合低相干解调技术的布拉格光纤光栅传感解调方案，同时提供了实现该方法的设备。

本发明方法包括以下步骤：

步骤(1)中心波长在光通信波段的宽带光源发出的光束通过光纤隔离器和四端口3-dB光纤耦合器后分为强度相等的两部分光束，其中一部分光束通过偏振控制器对其偏振态进行调节，另一部分光束通过可调光纤延迟线对其光程进行延迟；偏振态调节后的一部分光束与光程延迟后的另一部分光束通过一个三端口3-dB光纤耦合器汇合；四端口3-dB光纤耦合器和三端口3-dB光纤耦合器以及偏振控制器、可调光纤延迟线构成一个非等臂的马赫-泽德尔干涉仪，在三端口3-dB光纤耦合器处汇合的两路光之间存在光程差OPD₁，其大小由非等臂的马赫-泽德尔干涉仪两臂的臂长之差决定；

步骤(2)一部分光束与另一部分光束汇合成一束存在光程差的光束依次通过待解调的传感光纤光栅和一个作为参考的线性啁啾光纤光栅，并被这两个光栅反射，其中被传感光纤光栅反射的波长为传感光纤光栅对应的布拉格波长，被线性啁啾光纤光栅反射的波长为线性啁啾光纤光栅对应的布拉格波长；线性啁啾光纤光栅不同位置对应不同的布拉格波长，线性啁啾光纤光栅的啁啾率为a、长度为l_c，则其反射波长的带宽为|λ|＝al_c，传感光纤光栅在自由状态下的布拉格反射波长λ_s与啁啾光纤光栅中心位置反射波长相同；当传感光纤光栅由于受到传感量(如温度、应力等)等的影响反射波长发生大小为Δλ漂移时，传感光纤光栅的反射光和线性啁啾光纤光栅上与其相同波长位置的反射光直接的光程差OPD₂为

OPD₂＝2n_eff(l₀+l_c/2+Δλ/a)，      (1)

传感光纤光栅所在的光纤、线性啁啾光纤光栅所在的光纤、以及连接传感光纤光栅和线性啁啾光纤光栅的光纤的光纤芯层有效折射率相同，为n_eff，连接传感光纤光栅和线性啁啾光纤光栅的光纤的长度为l₀；

步骤(3)存在光程差的光束依次被传感光纤光栅和线性啁啾光纤光栅反射后引入了新的光程差，通过三端口3-dB光纤耦合器后分为强度相等的两部分反射光束，一部分反射光束通过偏振控制器对其偏振态进行调节，另一部分反射光束通过可调光纤延迟线对其光程进行延迟；偏振态调节后的一部分反射光束与光程延迟后的另一部分反射光束通过四端口3-dB光纤耦合器耦合后被光电探测器接收，耦合后的两部分反射光束的光程差OPD为

OPD＝OPD₂-2OPD₁，        (2)

步骤(4)调节可调光纤延迟线的长度，从而改变光程差OPD₁，同时调节偏振控制器使干涉信号明显显示出来，当OPD＝OPD₂-2OPD₁＝0时，光电探测器上得到干涉信号，通过示波器显示；并且得到传感光纤光栅的波长变化量Δλ， $\mathrm{\Δ\λ}=(\frac{{\mathrm{OPD}}_1}{n_{\mathrm{eff}}}-l_0-\frac{l_c}{2})\×a.$

实现上述方法的装置包括中心波长在光通信波段的宽带光源、光纤隔离器、四端口3-dB光纤耦合器、偏振控制器、可调光纤延迟线、三端口3-dB光纤耦合器、传感光纤光栅、线性啁啾光纤光栅、光电探测器、示波器。宽带光源的光输出端与光纤隔离器的输入端口光连接，光纤隔离器的输出端与四端口3-dB光纤耦合器的输入端口光连接；四端口3-dB光纤耦合器的两个输出端口同侧，其中一个输出端口与偏振控制器的输入端光连接，偏振控制器的输出端与三端口3-dB光纤耦合器双端口端的一个端口光连接；四端口3-dB光纤耦合器的另一个输出端口与可调光纤延迟线的一端光连接，可调光纤延迟线的另一端与三端口3-dB光纤耦合器双端口端的另一个端口光连接；三端口3-dB光纤耦合器单端口端的端口与传感光纤光栅的一端光连接，传感光纤光栅的另一端通过光纤与线性啁啾光纤光栅光连接，传感光纤光栅所在的光纤、线性啁啾光纤光栅所在的光纤、以及连接传感光纤光栅和线性啁啾光纤光栅的光纤的光纤芯层有效折射率相同；四端口3-dB光纤耦合器的与输入端口同侧的另一个端口与光电探测器的光信号输入端连接，光电探测器的电信号输出端与示波器连接。

本发明利用啁啾光纤光栅不同位置反射波长不同的原理，把传感光纤光栅波长的变化转化为***光程差的变化，然后通过低相干解调方法测出此光程差，可以准确得到传感光纤光栅的波长变化，进而得到传感量。本发明方法可以达到很高的波长分辨率和测量精度，具有抗干扰性强，结构简单，成本低廉等优点，并且可以通过选用不同的作为参考的啁啾光纤光栅可以达到获得不同的分辨率和参量范围，非常适用于实际应用。

附图说明

图1为本发明的结构示意图。

具体实施方式

如图1所示，一种布拉格光纤光栅传感解调装置包括中心波长在光通信波段的宽带光源1、光纤隔离器2、四端口3-dB光纤耦合器3、偏振控制器4、可调光纤延迟线8、三端口3-dB光纤耦合器5、传感光纤光栅6、线性啁啾光纤光栅7、光电探测器10、示波器9。宽带光源1的光输出端与光纤隔离器2的输入端口光连接，光纤隔离器2的输出端与四端口3-dB光纤耦合器3的输入端口光连接；四端口3-dB光纤耦合器3的两个输出端口同侧，其中一个输出端口与偏振控制器4的输入端光连接，偏振控制器4的输出端与三端口3-dB光纤耦合器5双端口端的一个端口光连接；四端口3-dB光纤耦合器3的另一个输出端口与可调光纤延迟线8的一端光连接，可调光纤延迟线8的另一端与三端口3-dB光纤耦合器5双端口端的另一个端口光连接；三端口3-dB光纤耦合器5单端口端的端口与传感光纤光栅6的一端光连接，传感光纤光栅6的另一端通过光纤与线性啁啾光纤光栅7光连接，传感光纤光栅所在的光纤、线性啁啾光纤光栅所在的光纤、以及连接传感光纤光栅和线性啁啾光纤光栅的光纤的光纤芯层有效折射率相同；四端口3-dB光纤耦合器3的与输入端口同侧的另一个端口与光电探测器10的光信号输入端连接，光电探测器10的电信号输出端与示波器9连接。

具体的解调方法包括以下步骤：

步骤(1)中心波长在光通信波段的宽带光源发出的光束通过光纤隔离器和四端口3-dB光纤耦合器后分为强度相等的两部分光束，一部分光束通过偏振控制器对其偏振态进行调节，另一部分光束通过可调光纤延迟线对其光程进行延迟；偏振态调节后的一部分光束与光程延迟后的另一部分光束通过一个三端口3-dB光纤耦合器汇合；四端口3-dB光纤耦合器和三端口3-dB光纤耦合器以及偏振控制器、可调光纤延迟线构成一个非等臂的马赫-泽德尔干涉仪，在三端口3-dB光纤耦合器处汇合的两路光之间存在光程差OPD₁，其大小由非等臂的马赫-泽德尔干涉仪两臂的臂长之差决定；

步骤(2)一部分光束与另一部分光束汇合成一束存在光程差的光束依次通过待解调的传感光纤光栅和一个作为参考的线性啁啾光纤光栅，并被这两个光栅反射，其中被传感光纤光栅反射的波长为传感光纤光栅对应的布拉格波长，被线性啁啾光纤光栅反射的波长为线性啁啾光纤光栅对应的布拉格波长；线性啁啾光纤光栅不同位置对应不同的布拉格波长，线性啁啾光纤光栅的啁啾率为a、长度为l_c，则其反射波长的带宽为|λ|＝al_c，传感光纤光栅在自由状态下的布拉格反射波长λ_s与啁啾光纤光栅中心位置反射波长相同；当传感光纤光栅由于受到传感量(如温度、应力等)等的影响反射波长发生大小为Δλ漂移时，传感光纤光栅的反射光和线性啁啾光纤光栅上与其相同波长位置的反射光直接的光程差OPD₂为

OPD₂＝2n_eff(l₀+l_c/2+Δλ/a)，      (1)

传感光纤光栅所在的光纤、线性啁啾光纤光栅所在的光纤、以及连接传感光纤光栅和线性啁啾光纤光栅的光纤的光纤芯层有效折射率相同，为n_eff，连接传感光纤光栅和线性啁啾光纤光栅的光纤的长度为l₀；

步骤(3)存在光程差的光束依次被传感光纤光栅和线性啁啾光纤光栅反射后引入了新的光程差，通过三端口3-dB光纤耦合器后分为强度相等的两部分反射光束，一部分反射光束通过偏振控制器对其偏振态进行调节，另一部分反射光束通过可调光纤延迟线对其光程进行延迟；偏振态调节后的一部分反射光束与光程延迟后的另一部分反射光束通过四端口3-dB光纤耦合器耦合后被光电探测器接收，耦合后的两部分反射光束的光程差OPD为

OPD＝OPD₂-2OPD₁，        (2)

步骤(4)调节可调光纤延迟线的长度，从而改变光程差OPD₁，同时调节偏振控制器使干涉信号明显显示出来，当OPD＝OPD₂-2OPD₁＝0时，光电探测器上得到干涉信号，通过示波器显示；并且得到传感光纤光栅的波长变化量Δλ， $\mathrm{\Δ\λ}=(\frac{{\mathrm{OPD}}_1}{n_{\mathrm{eff}}}-l_0-\frac{l_c}{2})\×a.$ 所得Δλ值的正负表示其波长漂移的方向。

Claims (2)

1.一种布拉格光纤光栅传感解调的方法，其特征在于该方法包括以下步骤：

步骤(1)中心波长在光通信波段的宽带光源发出的光束通过光纤隔离器和四端口3-dB光纤耦合器后分为强度相等的两部分光束，其中一部分光束通过偏振控制器对其偏振态进行调节，另一部分光束通过可调光纤延迟线对其光程进行延迟；偏振态调节后的一部分光束与光程延迟后的另一部分光束通过一个三端口3-dB光纤耦合器汇合；在三端口3-dB光纤耦合器处汇合的两路光之间存在光程差OPD₁；

步骤(2)一部分光束与另一部分光束汇合成一束存在光程差的光束，依次通过待解调的传感光纤光栅和一个作为参考的线性啁啾光纤光栅，并被这两个光栅反射，其中被传感光纤光栅反射的波长为传感光纤光栅对应的布拉格波长，被线性啁啾光纤光栅反射的波长为线性啁啾光纤光栅对应的布拉格波长；线性啁啾光纤光栅不同位置对应不同的布拉格波长，线性啁啾光纤光栅的啁啾率为a、长度为l_c，则其反射波长的带宽为|λ|＝al_c，传感光纤光栅在自由状态下的布拉格反射波长λ_s与线性啁啾光纤光栅中心位置反射波长相同；当传感光纤光栅由于受到传感量影响反射波长发生大小为Δλ漂移时，传感光纤光栅的反射光和线性啁啾光纤光栅上与其相同波长位置的反射光直接的光程差OPD₂为

OPD₂＝2n_eff(l₀+l_c/2+Δλ/a)

传感光纤光栅所在的光纤、线性啁啾光纤光栅所在的光纤、以及连接传感光纤光栅和线性啁啾光纤光栅的光纤的光纤芯层有效折射率相同，为n_eff，连接传感光纤光栅和线性啁啾光纤光栅的光纤的长度为l₀；

步骤(3)存在光程差的光束依次被传感光纤光栅和线性啁啾光纤光栅反射后引入了新的光程差，通过三端口3-dB光纤耦合器后分为强度相等的两部分反射光束，一部分反射光束通过偏振控制器对其偏振态进行调节，另一部分反射光束通过可调光纤延迟线对其光程进行延迟；偏振态调节后的一部分反射光束与光程延迟后的另一部分反射光束通过四端口3-dB光纤耦合器耦合后被光电探测器接收，耦合后的两部分反射光束的光程差OPD为

OPD＝OPD₂-2OPD₁

步骤(4)调节可调光纤延迟线的长度，从而改变光程差OPD₁，同时调节偏振控制器使干涉信号明显显示出来，当OPD＝OPD₂-2OPD₁＝0时，光电探测器上得到干涉信号，通过示波器显示；并且得到传感光纤光栅的波长变化量Δλ，

2.实现如权利要求1所述方法的布拉格光纤光栅传感解调装置，包括中心波长在光通信波段的宽带光源、光纤隔离器、四端口3-dB光纤耦合器、偏振控制器、可调光纤延迟线、三端口3-dB光纤耦合器、传感光纤光栅、线性啁啾光纤光栅、光电探测器和示波器，其特征在于：宽带光源的光输出端与光纤隔离器的输入端口光连接，光纤隔离器的输出端与四端口3-dB光纤耦合器的输入端口光连接；四端口3-dB光纤耦合器的两个输出端口同侧，其中一个输出端口与偏振控制器的输入端光连接，偏振控制器的输出端与三端口3-dB光纤耦合器双端口端的一个端口光连接；四端口3-dB光纤耦合器的另一个输出端口与可调光纤延迟线的一端光连接，可调光纤延迟线的另一端与三端口3-dB光纤耦合器双端口端的另一个端口光连接；三端口3-dB光纤耦合器单端口端的端口与传感光纤光栅的一端光连接，传感光纤光栅的另一端通过光纤与线性啁啾光纤光栅光连接，传感光纤光栅所在的光纤、线性啁啾光纤光栅所在的光纤、以及连接传感光纤光栅和线性啁啾光纤光栅的光纤的光纤芯层有效折射率相同；四端口3-dB光纤耦合器的与输入端口同侧的另一个端口与光电探测器的光信号输入端连接，光电探测器的电信号输出端与示波器连接。

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