CN105547336A - 基于光电振荡环路的光纤光栅传感解调装置和方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了基于光电振荡环路的光纤光栅传感解调装置和方法，包括由电光调制器、第一三端口光环行器、光纤放大器、光电探测器、射频放大器、射频滤波器以及3dB三端***频功分器依次相连构成的光电振荡环路，宽带光源与第二三端口光环行器的输入端口相连，第二三端口光环行器的输出端口与电光调制器的输入端口相连，第二三端口光环行器的第二端口与一传感布拉格光纤光栅相连，第一三端口光环行器的第二端口与啁啾布拉格光纤光栅相连，3dB三端***频功分器的一输出端口与电光调制器的电驱动端口相连，其另一输出端口与一射频频率计相连。本发明是一种新型的采用微波光子技术实现的光纤光栅传感解调的方法，适用于低成本高精度的光纤光栅解调应用。

Description

基于光电振荡环路的光纤光栅传感解调装置和方法

技术领域

本发明涉及微波光子技术、光电子技术和光纤传感技术，属于采用微波光子技术进行光纤光栅传感与解调的技术领域。

背景技术

光纤光栅传感器具有体积小、重量轻、易于实现远距离和分布式测量、以及防电磁干扰等特性，因此被广泛应用于温度、应力和折射率的远距离测量领域中。

传统的光纤光栅解调方法常采用光学滤波器解调方法，例如可调谐F-P滤波法、非平衡M-Z光纤干涉仪法及匹配光栅法等。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，比较难实用化。因此，发展快速解调出光纤光栅波长变化量的方法和低成本设备具有重要的意义。

发明内容

本发明的目的在于针对现有光学解调技术的不足，利用光电振荡环路将传感布拉格光纤光栅随外界传感参量的波长变化量转换成射频信号的频率改变量，提供一种新型的光纤光栅传感解调方法，从而实现低成本高精度的光纤光栅波长解调，同时提供了实现该方法的装置。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

基于光电振荡环路的光纤光栅传感解调装置，包括由电光调制器、第一三端口光环行器、光纤放大器、光电探测器、射频放大器、射频滤波器以及3dB三端***频功分器依次相连构成的光电振荡环路，宽带光源与第二三端口光环行器的输入端口相连，所述第二三端口光环行器的输出端口与所述电光调制器的输入端口相连，所述第二三端口光环行器的第二端口与一传感布拉格光纤光栅相连，所述第一三端口光环行器的第二端口与一啁啾布拉格光纤光栅相连，所述3dB三端***频功分器的一输出端口与所述电光调制器的电驱动端口相连，所述3dB三端***频功分器的另一输出端口与一射频频率计相连。

采用上述基于光电振荡环路的光纤光栅传感解调装置进行光纤光栅解调的方法，包括以下步骤：

1)所述宽带光源发射的光经所述第二三端口光环行器到达所述传感布拉格光纤光栅，经传感布拉格光纤光栅反射的光再经第二三端口光环行器到达所述电光调制器，由电光调制器输出的光信号经第一三端口光环行器的输入端口到达啁啾布拉格光纤光栅反射，经该第一三端口光环行器的输出端口到达所述光纤放大器放大后，进入所述光电探测器进行光电转换，得到的电信号通过射频放大器的放大、射频滤波器的滤波，经3dB三端***频功分器到达电光调制器的电驱动端口，由电光调制器进行电光转换，如此往复形成光电振荡环路，在3dB三端***频功分器的输出端口得到一定频率的射频信号输出，其频率为

f＝kc/nL(1)

其中n为光纤折射率，c为真空中的光速，L为光电振荡环路长度，k为整数，k值大小由射频滤波器频率大小决定，输出射频信号频率由射频滤波器频率决定；射频滤波器带宽一方面要小于振荡谐波的自由频谱范围f＝c/nL，另一方面决定了该传感解调***的测量范围；

2)当外界传感参量变化时，光电振荡环路中所述传感布拉格光纤光栅的反射峰波长会随之发生改变，其改变量为Δλ，则其对应在所述啁啾布拉格光纤光栅中的反射位置会发生变化，其变化量可以表示为Δz＝Δλ/D，其中D为啁啾布拉格光纤光栅的啁啾率，此时，输出射频信号频率变化为

f'＝kc/n(L+Δz)(2)

3)采用射频频率计测量输出信号频率，则可根据(1)(2)两式得到光在啁啾布拉格光纤光栅反射位置的变化Δz，继而由Δλ＝Δz/D得到传感布拉格光纤光栅的波长变化量，从而对传感参量进行解调。

采用上述技术方案后，本发明与背景技术相比，具有如下优点：

本发明利用了光电振荡环路频率特性和啁啾光纤光栅的色散特性，通过测量由于传感布拉格光纤光栅波长变化引起的光电振荡环路输出射频信号频率改变量，来进行布拉格光纤光栅传感与解调，本发明相对于其他传统测量方案，具备带宽大、防电磁干扰、适于高精度、低成本和小型化等突出优势，大大降低了测量的成本和复杂度。本发明是一种新型的采用微波光子技术实现的布拉格光纤光栅传感解调方法，非常适合于低成本高精度传感解调。

附图说明

图1为本发明的结构示意图；

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

实施例如图1所示，一种基于光电振荡环路的光纤光栅传感解调装置，其包括宽带光源1、第二三端口光环行器2、传感布拉格光纤光栅3、电光调制器4、第一三端口光环行器5、啁啾布拉格光纤光栅6、光纤放大器7、光电探测器8、射频放大器9、射频滤波器10、3dB三端***频功分器11和射频频率计12。

以上各个部件的连接如下，宽带光源1与第二三端口光环行器2的输入端口相连接，第二三端口光环行器2的输出端口与电光调制器4的输入端口光连接，第二三端口光环行器2的第二端口与传感布拉格光纤光栅3的一端相连接，电光调制器4的输出端口与第一三端口光环行器5的输入端口光连接，第一三端口光环行器5的输出端口与光纤放大器7的输入端口相连接，第一三端口光环行器5的第二端口与啁啾布拉格光纤光栅6相连接，光纤放大器7的输出端口与光电探测器8的输入端口光连接，光电探测器8的输出端口与射频放大器9的输入端口电连接，射频放大器9的输出端口与射频滤波器10的输入端口相连接，射频滤波器10的输出端口与3dB三端***频功分器11的输入端口相连接，3dB三端***频功分器11的一个输出端口与电光调制器4的电驱动端口相连接，3dB三端***频功分器11的另外一个输出端口与射频频率计12相连接。其中依次相连的电光调制器4、第一三端口光环行器5、光纤放大器7、光电探测器8、射频放大器9、射频滤波器10以及3dB三端***频功分器11构成光电振荡环路。

采用上述光纤光栅传感解调装置来进行传感解调的方法包括以下步骤：

1)宽带光源1发射的光经第二三端口光环行器2到达传感布拉格光纤光栅3，并经传感布拉格光纤光栅3反射，再由第二三端口光环行器2到达电光调制器4，由电光调制器4输出的光信号经第一三端口光环行器5的输入端口到达啁啾布拉格光纤光栅6反射后，经第一三端口光环行器5的输出端口到达光纤放大器7放大，进入光电探测器8进行光电转换，得到的电信号通过射频放大器9的放大、射频滤波器10的滤波，经3dB三端***频功分器11到达电光调制器4的电驱动端口，由电光调制器4进行电光转换，如此往复形成光电振荡环路，在3dB三端***频功分器11的输出端口得到一定频率的射频信号输出，其频率为

f＝kc/nL(1)

其中n为光纤折射率，c为真空中的光速，L为光电振荡环路长度，k为整数。k值大小由射频滤波器10频率大小决定，同时输出射频信号频率由射频滤波器10频率决定；射频滤波器10的带宽一方面要小于振荡谐波的自由频谱范围f＝c/nL，另一方面它决定了该传感解调***的测量范围。

2)当外界传感参量变化时，光电振荡环路中传感布拉格光纤光栅3的反射峰波长会随之发生改变，其改变量为Δλ，则其对应在啁啾布拉格光纤光栅6中的反射位置会发生变化，其变化量可以表示为Δz＝Δλ/D，其中D为啁啾布拉格光纤光栅6的啁啾率。此时，输出射频信号频率变化为

f'＝kc/n(L+Δz)(2)

3)采用射频频率计12测量输出射频信号频率，则可根据(1)(2)两式得到光在啁啾布拉格光纤光栅6反射位置的变化Δz，继而由Δλ＝Δz/D得到传感布拉格光纤光栅3的波长变化量，从而对传感参量进行解调。

本发明采用了光电振荡环路，将传感布拉格光纤光栅3反射回来的光作为光电振荡环路的光源，并在光电振荡环路中设置啁啾布拉格光纤光栅6提供时延，当外界传感参量变化时，引起传感布拉格光纤光栅3的反射波长的变化，从而使得该光信号在啁啾布拉格光纤光栅6中的反射位置变化。传感布拉格光纤光栅3反射波长位于啁啾布拉格光纤光栅6的宽带反射带内。因此光电振荡环路的光程会发生变化，从而引起光电振荡环路的射频输出信号频率的改变。通过射频频率计11测量输出射频信号频率变化，获得传感布拉格光纤光栅的波长改变量，从而实现对传感参量的解调。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。

Claims (2)

1.基于光电振荡环路的光纤光栅传感解调装置，其特征在于：包括由电光调制器、第一三端口光环行器、光纤放大器、光电探测器、射频放大器、射频滤波器以及3dB三端***频功分器依次相连构成的光电振荡环路，宽带光源与第二三端口光环行器的输入端口相连，所述第二三端口光环行器的输出端口与所述电光调制器的输入端口相连，所述第二三端口光环行器的第二端口与一传感布拉格光纤光栅相连，所述第一三端口光环行器的第二端口与一啁啾布拉格光纤光栅相连，所述3dB三端***频功分器的一输出端口与所述电光调制器的电驱动端口相连，所述3dB三端***频功分器的另一输出端口与一射频频率计相连。

2.采用权利要求1所述的基于光电振荡环路的光纤光栅传感解调装置进行光纤光栅解调的方法，其特征在于：包括以下步骤

1)所述宽带光源发射的光经所述第二三端口光环行器到达所述传感布拉格光纤光栅，经传感布拉格光纤光栅反射的光再经第二三端口光环行器到达所述电光调制器，由电光调制器输出的光信号经第一三端口光环行器的输入端口到达啁啾布拉格光纤光栅反射，经该第一三端口光环行器的输出端口到达所述光纤放大器放大后，进入所述光电探测器进行光电转换，得到的电信号通过射频放大器的放大、射频滤波器的滤波，经3dB三端***频功分器到达电光调制器的电驱动端口，由电光调制器进行电光转换，如此往复形成光电振荡环路，在3dB三端***频功分器的输出端口得到一定频率的射频信号输出，其频率为

f＝kc/nL(1)

其中n为光纤折射率，c为真空中的光速，L为光电振荡环路长度，k为整数，k值大小由射频滤波器频率大小决定，同时输出射频信号频率由射频滤波器频率决定；射频滤波器带宽一方面要小于振荡谐波的自由频谱范围f＝c/nL，另一方面决定了该传感解调***的测量范围；

2)当外界传感参量变化时，光电振荡环路中所述传感布拉格光纤光栅的反射峰波长会随之发生改变，其改变量为Δλ，则其对应在所述啁啾布拉格光纤光栅中的反射位置会发生变化，其变化量可以表示为Δz＝Δλ/D，其中D为啁啾布拉格光纤光栅的啁啾率，此时，输出射频信号频率变化为

f'＝kc/n(L+Δz)(2)

3)采用射频频率计测量输出信号频率，则可根据(1)(2)两式得到光在啁啾布拉格光纤光栅反射位置的变化Δz，继而由Δλ＝Δz/D得到传感布拉格光纤光栅的波长变化量，从而对传感参量进行解调。