CN108400516B - 一种基于非线性色散元件的光电振荡器应力传感*** - Google Patents

一种基于非线性色散元件的光电振荡器应力传感*** Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于非线性色散元件的光电振荡器应力传感***，包括光学频率梳、偏振控制器、电光调制器、环形器、非线性色散元件、掺铒光纤放大器、光电探测器、隔直器、低噪声微波放大器、微波功率分束器、数字处理单元。本发明用非线性色散元件作为传感单元，色散值受应力调谐，进而对生成的微波信号频率进行编码，可有效提高传感的灵敏度、分辨率和解调速度。

Description

一种基于非线性色散元件的光电振荡器应力传感***
技术领域
本发明涉及一种基于非线性色散元件的光电振荡器应力传感***，适用于光纤传感领域和全光信息处理领域。
技术背景
光纤传感器，因其具有抗电磁干扰、体积小、质量轻、灵敏度高等优点，在航空航天、建筑物健康状况监测、周界安防、智慧管廊等领域受到了广泛关注。其中光纤光栅传感器作为重要的光纤传感器，通过对波长进行编码、解调，可以实现对待测参量的高稳定与高可靠传感，但解调的分辨率常受到光谱仪等光学解调仪器的分辨率限制，且不易实现高速扫描。而利用微波光子滤波器或光电振荡器，将波长编码转换成微波信号频率编码，可采用DSP等数字处理单元对微波信号进行处理，实现高分辨率、高速的传感解调。因此，本发明利用光电转换，提出了一种基于非线性色散元件的光电振荡器应力传感***，将非线性色散元件引入时延的波长相关性与光电振荡器起振的微波信号频率联系起来，可有效提高传感的灵敏度、分辨率和解调速度。
发明内容
本发明提出了一种基于非线性色散元件的光电振荡器应力传感***，将非线性色散元件引入时延的波长相关性与光电振荡器起振的微波信号频率联系起来，旨在为特殊场合的传感提供高灵敏度、高分辨率和高解调速度的方案。
本发明的技术方案：
一种基于非线性色散元件的光电振荡器应力传感***，包括光学频率梳、偏振控制器、电光调制器、环形器、非线性色散元件、掺铒光纤放大器、光电探测器、隔直器、低噪声微波放大器、微波功率分束器、数字处理单元。
具体连接方式为：光学频率梳的输出端与偏振控制器的输入端相连，偏振控制器的输出端与电光调制器的光输入端相连，电光调制器的电输入端与微波功率分束器的一个输出端相连，电光调制器的光输出端与环形器的41端口相连，环形器的42端口与非线性色散元件相连，环形器的43端口与掺铒光纤放大器的输入端相连，掺铒光纤放大器的输出端与光电探测器的输入端相连，光电探测器的输出端与隔直器的输入端相连，隔直器的输出端与低噪声微波放大器的输入端相连，低噪声微波放大器的输出端与微波功率分束器的输入端相连，微波功率分束器的两个输出端，一个与数字处理单元相连，另一个与电光调制器的电输入端相连。
光学频率梳与偏振控制器、偏振控制器与电光调制器、电光调制器与环形器、环形器与非线性色散元件、环形器与掺铒光纤放大器、掺铒光纤放大器与光电探测器之间的连接均采用光纤，光电探测器与隔直器、隔直器与低噪声微波放大器、低噪声微波放大器与微波功率分束器、微波功率分束器与电光调制器、微波功率分束器与数字处理单元之间采用射频连接线连接。
所述光学频率梳用于产生多个波长的光信号，等效于为光电振荡器提供多载波。
所述偏振控制器用于控制进入电光调制器的光信号的偏振态，使光信号的偏振态与电光调制器的工作主轴一致，减少由偏振态引入的损耗。
所述电光调制器通过反馈的微波信号对多个光载波进行调制。
所述环形器，从41端口进入环形器的光由42端口输出，从42端口进入环形器的光由43端口输出。
所述非线性色散元件为光纤光栅，不仅引入了时延，还作为本发明中的传感单元，色散值受应力调谐。
所述掺铒光纤放大器用于为环腔中的光信号提供有效增益，保证光电振荡器能够起振。
所述光电探测器用于进行光电转换。
所述隔直器用以消除拍频产生的直流分量。
所述低噪声微波放大器用于为微波信号提供低噪声放大，当光电振荡器环路中总的增益大于损耗时，光电振荡器才能起振。
所述微波功率分束器用于将振荡产生的微波信号分别送入数字处理单元相连和电光调制器的电输入端相连。
所述数字处理单元对频率编码的传感信息进行解调。
进一步地，所述的光学频率梳为离散型光学频率梳，即各频率分量之间具有一定的频率间隔，包括但不限于自振荡光学频率梳。
本发明的有益效果：
本发明无须对光源进行调谐，可降低成本，且不受光源可调谐范围的限制。本发明采用非线性色散元件作为传感单元，将非线性色散元件引入时延的波长相关性与光电振荡器起振的微波信号频率联系起来，通过对微波信号的频率进行检测来实现解调，不依赖于微波信号的功率，因此也不受限于光源功率的抖动，有利于进一步提高传感的精度。本发明充分发挥光电振荡器低相噪的特性，有利于进一步提高传感的灵敏度、分辨率和解调速度。
附图说明
图1为基于非线性色散元件的光电振荡器应力传感***的结构示意图。
图2为实施例一和实施例二中非线性色散元件的时延曲线。
图3为实施例三和实施例四中非线性色散元件的时延曲线。
图4为实施例五中非线性色散元件的时延曲线。
其中各图标为：光学频率梳1、偏振控制器2、电光调制器3、环形器4、环形器端口41、环形器端口42、环形器端口43、非线性色散元件5、掺铒光纤放大器6、光电探测器7、隔直器8、低噪声微波放大器9、微波功率分束器10、数字处理单元11。
具体实施方式
下面结合附图和实施例来对本发明做进一步描述。
实施例一：
一种基于非线性色散元件的光电振荡器应力传感***如图1所示，包括光学频率梳1、偏振控制器2、电光调制器3、环形器4、非线性色散元件5、掺铒光纤放大器6、光电探测器7、隔直器8、低噪声微波放大器9、微波功率分束器10、数字处理单元11。
具体连接方式为：光学频率梳1的输出端与偏振控制器2的输入端相连，偏振控制器2的输出端与电光调制器3的光输入端相连，电光调制器3的电输入端与微波功率分束器10的一个输出端相连，电光调制器3的光输出端与环形器4的41端口相连，环形器4的42端口与非线性色散元件5相连，环形器4的43端口与掺铒光纤放大器6的输入端相连，掺铒光纤放大器6的输出端与光电探测器7的输入端相连，光电探测器7的输出端与隔直器8的输入端相连，隔直器8的输出端与低噪声微波放大器9的输入端相连，低噪声微波放大器9的输出端与微波功率分束器10的输入端相连，微波功率分束器10的两个输出端，一个与数字处理单元11相连，另一个与电光调制器3的电输入端相连。
光学频率梳1与偏振控制器2、偏振控制器2与电光调制器3、电光调制器3与环形器4、环形器4与非线性色散元件5、环形器4与掺铒光纤放大器6、掺铒光纤放大器6与光电探测器7之间的连接均采用光纤，光电探测器7与隔直器8、隔直器8与低噪声微波放大器9、低噪声微波放大器9与微波功率分束器10、微波功率分束器10与电光调制器3、微波功率分束器10与数字处理单元11之间采用射频连接线连接。
光学频率梳1为自振荡光学频率梳，用于产生多个波长的光信号，等效于为光电振荡器提供多载波。
偏振控制器2用于控制进入电光调制器3的光信号的偏振态，使光信号的偏振态与电光调制器3的工作主轴一致，减少由偏振态引入的损耗。
电光调制器3为相位调制器，通过反馈的微波信号对多个光载波进行调制。
环形器4，从41端口进入环形器4的光由42端口输出，从42端口进入环形器4的光由43端口输出。
非线性色散元件5为啁啾摩尔光纤光栅，不仅引入了时延，还作为本发明中的传感单元，其时延曲线如图2所示。将啁啾摩尔光纤光栅的两端固定，对其施加应力，色散值受应力调谐，进而对生成的微波信号频率进行编码。
掺铒光纤放大器6用于为环腔中的光信号提供有效增益，保证光电振荡器能够起振。
光电探测器7用于进行光电转换。
隔直器8用以消除拍频产生的直流分量。
低噪声微波放大器9用于为微波信号提供低噪声放大，当光电振荡器环路中总的增益大于损耗时，光电振荡器才能起振。
微波功率分束器10输出一端与数字处理单元11相连，进行传感解调，另一端与电光调制器3的电输入端相连，在回路中提供反馈。
数字处理单元11对频率编码的传感信息进行解调。
实施例二：
一种基于非线性色散元件的光电振荡器应力传感***如图1所示，包括光学频率梳1、偏振控制器2、电光调制器3、环形器4、非线性色散元件5、掺铒光纤放大器6、光电探测器7、隔直器8、低噪声微波放大器9、微波功率分束器10、数字处理单元11。
具体连接方式为：光学频率梳1的输出端与偏振控制器2的输入端相连，偏振控制器2的输出端与电光调制器3的光输入端相连，电光调制器3的电输入端与微波功率分束器10的一个输出端相连，电光调制器3的光输出端与环形器4的41端口相连，环形器4的42端口与非线性色散元件5相连，环形器4的43端口与掺铒光纤放大器6的输入端相连，掺铒光纤放大器6的输出端与光电探测器7的输入端相连，光电探测器7的输出端与隔直器8的输入端相连，隔直器8的输出端与低噪声微波放大器9的输入端相连，低噪声微波放大器9的输出端与微波功率分束器10的输入端相连，微波功率分束器10的两个输出端，一个与数字处理单元11相连，另一个与电光调制器3的电输入端相连。
光学频率梳1与偏振控制器2、偏振控制器2与电光调制器3、电光调制器3与环形器4、环形器4与非线性色散元件5、环形器4与掺铒光纤放大器6、掺铒光纤放大器6与光电探测器7之间的连接均采用光纤，光电探测器7与隔直器8、隔直器8与低噪声微波放大器9、低噪声微波放大器9与微波功率分束器10、微波功率分束器10与电光调制器3、微波功率分束器10与数字处理单元11之间采用射频连接线连接。
光学频率梳1为自振荡光学频率梳，用于产生多个波长的光信号，等效于为光电振荡器提供多载波。
偏振控制器2用于控制进入电光调制器3的光信号的偏振态，使光信号的偏振态与电光调制器3的工作主轴一致，减少由偏振态引入的损耗。
电光调制器3为马赫增德尔调制器，通过反馈的微波信号对多个光载波进行调制。
环形器4，从41端口进入环形器4的光由42端口输出，从42端口进入环形器4的光由43端口输出。
非线性色散元件5为啁啾摩尔光纤光栅，不仅引入了时延，还作为本发明中的传感单元，其时延曲线如图2所示。将啁啾摩尔光纤光栅的两端固定，对其施加应力，色散值受应力调谐，进而对生成的微波信号频率进行编码。
掺铒光纤放大器6用于为环腔中的光信号提供有效增益，保证光电振荡器能够起振。
光电探测器7用于进行光电转换。
隔直器8用以消除拍频产生的直流分量。
低噪声微波放大器9用于为微波信号提供低噪声放大，当光电振荡器环路中总的增益大于损耗时，光电振荡器才能起振。
微波功率分束器10输出一端与数字处理单元11相连，进行传感解调，另一端与电光调制器3的电输入端相连，在回路中提供反馈。
数字处理单元11对频率编码的传感信息进行解调。
实施例三：
一种基于非线性色散元件的光电振荡器应力传感***如图1所示，包括光学频率梳1、偏振控制器2、电光调制器3、环形器4、非线性色散元件5、掺铒光纤放大器6、光电探测器7、隔直器8、低噪声微波放大器9、微波功率分束器10、数字处理单元11。
具体连接方式为：光学频率梳1的输出端与偏振控制器2的输入端相连，偏振控制器2的输出端与电光调制器3的光输入端相连，电光调制器3的电输入端与微波功率分束器10的一个输出端相连，电光调制器3的光输出端与环形器4的41端口相连，环形器4的42端口与非线性色散元件5相连，环形器4的43端口与掺铒光纤放大器6的输入端相连，掺铒光纤放大器6的输出端与光电探测器7的输入端相连，光电探测器7的输出端与隔直器8的输入端相连，隔直器8的输出端与低噪声微波放大器9的输入端相连，低噪声微波放大器9的输出端与微波功率分束器10的输入端相连，微波功率分束器10的两个输出端，一个与数字处理单元11相连，另一个与电光调制器3的电输入端相连。
光学频率梳1与偏振控制器2、偏振控制器2与电光调制器3、电光调制器3与环形器4、环形器4与非线性色散元件5、环形器4与掺铒光纤放大器6、掺铒光纤放大器6与光电探测器7之间的连接均采用光纤，光电探测器7与隔直器8、隔直器8与低噪声微波放大器9、低噪声微波放大器9与微波功率分束器10、微波功率分束器10与电光调制器3、微波功率分束器10与数字处理单元11之间采用射频连接线连接。
光学频率梳1为自振荡光学频率梳，用于产生多个波长的光信号，等效于为光电振荡器提供多载波。
偏振控制器2用于控制进入电光调制器3的光信号的偏振态，使光信号的偏振态与电光调制器3的工作主轴一致，减少由偏振态引入的损耗。
电光调制器3为相位调制器，通过反馈的微波信号对多个光载波进行调制。
环形器4，从41端口进入环形器4的光由42端口输出，从42端口进入环形器4的光由43端口输出。
非线性色散元件5为立方根型啁啾光纤光栅，不仅引入了时延，还作为本发明中的传感单元，其时延曲线如图3所示。将立方根型啁啾光纤光栅的两端固定，对其施加应力，色散值受应力调谐，进而对生成的微波信号频率进行编码。
掺铒光纤放大器6用于为环腔中的光信号提供有效增益，保证光电振荡器能够起振。
光电探测器7用于进行光电转换。
隔直器8用以消除拍频产生的直流分量。
低噪声微波放大器9用于为微波信号提供低噪声放大，当光电振荡器环路中总的增益大于损耗时，光电振荡器才能起振。
微波功率分束器10输出一端与数字处理单元11相连，进行传感解调，另一端与电光调制器3的电输入端相连，在回路中提供反馈。
数字处理单元11对频率编码的传感信息进行解调。
实施例四：
一种基于非线性色散元件的光电振荡器应力传感***如图1所示，包括光学频率梳1、偏振控制器2、电光调制器3、环形器4、非线性色散元件5、掺铒光纤放大器6、光电探测器7、隔直器8、低噪声微波放大器9、微波功率分束器10、数字处理单元11。
具体连接方式为：光学频率梳1的输出端与偏振控制器2的输入端相连，偏振控制器2的输出端与电光调制器3的光输入端相连，电光调制器3的电输入端与微波功率分束器10的一个输出端相连，电光调制器3的光输出端与环形器4的41端口相连，环形器4的42端口与非线性色散元件5相连，环形器4的43端口与掺铒光纤放大器6的输入端相连，掺铒光纤放大器6的输出端与光电探测器7的输入端相连，光电探测器7的输出端与隔直器8的输入端相连，隔直器8的输出端与低噪声微波放大器9的输入端相连，低噪声微波放大器9的输出端与微波功率分束器10的输入端相连，微波功率分束器10的两个输出端，一个与数字处理单元11相连，另一个与电光调制器3的电输入端相连。
光学频率梳1与偏振控制器2、偏振控制器2与电光调制器3、电光调制器3与环形器4、环形器4与非线性色散元件5、环形器4与掺铒光纤放大器6、掺铒光纤放大器6与光电探测器7之间的连接均采用光纤，光电探测器7与隔直器8、隔直器8与低噪声微波放大器9、低噪声微波放大器9与微波功率分束器10、微波功率分束器10与电光调制器3、微波功率分束器10与数字处理单元11之间采用射频连接线连接。
光学频率梳1为自振荡光学频率梳，用于产生多个波长的光信号，等效于为光电振荡器提供多载波。
偏振控制器2用于控制进入电光调制器3的光信号的偏振态，使光信号的偏振态与电光调制器3的工作主轴一致，减少由偏振态引入的损耗。
电光调制器3为马赫增德尔调制器，通过反馈的微波信号对多个光载波进行调制。
环形器4，从41端口进入环形器4的光由42端口输出，从42端口进入环形器4的光由43端口输出。
非线性色散元件5为立方根型啁啾光纤光栅，不仅引入了时延，还作为本发明中的传感单元，其时延曲线如图3所示。将立方根型啁啾光纤光栅的两端固定，对其施加应力，色散值受应力调谐，进而对生成的微波信号频率进行编码。
掺铒光纤放大器6用于为环腔中的光信号提供有效增益，保证光电振荡器能够起振。
光电探测器7用于进行光电转换。
隔直器8用以消除拍频产生的直流分量。
低噪声微波放大器9用于为微波信号提供低噪声放大，当光电振荡器环路中总的增益大于损耗时，光电振荡器才能起振。
微波功率分束器10输出一端与数字处理单元11相连，进行传感解调，另一端与电光调制器3的电输入端相连，在回路中提供反馈。
数字处理单元11对频率编码的传感信息进行解调。
实施例五：
一种基于非线性色散元件的光电振荡器应力传感***如图1所示，包括光学频率梳1、偏振控制器2、电光调制器3、环形器4、非线性色散元件5、掺铒光纤放大器6、光电探测器7、隔直器8、低噪声微波放大器9、微波功率分束器10、数字处理单元11。
光学频率梳1与偏振控制器2、偏振控制器2与电光调制器3、电光调制器3与环形器4、环形器4与非线性色散元件5、环形器4与掺铒光纤放大器6、掺铒光纤放大器6与光电探测器7之间的连接均采用光纤，光电探测器7与隔直器8、隔直器8与低噪声微波放大器9、低噪声微波放大器9与微波功率分束器10、微波功率分束器10与电光调制器3、微波功率分束器10与数字处理单元11之间采用射频连接线连接。
具体连接方式为：光学频率梳1的输出端与偏振控制器2的输入端相连，偏振控制器2的输出端与电光调制器3的光输入端相连，电光调制器3的电输入端与微波功率分束器10的一个输出端相连，电光调制器3的光输出端与环形器4的41端口相连，环形器4的42端口与非线性色散元件5相连，环形器4的43端口与掺铒光纤放大器6的输入端相连，掺铒光纤放大器6的输出端与光电探测器7的输入端相连，光电探测器7的输出端与隔直器8的输入端相连，隔直器8的输出端与低噪声微波放大器9的输入端相连，低噪声微波放大器9的输出端与微波功率分束器10的输入端相连，微波功率分束器10的两个输出端，一个与数字处理单元11相连，另一个与电光调制器3的电输入端相连。
光学频率梳1为自振荡光学频率梳，用于产生多个波长的光信号，等效于为光电振荡器提供多载波。
偏振控制器2用于控制进入电光调制器3的光信号的偏振态，使光信号的偏振态与电光调制器3的工作主轴一致，减少由偏振态引入的损耗。
电光调制器3为相位调制器，通过反馈的微波信号对多个光载波进行调制。
环形器4，从41端口进入环形器4的光由42端口输出，从42端口进入环形器4的光由43端口输出。
非线性色散元件5为二次啁啾光纤光栅，不仅引入了时延，还作为本发明中的传感单元，其时延曲线如图3所示。将二次啁啾光纤光栅的两端固定，对其施加应力，色散值受应力调谐，进而对生成的微波信号频率进行编码。
掺铒光纤放大器6用于为环腔中的光信号提供有效增益，保证光电振荡器能够起振。
光电探测器7用于进行光电转换。
隔直器8用以消除拍频产生的直流分量。
低噪声微波放大器9用于为微波信号提供低噪声放大，当光电振荡器环路中总的增益大于损耗时，光电振荡器才能起振。
微波功率分束器10输出一端与数字处理单元11相连，进行传感解调，另一端与电光调制器3的电输入端相连，在回路中提供反馈。
数字处理单元11对频率编码的传感信息进行解调。
本发明原理如下：
当光电振荡器开环，即微波功率分束器10的一个输出端和电光调制器3的电输入端断开时，本发明等效于多抽头微波光子滤波器。具有相同频率间隔的光信号，经过非线性色散元件5引入非等间隔时延，利用这一特性为特定的抽头提供基于非等间隔时延的相移，则可实现具有带通响应的多抽头微波光子滤波器，其中心频率由基于非等间隔时延的相移决定。将非线性色散元件5的两端固定，对其施加应力时，色散值调谐，则不同频率的光信号经过非线性色散元件5的时延随应力变化，导致相邻频率的光信号经历的时延间隔也随应力变化，进而，具有带通响应的多抽头微波光子滤波器中心频率随应力变化，实现对应力的传感。

Claims (4)

1.一种基于非线性色散元件的光电振荡器应力传感***，其特征在于，包括：光学频率梳(1)、偏振控制器(2)、电光调制器(3)、环形器(4)、非线性色散元件(5)、掺铒光纤放大器(6)、光电探测器(7)、隔直器(8)、低噪声微波放大器(9)、微波功率分束器(10)、数字处理单元(11)；具体连接方式为：
光学频率梳(1)的输出端与偏振控制器(2)的输入端相连，偏振控制器(2)的输出端与电光调制器(3)的光输入端相连，电光调制器(3)的电输入端与微波功率分束器(10)的一个输出端相连，电光调制器(3)的光输出端与环形器(4)的41端口相连，环形器(4)的42端口与非线性色散元件(5)相连，环形器(4)的43端口与掺铒光纤放大器(6)的输入端相连，掺铒光纤放大器(6)的输出端与光电探测器(7)的输入端相连，光电探测器(7)的输出端与隔直器(8)的输入端相连，隔直器(8)的输出端与低噪声微波放大器(9)的输入端相连，低噪声微波放大器(9)的输出端与微波功率分束器(10)的输入端相连，微波功率分束器(10)的两个输出端，一个与数字处理单元(11)相连，另一个与电光调制器(3)的电输入端相连。
2.根据权利要求1所述的一种基于非线性色散元件的光电振荡器应力传感***，其特征在于：光学频率梳(1)是离散型光学频率梳，即各频率分量之间具有一定的频率间隔；所述光学频率梳(1)为自振荡光学频率梳。
3.根据权利要求1所述的一种基于非线性色散元件的光电振荡器应力传感***，其特征在于：电光调制器(3)分为马赫增德尔调制器、相位调制器。
4.根据权利要求1所述的一种基于非线性色散元件的光电振荡器应力传感***，其特征在于：非线性色散元件(5)的时延曲线非线性，为多个频率的光信号提供非等间隔时延，分为二次啁啾光纤光栅、啁啾摩尔光纤光栅、立方根型啁啾光纤光栅。
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