專利名稱：一種光纖光柵傳感陣列解調(diào)裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型屬于光纖傳感技術(shù)領(lǐng)域，涉及了一種光纖光柵傳感陣列解 調(diào)裝置。
背景技術(shù)：
光纖布拉格光柵(FBG)由于其特有的光纖內(nèi)部敏感、波長編碼、易于組 網(wǎng)等優(yōu)點(diǎn)而成為光纖傳感的一種重要器件。基于已經(jīng)發(fā)展起來的波分復(fù)用 (WDM)和時(shí)分復(fù)用(TDM)技術(shù)，光纖光柵陣列被廣泛用于光纖準(zhǔn)分布式傳感， 如鐵路、大橋、水壩等的健康監(jiān)測(cè)，主干輸電線沿線的溫度監(jiān)控。其中， WDM要求每一個(gè)FBG傳感器具有不同的布拉格波長，需要一個(gè)寬帶光源(帶 寬往往大于40nm)作為輸入光源，還需要一套相對(duì)復(fù)雜的波長敏感系統(tǒng)來 進(jìn)行復(fù)用信號(hào)的解復(fù)用，如可調(diào)法布里-泊羅濾波器、富里葉頻譜計(jì)、波 長敏感耦合器等。而在TDM中， 一般采用窄脈沖光源輸入，各個(gè)FBG傳感 器的反射光信號(hào)利用不同的延時(shí)實(shí)現(xiàn)信號(hào)復(fù)用，用高速光電探頭接收反射 的脈沖，并由解調(diào)端的高速門處理電路解復(fù)用。這兩套復(fù)用技術(shù)，都需要 成本較高的光源和復(fù)雜的解調(diào)系統(tǒng)，直接導(dǎo)致了 FBG傳感網(wǎng)絡(luò)的成本居高 不下，限制了其很多實(shí)際應(yīng)用。
電光調(diào)制器利用非線性效應(yīng)，可以在一定范圍內(nèi)精確改變經(jīng)過調(diào)制器 的光波的頻率；薩尼亞克(Sagnac)環(huán)由于其結(jié)構(gòu)的對(duì)稱性，對(duì)外界溫度變 化，機(jī)械振動(dòng)等干擾不敏感，在光纖傳感，光纖檢測(cè)等領(lǐng)域應(yīng)用十分廣泛; 使用基于電光調(diào)制器光頻變換的Sagnac環(huán)實(shí)現(xiàn)的FBG準(zhǔn)分布式傳感陣列， 結(jié)構(gòu)簡單，抗干擾性強(qiáng)，不需要高速的光電元件，成本很低，因此非常適 用于實(shí)際應(yīng)用。 發(fā)明內(nèi)容
本實(shí)用新型的目的就是針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種采用電光調(diào)制 器光頻變換技術(shù)的光纖光柵傳感陣列解調(diào)裝置。
本實(shí)用新型的具體方案是半導(dǎo)體激光器通過光纖隔離器與四端口 3-dB光纖耦合器的輸入端口光連接，四端口 3-dB光纖耦合器的輸出端口
與光電二極管的輸入端光連接，光電二極管的輸出端與數(shù)據(jù)采集卡的輸入 端電連接，數(shù)據(jù)采集卡的輸出端與快速傅立葉變換分析儀電連接。
所述的激光光源的中心波長在通訊波段，其3dB線寬小于等于0. lnm。 四端口 3-dB光纖耦合器的另外兩個(gè)端口通過單模光纖連接，單模光纖 由電光調(diào)制器分為兩段，分別為測(cè)量段單模光纖和連接段單模光纖，長度 分別為^和Z^，丄。》^，電光調(diào)制器的電驅(qū)動(dòng)信號(hào)口與正弦信號(hào)發(fā)生器電連接；測(cè)量段單模光纖中插入三端口 3-dB光纖耦合器，三端口3-dB光纖 耦合器的輸入端的兩端口分別與測(cè)量段單模光纖連接，另一個(gè)端口與光纖 布拉格光柵傳感陣列光連接。
所述的光纖布拉格光柵傳感陣列由多個(gè)與激光光源中心波長一致的光 纖布拉格光柵串聯(lián)而成，光纖布拉格光柵的反射率小于3%。
本實(shí)用新型中，電光調(diào)制器利用非線性效應(yīng)，可以在一定范圍內(nèi)精確 改變經(jīng)過調(diào)制器的光波的頻率。同時(shí)，薩尼亞克環(huán)對(duì)外界溫度變化、機(jī)械 振動(dòng)等干擾不敏感。本實(shí)用新型適用于一般性的光纖布拉格光柵準(zhǔn)分布式 傳感陣列，與傳統(tǒng)的方案相比，采用了電子頻率掃描，而不是使用低速的 機(jī)械控制的波長掃描裝置，能做到極高的響應(yīng)速度，滿足實(shí)時(shí)傳感的要求； 并且由于不需要短脈沖激光，高速光電二極管和高速數(shù)據(jù)采集卡，因此成 本相對(duì)較低；另外由于傳感陣列連入薩尼亞克環(huán)中，設(shè)備抗外界溫度波動(dòng) 以及機(jī)械擾動(dòng)性能強(qiáng)。

圖1為本實(shí)用新型的結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實(shí)施方式

如圖1所示，半導(dǎo)體激光器1通過光纖隔離器2與四端口 3-dB光纖耦 合器3的一個(gè)輸入端口光連接；四端口 3-dB光纖耦合器3的另一個(gè)輸入端 口與光電二極管4的輸入端光連接，光電二極管4的輸出端與數(shù)據(jù)釆集卡 5的輸入端電連接，數(shù)據(jù)采集卡5的輸出端與FFT分析儀6電連接。四端 口 3-dB光纖耦合器3的兩個(gè)輸出端口通過單模光纖連接，單模光纖由電光 調(diào)制器8分為兩段，分別為測(cè)量段單模光纖11和連接段單模光纖7，長度 分別為4和丄6，丄。》丄6。電光調(diào)制器8的電驅(qū)動(dòng)信號(hào)口與正弦信號(hào)發(fā)生器 9電連接。測(cè)量段單模光纖11中插入三端口 3-dB光纖耦合器10，三端口 3-dB光纖耦合器10的輸入端的兩端口分別與測(cè)量段單模光纖11連接，另 一個(gè)輸出端口與傳感陣列單模光纖13連接。多個(gè)傳感FBG 12依次串聯(lián)在 傳感陣列單模光纖13上。
具體檢測(cè)中，半導(dǎo)體激光光源發(fā)出的激光通過光纖隔離器和四端口 3-dB光纖耦合器后，進(jìn)入薩尼亞克環(huán)中。
激光進(jìn)入薩尼亞克環(huán)后分為兩路，其中一路進(jìn)入長度已知的測(cè)量段單 模光纖，再通過測(cè)量段單模光纖中插入的三端口 3-dB光纖耦合器入射到由 多個(gè)與激光光源中心波長一致的光纖布拉格光柵串聯(lián)成的光纖布拉格光柵 傳感陣列，激光被傳感陣列上的各個(gè)光纖布拉格光柵反射；反射后的激光 經(jīng)過三端口 3-dB光纖耦合器回到測(cè)量段單模光纖，通過電光調(diào)制器產(chǎn)生變 頻，所述的電光調(diào)制器由頻率受調(diào)制的正弦信號(hào)發(fā)生器驅(qū)動(dòng)；變頻后的激 光經(jīng)過長度已知的連接段單模光纖，回到四端口 3-dB光纖耦合器；被傳感 陣列上第/個(gè)光纖布拉格光柵反射的光束回到四端口 3-dB光纖耦合器，其<formula>formula see original document page 5</formula>
(1)
其中^為一階貝塞爾函數(shù)，"為電光調(diào)制器驅(qū)動(dòng)信號(hào)的歸一化振幅，g為
第/個(gè)光纖布拉格光柵反射的激光的電場(chǎng)強(qiáng)度，w為激光的角頻率，Q^電 光調(diào)制器驅(qū)動(dòng)信號(hào)的角頻率。w為單模光纖的折射率，C為光速，丄,.為第/ 個(gè)光纖布拉格光柵與三端口 3-dB光纖耦合器之間的光纖長度，丄。為測(cè)量段
單模光纖的長度，^為連接段單模光纖的長度，& ^。
另一路激光首先經(jīng)過長度已知的連接段單模光纖，然后通過電光調(diào)制 器產(chǎn)生變頻，變頻后的激光進(jìn)入長度已知的測(cè)量段單模光纖；激光通過測(cè) 量段單模光纖中插入的三端口 3-dB光纖耦合器入射到光纖布拉格光柵傳 感陣列，激光被光纖布拉格光柵傳感陣列上的各個(gè)光纖布拉格光柵反射， 反射后的激光經(jīng)過三端口 3-dB光纖耦合器回到測(cè)量段單模光纖，再回到四 端口 3-dB光纖耦合器；被傳感陣列上第/個(gè)光纖布拉格光柵反射的激光回 到四端口 3-dB光纖耦合器時(shí)的電場(chǎng)強(qiáng)度五，為
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第/個(gè)光纖布拉格光柵對(duì)應(yīng)的兩束激光在四端口 3-dB光纖耦合器中發(fā)
生干涉，透射的激光的強(qiáng)度/為
<formula>formula see original document page 5</formula>(3)
光電二極管探測(cè)第/個(gè)光纖布拉格光柵對(duì)應(yīng)的透過薩尼亞克環(huán)的激光 的強(qiáng)度，同時(shí)光強(qiáng)信號(hào)轉(zhuǎn)化為電信號(hào)，光電二極管的截至頻率為^ ， <formula>formula see original document page 5</formula>
由光電二極管接收到的光強(qiáng)；為:
<formula>formula see original document page 5</formula>(4)
電光調(diào)制器的驅(qū)動(dòng)頻率。按照2;nvd乍線性變化，通過線性掃描，各個(gè) 傳感FBG反射的激光的透射光強(qiáng)分別按cos(/》變化(5)
其中/;.為光強(qiáng)變化的頻率。
電信號(hào)經(jīng)數(shù)據(jù)采集卡，進(jìn)行快速傅立葉變換(FFT)，在頻譜上得到式(5)
對(duì)應(yīng)的各個(gè)峰。通過測(cè)量各個(gè)峰的頻率/;.得到對(duì)應(yīng)的傳感光纖布拉格光柵
在光纖布拉格光柵傳感網(wǎng)絡(luò)上的位置丄,c乂.
W2
(6)
頻譜上各個(gè)峰的強(qiáng)度由對(duì)應(yīng)的各個(gè)傳感布拉格光柵中心波長與光源的 中心波長的位置差的大小決定。依次在各個(gè)傳感光纖布拉格光柵上施加應(yīng) 力，使中心波長向長波方向漂移，記錄中心波長的移動(dòng)量與頻譜上對(duì)應(yīng)的 各個(gè)峰的強(qiáng)度的改變關(guān)系。
將各個(gè)光纖布拉格光柵安裝在需要傳感的環(huán)境中，環(huán)境中待測(cè)物理量 改變時(shí)，各個(gè)傳感光纖布拉格光柵的中心波長發(fā)生移動(dòng)，并引起頻譜上對(duì) 應(yīng)的峰值的強(qiáng)度改變；根據(jù)記錄的中心波長的移動(dòng)量與頻譜上對(duì)應(yīng)的各個(gè) 峰的強(qiáng)度改變的關(guān)系，得到各個(gè)光纖布拉格光柵中心波長的移動(dòng)量，最終 得到各個(gè)光纖布拉格光柵所傳感的環(huán)境物理量。
光纖布拉格光柵的中心波長的波長漂移量與對(duì)應(yīng)傳感的環(huán)境物理量變 化(微彎、溫度、應(yīng)力等變化)間的關(guān)系為現(xiàn)有技術(shù)。
權(quán)利要求1、一種光纖光柵傳感陣列解調(diào)裝置，其特征在于半導(dǎo)體激光器通過光纖隔離器與四端口3-dB光纖耦合器的輸入端口光連接，四端口3-dB光纖耦合器的輸出端口與光電二極管的輸入端光連接，光電二極管的輸出端與數(shù)據(jù)采集卡的輸入端電連接，數(shù)據(jù)采集卡的輸出端與快速傅立葉變換分析儀電連接；四端口3-dB光纖耦合器的另外兩個(gè)端口通過單模光纖連接，單模光纖由電光調(diào)制器分為兩段，分別為測(cè)量段單模光纖和連接段單模光纖，長度分別為La和Lb，La>>Lb，電光調(diào)制器的電驅(qū)動(dòng)信號(hào)口與正弦信號(hào)發(fā)生器電連接；測(cè)量段單模光纖中插入三端口3-dB光纖耦合器，三端口3-dB光纖耦合器的輸入端的兩端口分別與測(cè)量段單模光纖連接，另一個(gè)端口與光纖布拉格光柵傳感陣列光連接；所述的激光光源的中心波長在通訊波段，其3dB線寬小于等于0.1nm；所述的光纖布拉格光柵傳感陣列由多個(gè)與激光光源中心波長一致的光纖布拉格光柵串聯(lián)而成，光纖布拉格光柵的反射率小于3％。
專利摘要本實(shí)用新型涉及一種光纖光柵傳感陣列解調(diào)裝置。本實(shí)用新型中四端口3-dB光纖耦合器的輸入端口通過光纖隔離器與半導(dǎo)體激光器連接，輸出端口與光電二極管、數(shù)據(jù)采集卡、快速傅立葉變換分析儀順序連接；四端口3-dB光纖耦合器的另外兩個(gè)端口通過單模光纖連接，單模光纖由電光調(diào)制器分為測(cè)量段單模光纖和連接段單模光纖兩段，電光調(diào)制器的電驅(qū)動(dòng)信號(hào)口與正弦信號(hào)發(fā)生器電連接；測(cè)量段單模光纖中插入三端口3-dB光纖耦合器，其中輸入端的兩端口分別與測(cè)量段單模光纖連接，另一個(gè)端口與由多個(gè)與激光光源中心波長一致的光纖布拉格光柵串聯(lián)而成的光纖布拉格光柵傳感陣列光連接。本實(shí)用新型能做到極高的響應(yīng)速度，滿足實(shí)時(shí)傳感的要求，并且成本相對(duì)較低。
文檔編號(hào)G02F2/02GK201242451SQ20082012152
公開日2009年5月20日 申請(qǐng)日期2008年7月15日 優(yōu)先權(quán)日2008年7月15日
發(fā)明者何賽靈, 劉偉升, 斌 周 申請(qǐng)人:浙江大學(xué)