本發明涉及一種傳感系統，尤其是一種多縱模光纖激光器傳感復用系統。

背景技術：

基于光纖的傳感器因其具有體積小、抗電磁干擾、高靈敏度和易于復用等優點而獲得了長足的發展。通常復用的光纖傳感器都是基于光纖光柵(fbg)。因為傳感量改變的是fbg的波長，所以解調系統需要使用笨重的光學設備或者復雜的方案來探測波長的改變。微波光子技術另開另一解調途徑，即把傳感量轉化成微波解調。相比于光學解調，微波解調法具有簡單、緊湊和高分辨率等優點。

微波光子解調法又可以再分成兩類。一類可稱為被動式，主要是基于微波光子濾波器。一般來說會使用矢量網絡分析儀(vna)來獲得這種傳感器的頻率響應(頻響)。但是vna成本較高而且掃頻響的過程比較慢。另一類方案可以稱為主動式，主要是基于光纖激光器。光纖激光器輸出的激光送入光電探測器(pd)產生電信號。為了產生微波信號就需要光纖激光器至少輸出兩個模式。文獻上報道的光纖激光器傳感器產生的兩個模式一般來自于偏振模。但是偏振模式不是很穩定。這兩個模式還能夠來自于兩個縱模。通過在激光腔中插入雙相移fbg，通過其中兩個很窄的通帶就可以選出兩個縱模。但雙相移fbg制作很復雜，而且成本也相對較高。

技術實現要素：

本發明的目的在于提供一種結構簡單易于實現的多縱模光纖激光器傳感復用系統。

為了實現上述發明目的，本發明提供了一種多縱模光纖激光器傳感復用系統，包括三個波分復用器、一個隔離器、一個耦合器、一個半導體光放大器、一個偏振控制器、一個固定臺、一個位移臺、一個烤箱、兩個衰減器以及兩路裸單模光纖；

兩個衰減器分別串接在兩路裸單模光纖上；一路裸單模光纖設有一段光纖位于烤箱內，另一路裸單模光纖設有相同長度的一段繞卷在兩根銅柱上；兩根銅柱分別安裝在固定臺和位移臺上；

兩路裸單模光纖的一端連接在第一波分復用器的兩個分路連接端上，兩路裸單模光纖的另一端連接在第二波分復用器的兩個分路連接端上；第一波分復用器的合路連接端通過隔離器連接在耦合器上；第二波分復用器的合路連接端依次通過偏振控制器和半導體光放大器后連接在耦合器上；耦合器的耦合輸出端連接至第三波分復用器的合路連接端上；第三波分復用器的兩個分路連接端用于分別與光電探測器的兩個輸入端相連。

采用在激光器中插入wdm(波分復用器)對和soa(半導體光放大器)，同時將傳感量加在wdm對之間的光纖上，這樣就實現了復用；通過將多波長的輸出送入一個解復用器就實現了傳感器的解復用，通過光電轉換，就將傳感量的解調變成電信號的解調，而電信號的解調是很成熟和靈活的。

作為本發明的進一步限定方案，隔離器的導通方向為耦合器至第一波分復用器的合路連接端。采用隔離器實現了耦合器至第一波分復用器的單向運行。

作為本發明的進一步限定方案，第一波分復用器與第二波分復用器的通道隔離度大于30db。

本發明的有益效果在于：采用在激光器中插入wdm(波分復用器)對和soa(半導體光放大器)，同時將傳感量加在wdm對之間的光纖上，這樣就實現了復用；通過將多波長的輸出送入一個解復用器就實現了傳感器的解復用，通過光電轉換，就將傳感量的解調變成電信號的解調，而電信號的解調是很成熟和靈活的。

附圖說明

圖1為本發明的多縱模光纖激光器復用系統示意圖；

圖2為本發明測得的wdm3之前光譜圖；

圖3為本發明測得的wdm3的ch22通道光譜圖；

圖4為本發明測得的wdm3的ch23通道光譜圖；

圖5為本發明測得的9950mhz到10050mhz之間在wdm3之前的頻譜；

圖6為本發明測得的9950mhz到10050mhz之間在wdm3的ch22通道頻譜；

圖7為本發明測得的9950mhz到10050mhz之間在wdm3的ch23通道頻譜；

圖8為本發明測得的dc到6000mhz之間在wdm3的ch22通道頻譜；

圖9為本發明測得的dc到6000mhz之間在wdm3的ch23通道頻譜；

圖10為本發明的ch22和ch23中的bfs對加在ch22上的應變的響應；

圖11為本發明的ch22和ch23中的bfs對加在ch23上的溫度的響應；

圖12為本發明的ch22和ch23中的bfs的穩定性。

具體實施方式

如圖1所示，本發明公開的多縱模光纖激光器傳感復用系統包括：三個波分復用器、一個隔離器、一個耦合器、一個半導體光放大器、一個偏振控制器、一個固定臺、一個位移臺、一個烤箱、兩個衰減器以及兩路裸單模光纖；

其中，兩個衰減器分別串接在兩路裸單模光纖上；一路裸單模光纖設有一段光纖位于烤箱內，另一路裸單模光纖設有相同長度的一段繞卷在兩根銅柱上；兩根銅柱分別安裝在固定臺和位移臺上；

兩路裸單模光纖的一端連接在第一波分復用器的兩個分路連接端上，兩路裸單模光纖的另一端連接在第二波分復用器的兩個分路連接端上；第一波分復用器的合路連接端通過隔離器連接在耦合器上；第二波分復用器的合路連接端依次通過偏振控制器和半導體光放大器后連接在耦合器上；耦合器的耦合輸出端連接至第三波分復用器的合路連接端上；第三波分復用器的兩個分路連接端用于分別與光電探測器的兩個輸入端相連；

隔離器的導通方向為耦合器至第一波分復用器的合路連接端；第一波分復用器與第二波分復用器的通道隔離度大于30db。

激光器的增益由半導體光放大器(soa)提供。soa是非均勻展寬介質，能夠穩定支持多波長激射。波分復用器(wdm1)和wdm2的通道互相匹配，激射波長由這些通道的中心波長所決定。因為wdm通道的帶寬遠遠大于激光器諧振腔的自由頻譜程(fsr)，所以在每個激射波長中都存在很多縱模，就是每一個激射波長都對應于一個多縱模光纖激光器傳感器。這里基于光纖光柵的傳感復用系統需給每一個光纖光柵分配一個波長區間，否則會造成相鄰光纖光柵的串擾。本實施例中不存在這個問題，波長是固定的，傳感信息是由單個波長中的多縱模攜帶的。相比于傳統方案，此方案有望能夠復用更多的傳感器。將激射的多波長送入wdm3，多波長解復用到各自的通道，將每個通道的波長送入光電探測器產生電頻梳，數學上可以寫成

其中p和q是模式數，c是真空光速，n是激光器諧振腔的有效折射率，li是wdm1和wdm2之間的第i個通道的長度，lm是wdm對之外共用的激光器諧振腔的長度，n＝p-q指示某一拍頻。wdm對之間的一段光纖被用來加載傳感量。如果加在傳感光纖上的應變產生變化，則拍頻產生頻移動，可以寫成

其中pe是彈光系數，li是傳感光纖的長度，δε是加載的應變量。

如果加載傳感光纖上的溫度產生變化，拍頻也會頻移，可以寫成

其中α和ξ是線性擴張和熱光系數，δt是溫度變化。從(4)式和(5)式可以看出拍頻是隨著應變和溫度線性變化的，于是解調出頻移就能獲得傳感量。

本發明公開的多縱模光纖激光器傳感復用系統在具體實施過程中，包括如下步驟：

(1)soa(半導體光放大器)設置：本實施例復用了兩個傳感器；soa提供增益，soa前放置一個偏振控制器調節偏振態；soa后加入一個隔離器保證單向運行。

(2)wdm(波分復用器)對中的通道設置：wdm對的通道要互相匹配，通道間的隔離度超過30db；wdm對的ch22和ch23被選中用來傳感，帶寬都是25ghz；ch22中的一段長為5m的裸單模光纖卷在兩個銅柱之間；其中一個銅柱固定在光學平臺上，另一個銅柱固定在位移臺上；通過調節位移臺，應變就加在了光纖上；ch23中的一段長為5m的裸單模光纖放在一個烤箱中，烤箱可以調節箱中的溫度；每一個通道之間都插入了一個可調光衰減器用來平衡波長的功率。

(3)soa偏置電路調節光纖激光器輸出：激光器腔中的多波長激光通過耦合器20％口，耦合到腔外然后送入wdm3進行解復用；當加在soa上的電流為36ma時，光纖激光器開始激射；保持soa的偏置電流為81ma；兩個激射波長分別位于1559.53nm和1558.71nm近似對應于ch22和ch23的中心波長，激光總功率為-7dbm；圖2顯示出光纖激光器的輸出光譜，被wdm3解復用后的ch22和ch23光譜如圖3和4所示，功率分別是-11.18dbm和-11.74dbm；可以看到ch22有一些殘余的能量來自ch23，邊模抑制比測定為34.1db。

(4)解復用后的傳感量提取：將解復用前的多波長激光送到pd中，可以看到混亂的頻譜，如圖5所示；當把解復用后的波長分別送入光電探測器中，其頻譜如圖6和圖7所示；可以看出解復用后的電信號的頻譜都是等間隔分布的，說明傳感器得到了解復用；ch22的頻譜間隔是7.3mhz，ch23的頻譜間隔是4.8mhz；理論上任何拍頻都可以用來解調出傳感量。根據式(3)，每一個拍頻信號都是有需要等間隔的縱模對產生的，所以產生高頻信號的縱模對較少，強度就比低頻信號弱，這個可以從更大尺度的圖8和9看出來；但是從式(4)和式(5)可以看出拍頻信號的頻移和初始頻率成正比，也就是說高頻信號的靈敏度更好；可以根據不同的應用靈活選擇。

(5)復用的傳感器無串擾解調測試結果：在本發明中，ch22通道中的10038mhz處的拍頻被用來解調應變，它的信噪比和3db帶寬分別是14.5db和595khz；而ch23通道中的10084mhz處的信號被用來解調溫度，它的信噪比和3db帶寬是10.9db和442khz；加在ch22上的應變從0με加到1400με，同時ch23中的溫度保持不變；拍頻信號的響應如圖10所示，其中ch22的靈敏度是-1.18khz/με而ch23中頻率基本不變；在另一次實施中，讓ch22中的應變保持不變而ch23中的溫度從25度升到130度；結果如圖11所示，可以看出ch23中的頻率對溫度成線性變化，靈敏度是-9.74khz/℃；同時ch22中的頻率基本不變；綜合兩次結果可以得出復用的兩個傳感器可以無串擾地解調。

最后測試兩個通道的穩定性。保持應變和溫度不變，兩個通道的拍頻每隔10分鐘取一次持續2小時，測試結果如圖12所示，ch22和ch23中的信號的均方根差是0.0037mhz和0.0055mhz，分別對應于3.14με和0.56℃。