專利名稱：光纖光柵波長解調(diào)器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及光纖光柵，特別是一種基于3×3耦合器馬赫曾德干涉儀的光纖光柵波長解調(diào)器。主要用于光纖傳感、光學(xué)測(cè)量的技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
光纖光柵是一種制作在光纖上的具有窄帶反射特性的光學(xué)濾波器。由于石英光纖的彈性形變、熱膨脹特性，以及其熱光、彈光效應(yīng)，它具有對(duì)溫度和應(yīng)力的敏感特性。在一定的范圍內(nèi)這一敏感特性是線性的，符合以下的關(guān)系Δλε/λ＝ε(1+γ) (1)ΔλT/λ＝(α+e)ΔT (2)式中ε為光纖的應(yīng)變，γ為光纖材料的彈光系數(shù)，α為光纖材料的熱脹系數(shù)，ΔT為溫度變化量，e=1ndndT]]>為熱光系數(shù)。通過測(cè)量波長的變化根據(jù)上述的關(guān)系就能確定需感知的溫度和應(yīng)力。利用這一特性可以將光纖光柵制作成應(yīng)變傳感器和溫度傳感器，并衍生出測(cè)量壓力、加速度、流量、位移等其它物理量的傳感器。
光纖光柵用于傳感領(lǐng)域的主要優(yōu)點(diǎn)在于抗電磁干擾能力強(qiáng)；耐腐蝕；傳感頭不帶電，適合于強(qiáng)電和防電場(chǎng)合；可與光纖系統(tǒng)直接連接，并可多路復(fù)用，便于構(gòu)成各種形式的光纖傳感網(wǎng)絡(luò)，尤其是采用波分復(fù)用技術(shù)構(gòu)成的分布式光纖光柵傳感器陣列，可以進(jìn)行大面積的多點(diǎn)測(cè)量；穩(wěn)定性和可靠性好、體積小、精度高；便于埋入復(fù)合材料構(gòu)件及大型工程建筑內(nèi)部等，對(duì)結(jié)構(gòu)的完整性、安全性、載荷疲勞、損傷程度等狀態(tài)進(jìn)行連續(xù)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。1個(gè)微應(yīng)變和1攝氏度外界環(huán)境溫度引起C波段的光纖光柵中心波長的移動(dòng)分別為1.2pm和12pm。這是非常微小的變化量。如何低成本地將微小的波長移動(dòng)精確地解調(diào)出來，是光纖光柵傳感器的關(guān)鍵技術(shù)問題。各種光纖光柵波長解調(diào)方案相繼提出，歸納起來光纖光柵反射光波長的解調(diào)技術(shù)可以分為以下幾種類型1、被檢測(cè)傳感頭反射回來的具有一定的光信號(hào)直接輸入到光譜儀、單色儀或波長計(jì)中，直接測(cè)量出光纖光柵反射信號(hào)的波長位置。如在先技術(shù)[1]劉志國等，高靈敏度光纖光柵傳感特性測(cè)試儀研究，光子學(xué)報(bào)，1999，28(2)138-141。這種解調(diào)方式簡(jiǎn)單、測(cè)量精度高，但是這些儀器昂貴而且不易攜帶。只適合于實(shí)驗(yàn)室使用，不便應(yīng)用于實(shí)際傳感系統(tǒng)中。
2、利用寬帶光源作為測(cè)試光源，利用濾波器或可調(diào)諧濾波器作傳感光纖光柵反射光信號(hào)的解調(diào)元件，用光功率計(jì)來檢測(cè)光信號(hào)。這種方法又可以分成反射型和透射型兩類。前者的原理如下從傳感FBG的反射光入射到接收端的FBG上，若與接收端FBG的反射光波長一致，則被反射到探側(cè)器上。通過PZT驅(qū)動(dòng)接收FBG進(jìn)行微調(diào)，得到傳感FBG的峰值波長。該方法的精度受光源穩(wěn)定性和外界干擾的限制，對(duì)探測(cè)端FBG光譜的穩(wěn)定性要求高在先技術(shù)[4]M.A.Davis，et al.，Matched-filterinterrogation technique for fiber Bragg grating arrays，Electronics Letters，1995，31(10)822-823提出了透射型的測(cè)量方案。該方案與反射型的區(qū)別在于光電探測(cè)器不是放在接收端FBG反射光的位置，而是置于透射光的位置，通過監(jiān)測(cè)透射光的有無來確定是否匹配，從而提高了探側(cè)靈敏度。這一方法要求接收端FBG與傳感FBG波長接近，傳感和解調(diào)的波長范圍比較小。
3、邊緣濾波法，即采用一種具有線寬較大，透過率呈線性變化的濾波器，與傳感FBG的反射光波長相卷積，得到的信號(hào)同F(xiàn)BG峰值波長的位置成比例，因而可以從信號(hào)大小推知FBG波長位置，如在先技術(shù)[5]A.D.Kersey，A review of recent developments in fiber optic sensortechnology，Optical Fiber Technology，1996，2，291-317。這一方法要求解調(diào)濾波器線性好，要求系統(tǒng)各個(gè)元部件參數(shù)穩(wěn)定。因此使用條件比較苛刻。
4、采用由兩個(gè)2×2光纖耦合器和壓電陶瓷組成的馬赫曾德干涉儀對(duì)寬帶光源發(fā)出的光進(jìn)行相位調(diào)制，再對(duì)反射回來的傳感光柵和參考光柵的信號(hào)光進(jìn)行信號(hào)比較處理得到解調(diào)值。，如在先技術(shù)[6]A.D.Kersey，F(xiàn)iber-optic Bragg grating strain senseor with drift-compensatedhigh resolution interferometric wavelength-shift detection，OPTICS LETTERS，1993，72-74。這一方案需要加入有源器件，信號(hào)處理復(fù)雜，成本太高。
由于上述方法存在的缺陷，光纖光柵傳感系統(tǒng)中的解調(diào)技術(shù)成為這一傳感技術(shù)推廣應(yīng)用的主要障礙之一。

發(fā)明內(nèi)容
為了克服上述現(xiàn)有技術(shù)的缺點(diǎn)，本實(shí)用新型提供一種光纖光柵波長解調(diào)器，本實(shí)用新型應(yīng)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、靈敏度高、動(dòng)態(tài)范圍大、工作穩(wěn)定可靠和抗光源波動(dòng)的干擾的優(yōu)點(diǎn)。
本實(shí)用新型的原理是采用2×2光纖耦合器和一個(gè)3×3光纖耦合器組成的非平衡馬赫曾德干涉儀對(duì)傳感光纖光柵的反射波長進(jìn)行解調(diào)。
本實(shí)用新型專利的技術(shù)方案如下一種光纖光柵波長解調(diào)器，其特征在于包括一馬赫曾德干涉儀，該馬赫曾德干涉儀是由第二2×2光纖耦合器和一3×3光纖耦合器組成的該第二2×2光纖耦合器的兩個(gè)輸出端與所述的3×3光纖耦合器的任意兩個(gè)輸入端相連構(gòu)成馬赫曾德干涉儀的兩臂，該3×3光纖耦合器的三個(gè)輸出端即為馬赫曾德干涉儀的三個(gè)輸出端口，一寬帶光源通過第一2×2耦合器與一傳感光纖光柵相連，該第一2×2耦合器的第二輸入端與所述的馬赫曾德干涉儀的第二2×2光纖耦合器的兩個(gè)輸入端口中任一端口相連，該馬赫曾德干涉儀的三個(gè)輸出端口的輸出進(jìn)入光電探測(cè)電路，該光電探測(cè)電路經(jīng)數(shù)據(jù)采集卡與計(jì)算機(jī)相連。
所述的馬赫曾德干涉儀的兩臂的臂長差在1mm-5mm之間。
所述的第一2×2光纖耦合器和第二2×2光纖耦合器的耦合比均為1∶1。所述的3×3光纖耦合器的耦合比為1∶1∶1。
所述的計(jì)算機(jī)通過三角函數(shù)公式和相位解擾算法恢復(fù)實(shí)際的傳感光纖光柵中心波長移動(dòng)量。
本實(shí)用新型的優(yōu)點(diǎn)和特點(diǎn)如下1、本實(shí)用新型采用基于3×3光纖耦合器的馬赫曾德干涉儀作為傳感光波長信號(hào)的讀出器件。同采用光譜儀、單色儀、波長計(jì)和傳統(tǒng)的基于2×2光纖耦合器的方法相比較，成本低廉得多，便于推廣應(yīng)用。
2、本實(shí)用新型的信號(hào)解調(diào)裝置，全部采用光纖和光纖元器件，是一種全光纖的系統(tǒng)。各器件和元件之間，可以全部用光纖熔接機(jī)熔接，構(gòu)成一個(gè)整體。因此，使用穩(wěn)定可靠，容易實(shí)現(xiàn)儀器化。
3、本實(shí)用新型采用了無源器件(光纖馬赫曾德干涉儀)作解調(diào)方案的核心器件，使得解調(diào)過程不易受外界電磁環(huán)境的干擾；4、本實(shí)用新型測(cè)量范圍大。在數(shù)據(jù)處理過程中采用相位解擾算法，使得在高頻的數(shù)據(jù)采集情形下，測(cè)量范圍能突破傳統(tǒng)干涉儀方案難以逾越的2π相位的限制，測(cè)量范圍能達(dá)到光纖光柵所能承受的應(yīng)力極限，大約±1500個(gè)微應(yīng)變；
5、本實(shí)用新型結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，體積小，使用穩(wěn)定可靠，具有良好的性價(jià)比。


圖1為本實(shí)用新型的結(jié)構(gòu)框圖；圖2為本實(shí)用新型的馬赫曾德干涉儀結(jié)構(gòu)示意圖；圖中1—寬帶光源，2—第一2×2光纖耦合器，3—傳感光纖光柵，4—馬赫曾德干涉儀，4-1、4-2—為第二2×2光纖耦合器的輸入端口，4-3—第二2×2光纖耦合器，4-4、4-5—為第二2×2光纖耦合器的輸出端口，4-6、4-7—為干涉儀的兩臂，4-8—為3×3光纖耦合器，4-9、4-10、4-11為3×3光纖耦合器的輸出端口，5—光電探測(cè)電路，6—計(jì)算機(jī)。
具體實(shí)施方式
先請(qǐng)參閱圖1和圖2，由圖可見，本實(shí)用新型光纖光柵波長解調(diào)器，包括一馬赫曾德干涉儀4，該馬赫曾德干涉儀4是由第二2×2光纖耦合器4-3和一3×3光纖耦合器4-8組成的該第二2×2光纖耦合器的兩個(gè)輸出端4-4、4-5與所述的3×3光纖耦合器4-8的任意兩個(gè)輸入端相連構(gòu)成馬赫曾德干涉儀的兩臂4-6、4-7，該3×3光纖耦合器的三個(gè)輸出端即為馬赫曾德干涉儀的三個(gè)輸出端口4-9、4-10、4-11，一寬帶光源1通過第一2×2耦合器2與一傳感光纖光柵3相連，該第一2×2光纖耦合器2的第二輸入端與所述的馬赫曾德干涉儀4的第二2×2光纖耦合器4-3的兩個(gè)輸入端口4-1、4-2中任一端口相連，該馬赫曾德干涉儀4的三個(gè)輸出端口的輸出進(jìn)入光電探測(cè)電路5，該光電探測(cè)電路5經(jīng)數(shù)據(jù)采集卡與計(jì)算機(jī)6相連。所述的馬赫曾德干涉儀4的兩臂的臂長差在1mm-5mm之間。小于1mm或大于5mm都會(huì)使得靈敏度下降。
所述的第一2×2光纖耦合器2和第二2×2光纖耦合器4-3的耦合比均為1∶1。所述的3×3光纖耦合器的耦合比為1∶1∶1。
寬帶光源1照射時(shí)，然后在干涉儀的輸出端口的用光譜儀記錄光譜，求出臂長差Δd和調(diào)制周期ξ。
寬帶光源1通過第一2×2光纖耦合器2照射傳感光纖光柵3，傳感光纖光柵3反射回的中心波長為λ的信號(hào)光再經(jīng)過第一2×2耦合器2進(jìn)入馬赫曾德干涉儀4，該馬赫曾德干涉儀4對(duì)信號(hào)光強(qiáng)進(jìn)行調(diào)制。調(diào)制后馬赫曾德干涉儀4的3個(gè)輸出端口的光強(qiáng)分布可表述為Inz＝An+Bncos(Δφ+2π(n-1)/3)n＝1，2，3. (3)In為干涉儀輸出端口的光強(qiáng)值，An和Bn為干涉儀輸出端口的系統(tǒng)參數(shù)，Δφ為信號(hào)光的相位，可進(jìn)一步表示為Δφ＝φ2-φ1＝2π·Δd/λ(4)光源強(qiáng)度的起伏會(huì)引起An和Bn的變化，但是這一起伏對(duì)于三個(gè)端口來說是同比例的，因此可以定義三個(gè)不隨光源強(qiáng)度變化的歸一化參數(shù)α1＝1，α2＝A2/A1＝B2/B1和α3＝A3/A1＝B3/B1，再由(3)式推導(dǎo)出(5)式，式(5)對(duì)各端口的信號(hào)作了歸一化處理，優(yōu)點(diǎn)在于可以避開光源波動(dòng)帶來的干擾。光電探測(cè)電路5將光信號(hào)轉(zhuǎn)化為電信號(hào)放大并經(jīng)數(shù)據(jù)采集卡進(jìn)行數(shù)據(jù)采集后輸入計(jì)算機(jī)6。計(jì)算機(jī)6將數(shù)據(jù)用式(5)計(jì)算相位的變化。同時(shí)采用以下的相位解擾算法用于在超過2π相位時(shí)恢復(fù)實(shí)際的總的相位變化量以用于擴(kuò)大方案的測(cè)量范圍。
tanφ(t)=3(α3I2(t)-α2I3(t))α3I2(t)+α2I3(t)-2α2α3I1(t)...(5)]]>進(jìn)行數(shù)據(jù)處理時(shí)，計(jì)算機(jī)采用一套相位展開算法來解決φ(t)的多值性問題設(shè)總的相位變化量φsum(t)、參考相位變化量φREF，單次相位處理量φ′(t)和狀態(tài)變量tag。處理數(shù)據(jù)時(shí)，如果|tanφ(t)|＜1，(φ(t)＜π/4)，則取φ′(t)＝arctan(tanφ(t))；否則取φ′(t)＝-arctan(1/tanφ(t))。同時(shí)如果|tanφ(t)|＜1，狀態(tài)變量tag設(shè)為為0；否則為1。φREF每次計(jì)算時(shí)加或者減去π/2，由前一狀態(tài)值(Pre-value)的正負(fù)、前一狀態(tài)(Pre-value’s tag)和當(dāng)前狀態(tài)的狀態(tài)變量(Current-value’s tag)三個(gè)因素共同決定，其間的關(guān)系可由表1給出。每次采樣計(jì)算最終得到的總的相位變化值表示為φsum(t)＝φREF+φ′(t)。這一過程一直持續(xù)到停止數(shù)據(jù)采集為止。解出φsum(t)后，在根據(jù)φsum(t)的相對(duì)變化量Δφsum(t)和干涉儀的調(diào)制周期ξ就可以得到相應(yīng)的FBG中心波長相對(duì)變化值Δλ＝Δφsum(t)·ξ。
本實(shí)用新型基于3×3光纖耦合器的馬赫曾德干涉儀經(jīng)試用表明，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、工作穩(wěn)定可靠、使用方便的優(yōu)點(diǎn)。
表1φREF的取值
權(quán)利要求1.一種光纖光柵波長解調(diào)器，其特征在于包括一馬赫曾德干涉儀(4)，該馬赫曾德干涉儀(4)是由第二2×2光纖耦合器(4-3)和一3×3光纖耦合器(4-8)組成的該第二2×2光纖耦合器的兩個(gè)輸出端(4-4、4-5)與所述的3×3光纖耦合器(4-8)的任意兩個(gè)輸入端相連構(gòu)成馬赫曾德干涉儀的兩臂(4-6、4-7)，該3×3光纖耦合器的三個(gè)輸出端即為馬赫曾德干涉儀的三個(gè)輸出端口(4-9、4-10、4-11)，一寬帶光源(1)通過第一2×2耦合器(2)與一傳感光纖光柵(3)相連，該第一2×2耦合器(2)的第二輸入端與所述的馬赫曾德干涉儀(4)的第二2×2光纖耦合器(4-3)的兩個(gè)輸入端口(4-1、4-2)中任一端口相連，該馬赫曾德干涉儀(4)的三個(gè)輸出端口的輸出進(jìn)入光電探測(cè)電路(5)，該光電探測(cè)電路(5)經(jīng)數(shù)據(jù)采集卡與計(jì)算機(jī)(6)相連。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的光纖光柵波長解調(diào)器，其特征在于所述的馬赫曾德干涉儀(4)的兩臂(4-6、4-7)的臂長差在1mm-5mm之間。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的光纖光柵波長解調(diào)器，其特征在于所述的第一2×2光纖耦合器(2)和第二2×2光纖耦合器(2)的耦合比均為1∶1。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的光纖光柵波長解調(diào)器，其特征在于所述的3×3光纖耦合器的耦合比為1∶1∶1。
專利摘要一種光纖光柵波長解調(diào)器，其特征在于包括一馬赫曾德干涉儀，該馬赫曾德干涉儀是由第二2×2光纖耦合器和一3×3光纖耦合器組成的，一寬帶光源通過第一2×2耦合器與一傳感光纖光柵相連，該第一2×2耦合器的第二輸入端與所述的馬赫曾德干涉儀的第二2×2光纖耦合器的兩個(gè)輸入端口中任一端口相連，該馬赫曾德干涉儀的三個(gè)輸出端口的輸出進(jìn)入光電探測(cè)電路，該光電探測(cè)電路經(jīng)數(shù)據(jù)采集卡與計(jì)算機(jī)相連。本實(shí)用新型的優(yōu)點(diǎn)是無源、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、靈敏度高、動(dòng)態(tài)范圍大、工作穩(wěn)定可靠，抗光源波動(dòng)的干擾。
文檔編號(hào)G02F1/01GK2783349SQ200520041250
公開日2006年5月24日 申請(qǐng)日期2005年4月29日 優(yōu)先權(quán)日2005年4月29日
發(fā)明者黃沖, 蔡海文, 方祖捷 申請(qǐng)人:中國科學(xué)院上海光學(xué)精密機(jī)械研究所