基于相移光纤光栅的传感复用系统技术方案

本发明专利技术提供了一种基于相移光纤光栅的传感复用系统，包括：激光光源阵列，用于提供具有M个波谱带的激光，每一个波谱带均具有预设宽度；波分复用器，用于将具有M个波谱带的激光合束；脉冲发生器，用于对合束激光进行脉冲调制实现时分；相移光栅阵列，其输入端与脉冲发生器的输出端相连接，其包括N条通道；耦合器，与相移光栅阵列的输出端相连，用于将来自不同相移光纤光栅串的光传感信号进行合波；以及波长解调仪，与耦合器的输出端相连，用于解调合波后的光传感信号，还原各相移光纤光栅的外界物理量。本发明专利技术提出了波分+空分+时分的复用方式，填补了基于相移光纤光栅的传感系统的大规模组网技术的空白。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及光学传感器
，尤其涉及一种基于相移光纤光栅的传感复用系统。
技术介绍
光纤光栅(Fibre Bragg Grating,简称FBG)是利用光纤中的光敏性制成的,纤芯的折射率成呈周期性调制，从而形成一个窄带的(透射或反射)滤波器或反射镜。当它受到外界环境温度、压力等物理量影响时，其中心波长会发生变化，因此基于光纤光栅作为传感器可用于测量外界物理量的变化。光纤光栅传感系统具有抗电磁干扰、耐腐蚀、化学性能稳定、体积小、重量轻等优点，可广泛应用于测量温度、压力、应变、加速度等，目前已广泛应用于大型结构建筑、石油勘探、地震波监测以及海洋环境监测等领域。在微弱信号探测方面，光纤传感系统朝着高灵敏度、高分辨率和大规模组网方向发展。在光纤传感系统中，传输光的线宽制约着系统的分辨率。由于普通布拉格光纤光栅的线宽在O. Inm左右，采用干涉式波长解调技术，其波长分辨率只能达到10_3pm/ V Hz左右。为了提高系统分辨率，提出了基于光纤光栅激光器的传感系统，对于分布反馈光纤激光器而言，线宽约为kHz量级，波长分辨率可达到10_6pm/ V Hz以下，然而光纤激光传感器进行波分复用组网时，由于传输光纤瑞利散射以及激光器旁瓣的影响，存在模式跳变问题，较难实现大规模的组网。相移光纤光栅是一种特殊的光纤光栅，与均勻光纤光栅相比，它的纵向折射率调制在中心处发生了相位跳变，使得光栅的透射谱存在唯一透射峰，且透射峰的线宽可小于lpm，远小于普通布拉格光纤光栅，因此利用相移光纤光栅进行传感，其波长分辨率要优于普通布拉格光纤光栅传感系统。不过，其保留了光纤光栅波分复用简单的优点，且不存在模式跳变问题，因此克服了光纤激光传感系统大规模组网困难的缺点。对于光纤传感系统的大规模组网问题，通常采用波分、空分、时分以及混合复用技术，不过这些都是基于布拉格光纤光栅的传感系统，而非基于相移光栅。但复用技术所采用的具体方案离不开器件的基本特性，由于相移光纤光栅的窄带峰来自于透射，区别于布拉格光纤光栅的反射峰，因此现有的复用技术无法直接用于基于相移光纤光栅的传感系统中。
技术实现思路
(一 )要解决的技术问题为解决上述的一个或多个问题，本专利技术提供了一种基于相移光纤光栅的传感复用系统，以解决相移光纤光栅传感系统的复用问题。( 二 )技术方案根据本专利技术的一个方面，提供了一种基于相移光纤光栅的传感复用系统，包括激光光源阵列，用于提供具有M个波谱带的激光，每一个波谱带均具有预设宽度；波分复用器，其输入端与激光光源阵列的输出端相连接，用于将具有M个波谱带的激光合束；脉冲发生器，其输入端与波分复用器的输出端相连接，用于对合束激光进行脉冲调制实现时分复用；相移光栅阵列，其输入端与脉冲发生器的输出端相连接，其包括N条通道，该N条通道中的第I条通道包括第I环形器，当I = I时，其与脉冲发生器4相连接，否则，其与上一级通道的环形器通过延迟光纤相连；第I相移光纤光栅串，其输入端与第I环行器相连接，包括T个串联的相移光纤光栅，对于每一相移光纤光栅，其中心波长与对应波谱带的中心波长相对应，其透射波长位于该波谱带内，且随外界环境物理量的变化而变化，经过该相移光纤光栅的光束，其带宽范围外及对应透射波长的光透射，带宽范围内且透射波长之外的光被反身寸，其中，T ^ M 禹合器,与相移光栅阵列的输出端相连,用于将来自不同相移光纤光栅串的光传感信号进行合波；以及波长解调仪，与耦合器的输出端相连，用于解调合波后的光传感信号，还原各相移光纤光栅的外界物理量。(三)有益效果 本专利技术中，根据相移光纤光栅的特点，提出了波分+空分+时分的复用方式，填补 了基于相移光纤光栅的传感系统的大规模组网技术的空白，有助于推动光纤传感技术向高 分辨率和大规模组网方向发展。附图说明图I是本专利技术实施例传感复用系统的结构示意图；图2为本专利技术实施例传感复用系统中光波在传输过程中光谱形状的变化情况。主要元件符号说明I-半导体激光光源阵列；11，12，……，IM-半导体激光光源；2-波分复用器；3-光隔离器；4-脉冲发生器；20-相移光纤光栅阵列；51，52，……5^环行器；61，62……-延迟光纤71,72,……，7N_相移光纤光栅串；8-耦合器；9-干涉式波长解调仪；10-波长监测与反馈模块。具体实施例方式为使本专利技术的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本专利技术进一步详细说明。需要说明的是，在附图或说明书描述中，相似或相同的部分都使用相同的图号。且在附图中，以简化或是方便标示。再者，附图中未绘示或描述的实现方式，为所属
中普通技术人员所知的形式。另外，虽然本文可提供包含特定值的参数的示范，但应了解，参数无需确切等于相应的值，而是可在可接受的误差容限或设计约束内近似于相应的值。请参考图1，图I是本专利技术实施例基于相移光纤光栅的传感复用系统的示意图。如图I所示，该传感复用系统包括半导体激光光源阵列I、波分复用器2、单向光隔离器3、脉冲发生器4、相移光栅阵列20、耦合器8、干涉式波长解调仪9和波长监测与反馈模块10，以下分别对各个部件进行详细说明。如图I所示，半导体激光光源阵列1，由一系列的半导体激光光源(11，12，……，1M)组成，用于提供具有M个波谱带(λ i，λ2，……，λ Μ)的激光，每一个波谱带均具有预设览度。为了兼顾波分+空分+时分混合复用的要求，经相位调制的单模DFB激光器阵列的带宽要大于只存在单一相移光纤光栅的传感系统，但要小于相移光纤光栅的3dB带宽，不同激光光源的波长间隔可以按照ITU的标准选择，光源阵列的光谱宽度覆盖整个相移光纤光栅串透射峰所对应的波长。在本实施例中，半导体激光光源阵列I由4只经相位调制的DFB半导体激光器组成，他们的中心波长分别为1532. 68nm, 1535. 04nm, 1537. 40nm,1539. 98nm，带宽约为1GHz。半导体激光光源阵列的光谱宽度覆盖整个相移光纤光栅串透射峰所对应的波长。 在本实施例中，半导体激光光源阵列(11，12，……，1M)采用具有不同波长的通信用的单模分布反馈(DFB)激光器并联组成。在这里不采用普通自发辐射(ASE)光源作为光源的主要原因是ASE光源的功率密度太低，难以满足探测的要求。对于单频的半导 体激光器，外加频率为vm的正弦相位调制，当调制频率小于激光器线宽Av3tffi的半值，即Vffl^ 时，将会导致激光器线宽的展宽。通过选择合适的调制频率和调制深度可以对半导体激光器的线宽进行调节，使其线宽达到百兆赫兹以上，以满足覆盖相移光栅透射峰的要求。半导体激光光源的带宽可调，且满足半导体激光光源的光谱带宽大于相移光纤光栅透射峰的带宽，小于相移光纤光栅的3dB带宽。如图I所示，波分复用器2，其M个波长端分别与所述半导体激光光源阵列I的M个半导体激光光源相连接，用于将半导体激光光源阵列产生的激光合束。如图I所示，单向光隔离器3，与输入端与波分复用器2的公共端相连接，用于防止后面反射光对光源阵列的影响。如图I所示，脉冲发生器4，与光隔离器3的输出端相连接，用于对合束激光进行脉冲调制实现时分复用。如图I所示，相移光栅阵列20，其输入端与脉冲发生器4的输出端相连接，其包括N条通道，其中每本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于相移光纤光栅的传感复用系统，其特征在于，包括：激光光源阵列，用于提供具有M个波谱带的激光，每一个波谱带均具有预设宽度；波分复用器，其输入端与所述激光光源阵列的输出端相连接，用于将所述具有M个波谱带的激光合束；脉冲发生器，其输入端与所述波分复用器的输出端相连接，用于对合束激光进行脉冲调制实现时分复用；相移光栅阵列，其输入端与所述脉冲发生器的输出端相连接，其包括N条通道，该N条通道中的第I条通道包括：第I环形器，当I＝1时，其与所述脉冲发生器4相连接，否则，其与上一级通道的环形器通过延迟光纤相连；第I相移光纤光栅串，其输入端与所述第I环行器相连接，包括T个串联的相移光纤光栅，对于每一相移光纤光栅，其中心波长与对应波谱带的中心波长相对应，其透射波长位于该波谱带内，且随外界环境物理量的变化而变化，经过该相移光纤光栅的光束，其带宽范围外及对应透射波长的光透射，带宽范围内且透射波长之外的光被反射，其中，T≤M；耦合器，与相移光栅阵列的输出端相连，用于将来自不同相移光纤光栅串的光传感信号进行合波；以及波长解调仪，与耦合器的输出端相连，用于解调合波后的光传感信号，还原各相移光纤光栅的外界物理量。...

【技术特征摘要】
1.一种基于相移光纤光栅的传感复用系统，其特征在于，包括 激光光源阵列，用于提供具有M个波谱带的激光，每一个波谱带均具有预设宽度； 波分复用器，其输入端与所述激光光源阵列的输出端相连接，用于将所述具有M个波谱带的激光合束； 脉冲发生器，其输入端与所述波分复用器的输出端相连接，用于对合束激光进行脉冲调制实现时分复用； 相移光栅阵列，其输入端与所述脉冲发生器的输出端相连接，其包括N条通道，该N条通道中的第I条通道包括 第I环形器，当I = I时，其与所述脉冲发生器4相连接，否则，其与上一级通道的环形器通过延迟光纤相连； 第I相移光纤光栅串，其输入端与所述第I环行器相连接，包括T个串联的相移光纤光栅，对于每一相移光纤光栅，其中心波长与对应波谱带的中心波长相对应，其透射波长位于该波谱带内，且随外界环境物理量的变化而变化，经过该相移光纤光栅的光束，其带宽范围外及对应透射波长的光透射，带宽范围内且透射波长之外的光被反射，其中，T^M; 率禹合器，与相移光栅阵列的输出端相连，用于将来自不同相移光纤光栅串的光传感信号进行合波；以及 波长解调仪，与耦合器的输出端相连，用于解调合波后的光传感信号，还原各相移光纤光栅的外界物理量。2.根据权利要求I所述的传感复用系统，其特征在于，对于所述相移光栅其带宽大于该波谱带的带宽；且 对应同一激光光源的位于不同通道的N个相移光纤光栅的透射波长不重合且具有预设频率间隔。3.根据权利要求2所述的传感复用系统，其特征在于，所述相移光纤光栅透射峰的带宽为其3...

【专利技术属性】
技术研发人员：徐团伟，李芳，刘育梁，
申请(专利权)人：中国科学院半导体研究所，
类型：发明
国别省市：