基于可饱和吸收光纤的光纤光栅波长解调装置制造方法
【专利摘要】本发明公开了一种基于可饱和吸收光纤的光纤光栅波长解调装置，包括泵浦源、增益光纤、可饱和吸收光纤、环形器、待测量光纤光栅构成的环形腔或线形腔光纤激光器，以及用于测量激光重复频率的光电探测系统；通过测量激光的重复频率计算得到了待测量光纤光栅的波长变化，实现了波长解调；本发明避免了光谱分析设备的使用，降低了波长解调成本，同时实现了解调系统的全光纤化，使得解调系统体积小，易于维护，使用简单方便。
【专利说明】基于可饱和吸收光纤的光纤光栅波长解调装置
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种光纤光栅波长解调装置，尤其涉及一种基于可饱和吸收光纤的新型光纤光栅解调方法和装置。
【背景技术】
[0002]光纤光栅传感可实现对多种物理量的测量，同时具有结构紧凑、易于维护以及不受电磁干扰等优点，得到了广泛的工程应用。
[0003]光纤光栅的波长解调是光纤光栅传感应用中的关键技术之一。目前常用的解调方法有波长扫描法、F-P腔滤波法以及基于体光栅的色散解调法等。
[0004]波长扫描法采用波长可调谐激光器作为光源。波长扫描过程中，当波长与待解调光纤光栅中心波长一致时，光纤光栅反射光最强，由此得到光纤光栅的波长信息。该方法信噪比高，但是波长可调谐激光器成本较高。
[0005]F-P腔滤波法采用宽带光源。光纤光栅对特定波长的光产生反射，F-P腔在压电陶瓷的驱动下腔长发生变化，使得其透射波长也发生变化。当F-P腔透射波长与光纤光栅反射波长一致时，F-P腔透射光强最大，由此得到光纤光栅的波长信息。该方法解调速度高，响应快，但信噪比较差，且成本较高。
[0006]在专利便携式光纤光栅波长解调仪(申请号201220387720.4)和基于面阵CXD的光纤光栅解调装置(申请号201210085512.3)中，作者都提出了使用体光栅将宽带光源在空间上进行色散展开，然后通过探测器对展开后不同位置的光进行探测，从而得到不同波长的光信号的强度。其作用类似一个小型的光谱仪。但是由于该类型的解调装置中需要使用大量的晶体光学器件，使得其结构复杂，成本较高，且在振动环境中无法使用。
【发明内容】
[0007]本发明要解决的技术问题是提供一种针对单只光纤光栅的波长解调方法和装置，不需要使用光谱分析设备，即可实现对光纤光栅波长的实时解调。
[0008]本发明的基本思路是利用激光器的脉冲重频信息实现对光纤光栅的波长解调。由于掺铥光纤或铥钦共掺光纤在1550nm附近有着较强的吸收，可以作为可饱和吸收光纤实现对掺铒光纤激光器的调Q。此外，在从1500nm到1585nm的范围内，掺铥光纤和铥钦共掺光纤的吸收系数都是单调递增趋势。这样，当激光器在不同波长振荡时，可饱和吸收光纤在腔内引入的损耗都不一样，从而使得激光器输出脉冲重频也随之发生变化。利用这种脉冲重频与激光波长之间的对应关系就可以实现对光纤光栅的波长解调。
[0009]本发明的技术解决方案为:
[0010]基于可饱和吸收光纤的光纤光栅波长解调装置，包括泵浦源、波分复用器、增益光纤、隔离器、可饱和吸收光纤、输出耦合器、环形器、待测量光纤光栅和光电探测系统；所述的波分复用器、增益光纤、隔离器、可饱和吸收光纤、输出耦合器和环形器通过光纤熔接机连接，形成光纤环路；所述的泵浦源通过波分复用器联接在光纤环路上；所述的待测量光纤光栅通过环形器联接在光纤环路上；所述环形器的输入端和输出端分别联接在光纤环路；所述的环形器的中间端与待测量光纤光栅联接；所述的光电探测系统通过输出耦合器联接在光纤环路上，用于光脉冲重复频率的测量。
[0011]上述基于可饱和吸收光纤的光纤光栅波长解调装置，所述的泵浦源为980nm半导体激光，所述的波分复用器为980nm/1550nm波分复用器，所述的增益光纤为单模掺铒光纤，所述的隔离器的工作波长为1550nm，所述的可饱和吸收光纤为掺铥光纤或铥钦共掺光纤。
[0012]上述基于可饱和吸收光纤的光纤光栅波长解调装置，所述待测量光纤光栅的中心波长为1550nm，3dB带宽小于0.3nm,反射率为30%?100%。
[0013]上述基于可饱和吸收光纤的光纤光栅波长解调装置，所述的光电探测系统包括光电二极管、放大处理电路、计数单元或示波器，光电二极管将脉冲光信号转换为电信号，经放大处理电路放大处理后，采用计数单元或示波器记录输出电信号的重复频率。
[0014]上述基于可饱和吸收光纤的光纤光栅波长解调装置，包括泵浦源、波分复用器、增益光纤、可饱和吸收光纤、待测量光纤光栅、和高反镀膜光纤；所述的高反镀膜光纤、波分复用器、增益光纤、可饱和吸收光纤和待测量光纤光栅通过光纤熔接机熔接，构成激光谐振腔；高反镀膜光纤为反射端镀有高反射膜的单模光纤；所述的泵浦源通过波分复用器联接在激光谐振腔内；所述的光电探测系统与待测量光纤光栅的输出端相联，用于光脉冲重复频率的测量。
[0015]上述基于可饱和吸收光纤的光纤光栅波长解调装置，所述的泵浦源为980nm半导体激光，所述的波分复用器为980nm/1550nm波分复用器，所述的增益光纤为单模掺铒光纤，所述的可饱和吸收光纤为掺铥光纤或铥钦共掺光纤。
[0016]上述基于可饱和吸收光纤的光纤光栅波长解调装置，其特征在于:所述待测量光纤光栅的中心波长为1550nm，3dB带宽小于0.3nm,反射率为10%?90%。
[0017]上述基于可饱和吸收光纤的光纤光栅波长解调装置，所述的光电探测系统包括光电二极管、放大处理电路、计数单元或示波器，光电二极管将脉冲光信号转换为电信号，经放大处理电路放大处理后，采用计数单元或示波器记录输出电信号的重复频率。
[0018]上述基于可饱和吸收光纤的光纤光栅波长解调装置，其特征在于:所述反射腔镜的反射率大于80%，反射带中心波长为1550nm，3dB带宽大于80nm。
[0019]本发明具有以下的有益效果:
[0020]1、本发明的解调方法基于调Q光纤激光器，具有极高的信噪比。
[0021]2、由于光电探测系统具有较快的时间响应，因此本发明可实现对快信号的捕捉和测量，满足高重频信号的测量。
[0022]3、本发明避免了光谱分析设备的使用，降低了波长解调成本，同时使用简单方便。
[0023]4、本发明避免了各种非光纤光学元件的使用，实现了解调系统的全光纤化，使得解调系统体积小，易于维护。
【专利附图】
【附图说明】
[0024]图1是本发明基于可饱和吸收光纤的新型光纤光栅波长解调装置结构原理示意图，其中的脉冲光纤激光器为环形腔结构。[0025]图2是本发明的另外一种简化的线形腔结构解调装置结构原理示意图。
[0026]图3是基于图1搭建的验证系统获得的波长与重频的典型对应关系。
[0027]图中I一泵浦源；2—波分复用器；3—增益光纤；4一隔离器；5—可饱和吸收光纤；
6—输出耦合器；7—环形器；7-a—环形器输入端；7-b—环形器中间端；7-c—环形器输出端；8-a、8_b—待测光纤光栅；9一光电探测系统；10—反射腔镜；11一调Q掺铒光纤激光器。
【具体实施方式】
[0028]下面分别按照环形腔结构和线形腔结构对本发明的【具体实施方式】进行说明。
[0029]图1所示为环形腔结构下本发明装置的结构示意图。如图1所示，本发明基于可饱和吸收光纤5的新型光纤光栅波长解调装置由泵浦源1、波分复用器2、增益光纤3、隔离器4、可饱和吸收光纤5、输出耦合器6、环形器7、待测光纤光栅8-a和光电探测系统9等组成。
[0030]首先，将波分复用器2、增益光纤3、隔离器4、可饱和吸收光纤5、输出耦合器6和环形器7通过光纤熔接机连接，形成光纤环路；所述的泵浦源I通过波分复用器2联接在光纤环路上，待测量光纤光栅8-a通过环形器7联接在光纤环路上；光纤环形器7是一种常见的三端光纤无源器件，从图1中箭头尾部到头部分别为输入端7-a、中间端7-b和输出端
7-c;其中环形器7的输入端7-a和输出端7-c分别联接在光纤环路中，环形器7的中间端7-b与待测量光纤光栅8-a联接；光电探测系统9通过输出耦合器6联接在光纤环路上，用于光脉冲重复频率的测量。
[0031]这样泵浦源1、波分复用器2、增益光纤3、隔离器4、可饱和吸收光纤5、输出耦合器
6、环形器7和待测光纤光栅8-a构成调Q掺铒光纤激光器11，激光器的振荡波长由待测光纤光栅8-a决定；实验表明光纤光栅的反射率大于30%即可实现激光器的振荡输出。
[0032]调Q掺铒光纤激光器11中，增益光纤3用于产生激光信号；可饱和吸收光纤5则用于对激光信号进行脉冲调制。在泵浦源I的泵浦下，增益光纤3在激光器谐振腔内产生激光信号。可饱和吸收光纤5中的基态掺杂离子吸收增益光纤3产生的激光信号，使谐振腔处于低Q值状态。随着对信号光的不断吸收，可饱和吸收光纤5逐渐达到饱和，对信号光的吸收能力也就下降，使谐振腔处于高Q值状态，于是产生一个激光脉冲输出。与此同时，可饱和吸收光纤5中激发态的掺杂离子通过无辐射跃迁等过程衰减到基态，然后重新开始对信号光的吸收过程。这样，就实现了对信号光的脉冲调制。
[0033]上述装置中泵浦源I为980nm半导体激光，波分复用器2为980nm/1550nm波分复用器，增益光纤3为单模掺铒光纤，隔离器4的工作波长为1550nm,可饱和吸收光纤5为掺钱光纤或钱钦共掺光纤；输出I禹合器6工作波长为1550nm,输出f禹合比在10%到90%之间；光纤环形器7工作波长为1550nm，从图1中箭头尾部到头部分别为输入端(7_a)、中间端(7-b)和输出端(7-c);待测量光纤光栅8-a的中心波长为1550nm，3dB带宽小于0.3nm ；光电探测系统9包括光电二极管、放大处理电路、计数单元或示波器，光电二极管将脉冲光信号转换为电信号，经放大处理电路放大处理后，采用计数单元或示波器记录输出电信号的重复频率，并根据事先标定得到的脉冲重频与激光波长之间的对应关系，计算得到激光器的波长信息。[0034]图2所示为线形腔结构下本发明装置的结构示意图，包括泵浦源1、波分复用器2、增益光纤3、可饱和吸收光纤5、待测量光纤光栅8-b和反射腔镜10 ;所述波分复用器2、增益光纤3、可饱和吸收光纤5和待测量光纤光栅8-b通过光纤熔接机熔接，构成激光线形谐振腔；反射腔镜可以为普通的介质基底上或金属基底上镀制的反射镜，也可以直接镀制在单模光纤的端面上；所述的泵浦源通过波分复用器2联接在激光谐振腔内；所述的光电探测系统9与待测量光纤光栅8-b的输出端相联，用于光脉冲重复频率的测量。
[0035]上述其中大部分器件同图1相同，这里不再赘述，只是区别在于图2的激光谐振腔由反射腔镜10待测光纤光栅8-b构成，谐振腔结构为线形腔。反射腔镜的反射率大于80%，反射带中心波长为1550nm, 3dB带宽大于80nm。
[0036]本发明的基于可饱和吸收光纤的新型光纤光栅波长解调方法在使用前需要对一定泵浦功率下激光器振荡波长与脉冲重频之间的对应关系进行定标。定标中固定泵浦源I的泵浦功率，将不同的已知波长的光纤光栅接入环形器7的端口，构成不同振荡波长的调Q掺铒光纤激光器11。然后在不同激光波长下利用光电探测系统9测量激光脉冲的重频，得到激光器振荡波长与脉冲重频之间的对应关系。在对待测光纤光栅8-a、8-b进行波长解调时，利用光电探测系统9测量激光脉冲的重频，即可得到该待测光纤光栅8-a、8-b的中心波长。
[0037]图3为对基于图1所搭建的波长解调系统进行定标所得到的在某特定泵浦功率下激光器振荡波长与脉冲重频之间典型对应关系的实验结果。
[0038]本发明不局限于上述【具体实施方式】，例如本发明的线形腔结构中，1550nm激光脉冲也可通过在谐振腔内加入一个输出耦合器6来引出，脉冲信号强度的大小也可以通过改变输出耦合器6的输出耦合比进行调整。对于本发明所属【技术领域】来说，在本发明构思的前提下，还可以做出若干简单替换和变化。这些都属于本发明的保护范围。
【权利要求】
1.基于可饱和吸收光纤的光纤光栅波长解调装置，其特征在于:包括泵浦源(I)、波分复用器(2)、增益光纤(3)、隔离器(4)、可饱和吸收光纤(5)、输出耦合器(6)、环形器(7)、待测量光纤光栅(8-a)和光电探测系统(9);所述的增益光纤(3)、隔离器(4)、可饱和吸收光纤(5)和环形器(7)通过单模光纤联接，并形成光纤环路；所述的泵浦源通过波分复用器(2)联接在光纤环路上；所述的待测量光纤光栅(8-a)通过环形器(7)联接在光纤环路上；所述环形器(7)的输入端(7-a)和输出端(7-c)分别联接在光纤环路；所述的环形器的中间端(7-b)与待测量光纤光栅(8-a)联接；所述的光电探测系统(9)通过输出耦合器(6)联接在光纤环路上，用于光脉冲重复频率的测量。
2.根据权利要求1所述的基于可饱和吸收光纤的光纤光栅波长解调装置，其特征在于:所述的泵浦源(I)为980nm半导体激光器，所述的波分复用器(2)为980nm/1550nm波分复用器，所述的增益光纤(3)为单模掺铒光纤，所述的隔离器(4)的工作波长为1550nm，所述的可饱和吸收光纤(5)为掺铥光纤或铥钦共掺光纤；所述的输出耦合器(6)工作波长为1550nm，输出耦合比在10%到90%之间；所述的光纤环形器(7)的工作波长为1550nm。
3.根据权利要求1所述的基于可饱和吸收光纤的光纤光栅波长解调装置，其特征在于:所述待测量光纤光栅(8-a)的中心波长为1550nm，3dB带宽小于0.3nm，反射率为30%?100% ο
4.根据权利要求1所述的基于可饱和吸收光纤的光纤光栅波长解调装置，其特征在于:所述的光电探测系统(9)包括光电二极管、放大处理电路、计数单元或示波器；光电二极管将脉冲光信号转换为电信号，经放大处理电路放大处理后，采用计数单元或示波器记录输出电信号的重复频率。
5.基于可饱和吸收光纤的光纤光栅波长解调装置，其特征在于:包括泵浦源(I)、波分复用器(2)、增益光纤(3)、可饱和吸收光纤(5)、待测量光纤光栅(8-b)、光电探测系统(9)和反射腔镜(10);所述增益光纤(3`)和可饱和吸收光纤(5)通过单模光纤联接在反射腔镜(10 )和待测量光纤光栅(8-b )之间，并构成激光线形谐振腔；所述泵浦源(I)通过波分复用器(2)联接在激光谐振腔内；所述的光电探测系统(9)与待测量光纤光栅(8-b)的输出端相联，用于光脉冲重复频率的测量。
6.根据权利要求5所述的基于可饱和吸收光纤的光纤光栅波长解调装置，其特征在于:所述的反射腔镜(10)直接镀制在单模光纤的端面上。
7.根据权利要求5所述的基于可饱和吸收光纤的光纤光栅波长解调装置，其特征在于:所述的泵浦源(I)为980nm半导体激光器，所述的波分复用器(2)为980nm/1550nm波分复用器，所述的增益光纤(3)为单模掺铒光纤，所述的可饱和吸收光纤(5)为掺铥光纤或钱钦共掺光纤。
8.根据权利要求5所述的基于可饱和吸收光纤的光纤光栅波长解调装置，其特征在于:所述待测量光纤光栅(8-b)的中心波长为1550nm，3dB带宽小于0.3nm，反射率为10%?90%。
9.根据权利要求5所述的基于可饱和吸收光纤的光纤光栅波长解调装置，其特征在于:所述的光电探测系统(9)包括光电二极管、放大处理电路、计数单元或示波器，光电二极管将脉冲光信号转换为电信号，经放大处理电路放大处理后，采用计数单元或示波器记录输出电信号的重复频率。
10.根据权利要求5所述的基于可饱和吸收光纤的光纤光栅波长解调装置，其特征在于:所述反射腔镜的反射率.大于80%，反射带中心波长为1550nm，3dB带宽大于80nm。
【文档编号】G02F2/00GK103438916SQ201310370249
【公开日】2013年12月11日 申请日期:2013年8月22日 优先权日:2013年8月22日
【发明者】陶蒙蒙, 叶锡生, 王振宝, 杨鹏翎, 陈绍武, 王平, 冯国斌 申请人:西北核技术研究所