专利名称：含有长周期光纤光栅萨格奈克环的光纤光栅波长解调系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种含有长周期光纤光栅萨格奈克环的光纤光栅波长解调系统，属于 光纤传感器技术领域。
背景技术：
光纤光栅传感器具有抗干扰能力强、可靠性好、耐腐蚀、体积小、重量轻以及波长 编码方式可靠等优点，越来越为人们所重视。这种传感器把被测参数的变化转换为光栅工 作波长的变化，如何简单、快捷、精确的将微小的波长漂移量解调出来，是光纤光栅传感器 系统中至关重要的问题。目前，光纤光栅实用化的波长解调技术主要有干涉解调技术、可调谐F-P滤波解 调技术和采用色散元件与CCD阵列相结合的光谱成像技术等。美国MICR0N0PICS公司的光 纤布拉格光栅SI/SM系列波长解调仪是光纤光栅波长解调领域先进技术的代表。各国的研 究者也相继提出了其它解调方案，如匹配滤波解调技术、线性啁啾光纤光栅解调技术和长 周期光纤光栅边缘滤波线性解调技术等。1993 年英国 kent 大学的 D. A. Jackson 和 Southampton 大学的 L. Reekie 等人报 道了利用匹配光栅滤波法对光纤光栅波长进行解调(simple multiplexingscheme for a fiber optic grating sesnor network,optics letters,VI. 18,No. 14 1993 1192-1194), 这种方法使用简单，但解调范围小。2002年Zhao D和Shu X等提出利用含有线性啁啾光纤光栅萨格奈克环解调传感 光纤光栅波长(Sensor Interrogation technique Using Chirped FiberGrating-Based Sagnac Loop, Electron. Lett. Vol. 38, No. 72002 :312_313)。光学学报2004年第24卷第2期199-202页报道了南开大学现代光学研究所对长 周期光纤光栅边缘滤波线性解调系统进行了研究。该解调系统包括信号处理系统、长周期 光纤光栅、光纤布拉格光栅、宽带光源。由于采用了功率较低的宽带光源，检测到的信号较 弱，导致噪比低，测量精度受到限制。东华大学的詹亚歌等提出了长周期光纤光栅解调的光纤光栅高温传感系统(CN 201034747Y)。主要原理是利用长周期光纤光栅对宽带光源进行调制，产生一个在特定波长 范围内强度为线性变化的光源。再将这个光源入射到传感光纤光栅，对其反射后的光功率 进行检测，达到波长解调的目的。综合上述几种波长解调方案，多采用宽带光源作为传感系统的光源，通过检测经 光纤光栅反射的窄带光谱，实现波长解调。但这种波长解调方案采用的宽谱光源功率低，且 只有光纤光栅反射带宽内的光被检测到，致使探测到的信号信噪比较低，降低了波长的测 量精度，且稳定性易受环境干扰。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是现有的解调系统的信噪比较低，测量精度低，易受
3环境干扰的缺陷。提出一种含有长周期光纤光栅萨格纳克环的光纤光栅波长解调系统。本发明的技术方案一种含有长周期光纤光栅萨格奈克环的光纤光栅波长解调系统。该波长解调系统 的光源为光纤布拉格光栅与含有长周期光纤光栅的萨格奈克环作为腔镜构成线腔型光纤 激光器。含有长周期光纤光栅的萨格奈克环包括2X2耦合器和长周期光纤光栅；长周期 光纤光栅的一端与2X2耦合器的第三端口连接，长周期光纤光栅的另一端和2X2耦合器 的第四端口连接，形成含有长周期光纤光栅的萨格奈克环。光纤布拉格光栅的一端通过掺铒光纤与2X2耦合器的第一端口连接。光纤布拉格光栅的另一端与波分复用器的第三端口连接，波分复用器的第二端口 与泵浦光源连接，波分复用器的第一端口与信号处理系统连接。本发明的有益效果1)本发明不需要专门的波长测试设备，只需要探测激光输出功率值，根据波长与 激光功率值的线性关系，就可以解调出光纤布拉格光栅工作波长偏移，大大降低了系统的 成本。2)本发明可以实现高信噪比、高精度测量。与传统光纤布拉格光栅传感系统采用 宽带光源相比，本发明采用含有长周期光纤光栅萨格奈克环和光纤光栅形成激光器结构， 输出功率很高。在相同环境条件下，大大提高测量信号信噪比和测量精度。3)本发明的测量动态范围和测量灵敏度均可调。采用的长周期光纤光栅主损耗峰 两侧透射谱的线性范围越大系统的测量动态范围越大，线性透射谱的陡峭程度越高，系统 的测量测量灵敏度越高。故，可根据选择不同的长周期光纤光栅调节本发明所涉及的光纤 布拉格光栅波长解调系统的测量动态范围和测量灵敏度。
图1 一种含有长周期光纤光栅萨格纳克环的光纤光栅波长解调系统。图2含有长周期光纤光栅的萨格奈克环反射谱。图3采用的光纤布拉格光栅的透射谱之一。图4采用的光纤布拉格光栅的透射谱之二。图中信号处理系统1、泵浦光源2、波分复用器3、光纤布拉格光栅4、掺铒光纤5、 2X2耦合器6、长周期光纤光栅7、含有长周期光纤光栅的萨格奈克环8。
具体实施例方式结合附图对本发明作进一步说明。一种含有长周期光纤光栅萨格奈克环的光纤光栅波长解调系统，该波长解调系统 的光源为光纤布拉格光栅4与含有长周期光纤光栅的萨格奈克环8作为腔镜构成线腔型光 纤激光器。含有长周期光纤光栅的萨格奈克环8包括2 X 2耦合器6和长周期光纤光栅7 ；长 周期光纤光栅7的一端与2X2耦合器的第三端口 63连接，长周期光纤光栅7的另一端和 2X2耦合器的第四端口 64连接，形成含有长周期光纤光栅的萨格奈克环8。
光纤布拉格光栅4的一端通过掺铒光纤5与2X2耦合器的第一端口 61连接。光纤布拉格光栅4的另一端与波分复用器的第三端口 33连接，波分复用器的第二 端口 32与泵浦光源2连接，波分复用器的第一端口 31与信号处理系统1连接。所述长周期光纤光栅7是根据光学学报2000年第20卷第5期北京交通大学光 波技术研究所报道的长周期光纤光栅研制方案制作的。该长周期光纤光栅采用幅度掩模 板由高频准分子激光器制作而成，经退火实验后，在常温下，透射谱形状具有长时间的稳定 性。长周期光纤光栅7的主损耗峰波长为1548. 431nm，主损耗峰两侧透射率随波长呈线性 变化。所述含有长周期光纤光栅的萨格奈克环8在2X2耦合器的第一端口 61的反射谱 与长周期光纤光栅7的透射谱形状一致。其反射谱如图2所示，其主损耗峰为1548. 431nm, 主损耗峰左侧为含有长周期光纤光栅的萨格奈克环的反射谱的线性下降边，其右侧为含有 含有长周期光纤光栅的萨格奈克环的反射谱的线性下升边。所述的泵浦光源2采用980nm、1380nm均可。所述波分复用器3采用980nm/1550nm或1380nm/1550nm。当泵浦光源2采用980nm 时，波分复用器3则采用980nm/1550nm ；当泵浦光源2采用980nm时，波分复用器3则采用 1380nm/1550nm。所述的掺铒光纤5，掺杂浓度范围为700ppm lOOOppm，长度范围为Im 2m。所述的光纤布拉格光栅4的峰值波长为1544. 394nm或1550. 243nm。当选用图3 所示光纤布拉格光栅4时，其峰值波长和峰值反射率分别为1544. 394nm和89. 53% (9. 8dB 的透射深度)，位于含有长周期光纤光栅萨格奈克环反射谱的线性下降边。外界参数引起光 纤布拉格光栅4工作波长向长波长漂移时，传感器输出光强随着波长线性降低。当选用图4 所示光纤布拉格光栅4时，其峰值波长和峰值反射率分别为1550. 243nm和96. 84% (15dB 的透射深度)，位于含有长周期光纤光栅的萨格奈克环反射谱的线性上升边。外界参数引起 光纤布拉格光栅工作波长向长波长漂移时，传感器输出光强随着波长线性增加。下面介绍利用含有长周期光纤光栅的萨格奈克环解调光纤布拉格光栅波长的原 理。当光从含有长周期光纤光栅的萨格奈克环8的2X2耦合器的第一端口 61入射，会在 该端口 61检测到反射谱。该反射谱与长周期光纤光栅7透射谱形状一致。反射谱中包含 一个主吸收损耗峰，主损耗峰的强度下降边(或上升边)所包含的波长范围内其反射率为 线性(线性拟合误差在10-4量级)的减小(或增大)。它与用着传感头的光纤布拉格光栅 4构成了线腔型激光器的两个腔镜，当光纤布拉格光栅工作波长发生漂移时，就会产生一个 随波长强度发生线性变化(下降或上升)的激光光源。通过检测激光输出强度，就能实现 对光纤布拉格光栅工作波长的解调。
权利要求
一种含有长周期光纤光栅萨格奈克环的光纤光栅波长解调系统，该波长解调系统包括信号处理系统、长周期光纤光栅、光纤布拉格光栅、光源；其特征在于光源为光纤布拉格光栅(4)与含有长周期光纤光栅的萨格奈克环(8)作为腔镜构成线腔型光纤激光器；含有长周期光纤光栅的萨格奈克环(8)包括2×2耦合器(6)和长周期光纤光栅(7)；长周期光纤光栅(7)的一端与2×2耦合器的第三端口(63)连接，长周期光纤光栅(7)的另一端和2×2耦合器的第四端口(64)连接，形成含有长周期光纤光栅的萨格奈克环(8)；光纤布拉格光栅(4)的一端通过掺铒光纤(5)与2×2耦合器的第一端口(61)连接；光纤布拉格光栅(4)的另一端与波分复用器的第三端口(33)连接，波分复用器的第二端口(32)与泵浦光源(2)连接，波分复用器的第一端口(31)与信号处理系统(1)连接。
2.根据权利要求1所述的一种含有长周期光纤光栅萨格纳克环的光纤光栅波长解调 系统，其特征在于所述长周期光纤光栅(7)是采用幅度掩模板由高频准分子激光器制作而成，经退火 实验后，在常温下，透射谱形状具有长时间的稳定性，主损耗峰两侧透射率随波长呈线性变 化。
3.根据权利要求1或2所述的一种含有长周期光纤光栅萨格纳克环的光纤光栅波长解 调系统，其特征在于所述含有长周期光纤光栅的萨格奈克环(8)在2X2耦合器的第一端口(61)的反射谱 与长周期光纤光栅(7)的透射谱形状一致。
全文摘要
含有长周期光纤光栅萨格奈克环的光纤光栅波长解调系统，属于光纤传感器领域。该解调系统的光源为光纤Bragg光栅(4)与含有长周期光纤光栅的萨格奈克环(8)作为腔镜构成线腔型光纤激光器。长周期光纤光栅(7)的一端与2×2耦合器的第三端口(63)连接，长周期光纤光栅的另一端和2×2耦合器的第四端口(64)连接，形成含有长周期光纤光栅的萨格奈克环。光纤Bragg光栅的一端通过掺铒光纤(5)与2×2耦合器的第一端口(61)连接。光纤Bragg光栅的另一端与波分复用器的第三端口(33)连接，波分复用器的第二端口(32)与泵浦光源(2)连接，波分复用器的第一端口(31)与信号处理系统(1)连接。解决了信噪比、测量精度低，易受环境干扰的缺陷。
文档编号G01D5/353GK101907495SQ20101023114
公开日2010年12月8日 申请日期2010年7月14日 优先权日2010年7月14日
发明者娄淑琴, 尹国路, 王立文, 苏伟, 陈卫国 申请人:北京交通大学