基于色散补偿光栅对的光电振荡器双参量传感装置的制作方法

本实用新型适用于光纤传感领域和全光信息处理领域，具体涉及基于色散补偿光栅对的光电振荡器双参量传感装置。

背景技术：

在油井、智能电网、综合地下管廊、农业等领域，传感器作为生产环境中检测、监控温度、湿度等环境参数的器件，在保障安全生产等方面发挥着重要作用。光纤传感器因其稳定、抗电磁干扰等特点备受青睐。中国专利申请号cn201810085724提出了一种光纤温度传感器，引入在线马赫泽德干涉结构并利用光谱仪实现温度传感解调，但由于采用了光谱仪作为解调设备，解调速度和分辨率无法兼顾，在满足高分辨率需求的情况下，解调速度受限。而如果为了满足高速解调的需求，分辨率则会受到限制。因此，基于微波光子学的传感方案被相继提出，它同样利用光纤结构作为传感头，但利用电谱仪、dsp等仪器在电域解调，实现高分辨率、高速解调的传感测量。2016年，wangy等人提出了基于马赫增德尔干涉仪的光电振荡器温度传感方案(wangy,zhangj,yaoj.anoptoelectronicoscillatorforhighsensitivitytemperaturesensing[j].ieeephotonicstechnologyletters,2016,28(13):1-1.)，但该方案只能测量单一物理量的变化，无法实现双参量传感。类似地，chenh等人于同年提出了基于单通带射频滤波器的光纤干涉型传感器传感解调方案，可用于多点或多参量传感，该方案利用干涉仪引入微波光子滤波器的梳齿状光抽头，再通过观测射频带通滤波器的中心频率ffilter读取温度等环境参量变化(chenh,zhangs,fuh,etal.sensinginterrogationtechniqueforfiber-opticinterferometertypeofsensorsbasedonasingle-passbandrffilter[j].opticsexpress,2016,24(3):2765-2773.)，有

其中fsr为干涉仪的自由频程范围，β为链路的色散值(ps/nm)。当该结构中的光电探测器输出被放大，并馈入电光调制器，即可构成光电振荡器，振荡频率同样由公式(1)决定。wangy和chenh的方案都采用马赫增德尔干涉仪作为传感头，该类传感头偏振敏感，易受到微小振动等影响，会引入不必要的微扰和系统误差。

技术实现要素：

针对现有传感、解调技术存在的上述问题，本实用新型提出了基于色散补偿光栅对的光电振荡器双参量传感装置，用于实现高分辨率、高速的温度和轴向应力双参量传感。

本实用新型的技术方案：基于色散补偿光栅对的光电振荡器双参量传感装置，其特征在于：该装置包括宽带光源、光学梳状滤波器、电光调制器、光分束器、一号环形器、二号环形器、一号色散补偿光栅、二号色散补偿光栅、光合束器、光纤放大器、光电探测器、微波放大器、微波功率分束器、信号处理模块；具体连接方式为：

宽带光源的输出端接光学梳状滤波器的输入端，光学梳状滤波器的输出端接电光调制器的光输入端，电光调制器的光输出端接光分束器的输入端，光分束器的一号输出端和二号输出端分别接一号环形器的a端口和二号环形器的a端口，一号环形器的b端口接一号色散补偿光栅的输入端，二号环形器的b端口接二号色散补偿光栅的输入端，光合束器的一号输入端和二号输入端分别接一号环形器的c端口和二号环形器的c端口，光合束器的输出端接光纤放大器的输入端，光纤放大器的输出端接光电探测器的光输入端，光电探测器的电输出端接微波放大器的输入端，微波放大器的输出端接微波功率分束器的输入端，微波功率分束器的一号输出端和二号输出端分别接电光调制器的电输入端和信号处理模块的输入端。

一号色散补偿光栅、二号色散补偿光栅均为带金属涂层的啁啾光纤光栅，既作为色散元件，又作为传感头用于光电振荡器中，使得振荡频率受一号色散补偿光栅的色散值β1和二号色散补偿光栅的色散值β2调制；一号色散补偿光栅仅受温度作用，二号色散补偿光栅受温度和轴向应力共同作用，有β1≠β2；信号处理模块用于实时提取待测参量信息。

本实用新型的具体工作原理如下：

所述宽带光源、光学梳状滤波器、电光调制器、光分束器、一号环形器、一号色散补偿光栅、光合束器、光纤放大器、光电探测器、微波放大器、微波功率分束器构成了振荡频率为f1的光电振荡器，所述宽带光源、光学梳状滤波器、电光调制器、光分束器、二号环形器、二号色散补偿光栅、光合束器、光纤放大器、光电探测器、微波放大器、微波功率分束器构成了振荡频率为f2的光电振荡器，有：

f1＝1/(fsr·β1)(2)

f2＝1/(fsr·β2)(3)

其中fsr是光学梳状滤波器的自由频程范围。通过一号色散补偿光栅和二号色散补偿光栅的光信号合束，并送入光电探测器。由于光电振荡器环路的非线性效应，除产生频率为f1和f2的信号外，还会拍频产生频率为f3＝|f2-f1|的射频信号。

当带金属涂层的啁啾光纤光栅所处温度变化时，金属涂层受热膨胀，使得金属涂层包覆的光栅受到轴向应力，引起光栅的色散值随温度线性变化，即一号色散补偿光栅和二号色散补偿光栅的色散值β1和β2均随温度线性变化。进而，f1和f2同时受温度调制，且因温度改变而引入的频率漂移量δf11和δf21相等。一号色散补偿光栅仅受温度作用，即f1的频率漂移量δf1仅由温度决定，有δf1＝δf11。二号色散补偿光栅除了受温度作用外，还受到外加轴向应力的作用，即f2的频率漂移量δf2由温度和轴向应力共同决定，有δf2＝δf21+δf22，其中δf22是由轴向应力引入的频率漂移量。因此，f3的频率漂移量δf3有：

δf3＝|(δf21+δf22)-δf11|＝δf22(4)

由此可知，f3仅受轴向应力调制，f1仅受温度调制，通过信号处理模块实时读取f1和f3的数值便可实现温度和轴向应力双参量传感解调。

本实用新型的有益效果具体如下：

本实用新型采用带金属涂层的色散补偿光栅对，即带金属涂层的啁啾光纤光栅对，同时作为色散元件和传感头，用于光电振荡器中，体积小，结构紧凑，不易受振动等环境微扰的影响；利用光电振荡器将待测参量信息映射到电域，打破解调速度和分辨率之间的制约关系，可实现高分辨率、高速的温度和轴向应力双参量传感。

附图说明

图1为基于色散补偿光栅对的光电振荡器双参量传感装置结构示意图。

图2为光学梳状滤波器的频谱响应。

其中各图标为：宽带光源1、光学梳状滤波器2、电光调制器3、光分束器4、一号环形器5、二号环形器6、一号色散补偿光栅7、二号色散补偿光栅8、光合束器9、光纤放大器10、光电探测器11、微波放大器12、微波功率分束器13、信号处理模块14、光分束器一号输出端41、光分束器二号输出端42、一号环形器a端口51、一号环形器b端口52、一号环形器c端口53、二号环形器a端口61、二号环形器b端口62、二号环形器c端口63、光合束器一号输入端91、光合束器二号输入端92、微波功率分束器一号输出端131、微波功率分束器二号输出端132。

具体实施方式

下面详细描述本实用新型的实施方式，所述实施方式的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施方式是示例性的，仅用于解释本实用新型，而不能解释为对本实用新型的限制。

实施例一

基于色散补偿光栅对的光电振荡器双参量传感装置如图1所示，包括宽带光源1、光学梳状滤波器2、电光调制器3、光分束器4、一号环形器5、二号环形器6、一号色散补偿光栅7、二号色散补偿光栅8、光合束器9、光纤放大器10、光电探测器11、微波放大器12、微波功率分束器13、信号处理模块14；具体连接方式为：

宽带光源1的输出端接光学梳状滤波器2的输入端，光学梳状滤波器2的输出端接电光调制器3的光输入端，电光调制器3的光输出端接光分束器4的输入端，光分束器4的一号输出端41和二号输出端42分别接一号环形器5的a端口51和二号环形器6的a端口61，一号环形器5的b端口52接一号色散补偿光栅7的输入端，二号环形器6的b端口62接二号色散补偿光栅8的输入端，光合束器9的一号输入端91和二号输入端92分别接一号环形器5的c端口53和二号环形器6的c端口63，光合束器9的输出端接光纤放大器10的输入端，光纤放大器10的输出端接光电探测器11的光输入端，光电探测器11的电输出端接微波放大器12的输入端，微波放大器12的输出端接微波功率分束器13的输入端，微波功率分束器13的一号输出端131和二号输出端132分别接电光调制器3的电输入端和信号处理模块14的输入端。

一号色散补偿光栅7、二号色散补偿光栅8均为带铝涂层的啁啾光纤光栅，既作为色散元件，又作为传感头用于光电振荡器中，使得振荡频率受一号色散补偿光栅7的色散值β1和二号色散补偿光栅8的色散值β2调制；一号色散补偿光栅7仅受温度作用，二号色散补偿光栅8受温度和轴向应力共同作用；信号处理模块14用于实时提取待测参量信息。

宽带光源1用于提供c&l波段的光信号；光学梳状滤波器2的频谱响应如图2所示，有fsr为2nm；电光调制器3为相位调制器；一号色散补偿光栅7的色散值β1和反射谱3db带宽分别为300ps/nm和35nm；二号色散补偿光栅8的色散值β2和反射谱3db带宽分别为100ps/nm和35nm。

由于光电振荡器产生的射频信号f1、f2和f3中，f3仅受轴向应力调制，f1仅受温度调制，通过信号处理模块14实时读取f1和f3的数值便可实现温度和轴向应力双参量传感解调。

实施例二

基于色散补偿光栅对的光电振荡器双参量传感装置如图1所示，包括宽带光源1、光学梳状滤波器2、电光调制器3、光分束器4、一号环形器5、二号环形器6、一号色散补偿光栅7、二号色散补偿光栅8、光合束器9、光纤放大器10、光电探测器11、微波放大器12、微波功率分束器13、信号处理模块14；具体连接方式为：

宽带光源1的输出端接光学梳状滤波器2的输入端，光学梳状滤波器2的输出端接电光调制器3的光输入端，电光调制器3的光输出端接光分束器4的输入端，光分束器4的一号输出端41和二号输出端42分别接一号环形器5的a端口51和二号环形器6的a端口61，一号环形器5的b端口52接一号色散补偿光栅7的输入端，二号环形器6的b端口62接二号色散补偿光栅8的输入端，光合束器9的一号输入端91和二号输入端92分别接一号环形器5的c端口53和二号环形器6的c端口63，光合束器9的输出端接光纤放大器10的输入端，光纤放大器10的输出端接光电探测器11的光输入端，光电探测器11的电输出端接微波放大器12的输入端，微波放大器12的输出端接微波功率分束器13的输入端，微波功率分束器13的一号输出端131和二号输出端132分别接电光调制器3的电输入端和信号处理模块14的输入端。

一号色散补偿光栅7、二号色散补偿光栅8均为带铜涂层的啁啾光纤光栅，既作为色散元件，又作为传感头用于光电振荡器中，使得振荡频率受一号色散补偿光栅7的色散值β1和二号色散补偿光栅8的色散值β2调制；一号色散补偿光栅7仅受温度作用，二号色散补偿光栅8受温度和轴向应力共同作用；信号处理模块14用于实时提取待测参量信息。

宽带光源1用于提供c&l波段的光信号；光学梳状滤波器2的频谱响应如图2所示，有fsr为1nm；电光调制器3为相位调制器；一号色散补偿光栅7的色散值β1和反射谱3db带宽分别为520ps/nm和20nm；二号色散补偿光栅8的色散值β2和反射谱3db带宽分别为300ps/nm和20nm。

由于光电振荡器产生的射频信号f1、f2和f3中，f3仅受轴向应力调制，f1仅受温度调制，通过信号处理模块14实时读取f1和f3的数值便可实现温度和轴向应力双参量传感解调。

实施例三

基于色散补偿光栅对的光电振荡器双参量传感装置如图1所示，包括宽带光源1、光学梳状滤波器2、电光调制器3、光分束器4、一号环形器5、二号环形器6、一号色散补偿光栅7、二号色散补偿光栅8、光合束器9、光纤放大器10、光电探测器11、微波放大器12、微波功率分束器13、信号处理模块14；具体连接方式为：

宽带光源1的输出端接光学梳状滤波器2的输入端，光学梳状滤波器2的输出端接电光调制器3的光输入端，电光调制器3的光输出端接光分束器4的输入端，光分束器4的一号输出端41和二号输出端42分别接一号环形器5的a端口51和二号环形器6的a端口61，一号环形器5的b端口52接一号色散补偿光栅7的输入端，二号环形器6的b端口62接二号色散补偿光栅8的输入端，光合束器9的一号输入端91和二号输入端92分别接一号环形器5的c端口53和二号环形器6的c端口63，光合束器9的输出端接光纤放大器10的输入端，光纤放大器10的输出端接光电探测器11的光输入端，光电探测器11的电输出端接微波放大器12的输入端，微波放大器12的输出端接微波功率分束器13的输入端，微波功率分束器13的一号输出端131和二号输出端132分别接电光调制器3的电输入端和信号处理模块14的输入端。

一号色散补偿光栅7、二号色散补偿光栅8均为带镍涂层的啁啾光纤光栅，既作为色散元件，又作为传感头用于光电振荡器中，使得振荡频率受一号色散补偿光栅7的色散值β1和二号色散补偿光栅8的色散值β2调制；一号色散补偿光栅7仅受温度作用，二号色散补偿光栅8受温度和轴向应力共同作用；信号处理模块14用于实时提取待测参量信息。

宽带光源1用于提供o波段的光信号；光学梳状滤波器2的频谱响应如图2所示，有fsr为0.1nm；电光调制器3为马赫增德尔强度调制器，工作在正交偏置点；一号色散补偿光栅7的色散值β1和反射谱3db带宽分别为1400ps/nm和15nm；二号色散补偿光栅8的色散值β2和反射谱3db带宽分别为700ps/nm和15nm。

由于光电振荡器产生的射频信号f1、f2和f3中，f3仅受轴向应力调制，f1仅受温度调制，通过信号处理模块14实时读取f1和f3的数值便可实现温度和轴向应力双参量传感解调。

实施例四

基于色散补偿光栅对的光电振荡器双参量传感装置如图1所示，包括宽带光源1、光学梳状滤波器2、电光调制器3、光分束器4、一号环形器5、二号环形器6、一号色散补偿光栅7、二号色散补偿光栅8、光合束器9、光纤放大器10、光电探测器11、微波放大器12、微波功率分束器13、信号处理模块14；具体连接方式为：

宽带光源1的输出端接光学梳状滤波器2的输入端，光学梳状滤波器2的输出端接电光调制器3的光输入端，电光调制器3的光输出端接光分束器4的输入端，光分束器4的一号输出端41和二号输出端42分别接一号环形器5的a端口51和二号环形器6的a端口61，一号环形器5的b端口52接一号色散补偿光栅7的输入端，二号环形器6的b端口62接二号色散补偿光栅8的输入端，光合束器9的一号输入端91和二号输入端92分别接一号环形器5的c端口53和二号环形器6的c端口63，光合束器9的输出端接光纤放大器10的输入端，光纤放大器10的输出端接光电探测器11的光输入端，光电探测器11的电输出端接微波放大器12的输入端，微波放大器12的输出端接微波功率分束器13的输入端，微波功率分束器13的一号输出端131和二号输出端132分别接电光调制器3的电输入端和信号处理模块14的输入端。

一号色散补偿光栅7、二号色散补偿光栅8均为带铜涂层的啁啾光纤光栅，既作为色散元件，又作为传感头用于光电振荡器中，使得振荡频率受一号色散补偿光栅7的色散值β1和二号色散补偿光栅8的色散值β2调制；一号色散补偿光栅7仅受温度作用，二号色散补偿光栅8受温度和轴向应力共同作用；信号处理模块14用于实时提取待测参量信息。

宽带光源1用于提供l波段的光信号；光学梳状滤波器2的频谱响应如图2所示，有fsr为0.08nm；电光调制器3为马赫增德尔强度调制器，工作在正交偏置点；一号色散补偿光栅7的色散值β1和反射谱3db带宽分别为1650ps/nm和10nm；二号色散补偿光栅8的色散值β2和反射谱3db带宽分别为1030ps/nm和10nm。

由于光电振荡器产生的射频信号f1、f2和f3中，f3仅受轴向应力调制，f1仅受温度调制，通过信号处理模块14实时读取f1和f3的数值便可实现温度和轴向应力双参量传感解调。

实施例五

基于色散补偿光栅对的光电振荡器双参量传感装置如图1所示，包括宽带光源1、光学梳状滤波器2、电光调制器3、光分束器4、一号环形器5、二号环形器6、一号色散补偿光栅7、二号色散补偿光栅8、光合束器9、光纤放大器10、光电探测器11、微波放大器12、微波功率分束器13、信号处理模块14；具体连接方式为：

宽带光源1的输出端接光学梳状滤波器2的输入端，光学梳状滤波器2的输出端接电光调制器3的光输入端，电光调制器3的光输出端接光分束器4的输入端，光分束器4的一号输出端41和二号输出端42分别接一号环形器5的a端口51和二号环形器6的a端口61，一号环形器5的b端口52接一号色散补偿光栅7的输入端，二号环形器6的b端口62接二号色散补偿光栅8的输入端，光合束器9的一号输入端91和二号输入端92分别接一号环形器5的c端口53和二号环形器6的c端口63，光合束器9的输出端接光纤放大器10的输入端，光纤放大器10的输出端接光电探测器11的光输入端，光电探测器11的电输出端接微波放大器12的输入端，微波放大器12的输出端接微波功率分束器13的输入端，微波功率分束器13的一号输出端131和二号输出端132分别接电光调制器3的电输入端和信号处理模块14的输入端。

一号色散补偿光栅7、二号色散补偿光栅8均为带铜涂层的啁啾光纤光栅，既作为色散元件，又作为传感头用于光电振荡器中，使得振荡频率受一号色散补偿光栅7的色散值β1和二号色散补偿光栅8的色散值β2调制；一号色散补偿光栅7仅受温度作用，二号色散补偿光栅8受温度和轴向应力共同作用；信号处理模块14用于实时提取待测参量信息。

宽带光源1用于提供l波段的光信号；光学梳状滤波器2的频谱响应如图2所示，有fsr为0.07nm；电光调制器3为马赫增德尔强度调制器，工作在正交偏置点；一号色散补偿光栅7的色散值β1和反射谱3db带宽分别为-1650ps/nm和5nm；二号色散补偿光栅8的色散值β2和反射谱3db带宽分别为-1030ps/nm和5nm。

由于光电振荡器产生的射频信号f1、f2和f3中，f3仅受轴向应力调制，f1仅受温度调制，通过信号处理模块14实时读取f1和f3的数值便可实现温度和轴向应力双参量传感解调。