超宽带宽光纤边缘滤波器及功率解调传感系统

本发明属于光纤传感和光纤通信，特别涉及一种基于写入在渐变折射率光纤的长周期光纤光栅的超宽带宽光纤边缘滤波器，及基于此器件构建的两种功率解调传感系统，即第一种功率解调传感系统与第二种功率解调传感系统。

背景技术：

1、光纤光栅传感器能够响应温度、扭转、应变、折射率等物理参数，在力学、生物、化学和环境传感等领域得到了广泛的应用。迄今为止光纤光栅传感器解调方法主要两种：即波长解调法和功率解调法。在波长解调法中，为了在较大的范围内精确的检测传感探头微小的波长漂移, 需要使用宽带宽光源和高分辨率的光谱仪来构建传感系统。然而上述仪器有着高成本，笨重，扫描时间长等缺点。这些缺点不可避免地使波长解调法难于应用于原位测量及实时检测。而在功率解调法中，通常需要附加一个拥有线性透射光谱的边缘滤波器，它可以将光纤传感探头的波长漂移线性地转化为光输出功率的变化。因此可以用光功率计（或光电探测器）替换昂贵笨重的光谱仪，以简化测量系统，提供比波长解调法更快速、更经济的测量。然而现有的所有的边缘滤波器的带宽都很窄（波长线性区域不超过15 nm），不能用于大量程传感和多探头传感的功率解调。

技术实现思路

1、针对以上问题，本发明目的在于提供一种基于写入在渐变折射率光纤的长周期光纤光栅的超宽带宽光纤边缘滤波器实现方法，并基于上述超宽带宽光纤边缘滤波器提出两种功率解调传感系统，即第一种功率解调传感系统与第二种功率解调传感系统。

2、本发明的技术方案之一为，一种基于写入在渐变折射率光纤的长周期光纤光栅的超宽带宽光纤边缘滤波器，具体如下：

3、所提出的超宽带宽光纤边缘滤波器结构由单模光纤（smf1）、写入在渐变折射率光纤的长周期光纤光栅、以及单模光纤（smf2）组成。

4、写入在渐变折射率光纤的长周期光纤光栅把从smf1引入的lp01纤芯模式转换为高阶模式（如lp11模式）。所述的基于渐变折射率光纤的长周期光纤光栅可由二氧化碳激光照射法、紫外光照射法、弧光放电法等光栅加工工艺制作。由于渐变折射率光纤的各模式间的群折射率差很小，导致符合共振条件的波长带非常宽，因此可在超宽带宽内实现高阶模式（如lp11模式）的耦合。又因为渐变折射率光纤的纤芯尺寸远大于单模光纤，产生的超宽带宽高阶模式主要耦合进单模光纤smf2包层并被损耗掉，在出力端光谱上将产生超宽带宽损失峰。选择上述损失峰两旁的其中一个线性边缘，即可得到超宽带宽光纤边缘滤波器。

5、本发明的技术方案之二为，第一种功率解调传感系统，其特征在于采用权利要求1所述的超宽带宽光纤边缘滤波器作为功率询问器件，具体如下：

6、将权利要求1所述的超宽带宽光纤边缘滤波器只作为功率询问器件，与波长响应型光纤传感探头（如布拉格光纤光栅）、宽带宽光源、光纤耦合器及光功率计(或光电探测器)组成功率解调传感器系统，如果是反射式波长响应型光纤传感探头（如布拉格光纤光栅）需要追加光纤环形器。超宽带宽光纤边缘滤波器可将波长反馈型光纤传感探头的波长变化转换成光强度变化，通过监视光功率计(或光电探测器)的光功率可实现传感参数解调。

7、本发明的技术方案之三为，第二种功率解调传感系统，其特征在于采用权利要求1所述的超宽带宽光纤边缘滤波器既作为功率询问器件又作为传感探头，具体如下：

8、将权利要求1所述的超宽带宽光纤边缘滤波器独立作为功率解调式长周期光纤光栅传感器，同时发挥功率询问和传感探头两个作用。将其和单波长激光器、光纤耦合器、及光功率计(或光电探测器)组成功率解调传感器系统。当被传感量发生变化时，超宽带宽光纤边缘滤波器光谱发生整体漂移，线性边缘可将波长变化转换成光功率变化，通过监视光功率计(或光电探测器)的光功率可实现传感参数解调。

9、本发明具有以下有益效果：

10、(1)本发明所提出的基于写入在渐变折射率光纤的长周期光纤光栅的超宽带宽光纤边缘滤波器有着非常大的线性动态范围（带宽）；

11、(2)本发明所提出的权利要求1所述的超宽带宽光纤边缘滤波器构建的两种功率解调传感系统（即第一种功率解调传感系统与第二种功率解调传感系统）可去除传统波长解调传感系统中必须要使用的昂贵且笨重的光谱仪，具有响应速度快、成本低、体积小、可靠性高等优点。

技术特征：

1.一种超宽带宽光纤边缘滤波器，其特征在于其结构由单模光纤（smf1）、写入在渐变折射率光纤的长周期光纤光栅、以及单模光纤（smf2）构成。

2.第一种功率解调传感系统，其特征在于采用权利要求1所述的超宽带宽光纤边缘滤波器作为功率询问器件；系统构成为采用权利要求1所述的超宽带宽光纤边缘滤波器、波长响应型光纤传感探头（如布拉格光纤光栅）、宽带宽光源、光纤耦合器及光功率计(或光电探测器)；如果是反射式波长响应型光纤传感探头（如布拉格光纤光栅）需要追加光纤环形器。

3.第二种功率解调传感系统，其特征在于采用权利要求1所述的超宽带宽光纤边缘滤波器既作为功率询问器件又作为传感探头；系统构成为权利要求1所述的超宽带宽光纤边缘滤波器、单波长激光器、光纤耦合器、及光功率计(或光电探测器)。

技术总结
本发明属于光纤传感和光纤通信技术领域，提出了一种超宽带宽光纤边缘滤波器及基于此器件构建的两种功率解调传感系统，即第一种功率解调传感系统与第二种功率解调传感系统。上述光纤边缘滤波器基于写入在渐变折射率光纤的长周期光纤光栅，可产生超宽带宽的线性透射光谱。在第一种功率解调传感系统中，超宽带宽光纤边缘滤波器可作为功率询问器件，与波长响应型光纤传感探头配合构成功率解调式光纤传感器。在第二种功率解调传感系统中，超宽带宽光纤边缘滤波器独立成为功率解调式长周期光纤光栅传感器，同时发挥功率询问和传感探头作用。基于提出的超宽带宽光纤边缘滤波器的传感方法和传感系统具有响应速度快、成本低、体积小、可靠性高等优点。

技术研发人员：请求不公布姓名
受保护的技术使用者：东北大学秦皇岛分校
技术研发日：
技术公布日：2024/1/15