一种基于集成光电芯片的小型化分布式光纤传感系统

1.本发明属于集成光电芯片和光纤传感技术领域。涉及一种基于集成光电芯片的小型化分布式光纤传感系统，特别涉及一种利用片上器件如端面耦合器、定向耦合器、多模干涉仪(mmi)、iq调制器、多级可调谐光衰减器(voa)以及片上平衡探测器(bpd)，将传统分立器件如调制器件、耦合器件和探测器件集成于同一芯片上的新型集成式光纤传感系统。


背景技术：

2.分布式光纤传感技术具有抗电磁干扰、隐蔽性好、体积小、重量轻等优点还兼备分布式动态检测、相位定量测量等优势。
3.传统的基于外差相干探测的分布式光纤传感系统结构装置包括分立的窄线宽激光器、声光调制器、掺铒光纤放大器(edfa)、双平衡探测器(bpd)、数据采集卡。窄线宽连续激光光源经过光纤耦合器，分成本振参考光和探测光两部分。探测光经过声光调制器(aom)斩波形成脉冲光，并产生移频。脉冲光经过掺铒光纤放大器(edfa)进行放大，并通过环形器注入待测光纤(fut)。光纤中散射光与本振参考光通过一个3db耦合器进行拍频，拍频后的信号经过双平衡探测器(bpd)进行探测。bpd输出的信号由数字采集卡进行采集，并进行幅度和相位信息解调，以及进一步的模式识别等信号处理。这种传统的基于外差相干探测系统结构装置由分离光学元器件构成，各元件需要良好的减震环境，系统内部很容易受到环境温度、湿度等变化的干扰，限制其性能。
4.光电芯片可借助成熟的微电子加工工艺平台，能够实现大规模批量生产，具有低成本、高集成度、高可靠性的优势。通过cmos工艺可以实现光电和微电子的单片集成，发挥光电芯片在信息高速传输和微电子在信息高效处理的优势，充分实现微电子与光电的融合与取长补短，实现性能更优的光电集成芯片。
5.从目前公开的文献中尚未发现与本发明提出的基于集成光电芯片的小型化分布式光纤传感系统类似的实现方法和装置。


技术实现要素：

6.本发明的目的是克服已有的传统基于外差相干探测的分布式光纤传感系统结构装置基于分立器件的不足，提出一种基于集成光电芯片的小型化分布式光纤传感系统，利用片上器件将传统分立器件取代并集成于同一芯片上的新型集成式光纤传感系统，克服已有的传统基于外差相干探测的分布式光纤传感系统结构装置基于分立器件的不足，更加集成化、小型化且可提高系统的稳定性并降低系统能耗。
7.本发明的技术解决方案如下：
8.一种基于集成光电芯片的小型化分布式光纤传感系统，系统结构包括光源、第一掺铒光纤放大器(edfa)、具有电光调制和拍频探测功能的集成光电芯片、第二掺铒光纤放大器(edfa)、环形器以及传感光纤。其中该集成光电芯片包括：端面耦合器、定向耦合器、多模干涉仪(mmi)、iq单边带调制器、监测探测器、多级可调谐衰减器(voa)以及片上平衡探测
器(bpd)。其连接关系如下：
9.所述的光源输出端口与第一掺铒光纤放大器(edfa)输入端口相连，光放大后与第一端面耦合器耦合，将窄线宽激光光源耦合进入集成光电芯片。所述的片上定向耦合器将光源分为本振参考光和探测光两部分。其中本振参考光由定向耦合器第二输出端口输出后与单级可调谐光衰减器(voa)相连，再由第一端口进入2
×
2多模干涉仪(mmi)。探测光路由定向耦合器第一输出端口输出后经由波导进入iq单边带调制器，iq单边带调制器与级联可调谐光衰减器(voa)相连，两者结合实现移频以及脉冲调制作用。所述的级联可调谐光衰减器(voa)输出的脉冲光经由第二端面耦合器耦合输出与第二掺铒光纤放大器(edfa)相连，再由环形器的第一端口输入，由第二端口输出后进入传感光纤。所述的传感光纤散射回来的信号光由环形器的第三端口输入与第三端面耦合器耦合进入集成光电芯片，由第二端口进入2
×
2多模干涉仪(mmi)。信号光与本振参考光通过2
×
2多模干涉仪(mmi)进行拍频，拍频后的信号由片上平衡探测器(bpd)接收探测。
10.所述的光源为连续稳定单频激光光源。
11.所述的第一掺铒光纤放大器(edfa)和第二掺铒光纤放大器(edfa)，用于补偿环路传输中的损耗。
12.所述的集成光电芯片中的片上iq调制器，信号由输入端的1
×
2mmi分束为i/q两路信号。i/q路分别经1
×
2mmi分束为马赫曾德尔干涉仪的两臂，受到rf信号调制。被调制的马赫曾德尔调制器的两臂激光信号通过1
×
2mmi合束。i/q路的马赫曾德尔调制器都工作在pull-push模式下。调节两路的直流偏压相等且工作在最小工作点，即v
dci
＝v
dcq
＝v
π
，，使载波被抑制，实现边模抑制比ssr～20db。q路除了马赫曾德尔调制器(mzm)以外还有一个热移相器pm，通过改变其直流偏置电压，调节上下两路光信号间相位差为
±
π/2，实现载波抑制单边带调制。两个马赫曾德尔调制器的输出信号由一个1
×
2mmi合束。所述的三个探测器分别用于监测调制器的工作点。
13.所述的片上iq调制器和级联可调谐光衰减器(voa)具有电光调制功能，iq调制器可以实现单边带调制，改变加载到iq调制器上的射频信号频率可以改变单边带的移频量，级联voa能够将连续光转化为脉冲光，两者结合实现移频以及脉冲调制作用。
14.所述的一种基于集成光电芯片的小型化分布式光纤传感系统，系统对散射回的信号采取外差相干探测的方式，传感光纤中的散射光与本振参考光通过一个2
×
2多模干涉仪(mmi)进行拍频，拍频后的信号经过片上平衡探测器(bpd)进行探测。
15.所述的传感光纤为普通单模光纤，可根据iq单边带调制器的移频量不同适用于φ-otdr及botdr分布式光纤传感系统。
16.本发明的特点在于：
17.(1)通过结合片上iq调制器和多级可调谐光衰减器(voa)，实现移频以及脉冲调制作用。iq调制器实现单边带调制，级联voa将连续光转化为脉冲光经端面耦合器耦合到光纤中用于探测。
18.(2)散射光与本振参考光通过2
×
2多模干涉仪(mmi)进行拍频，拍频后的信号通过片上平衡探测器(bpd)进行探测。
19.(3)基于端面耦合器，将窄线宽激光光源耦合到片上系统，经过片上定向耦合器分为本振参考光和探测光两部分。
20.本发明的优点在于：
21.利用硅基片上器件如端面耦合器、定向耦合器、多模干涉仪(mmi)、iq单边带调制器、监测探测器、多级可调谐衰减器(voa)以及片上平衡探测器(bpd)，将传统分立器件如调制器件、耦合器件和探测器件集成于同一芯片上的新型集成式光纤传感系统，克服已有的传统基于外差相干探测的分布式光纤传感系统结构装置基于分立器件的不足，更加集成化、小型化且可提高系统的稳定性并降低系统能耗。
附图说明
22.图1是本发明基于集成光电芯片的小型化分布式光纤传感系统的实施例结构示意图；
23.图2为本发明中片上iq单边带调制器和级联可调谐光衰减器(voa)的结构示意图。
24.图中：1-光源；
25.2-第一掺铒光纤放大器(edfa)；
26.3-集成光电芯片；
27.4-第一端面耦合器；
28.5-定向耦合器、51-定向耦合器的第一输出端口、52-定向耦合器的第二输出端口；
29.6-可调谐光衰减器(voa)；
30.7-片上iq调制器；71-第一1
×
2多模干涉仪(mmi)、72-第二1
×
2多模干涉仪(mmi)、73-马赫曾德尔干涉仪臂、74-热移相器、；75-第三1
×
2多模干涉仪(mmi)、76-热移相器、77-第一探测器、78-第二探测器；79-第四1
×
2多模干涉仪(mmi)；710-第三探测器；
31.8-级联可调谐光衰减器(voa)；81-可调谐光衰减器(voa)；
32.9-第二端面耦合器；
33.10-第二掺铒光纤放大器(edfa)；
34.11-环形器、111-环形器的第一端口、112-环形器的第二端口、113-环形器的第三端口；
35.12-待测光纤(fut)；
36.14-2
×
2多模干涉仪(mmi)、141-2
×
2多模干涉仪的第一端口、142-2
×
2多模干涉仪的第二端口。
具体实施方式
37.下面结合实施例和附图对本发明作进一步说明，但不应以此限制本发明的保护范围。
38.请参阅图1，图1是本发明一种基于集成光电芯片的小型化分布式光纤传感系统的实施例的结构示意图。对于该实施例中系统各部分器件参数指标如下：
39.光源1为连续稳定单频激光光源，工作波长为1550nm，输出功率20mw，洛伦兹线宽为3khz。第一掺铒光纤放大器(edfa)2、第二掺铒光纤放大器(edfa)10，用于补偿环路传输中的损耗，工作波段为1528nm-1563nm，输入光功率为-20dbm-10dbm，典型值1dbm，输出光功率最大值为100w。集成光电子芯片，为硅基集成光电子芯片。集成光电子芯片3中的端面耦合器4、9、13，工作波段为c波段，损耗为2.8-3.5db/facet(无匹配油)，1.5-2db/facet(有匹
配油)。片上iq调制器7中的1
×
2多模干涉仪(mmi)72、75、79，工作波段为c波段，插入损耗《0.3db，分束比为50/50，尺寸为3.6um
×
11.6um。马赫曾德尔电光调制器，工作波段为c波段，插入损耗～4db，长度为3mm，调制效率vpil＝1.7v.cm，3db带宽为30ghz。热移相器75、76的pi相移功耗为1mw/pi shift，电阻为1698ω，尺寸为1.5um
×
190um。单级可调谐光衰减器(voa)6，工作波段为c波段，插入损耗为0.2db，3db带宽》100mhz，最大可调衰减为6db，长度为1mm。2
×
2多模干涉仪(mmi)14，工作波段为c波段，插入损耗《0.3db，分束比为50/50，尺寸为6um
×
42.7um。片上平衡探测器15为pin型ge光电探测器，工作波段为c波段，响应度≥0.82a/w，3db带宽》35ghz，暗电流≤20na@1v。传感光纤12为普通单模smf-28光纤。
40.本发明的一种基于集成光电芯片的小型化分布式光纤传感系统，其具体工作原理及步骤如下：
41.(1)激光器光源1发出的连续稳定单频激光经过第一掺铒光纤放大器(edfa)2功率放大后经过光纤阵列从端面耦合器4耦合进入集成光电芯片3，连续光再经定向耦合器5分为探测光和参考光。
42.(2)探测光在iq调制器7输入端通过1
×
2mmi 71分束为i/q两路信号。i/q路分别经1
×
2mmi 72分束为马赫曾德尔干涉仪的两臂，受到rf信号调制。被调制的马赫曾德尔调制器的两臂激光信号通过1
×
2mmi 75合束。i/q路的马赫曾德尔调制器都工作在pull-push模式下。调节两路中热移相器74所加载的直流偏压相等且工作在最小工作点，即v
dci
＝v
dcq
＝v
π
，使载波被抑制，实现边模抑制比ssr～20db。q路除了mzm以外还有一个热移相器(pm)76，通过改变其直流偏置电压，调节上下两路光信号间相位差为实现载波抑制单边带调制。两个马赫曾德调制器的输出信号由一个1
×
2mmi 79合束。利用三个探测器77、78、710用于监测调制器的工作点。改变加载到iq调制器上的射频信号频率可以改变单边带的移频量为100mhz和11.8ghz，以分别适用于φ-otdr及botdr分布式光纤传感系统。
43.(3)iq调制器7输出端输出连续激光信号通过同步控制的级联可调谐光衰减器(voa)8进行三级衰减，形成重复频率为20khz，上升沿时间＜10ns，脉宽为100ns的脉冲序列。
44.(4)脉冲序列经由端面耦合器耦合经过第二掺铒光纤放大器(edfa)10功率放大后从环形器11输入端口111输入，从输出端口112进入待测光纤，用于光纤链路的探测。
45.(5)系统对散射回的信号采取外差相干探测的方式，待测光纤12散射的信号光经由环形器11第三端口113输入后，从端面耦合器耦合进入集成光电芯片3，本振参考光为经过可调谐衰减器(voa)6衰减后的光，光纤中散射光与本振参考光通过一个2
×
2多模干涉仪(mmi)14进行拍频，拍频后的信号经过片上平衡探测器(bpd)15进行探测后对信号的幅度和相位信息进行解调，进而实现事件定位和定量化测量。