一種用於梳狀光譜微小變化的高靈敏度快速解調系統的製作方法
2023-05-28 11:06:11 4
本發明涉及光譜解調技術領域，更具體涉及一種用於梳狀光譜微小變化的高靈敏度快速解調系統。
背景技術：
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基於模式耦合、幹涉效應、環形諧振腔等技術原理的光纖傳感器，也稱為相位調製型光纖傳感器。其基本原理為光纖內傳輸光的相位在被測物理量的影響下發生變化，從而使傳感器輸出的光譜發生偏移。檢測輸出光譜的偏移值，就可以獲得待測物理量的大小。由於相位調製型光纖傳感器輸出光譜均是周期性梳狀光譜，因此，研究梳狀光譜微小變化的快速解調技術是實現高靈敏度、高響應速度的相位調製型光纖傳感技術的關鍵。
目前，梳狀光譜的解調技術主要可以分為兩大類。一種是採用光譜測量裝置(如光譜儀)直接測量光譜的偏移值，這種方法叫波長檢測法。波長檢測法光譜解調範圍寬，可達到上百nm，實現梳狀光譜的全範圍解調。但是，當被測物理量變化較小時，所引起的傳感器輸出的梳狀光譜的偏移量也很小。此時檢測靈敏度會受到光譜儀本身的最高解析度的限制。並且，由於光譜儀的波長解調速度較低(響應速度最快至ms級)，難以捕捉光譜的快速變化，不適合較高頻率的瞬變信號檢測系統。此外，光譜儀等設備體積笨重，價格昂貴，不便於攜帶。
另一種方法是可調窄帶光源檢測法。當周期性梳狀光譜發生變化時，梳狀波長附近的線性變化區域內某固定波長處的光強同時也會發生改變。選定該波長為工作波長，探測該工作波長處光強的變化，就可以實現被測信號的 有效解調。由於梳狀光譜半帶寬窄，Q值較高，梳狀光譜微小波長的變化會引起較大的光功率變化。因此，採用該方法可實現微小信號的高靈敏度檢測。並且，該方法的檢測速度主要取決於光電探測器的響應速度，最高可達到皮秒量級，可快速捕捉脈衝信號的變化。但是，該方法只能工作在梳狀光譜的線性區域內，光譜解調範圍窄，尤其是傳感器輸出高Q值的周期光譜特徵時，其線性區範圍只有幾十pm。此外，該方法需要可調諧的窄帶雷射器作為探測源，成本高。針對不同的傳感器，線性區範圍不同，因此，需要預先調節探測源的工作波長，操作比較複雜。
技術實現要素：
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本發明的目的是提供一種用於梳狀光譜微小變化的高靈敏度快速解調系統，解決了當前梳狀光譜解調技術中存在的測量範圍與測量速度相互矛盾、難以同時提高的問題。
為實現上述目的，本發明採用以下技術方案：一種用於梳狀光譜微小變化的高靈敏度快速解調系統，包括三埠環行器、在所述三埠環行器的二埠處設有啁啾光柵、在所述三埠環行器的三埠處設有長周期光柵和與所述長周期光柵連接的相位調製型光纖傳感器；在所述長周期光柵旁設有能接收到光功率變換的光電探測器；所述光電探測器與信號處理採集顯示系統連接。
ASE寬帶光源輸出的光譜入射至所述三埠環形器中，經過所述三埠環形器的一埠輸入，經所述二埠輸出後進入所述啁啾光柵；所述啁啾光柵的反射譜經過所述三埠環形器的二埠輸入，經所述三埠輸出後進入所述長周期光柵。
選擇所述啁啾光柵的反射通帶範圍為梳狀光譜的一個光譜周期，同時其 帶通中心波長對準所述相位調製型光纖傳感器待解調的梳狀譜中心波長。
選擇所述長周期光柵的透射譜的線性區域與所述啁啾光柵的反射通帶範圍一致，即對準梳狀光譜的一個光譜周期，並且所述透射頻譜的中心波長對準相位調製型光纖傳感器待解調的梳狀譜中心波長。
在所述相位調製型光纖傳感器處，當輸出的所述梳狀光譜相位在被測信號影響下改變時，通過所述長周期光柵的光強就會發生變化，由於長周期光柵的透射率隨之改變，通過長周期光柵的光強就會發生變化；此時，由所述光電探測器探測到的光功率變化，就得到被測物理量的大小，實現梳狀光譜的高靈敏度快速解調。
所述ASE寬帶光源的光譜範圍為1510～1580nm，其輸出光功率最大30mW。
和最接近的現有技術比，本發明提供技術方案具有以下優異效果
1、本發明技術方案同時兼具波長檢測法和可調窄帶光源檢測法的優點；
2、本發明技術方案不僅光譜解調範圍寬，而且解調速度高；
3、本發明技術方案採用高速光電探測器可達到皮秒量級，可快速捕捉被測物理信號的變化，解決了當前梳狀光譜解調技術中存在的測量範圍與測量速度相互矛盾、難以同時提高的問題；
4、本發明技術方案結構簡單、無昂貴儀器設備、成本低、易於便攜；
5、本發明技術方案實用化程度較高。
附圖說明
圖1為本發明實施例解調系統結構示意圖；
圖2為本發明實施例典型的梳狀光譜圖；
圖3為本發明實施例長周期光柵透射譜圖。
具體實施方式
下面結合實施例對發明作進一步的詳細說明。
實施例1：
本例的發明提供一種用於梳狀光譜微小變化的高靈敏度快速解調系統，
如附圖1所示，所述系統的組成以及相關參數包括三埠環行器、在所述三埠環行器的二埠處設有啁啾光柵、在所述三埠環行器的三埠處設有長周期光柵和與所述長周期光柵連接的相位調製型光纖傳感器；在所述長周期光柵旁設有能接收到光功率變換的光電探測器；所述光電探測器與信號處理採集顯示系統連接。
ASE寬帶光源：光譜範圍1510～1580nm，輸出光功率最大30mW；啁啾光柵：反射光帶通範圍為1542-1557nm，反射率為90％；長周期光柵：透射譜線性區範圍為1542-1560nm，透射率90％；相位調製型光纖傳感器，光譜周期為15nm，待解調的梳狀譜中心波長為1550nm。
ASE寬帶光源輸出的光譜，入射至三埠環形器中，經過環形器的一埠輸入，經二埠輸出後進入啁啾光柵。
啁啾光柵的作用是帶通反射濾波，相當於一個帶通反射濾波器。為了避免梳狀光譜不同周期之間的相互幹擾，選擇啁啾光柵反射通帶範圍為梳狀光譜的一個光譜周期，同時帶通中心波長對準相位調製型光纖傳感器待解調的梳狀譜中心波長。典型的梳狀光譜如附圖2所示，啁啾光柵的反射譜經過環形器二埠輸入，經三埠輸出後進入長周期光柵。
長周期光柵的作用是帶阻濾波，相當於一個帶阻濾波器，其透射譜在透射峰值兩側各有一段近似線性區間，如附圖3所示，在這段區域內，透射率 與工作波長成近似線性關係。選擇長周期光柵透射譜的線性區域與啁啾光柵的反射通帶範圍一致，即對準梳狀光譜的一個光譜周期，並且中心波長對準相位調製型光纖傳感器待解調的梳狀譜中心波長。
在相位調製型光纖傳感器處，當輸出的梳狀光譜相位在被測信號影響下改變時，通過長周期光柵的光強就會發生變化，由於長周期光柵的透射率隨之改變，通過長周期光柵的光強就會發生變化。
此時，由高速光電探測器探測到的光功率變化，就可以得到被測物理量的大小，實現梳狀光譜的高靈敏度快速解調。
系統使用步驟
(1)根據相位調製型光纖傳感器輸出光譜的中心波長、光譜周期等參數確定啁啾光柵及長周期光柵的光譜帶寬與範圍，組建解調系統；
(2)打開ASE光源、信號處理及顯示系統；
(3)觀察並記錄光電探測器輸出值，獲得被測物理信號的大小。
最後應當說明的是：以上實施例僅用以說明本發明的技術方案而非對其限制，所屬領域的普通技術人員儘管參照上述實施例應當理解：依然可以對本發明的具體實施方式進行修改或者等同替換，這些未脫離本發明精神和範圍的任何修改或者等同替換，均在申請待批的本發明的權利要求保護範圍之內。