基於非對稱分布反饋技術的傳感器的製作方法

2023-08-07 22:59:26 2

專利名稱：基於非對稱分布反饋技術的傳感器的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種動態應變、振動、聲波傳感器的傳感裝置，尤其涉及一種基於非對稱分 布反饋光纖雷射器(NADFB-FL)技術的傳感器。
(二)
背景技術：
振動傳感器正被廣泛應用在國民經濟的各部門，然而，電子基的振動傳感器體積大，易 受電磁幹擾，傳感部件有電流與電壓的存在，這大大限制了其應用範圍，例如大型機電設備 在工作時會產生強電磁場及存在易燃、易爆氣體的場所，因此體積小、抗電磁幹擾能力強、 易於多點復用、傳感元件不需帶電的光纖振動傳感器正成為研究的熱點。早期的光纖振動傳 感器都基於光學無源設計，大致分強度型、光纖幹涉儀型、光纖光柵型(FBG)，這些技術極 大的推動了聲波探測技術的發展，也存在著精度較低、抗外界幹擾差等方面的問題。上世紀 90年代發達國家的研究人員迅速開發出了分布反饋光纖雷射(DFB-FL)型聲波傳感器，具有 比較高的靈敏度，大的動態範圍、非常小的體積，它還能很方便利用成熟的C波段波分復用 系統組成陣列，這為基於光學有源設計的光纖振動傳感器的研究奠定了基礎，如2004年12 月份刊的《光機電信息》雜誌第8頁所提的DFB雷射器既是此類用作光纖振動傳感器的器件。 但是由於傳統的對稱分布反饋光線雷射型聲波傳感器它兩端輸出光強的對稱性，使得有相當 一部分光信號損失掉，效率比較低，靈敏度也有提高的潛力，體積也有減小的可能。
(三)

發明內容
為克服現有技術的缺陷和不足，本發明提出了一種基於非對稱分布反饋技術的傳感器。 一種基於非對稱分布反饋技術的傳感器，它包括泵浦源，諧振腔，以及連通泵浦源和諧 振腔的耦合器，以及與耦合器相連接的解調光路，其特徵在於所述諧振腔是非對稱分布反饋
諧振腔。
所述泵浦源為980nm半導體雷射器。 所述耦合器為波分復用耦合器。
所述解調光路包括與波分復用耦合器連接的馬赫-貞德(Mach-Zenhder)幹涉儀，以及 與其相連的密集波分復用(DWDM)模塊。
上述波分復用即將不同的頻率放在一個單纖通道裡邊，叫波分復用單纖多通道，為光通 訊領域術語。
本發明在使用時，980nm泵浦光通過波分復用耦合器(WDM)耦合至工作波長在C波段各 個波長Al、 A 2、…入n的非對稱分布反饋(NADFB)傳感器諧振腔，由於外界聲波會影響 諧振腔的腔長，使得輸出光信號的波長有一個微小的變化，這樣受到泵浦的非對稱分布反饋光纖雷射傳感器發出包含有振動信息的Al、 X2、…Xn的信號光，信號光進入馬赫-貞德 (Mach-Zenhder)幹涉儀對波長信號解調，信號解調後進入密集波分復用系統(DWDM)將各 波長分開，各波長的光信號分別進入相應探測器轉化成電信號，經數據採集系統分析出振動 信號，這樣通過密集波分復用(DWDM)技術實現傳感器的陣列組成。參照國際電信聯盟(ITU) 在C波段波分復用波長間隔設計32波長的非對稱分布反饋光纖雷射傳感器(NADFB-FL)， 可以實現單光纖32隻傳感器的復用。
本發明實現了基於非對稱分布反饋光纖雷射器(NADFB-FL)技術的聲波振動傳感器。它利 用聲波對諧振腔的擾動改變雷射器輸出波長拾取聲波信號，非對稱型諧振腔可有效改善分布 反饋光纖雷射器(DFB-FL)的輸出特性。波長型傳感方式克服了光迴路損耗的變化帶來的噪 聲，非對稱分布反饋光纖雷射(NADFB-FL)傳感器的輸出波長單色性可以做的非常好(線寬 可小於20K Hz)，因此，這種傳感器具有極高的解析度(可達100uPa)，通過適當的封裝技 術和解調方法可使它具有極高的靈敏度，成熟的波分復用技術使這種傳感器非常容易組成陣 列，NADFB-FL水聽器陣列的體積和重量在相同探測能力下可以減小到壓電陶瓷陣列的百分 之一。它將大大提高現有對稱分布反饋光纖雷射傳感器(DFB-FL)的靈敏度，應用對"採取 靜音措施"，的水下武器的探測，也能廣泛應用於海洋石油勘探等領域。非對稱分布反饋光 纖雷射(NADFB-FL)傳感器的發明能大大促進光學有源傳感領域的發展。
非對稱分布反饋諧振腔的原理及其製作工藝
傳統上主要存在著3種DFB雷射器的設計方法，它們具有顯著區別的運轉特性。圖4是 一經典DFB雷射器，它由折射率均勻調製的光柵構成，具有恆定的幅度和固定的周期。這一類 DFB雷射器在不同波長的2個單縱模下運行，其波長與光柵帶隙的2個邊緣相對應，從光柵兩端 對稱地輸出功率Pleft和Pright ，且均等地分布在2個模式上，形成了雙波長雙向運轉方式。 然而實際中，單一波長單縱模運轉是我們所期望的。這一點，可通過在光柵的空間相位中引入 "相移來實現。如果相移發生在光柵中間位置,如圖4所示，由於有效諧振腔的對稱性,則兩 端輸出的功率是相等的。這樣的有效諧振腔提供單一縱模雙向運轉，激射波長與光柵布拉格 波長相對應。而如果將相移相對光柵中心非對稱地放置，如圖5所示,則能從光柵段較短的一
端獲得更大的雷射功率輸出。
在抽運源進纖功率65 mW時,測量到的前向端最大雷射輸出功率約3 mW的光譜曲線，在此 路中未發現剩餘的抽運光，而此時後向埠處則僅有約O. 3mW的雷射輸出。並且，連續開機兩 小時以上，未觀測到峰值波長漂移和自脈動現象，且輸出功率起伏小於l %。
非對稱分布反饋諧振腔的製作工藝與對稱分布反饋諧振腔的製作工藝大致相同光柵 設計方法運用於Er-Yb共摻光纖，其數值孔徑NA = 0.1921 ,纖芯半徑為2. 3 u m，截止波長為
1150 nm。摻Er濃度為3X1023 m—3 ,慘Yb濃度為3. 4 X1023m—3 ,光纖橫截面內的折射率分 布是階躍型的，纖芯中所摻雜質均勻分布。將該光纖經過載氫處理後,在由相位掩膜所產生的紫外幹涉條紋模式下曝光,折射率光柵就在光敏層上形成了。在此光柵設計長度為50 mm，輸 出雷射中心波長在1550 nm。選擇耦合係數k和相移位置^的最佳值分別為150 m—'和 29mm， Er-Yb共摻光纖長度略大於50mm ,並且在刻制光柵前在其兩端各焊接一段單模光纖，既 便於實現單模運轉，也有利於與其它通信器件連接。本發明的有益效果可根據對上述方案的敘述得知，由於所述非對稱分布反饋諧振腔相移 位置不在中間或者折射率調製深度不同，產生的雷射將從一端輸出為主，我們利用主要輸出 端的光作為光信號，這樣提高了對光的利用率，且由於聲波等外界影響對諧振腔的影響兩邊 不對稱，提高了對外界響應的靈敏度。利用活塞式或者牙齒狀的封裝結構對所述傳感器進行 封裝，可以進一步提高靈敏度，並且達到輕便小巧的目的。採用C波段的密集波分復用技術 實現非對稱分布反饋(NADFB)傳感器陣列，可以觀察到不同波長的光對聲波信號的響應， 提高了該傳感器的精度。本發明可以明顯改善DFB-FL的輸出特性，有效減小分布式反饋光纖雷射器(DFB-FL) 的長度，從而進一步縮小體積、減輕重量、提高靈敏度。(四)


圖1利用密集波分復用(DWDM)系統組成非對稱分布反饋光纖雷射(NADFB-FL)傳感器 陣列的示意圖；圖2是非對稱分布反饋光纖雷射器的泵浦光路； 圖3是NADFB-FL對聲波的響應測試系統；圖4是對稱分布反饋諧振腔折射率分布圖；圖5是相移位置型NADFB諧振腔折射率分布圖；圖6是用於聲波振動傳感的活塞式封裝。其中1、泵浦源，2、耦合器，3、諧振腔，4、馬赫-貞德(Mach-Zenhder)幹涉儀，5、 密集波分復用模塊，6、光電探測器，7、數據處理模塊，8、傳感器振動信號輸出，9、光程 差(OPD)， 10、壓電陶瓷調製器(PZT modulator), 11、反饋放大器，12、聲波，13、差分 放大電路，14、低通濾波器(LPF)， 15、帶通濾波器(BPF)， 16、數位訊號處理電路(DSP)， 17、矽膠，18、鋁合金剛性圓筒，19、鋁合金底端板，20、連接光纖，21、膠。
具體實施方式
下面結合附圖和實施例對本發明做進一步說明，但不限於此。 實施例一種基於非對稱分布反饋技術的傳感器，它包括泵浦源，諧振腔，以及連通泵浦源和諧 振腔的耦合器，以及與耦合器相連接的解調光路，其特徵在於所述諧振腔是非對稱分布反饋諧振腔。本發明實施例如圖1所示，它包括泵浦源1、諧振腔3、以及連通泵浦源1和諧振腔3的耦合器2，以及與稱合器2相連接的解調光路，其特徵在於所述諧振腔3是非對稱分布反 饋諧振腔。所述泵浦源l為980nm半導體雷射器。所述耦合器2為波分復用耦合器。所述解 調光路包括與波分復用耦合器2連接的馬赫-貞德(Mach-Zenhder)幹涉儀4，以及與其相 連的密集波分復用(DWDM)模塊5。本發明在使用時，980nm泵浦源1通過波分復用耦合器2(WDM)耦合至工作波長在C波 段各個波長人l、入2、…An的非對稱分布反饋光纖雷射(NADFB-FL)諧振腔3中，受到泵 浦的非對稱分布反饋光纖雷射(NADFB-FL)傳感器發出包含有振動信息的入l、入2、…入n 的信號光，信號光進入馬赫-貞德(Mach Zenhder)幹涉儀4對波長信號解調，信號解調後 進入密集波分復用(DW面)模塊中將各波長分開，分別進入光電探測器6陣列轉化成電信號， 經數據處理模塊7分析出振動信號，振動信號對應各傳感器振動信號輸出8。這樣通過密集 波分復用(DW匿)技術實現傳感器的陣列組成。參照國際電信聯盟(ITU)在C波段波分復用 波長間隔設計32波長的非對稱分布反饋光纖雷射(NADFB-FL)傳感器,可以實現單光纖32 只傳感器的復用。非對稱分布反饋光纖雷射(NADFB-FL)傳感器性能測試如圖3所示搭建光路，採用 980nm半導體雷射器(LD)作泵浦源1，產生的光通過波分復用耦合器2進入到非對稱分布 反饋諧振腔中，由於外界聲波振動會使諧振腔產生一個應變，因此經泵浦後的信號光就包含 了外部聲波的調製信息，經過調製的信號光再通過一個耦合器2， 一路經過相位延遲，另一 路經過來自輸出端經低通濾波反饋放大的信號的調製，共同進入光電探測器6轉變成為電信 號，經差分放大電路13放大得到所需要的受外界聲波信號調製的光信號，通過帶通濾波器 15進入數位訊號處理電路16進行處理，得到對外界聲波信號的響應。也可以說，輸出的信 號光進入一個馬赫-貞德(Mach-Zenhder)幹涉儀4，這樣可以進行非對稱分布反饋光纖激 光(NADFB-FL)傳感器的泵浦閾值、泵浦效率、輸出線寬等特性的測試寬等特性的測試，可 以了解該系統對當前聲波相應的靈敏度以及響應譜。測試證明，非對稱分布反饋光纖雷射器 (NADFB-FL)的輸出特性可以用於聲波傳感器的用途，並且實現了低閾值，高效率，高靈敏 度的目的。非對稱分布反饋(NADFB)傳感器所用外部封裝技術所用外部封裝結構採用對稱分布 式光纖雷射傳感器的常用封裝活塞式封裝。如圖6所示，採用半徑為2mm，厚度2mm的鋁合 金剛性圓筒18做成外殼，內部注入矽膠17作為彈性填充物(彈性係數為4KN/m)，兩端為可以 做活塞運動的鋁合金底端板19，底端板的半徑為2mm，厚度2ram，重量為O. 08g，拉置好的光 纖20從底端板的中央穿過，為防止內部鬆弛，將光纖20加一預應力後與底端板用AB膠21粘牢， 使得諧振腔位於圓筒中央。這種封裝形式對縱向的聲波振動非常敏感，通過有限元分析和實 驗驗證，這種封裝形式比裸光纖可以增敏40dB，有非常好的低頻響應，1-1K Hz響應平坦。 適合用於水聽器陣列等其它聲波傳感裝置。
權利要求
1.一種基於非對稱分布反饋技術的傳感器，它包括泵浦源，諧振腔，以及連通泵浦源和諧振腔的耦合器，以及與耦合器相連接的解調光路，其特徵在於所述諧振腔是非對稱分布反饋諧振腔。
2. 如權利要求1所述一種基於非對稱分布反饋技術的傳感器，其特徵在於所述泵浦源 為980nm半導體雷射器。
3. 如權利要求1所述一種基於非對稱分布反饋技術的傳感器，其特徵在於所述耦合器 為波分復用耦合器。
4. 如權利要求1所述一種基於非對稱分布反饋技術的傳感器，其特徵在於所述解調光 路包括與波分復用耦合器連接的馬赫-貞德幹涉儀，以及與其相連的密集波分復用模塊。
全文摘要
基於非對稱分布反饋技術的傳感器，屬傳感器領域，包括泵浦源，諧振腔，以及連通泵浦源和非對稱分布反饋諧振腔的波分復用耦合器，以及與耦合器相連接的解調電路，其特徵在於所述諧振腔是非對稱分布反饋諧振腔。本發明可以明顯改善DFB-FL的輸出特性，有效減小分布式反饋光纖雷射器(DFB-FL)的長度，從而進一步縮小體積、減輕重量、提高靈敏度。
文檔編號G01H9/00GK101303241SQ20081013831
公開日2008年11月12日 申請日期2008年7月8日 優先權日2008年7月8日
發明者於光義, 劉復俊, 軍 常, 王青圃, 廣 陳 申請人:山東大學