本發(fā)明涉及一種傳感系統(tǒng)，尤其是一種多縱模光纖激光器傳感復(fù)用系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

基于光纖的傳感器因其具有體積小、抗電磁干擾、高靈敏度和易于復(fù)用等優(yōu)點(diǎn)而獲得了長(zhǎng)足的發(fā)展。通常復(fù)用的光纖傳感器都是基于光纖光柵(fbg)。因?yàn)閭鞲辛扛淖兊氖莊bg的波長(zhǎng)，所以解調(diào)系統(tǒng)需要使用笨重的光學(xué)設(shè)備或者復(fù)雜的方案來探測(cè)波長(zhǎng)的改變。微波光子技術(shù)另開另一解調(diào)途徑，即把傳感量轉(zhuǎn)化成微波解調(diào)。相比于光學(xué)解調(diào)，微波解調(diào)法具有簡(jiǎn)單、緊湊和高分辨率等優(yōu)點(diǎn)。

微波光子解調(diào)法又可以再分成兩類。一類可稱為被動(dòng)式，主要是基于微波光子濾波器。一般來說會(huì)使用矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀(vna)來獲得這種傳感器的頻率響應(yīng)(頻響)。但是vna成本較高而且掃頻響的過程比較慢。另一類方案可以稱為主動(dòng)式，主要是基于光纖激光器。光纖激光器輸出的激光送入光電探測(cè)器(pd)產(chǎn)生電信號(hào)。為了產(chǎn)生微波信號(hào)就需要光纖激光器至少輸出兩個(gè)模式。文獻(xiàn)上報(bào)道的光纖激光器傳感器產(chǎn)生的兩個(gè)模式一般來自于偏振模。但是偏振模式不是很穩(wěn)定。這兩個(gè)模式還能夠來自于兩個(gè)縱模。通過在激光腔中插入雙相移fbg，通過其中兩個(gè)很窄的通帶就可以選出兩個(gè)縱模。但雙相移fbg制作很復(fù)雜，而且成本也相對(duì)較高。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于提供一種結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單易于實(shí)現(xiàn)的多縱模光纖激光器傳感復(fù)用系統(tǒng)。

為了實(shí)現(xiàn)上述發(fā)明目的，本發(fā)明提供了一種多縱模光纖激光器傳感復(fù)用系統(tǒng)，包括三個(gè)波分復(fù)用器、一個(gè)隔離器、一個(gè)耦合器、一個(gè)半導(dǎo)體光放大器、一個(gè)偏振控制器、一個(gè)固定臺(tái)、一個(gè)位移臺(tái)、一個(gè)烤箱、兩個(gè)衰減器以及兩路裸單模光纖；

兩個(gè)衰減器分別串接在兩路裸單模光纖上；一路裸單模光纖設(shè)有一段光纖位于烤箱內(nèi)，另一路裸單模光纖設(shè)有相同長(zhǎng)度的一段繞卷在兩根銅柱上；兩根銅柱分別安裝在固定臺(tái)和位移臺(tái)上；

兩路裸單模光纖的一端連接在第一波分復(fù)用器的兩個(gè)分路連接端上，兩路裸單模光纖的另一端連接在第二波分復(fù)用器的兩個(gè)分路連接端上；第一波分復(fù)用器的合路連接端通過隔離器連接在耦合器上；第二波分復(fù)用器的合路連接端依次通過偏振控制器和半導(dǎo)體光放大器后連接在耦合器上；耦合器的耦合輸出端連接至第三波分復(fù)用器的合路連接端上；第三波分復(fù)用器的兩個(gè)分路連接端用于分別與光電探測(cè)器的兩個(gè)輸入端相連。

采用在激光器中插入wdm(波分復(fù)用器)對(duì)和soa(半導(dǎo)體光放大器)，同時(shí)將傳感量加在wdm對(duì)之間的光纖上，這樣就實(shí)現(xiàn)了復(fù)用；通過將多波長(zhǎng)的輸出送入一個(gè)解復(fù)用器就實(shí)現(xiàn)了傳感器的解復(fù)用，通過光電轉(zhuǎn)換，就將傳感量的解調(diào)變成電信號(hào)的解調(diào)，而電信號(hào)的解調(diào)是很成熟和靈活的。

作為本發(fā)明的進(jìn)一步限定方案，隔離器的導(dǎo)通方向?yàn)轳詈掀髦恋谝徊ǚ謴?fù)用器的合路連接端。采用隔離器實(shí)現(xiàn)了耦合器至第一波分復(fù)用器的單向運(yùn)行。

作為本發(fā)明的進(jìn)一步限定方案，第一波分復(fù)用器與第二波分復(fù)用器的通道隔離度大于30db。

本發(fā)明的有益效果在于：采用在激光器中插入wdm(波分復(fù)用器)對(duì)和soa(半導(dǎo)體光放大器)，同時(shí)將傳感量加在wdm對(duì)之間的光纖上，這樣就實(shí)現(xiàn)了復(fù)用；通過將多波長(zhǎng)的輸出送入一個(gè)解復(fù)用器就實(shí)現(xiàn)了傳感器的解復(fù)用，通過光電轉(zhuǎn)換，就將傳感量的解調(diào)變成電信號(hào)的解調(diào)，而電信號(hào)的解調(diào)是很成熟和靈活的。

附圖說明

圖1為本發(fā)明的多縱模光纖激光器復(fù)用系統(tǒng)示意圖；

圖2為本發(fā)明測(cè)得的wdm3之前光譜圖；

圖3為本發(fā)明測(cè)得的wdm3的ch22通道光譜圖；

圖4為本發(fā)明測(cè)得的wdm3的ch23通道光譜圖；

圖5為本發(fā)明測(cè)得的9950mhz到10050mhz之間在wdm3之前的頻譜；

圖6為本發(fā)明測(cè)得的9950mhz到10050mhz之間在wdm3的ch22通道頻譜；

圖7為本發(fā)明測(cè)得的9950mhz到10050mhz之間在wdm3的ch23通道頻譜；

圖8為本發(fā)明測(cè)得的dc到6000mhz之間在wdm3的ch22通道頻譜；

圖9為本發(fā)明測(cè)得的dc到6000mhz之間在wdm3的ch23通道頻譜；

圖10為本發(fā)明的ch22和ch23中的bfs對(duì)加在ch22上的應(yīng)變的響應(yīng)；

圖11為本發(fā)明的ch22和ch23中的bfs對(duì)加在ch23上的溫度的響應(yīng)；

圖12為本發(fā)明的ch22和ch23中的bfs的穩(wěn)定性。

具體實(shí)施方式

如圖1所示，本發(fā)明公開的多縱模光纖激光器傳感復(fù)用系統(tǒng)包括：三個(gè)波分復(fù)用器、一個(gè)隔離器、一個(gè)耦合器、一個(gè)半導(dǎo)體光放大器、一個(gè)偏振控制器、一個(gè)固定臺(tái)、一個(gè)位移臺(tái)、一個(gè)烤箱、兩個(gè)衰減器以及兩路裸單模光纖；

其中，兩個(gè)衰減器分別串接在兩路裸單模光纖上；一路裸單模光纖設(shè)有一段光纖位于烤箱內(nèi)，另一路裸單模光纖設(shè)有相同長(zhǎng)度的一段繞卷在兩根銅柱上；兩根銅柱分別安裝在固定臺(tái)和位移臺(tái)上；

兩路裸單模光纖的一端連接在第一波分復(fù)用器的兩個(gè)分路連接端上，兩路裸單模光纖的另一端連接在第二波分復(fù)用器的兩個(gè)分路連接端上；第一波分復(fù)用器的合路連接端通過隔離器連接在耦合器上；第二波分復(fù)用器的合路連接端依次通過偏振控制器和半導(dǎo)體光放大器后連接在耦合器上；耦合器的耦合輸出端連接至第三波分復(fù)用器的合路連接端上；第三波分復(fù)用器的兩個(gè)分路連接端用于分別與光電探測(cè)器的兩個(gè)輸入端相連；

隔離器的導(dǎo)通方向?yàn)轳詈掀髦恋谝徊ǚ謴?fù)用器的合路連接端；第一波分復(fù)用器與第二波分復(fù)用器的通道隔離度大于30db。

激光器的增益由半導(dǎo)體光放大器(soa)提供。soa是非均勻展寬介質(zhì)，能夠穩(wěn)定支持多波長(zhǎng)激射。波分復(fù)用器(wdm1)和wdm2的通道互相匹配，激射波長(zhǎng)由這些通道的中心波長(zhǎng)所決定。因?yàn)閣dm通道的帶寬遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于激光器諧振腔的自由頻譜程(fsr)，所以在每個(gè)激射波長(zhǎng)中都存在很多縱模，就是每一個(gè)激射波長(zhǎng)都對(duì)應(yīng)于一個(gè)多縱模光纖激光器傳感器。這里基于光纖光柵的傳感復(fù)用系統(tǒng)需給每一個(gè)光纖光柵分配一個(gè)波長(zhǎng)區(qū)間，否則會(huì)造成相鄰光纖光柵的串?dāng)_。本實(shí)施例中不存在這個(gè)問題，波長(zhǎng)是固定的，傳感信息是由單個(gè)波長(zhǎng)中的多縱模攜帶的。相比于傳統(tǒng)方案，此方案有望能夠復(fù)用更多的傳感器。將激射的多波長(zhǎng)送入wdm3，多波長(zhǎng)解復(fù)用到各自的通道，將每個(gè)通道的波長(zhǎng)送入光電探測(cè)器產(chǎn)生電頻梳，數(shù)學(xué)上可以寫成

其中p和q是模式數(shù)，c是真空光速，n是激光器諧振腔的有效折射率，li是wdm1和wdm2之間的第i個(gè)通道的長(zhǎng)度，lm是wdm對(duì)之外共用的激光器諧振腔的長(zhǎng)度，n＝p-q指示某一拍頻。wdm對(duì)之間的一段光纖被用來加載傳感量。如果加在傳感光纖上的應(yīng)變產(chǎn)生變化，則拍頻產(chǎn)生頻移動(dòng)，可以寫成

其中pe是彈光系數(shù)，li是傳感光纖的長(zhǎng)度，δε是加載的應(yīng)變量。

如果加載傳感光纖上的溫度產(chǎn)生變化，拍頻也會(huì)頻移，可以寫成

其中α和ξ是線性擴(kuò)張和熱光系數(shù)，δt是溫度變化。從(4)式和(5)式可以看出拍頻是隨著應(yīng)變和溫度線性變化的，于是解調(diào)出頻移就能獲得傳感量。

本發(fā)明公開的多縱模光纖激光器傳感復(fù)用系統(tǒng)在具體實(shí)施過程中，包括如下步驟：

(1)soa(半導(dǎo)體光放大器)設(shè)置：本實(shí)施例復(fù)用了兩個(gè)傳感器；soa提供增益，soa前放置一個(gè)偏振控制器調(diào)節(jié)偏振態(tài)；soa后加入一個(gè)隔離器保證單向運(yùn)行。

(2)wdm(波分復(fù)用器)對(duì)中的通道設(shè)置：wdm對(duì)的通道要互相匹配，通道間的隔離度超過30db；wdm對(duì)的ch22和ch23被選中用來傳感，帶寬都是25ghz；ch22中的一段長(zhǎng)為5m的裸單模光纖卷在兩個(gè)銅柱之間；其中一個(gè)銅柱固定在光學(xué)平臺(tái)上，另一個(gè)銅柱固定在位移臺(tái)上；通過調(diào)節(jié)位移臺(tái)，應(yīng)變就加在了光纖上；ch23中的一段長(zhǎng)為5m的裸單模光纖放在一個(gè)烤箱中，烤箱可以調(diào)節(jié)箱中的溫度；每一個(gè)通道之間都插入了一個(gè)可調(diào)光衰減器用來平衡波長(zhǎng)的功率。

(3)soa偏置電路調(diào)節(jié)光纖激光器輸出：激光器腔中的多波長(zhǎng)激光通過耦合器20％口，耦合到腔外然后送入wdm3進(jìn)行解復(fù)用；當(dāng)加在soa上的電流為36ma時(shí)，光纖激光器開始激射；保持soa的偏置電流為81ma；兩個(gè)激射波長(zhǎng)分別位于1559.53nm和1558.71nm近似對(duì)應(yīng)于ch22和ch23的中心波長(zhǎng)，激光總功率為-7dbm；圖2顯示出光纖激光器的輸出光譜，被wdm3解復(fù)用后的ch22和ch23光譜如圖3和4所示，功率分別是-11.18dbm和-11.74dbm；可以看到ch22有一些殘余的能量來自ch23，邊模抑制比測(cè)定為34.1db。

(4)解復(fù)用后的傳感量提取：將解復(fù)用前的多波長(zhǎng)激光送到pd中，可以看到混亂的頻譜，如圖5所示；當(dāng)把解復(fù)用后的波長(zhǎng)分別送入光電探測(cè)器中，其頻譜如圖6和圖7所示；可以看出解復(fù)用后的電信號(hào)的頻譜都是等間隔分布的，說明傳感器得到了解復(fù)用；ch22的頻譜間隔是7.3mhz，ch23的頻譜間隔是4.8mhz；理論上任何拍頻都可以用來解調(diào)出傳感量。根據(jù)式(3)，每一個(gè)拍頻信號(hào)都是有需要等間隔的縱模對(duì)產(chǎn)生的，所以產(chǎn)生高頻信號(hào)的縱模對(duì)較少，強(qiáng)度就比低頻信號(hào)弱，這個(gè)可以從更大尺度的圖8和9看出來；但是從式(4)和式(5)可以看出拍頻信號(hào)的頻移和初始頻率成正比，也就是說高頻信號(hào)的靈敏度更好；可以根據(jù)不同的應(yīng)用靈活選擇。

(5)復(fù)用的傳感器無串?dāng)_解調(diào)測(cè)試結(jié)果：在本發(fā)明中，ch22通道中的10038mhz處的拍頻被用來解調(diào)應(yīng)變，它的信噪比和3db帶寬分別是14.5db和595khz；而ch23通道中的10084mhz處的信號(hào)被用來解調(diào)溫度，它的信噪比和3db帶寬是10.9db和442khz；加在ch22上的應(yīng)變從0με加到1400με，同時(shí)ch23中的溫度保持不變；拍頻信號(hào)的響應(yīng)如圖10所示，其中ch22的靈敏度是-1.18khz/με而ch23中頻率基本不變；在另一次實(shí)施中，讓ch22中的應(yīng)變保持不變而ch23中的溫度從25度升到130度；結(jié)果如圖11所示，可以看出ch23中的頻率對(duì)溫度成線性變化，靈敏度是-9.74khz/℃；同時(shí)ch22中的頻率基本不變；綜合兩次結(jié)果可以得出復(fù)用的兩個(gè)傳感器可以無串?dāng)_地解調(diào)。

最后測(cè)試兩個(gè)通道的穩(wěn)定性。保持應(yīng)變和溫度不變，兩個(gè)通道的拍頻每隔10分鐘取一次持續(xù)2小時(shí)，測(cè)試結(jié)果如圖12所示，ch22和ch23中的信號(hào)的均方根差是0.0037mhz和0.0055mhz，分別對(duì)應(yīng)于3.14με和0.56℃。