專利名稱：一種基于awg的高速多通道光纖光柵傳感解調(diào)系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及通信領(lǐng)域中的光纖傳感技術(shù)，具體地，涉及一種基于陣列波導(dǎo)光 柵(AWG)的高速多通道光纖光柵傳感解調(diào)系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
光纖布拉格光柵(Fiber Bragg Grating,簡稱FBG)是80年代后期產(chǎn)生的一種光
纖傳感器。FBG的傳感原理是基于光纖光柵布拉格波長漂移理論，先將待測信息變化量轉(zhuǎn)
化為波長漂移量，再通過解調(diào)波長漂移量判斷待測信息變化量，是一種波長調(diào)制型光纖傳
感器；與傳統(tǒng)的機(jī)電類傳感器相比，在傳感網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用中具有顯著的技術(shù)優(yōu)勢。 但是，目前的波長解調(diào)難度大，系統(tǒng)成本高，實(shí)用性不強(qiáng)；因此，在傳感網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用領(lǐng)
域需要出現(xiàn)一種實(shí)用性較強(qiáng)、成本較低的信號解調(diào)技術(shù)。迄今為止，已出現(xiàn)許多光纖光柵信
號解調(diào)的方法，如光譜儀法、干涉法、可調(diào)F-P濾波器解調(diào)法、邊緣濾波解調(diào)法、匹配FBG可
調(diào)濾波解調(diào)法等；每種解調(diào)方法都有其特點(diǎn)和優(yōu)點(diǎn)，也存在諸多的局限性。 在實(shí)現(xiàn)本實(shí)用新型過程中，發(fā)明人發(fā)現(xiàn)現(xiàn)有技術(shù)中至少存在如下問題 (1)成本高如光譜儀法，信息明確直觀但價(jià)格昂貴； (2)實(shí)用性差非平衡Mach-Zehnder干涉儀法，具有較高的測量靈敏度，但僅適于 動(dòng)態(tài)檢測，不適于檢測靜態(tài)量； (3)可靠性差、分辨率低可調(diào)F-P濾波器解調(diào)法，具有較寬的調(diào)諧范圍，可大大提 高測量范圍和傳感光柵復(fù)用個(gè)數(shù)，但由于光纖F-P腔可調(diào)諧濾波器的重復(fù)性不好，對最終 傳感量的測量精度影響比較大； (4)解調(diào)速度慢匹配FBG可調(diào)濾波檢測法，它雖具有較高分辨率，但光路中需使 用較多的耦合器，使系統(tǒng)信噪比比較低。

發(fā)明內(nèi)容本實(shí)用新型的目的是針對現(xiàn)有技術(shù)中成本高、實(shí)用性差、可靠性差、分辨率低和解 調(diào)速度慢的缺陷，提出一種基于AWG的高速多通道光纖光柵傳感解調(diào)系統(tǒng)，以實(shí)現(xiàn)成本低、 實(shí)用性強(qiáng)、可靠性高、分辨率高、解調(diào)速度快、結(jié)構(gòu)簡單和波長范圍寬。 為實(shí)現(xiàn)上述目的，本實(shí)用新型提供了一種基于AWG的高速多通道光纖光柵傳感解 調(diào)系統(tǒng)，包括光源、光纖光柵基準(zhǔn)、多路光開關(guān)、FBG探頭、雙窗口的AWG、光電二極管探測器 陣列、信號放大器和A/D變換器組、以及信號解調(diào)處理器，其中所述光源的激勵(lì)光信號輸 出端分別與所述光纖光柵基準(zhǔn)的基準(zhǔn)端和所述多路光開關(guān)的單路端連接；所述多路光開關(guān) 的多路端分別與對應(yīng)的所述FBG探頭的信號采集端連接，同時(shí)，所述多路光開關(guān)的所述單 路端與所述雙窗口的AWG的信號輸入端連接；所述雙窗口的AWG的信號輸出端與對應(yīng)的所 述光電二極管探測器陣列的信號輸入端連接；所述光電二極管探測器陣列的信號輸出端與 所述信號放大和A/D變換器組的信號輸入端連接；所述信號放大和A/D變換器組的信號輸 出端與所述信號解調(diào)處理器的信號輸入端連接。[0011] 其中，所述信號解調(diào)處理器包括解調(diào)單元和計(jì)算單元，其中所述解調(diào)單元的差值 信號輸入端與所述信號放大和A/D變換器組的信號輸出端連接；所述解調(diào)單元的差值信號 輸出端與所述計(jì)算單元的波長信號輸入端連接。 進(jìn)一步的，該系統(tǒng)還包括隔離器、2X2分路器和1X2分路器，其中所述隔離器的 隔離信號輸入端與所述光源的激勵(lì)光信號輸出端連接，隔離信號輸出端與所述2X2分路 器的信號輸入端連接；所述2X2分路器的信號輸出端與所述光纖光柵基準(zhǔn)的基準(zhǔn)端連接， 反射信號輸入端與所述多路光開關(guān)的單路端連接，反射信號輸出端與所述1X2分路器的 信號輸入端連接；所述1X2分路器的信號輸出端與所述雙窗口的AWG的信號輸入端連接。 優(yōu)選的，所述多路光開關(guān)為高速光開關(guān)。 進(jìn)一步的，所述FBG探頭由N個(gè)通過單模光纖串接而成的FBG探頭串組成。進(jìn)一步的，該系統(tǒng)還包括N個(gè)FBG探頭連接器，所述N個(gè)FBG探頭連接器的第一連 接端與所述多路光開關(guān)的多路端對應(yīng)連接，第二連接端與對應(yīng)的所述FBG探頭中所述FBG 探頭串的信號采集端連接。 本實(shí)用新型各實(shí)施例的基于AWG的高速多通道光纖光柵傳感解調(diào)系統(tǒng)，包括光 源、光纖光柵基準(zhǔn)、多路光開關(guān)、FBG探頭、雙窗口的AWG、光電二極管探測器陣列、信號放大 和A/D變換器組、以及信號解調(diào)處理器，其中，光源可以用于產(chǎn)生激勵(lì)信號，光纖光柵基準(zhǔn) 可以用于產(chǎn)生波長基準(zhǔn)，多路光開關(guān)可以用于對入射的激勵(lì)光信號進(jìn)行空分復(fù)用，F(xiàn)BG探 頭可以用于采集載有待測物理量變化信息的光強(qiáng)信號并反射回，雙窗口的AWG可以用于接 收FBG反射回來的光強(qiáng)信號、并實(shí)現(xiàn)波分復(fù)用，信號放大和A/D變換器組可以用于雙窗口的 AWG波分復(fù)用得到的窄光帶信號進(jìn)行信號放大和模數(shù)轉(zhuǎn)換，信號解調(diào)處理器可以用于對信 號放大和A/D變換器組進(jìn)行解調(diào)、以獲取FBG探頭所測物理量的變化量；該系統(tǒng)可以用于一 些危險(xiǎn)場合現(xiàn)場環(huán)境參數(shù)的電子測量，可以克服現(xiàn)有技術(shù)中成本高、實(shí)用性差、可靠性差、 分辨率低、解調(diào)速度慢的缺陷，以實(shí)現(xiàn)成本低、實(shí)用性強(qiáng)、可靠性高、分辨率高、解調(diào)速度快、 結(jié)構(gòu)簡單和波長范圍寬。 本實(shí)用新型的其它特征和優(yōu)點(diǎn)將在隨后的說明書中闡述，并且，部分地從說明書 中變得顯而易見，或者通過實(shí)施本實(shí)用新型而了解。本實(shí)用新型的目的和其他優(yōu)點(diǎn)可通過 在所寫的說明書、權(quán)利要求書、以及附圖中所特別指出的結(jié)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)和獲得。 下面通過附圖和實(shí)施例，對本實(shí)用新型的技術(shù)方案做進(jìn)一步的詳細(xì)描述。

附圖用來提供對本實(shí)用新型的進(jìn)一步理解，并且構(gòu)成說明書的一部分，與本實(shí)用 新型的實(shí)施例一起用于解釋本實(shí)用新型，并不構(gòu)成對本實(shí)用新型的限制。在附圖中 圖1為根據(jù)本實(shí)用新型實(shí)施例的基于AWG的高速多通道光纖光柵傳感解調(diào)系統(tǒng)的 原理框圖； 圖2為根據(jù)本實(shí)用新型實(shí)施例的基于AWG的高速多通道光纖光柵傳感解調(diào)系統(tǒng)中 AWG傳輸光譜和FBG反射光譜的解調(diào)波形示意圖； 圖3為根據(jù)本實(shí)用新型實(shí)施例的基于AWG的高速多通道光纖光柵傳感解調(diào)系統(tǒng)中 單個(gè)FBG波長各自在AWG兩個(gè)相鄰?fù)ǖ啦ㄩL范圍內(nèi)的變化圖； 圖4為根據(jù)本實(shí)用新型實(shí)施例的基于AWG的高速多通道光纖光柵傳感解調(diào)系統(tǒng)的又一原理框圖； 圖5為根據(jù)本實(shí)用新型實(shí)施例的基于AWG的高速多通道光纖光柵傳感解調(diào)系統(tǒng)中 40通道的AWG器件的C波段光譜圖； 圖6為根據(jù)本實(shí)用新型實(shí)施例的基于AWG的高速多通道光纖光柵傳感解調(diào)系統(tǒng)中 AWG器件的C波段部分波長參數(shù)表圖； 圖7a為根據(jù)本實(shí)用新型實(shí)施例的基于AWG的高速多通道光纖光柵傳感解調(diào)系統(tǒng) 中FBG探頭反射波長和溫度的變化關(guān)系圖之一 ； 圖7b為根據(jù)本實(shí)用新型實(shí)施例的基于AWG的高速多通道光纖光柵傳感解調(diào)系統(tǒng) 中FBG探頭反射波長和溫度的變化關(guān)系圖之二 ； 圖8為根據(jù)本實(shí)用新型實(shí)施例的基于AWG的高速多通道光纖光柵傳感解調(diào)系統(tǒng)中 16通道的AWG器件的L波段光譜圖。
具體實(shí)施方式
以下結(jié)合附圖對本實(shí)用新型的優(yōu)選實(shí)施例進(jìn)行說明，應(yīng)當(dāng)理解，此處所描述的優(yōu) 選實(shí)施例僅用于說明和解釋本實(shí)用新型，并不用于限定本實(shí)用新型。 實(shí)施例一 根據(jù)本實(shí)用新型實(shí)施例，提供了一種基于AWG的高速多通道光纖光柵傳感解調(diào)系 統(tǒng)。 圖1為根據(jù)本實(shí)用新型基于AWG的高速多通道光纖光柵傳感解調(diào)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框 圖。如圖l所示，本實(shí)施例包括光源301、隔離器302、2X2分路器303、1X2分路器304、 光纖光柵基準(zhǔn)305、多路光開關(guān)306、 FBG探頭309及對應(yīng)的FBG探頭連接器、第一 AWG310、 第二 AWG311、第一光電二極管探測器陣列312、第二光電二極管探測器陣列313、信號放大 和A/D變換器組314、信號解調(diào)處理器315，其中，F(xiàn)BG探頭由N個(gè)通過單模光纖串接而成的 FBG探頭串組成，每個(gè)探頭串通過對應(yīng)的FBG探頭連接器連接在多路光開關(guān)306的對應(yīng)輸出 端；如第一 FBG探頭連接器307和第N FBG探頭連接器308分別用于連接多路光開關(guān)306 的對應(yīng)輸出端與FBG探頭309中對應(yīng)的FBG探頭串。這里，N為自然數(shù)。 其中，第一 AWG310和第二 AWG311組成雙窗口的AWG。 光源301作為FBG探頭309的激勵(lì)光源，為FBG探頭產(chǎn)生激勵(lì)光信號，與隔離器 302的輸入端連接。 在本實(shí)施例中，光源301可以是寬帶光源。 隔離器302可以單方向傳輸激勵(lì)光信號，同時(shí)阻止反射回來的光強(qiáng)信號影響光源 301，隔離器302的輸出端與2X 2分路器303的第一輸入端連接，2X 2分路器303的第一輸 出端與光纖光柵基準(zhǔn)305連接、第二輸出端與多路光開關(guān)306連接，2 X 2分路器303對經(jīng)隔 離器302的激勵(lì)光信號進(jìn)行分束，使得一小部分激勵(lì)光信號進(jìn)入光纖光柵基準(zhǔn)305，從而為 本實(shí)施例的傳感解調(diào)系統(tǒng)產(chǎn)生波長基準(zhǔn)，同時(shí)大部分激勵(lì)光信號經(jīng)過多路光開關(guān)306射入 FBG探頭309。 多路光開關(guān)306對射入的激勵(lì)光信號進(jìn)行空分復(fù)用，使得本實(shí)施例的傳感解調(diào)系 統(tǒng)可以同時(shí)解調(diào)上千只FBG探頭探測得到的物理量，從而可以滿足大型工程傳感網(wǎng)絡(luò)的實(shí) 時(shí)監(jiān)測。[0038] 2 X 2分路器303的第二輸入端與1 X 2分路器304的輸入端連接，1 X 2分路器304 的第一輸出端與第一 AWG310的公共端連接，1X2分路器304的第二輸出端與第二 AWG311 的公共端連接；第一AWG310和第二AWG311的容量均為1XN，即均有一個(gè)公共端作為輸入端 和N個(gè)輸出端，能夠?qū)⑸淙氲墓鈴?qiáng)信號分成不同波長的窄帶，并將光導(dǎo)入到多個(gè)光電二極 管探測器陣列通道中，實(shí)現(xiàn)波分復(fù)用。 多路光開關(guān)306的每一個(gè)輸出端分別經(jīng)對應(yīng)的FBG探頭連接器與FBG探頭309中 對應(yīng)的FBG探頭連接；每個(gè)FBG探頭串的一端通過傳輸光纜316與對應(yīng)的FBG探頭連接器 連接、另一端可以安置在待測物理場中的待測位置上；第一AWG310的多個(gè)輸出端分別與第 一光電二極管探測器陣列312的對應(yīng)輸入端連接，第二AWG311的多個(gè)輸出端分別與第二光 電二極管探測器陣列313的對應(yīng)輸入端連接；第一光電二極管探測器陣列312和第二光電 二極管探測器陣列313的多個(gè)輸出端分別與信號放大和A/D變換器組314的對應(yīng)輸入端連 接；信號放大和A/D變換器組314的輸出端與信號解調(diào)處理器315的輸入端相連。 在本實(shí)施例中，還可以包括顯示裝置317。顯示裝置317可以連接在信號解調(diào)處理 器315的輸出端，用于顯示信號解調(diào)處理器315的處理結(jié)果。 使用本實(shí)施例的基于AWG的高速多通道光纖光柵傳感解調(diào)系統(tǒng)，將FBG探頭309 置于待測物理場中，當(dāng)待測物理場中的某物理量發(fā)生變化時(shí)，將引起FBG探頭309發(fā)生波 長漂移；FBG探頭309將載有該物理信息的光強(qiáng)信號沿原光路反射，反射的光強(qiáng)信號依次經(jīng) FBG探測連接器、多路光開關(guān)306、2 X 2分路器303禾P 1 X 2分路器304，并進(jìn)入雙窗口的AWG， 即分別進(jìn)入第一 AWG310和第二 AWG311 ;雙窗口的AWG將反射回來的光強(qiáng)信號分成2N個(gè)窄 帶光，每個(gè)窄帶光分別反射回第一光電二極管探測器陣列312和第二光電二極管探測器陣 列313的對應(yīng)通道；第一光電二極管探測器陣列312和第二光電二極管探測器陣列313可 以將反射回來的窄帶光由光信號轉(zhuǎn)換為電信號。 這樣，反射回來的波長漂移光強(qiáng)信號能夠?qū)е碌谝?AWG310和第二 AWG311各通道 內(nèi)光強(qiáng)信號的變化；第一AWG310和第二AWG311各通道內(nèi)光強(qiáng)信號的變化，引起第一光電二 極管探測器陣列312和第二光電二極管探測器陣列313的對應(yīng)通道電信號的流變化，再分 別經(jīng)信號放大和A/D變換器組314進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，得到對應(yīng)的數(shù)字信號；信號解調(diào)處理器 315可以包括解調(diào)單元和計(jì)算單元，其中，解調(diào)單元根據(jù)該數(shù)字信號，經(jīng)差值計(jì)算得到反射 回來的光強(qiáng)信號的波長漂移量；計(jì)算單元基于該波長漂移量，求取雙窗口的AWG相鄰光通 道的輸出光的波長比的對數(shù)，即可得到待測物理量的變化量。 由于采用多路光開關(guān)306將激勵(lì)光信號分成N束，分別射入N個(gè)FBG探頭串組成 的FBG探頭309 ;FBG探頭309中每個(gè)FBG探頭可以編號，分別置于待測物理場中的待測位 置，當(dāng)待測物理量發(fā)生變化時(shí)，對應(yīng)的FBG探頭串發(fā)生波長漂移，并將載有待測物理量變化 信息的光強(qiáng)信號沿原光路反射；反射回來的光強(qiáng)信號進(jìn)入雙窗口的AWG，在對應(yīng)通道經(jīng)光 電轉(zhuǎn)換、信號放大、A/D轉(zhuǎn)換和信號解調(diào)處理，得到對應(yīng)待測物理量的變化量；從而可以實(shí) 現(xiàn)多個(gè)FBG探頭串的高速解調(diào)。 圖2為根據(jù)本實(shí)用新型實(shí)施例的基于AWG的高速多通道光纖光柵傳感解調(diào)系統(tǒng)中 AWG傳輸光譜和FBG反射光譜的解調(diào)波形示意圖。 如圖2所示，AWG的傳感解調(diào)原理如下AWG是一種平面集成光波導(dǎo)無源器件，是利 用平面波導(dǎo)技術(shù)在芯片襯底上制作的陣列波導(dǎo)光柵；當(dāng)AWG作解復(fù)用器時(shí)，其工作原理為由復(fù)合波長Al、 ......An組成的信號光耦合到輸入波導(dǎo)的中心波導(dǎo)上并在輸入平板
波導(dǎo)內(nèi)產(chǎn)生衍射，衍射的高斯光束耦合到陣列波導(dǎo)中。由于相鄰的陣列波導(dǎo)以相同長度差 排列，于是不同波長的光波產(chǎn)生了不同的光程差，這樣經(jīng)過陣列波導(dǎo)傳輸后就被聚焦在不 同的輸出波導(dǎo)位置，完成了解復(fù)用的功能；當(dāng)AWG作復(fù)用器時(shí)，原理與之相反。可見，AWG波 分復(fù)用/解復(fù)用的特點(diǎn)和作用正好適用于光纖光柵傳感信號的解調(diào)。 本實(shí)施例采用雙窗口 AWG的任意兩個(gè)相鄰?fù)ǖ纴斫庹{(diào)一個(gè)光纖光柵傳感信號，這 個(gè)光纖光柵傳感信號變化范圍在AWG的兩個(gè)相鄰?fù)ǖ赖闹行牟ㄩL之間。 對于容量為1XN的AWG，可以將任意頻段內(nèi)的入射光分成不同波長的窄帶光導(dǎo)入 到多個(gè)通道中，實(shí)現(xiàn)波分復(fù)用。在實(shí)際應(yīng)用中，可以將每個(gè)FBG探頭串的中心波長定義為 l-N，每個(gè)FBG探頭光柵與AWG的兩個(gè)相鄰?fù)ǖ老鄬?yīng)，F(xiàn)BG探頭光柵波長隨被測參量如溫 度或應(yīng)力等而變化，變化范圍在AWG兩個(gè)鄰近通道的中心波長之間。 圖3為根據(jù)本實(shí)用新型實(shí)施例的基于AWG的高速多通道光纖光柵傳感解調(diào)系統(tǒng)中 單個(gè)FBG波長各自在AWG兩個(gè)相鄰?fù)ǖ啦ㄩL范圍內(nèi)的變化圖。 如圖3所示，當(dāng)載有傳感信息的FBG反射光波長通過兩個(gè)相鄰的光通道時(shí)，由于信 道的特征不同，輸出的光特征也不同，理論上輸出光譜等于輸人光譜和所通過信道特征的 巻積。 可以將AWG的相鄰兩通道的輸出比的對數(shù)定義為解調(diào)函數(shù)，即 <formula>formula see original document page 7</formula> 其中A bi為第i個(gè)FBG的反射波長。FBG反射譜與AWG通道的透射譜均可以近似 為高斯函數(shù)，F(xiàn)BG反射譜與AWG通道透射譜的重疊部分決定了 AWG通道輸出光強(qiáng)的大小。 AWG相鄰?fù)ǖ缽?qiáng)度比值對數(shù)與FBG波長在高斯近似下呈線性關(guān)系。 顯然，AWG相鄰兩通道的輸出值可通過測量得到，再通過后期的數(shù)據(jù)處理可以得到 波長值。這就是陣列波導(dǎo)光柵AWG波長檢測的原理。 FBG探頭可安裝于被測物體和材料內(nèi)部，對滲壓、溫度、應(yīng)力、應(yīng)變、流速、流量等各 種物理量進(jìn)行檢測，當(dāng)由于各種不同的因素導(dǎo)致FBG探頭周圍環(huán)境個(gè)件發(fā)生變化時(shí)，將導(dǎo) 致FBG反射波長位移A A，通過監(jiān)測這些光譜變化情況，即可獲得被測物理量的變化狀況，
達(dá)到檢測目的。 實(shí)施例二 圖4為根據(jù)本實(shí)用新型基于AWG的高速多通道光纖光柵傳感解調(diào)系統(tǒng)的又一結(jié)構(gòu) 框圖。 如圖4所示，本實(shí)施例包括光源601、隔離器602、2X2分路器603、1X2分路 器604、光纖光柵基準(zhǔn)605、多路光開關(guān)606、 FBG探頭609及對應(yīng)的FBG探頭連接器、第一 AWG610、第二 AWG611、第一光電二極管探測器陣列612、第二光電二極管探測器陣列613、信 號放大和A/D變換器組614、信號解調(diào)處理器615和顯示屏617。 其中，光源601、隔離器602和2X2分路器603單向連接，2X2分路器603的輸出 端分別與光纖光柵基準(zhǔn)605和1X8路光開關(guān)606的輸入端連接，1X8路光開關(guān)606的輸 出端分別經(jīng)第一 FBG探頭連接器607至第八FBG探頭連接器608與FBG探頭609中對應(yīng)的 FBG探頭串連接。這里，F(xiàn)BG探頭連接器通過傳輸光纜616與FBG探頭串連接。[0059] FBG探頭609可以安置于待測物理場中，反射回來的載有待測物理量變換信息的 光強(qiáng)信號依次經(jīng)第一 FBG探頭連接器607至第八FBG探頭連接器608、 1 X 8路光開關(guān)606和 2X2分路器603，再經(jīng)1 X 2分路器604分別反射到雙窗口的AWG，即AWG-C610和AWG-L611 。 AWG-C610和AWG-L611分別將反射到其中的光強(qiáng)信號分成2N個(gè)不同波長的窄帶 光，并導(dǎo)入到第一光電二極管探測器陣列612和第二光電二極管探測器陣列613的對應(yīng)通 道，經(jīng)光電轉(zhuǎn)換，得到的電信號導(dǎo)入到信號放大和A/D變換器組614的對應(yīng)通道，經(jīng)信號放 大和A/D轉(zhuǎn)換，得到對應(yīng)的數(shù)字信號，再經(jīng)信號解調(diào)處理器615，經(jīng)信號解調(diào)處理，得到對應(yīng) 的待測物理量的變化量，并通過顯示屏617顯示測量結(jié)果。 在本實(shí)施例中，各元器件的作用可參見圖1的相關(guān)說明。將雙窗口的AWG型波分復(fù) 用/解復(fù)用器件用于解調(diào)傳感信號，具體做法將FBG探頭置于待測物理場中，當(dāng)待測物理 場中的物理量發(fā)生變化時(shí)，F(xiàn)BG探頭受該物理量變化的影響發(fā)生波長漂移，通過該基于AWG 的高速多通道光纖光柵傳感解調(diào)系統(tǒng)可以檢測解調(diào)出FBG探頭的波長漂移量的大小；根據(jù) 該波長漂移量的大小，通過計(jì)算，可以得到被測物理量的變化量。 在本實(shí)施例中，信號解調(diào)處理器615可以包含解調(diào)單元和計(jì)算單元，其中，解調(diào)單 元用于根據(jù)A/D變換器組614輸出的數(shù)字信號，進(jìn)行差值計(jì)算，獲取反射回來的光強(qiáng)信號的 波長漂移量；計(jì)算單元用于根據(jù)波長漂移量，求取雙窗口的AWG相鄰光通道的輸出光的波 長比的對數(shù)，即可得到待測物理量的變化量。 在上述各實(shí)施例中，將兩個(gè)分別工作在C波段和L波段的兩個(gè)窗口 、同時(shí)窗口邊沿 相重合的AWG型波分復(fù)用/解復(fù)用器用于解調(diào)傳感信號，即AWG可以根據(jù)應(yīng)用需要分別選 擇C波段、L波段或C+L波段，實(shí)現(xiàn)寬范圍多波長解調(diào)，使基于AWG的高速多通道光纖光柵 傳感解調(diào)系統(tǒng)的波長解調(diào)范圍跨越C波段、L波段，超過80nm以上。 AWG每個(gè)通道的接收函數(shù)或傳輸光譜采用高斯型分別，采用兩個(gè)相鄰?fù)ǖ澜庹{(diào)一 個(gè)光纖光柵傳感信號，每串FBG探頭的中心波長定義為l-N，它們隨被測參量如溫度或應(yīng)力 變化，變化范圍在AWG兩個(gè)鄰近通道的中心波長之間；當(dāng)載有傳感信息的FBG反射光波長通 過相鄰的光通道時(shí)，可以定義AWG相鄰兩通道的輸出比的對數(shù)為解調(diào)函數(shù)。 上述寬帶光源可以采用C波段、L波段或C+L波段的寬譜激光光源，使系統(tǒng)的波長 解調(diào)范圍達(dá)80nm以上。 對分別工作在C波段和L波段兩個(gè)窗口的第一 AWG和第二 AWG的輸出波長進(jìn)行編 碼檢測，以確定探測點(diǎn)探頭的位置；當(dāng)系統(tǒng)同時(shí)連接多根光纖時(shí)，每根光纖又可波分復(fù)用多 只FBG傳感器，使得系統(tǒng)可以同時(shí)解調(diào)上千只FBG傳感器，滿足大型工程傳感網(wǎng)絡(luò)的實(shí)時(shí)監(jiān) 另外，上述各實(shí)施例中的多路光開關(guān)均可以采用高速光開關(guān)。 實(shí)施例三 在本實(shí)施例中，光源601可以是光譜范圍為1527 1562nm的C波段寬帶光源； 2X2分路器603的分束比可以為10 : 90 ;lX2分路器604可以是3db的耦合器，其分束 比為50 : 50 ;FBG探頭609可以包含兩個(gè)串聯(lián)的FBG溫度探頭；AWG可以包含40個(gè)輸出 通道，光譜范圍為1528. 55 1560. 61nm，信道間隔100GHz/0. 8nm，高斯分布，ldB通道帶寬 0. 24nm， 3dB通道帶寬0. 40nm，插損5. 36 6. 28dB，相鄰?fù)ǖ来當(dāng)_32. 56 37. 20dB ;A/D變 換器組614可以是MCU單片機(jī)。[0070] 將光纖光柵基準(zhǔn)605置于恒溫箱中，恒溫精度為0. 1°C。為了提高系統(tǒng)精確度和分 辨率，光纖光柵基準(zhǔn)605可以采用切趾光纖光柵。 圖5為根據(jù)本實(shí)用新型實(shí)施例的基于AWG的高速多通道光纖光柵傳感解調(diào)系統(tǒng)中 40通道的AWG器件的C波段光譜圖，圖6為根據(jù)本實(shí)用新型實(shí)施例的基于AWG的高速多通 道光纖光柵傳感解調(diào)系統(tǒng)中AWG器件的C波段部分波長參數(shù)表圖。 如圖5和圖6所示，本實(shí)施例的兩個(gè)FBG溫度探頭的中心波長分別為A 1 = 1534. 6401nm， A 2 = 1536. 9850nm，間距為2. 3449，其中A 1 = 1534. 6401nm，位于40通道 的陣列波導(dǎo)光柵AWG的第6-7通道之間，A 2 = 1536. 9850nm，位于40通道的陣列波導(dǎo)光柵 AWG的第9-10通道之間。光電二極管探測器的精度為0. OOldBm。 根據(jù)實(shí)驗(yàn)值，在2h內(nèi)溫度和波長的標(biāo)準(zhǔn)偏差分別為0. 05t:和0. 5pm，最大漂移范 圍約0. 18t:和2pm。 圖7a為根據(jù)本實(shí)用新型實(shí)施例的基于AWG的高速多通道光纖光柵傳感解調(diào)系統(tǒng) 中FBG探頭反射波長和溫度的變化關(guān)系圖之一 ；圖7b為根據(jù)本實(shí)用新型實(shí)施例的基于AWG 的高速多通道光纖光柵傳感解調(diào)系統(tǒng)中FBG探頭反射波長和溫度的變化關(guān)系圖之二。 如圖7a和圖7b所示，F(xiàn)BG之間的串?dāng)_對解調(diào)系統(tǒng)有一些影B向，實(shí)質(zhì)上是由于串?dāng)_
變化將對相鄰光纖布拉格光柵解調(diào)通道的探測光強(qiáng)造成干擾，從而產(chǎn)生解調(diào)測量誤差。實(shí) 例中測量了 FBG2因傳感溫度變化，如25t:到105t:，對其相鄰的FBGl解調(diào)通道的串?dāng)_變化 以及傳感測量誤差。獲得FBG2串?dāng)_變化引起FBG1對應(yīng)的AWG雙通道強(qiáng)度比(即對數(shù)值) 的變化范圍為-0. 382 0. 244dBm，相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)偏差為0. 126dB，結(jié)合測得的系統(tǒng)波長和溫 度的靈敏度，計(jì)算得到波長和溫度的標(biāo)準(zhǔn)偏差為2pm。 實(shí)施例四 本實(shí)施例中各元器件及其連接關(guān)系可參見實(shí)施例二 。 具體的，在本實(shí)施例中，包括C+L波段寬帶光源，光譜范圍為1528 1601nm ; 2X2分路器的分束比為10 : 90 ;lX2分路器可以是3db耦合器，分束比為50 : 50 ; — 個(gè)串聯(lián)FBG滲壓傳感探頭，量程為250kPa ; —個(gè)16通道的AWG，光譜范圍為1574. 213 1599. 541nm，采用高斯分布，光譜范圍信道間隔50GHz/1. 5nm， ldB通道帶寬O. 420nm，3dB通 道帶寬0. 640nm，插損5. 56 6. 68dB，相鄰?fù)ǖ来當(dāng)_32. 16 37. 70dB。 在本實(shí)施例中，采用MCU單片機(jī)代替上述圖1或圖4中的A/D變換器組。 圖8為根據(jù)本實(shí)用新型實(shí)施例的基于AWG的高速多通道光纖光柵傳感解調(diào)系統(tǒng)中 16通道的AWG器件的L波段光譜圖。 如圖8所示，本實(shí)施例采用的一個(gè)FBG滲壓傳感探頭量程為250kPa，對應(yīng)25米液 位量程，該滲壓傳感探頭中有兩個(gè)FBG， 一個(gè)應(yīng)變光柵， 一個(gè)溫度補(bǔ)償光柵，其中心波長分別 為A 1 = 1576. 541nm， A 2 = 1582. 522nm。波長間距5. 981nm，滲壓傳感探頭中的A 1 = 1576. 541nm，位于16通道的AWG的第2-3通道之間，入2 = 1582. 522nm，位于16通道的AWG 的第6-7通道之間，液位試驗(yàn)管的控制范圍為0. 5m 2m，在1. 5m范圍內(nèi)液位最大漂移范圍 約2mm。 光電二極管探測器的精度為0.001dBm。 根據(jù)實(shí)驗(yàn)值，本實(shí)施例相應(yīng)波長的標(biāo)準(zhǔn)偏差為2pm，液位最大漂移范圍約2cm，優(yōu) 于總量程的千分之二。[0084] 在本實(shí)用新型各實(shí)施例中，可以設(shè)置外部通訊接口 ，例如RS232/RS485、 USB和 RJ45等，用戶可以選擇對應(yīng)的接口 ，進(jìn)行接口管理，與上位機(jī)建立通訊聯(lián)系，從通訊接口接 受上位機(jī)發(fā)來的命令，向上位機(jī)發(fā)送系統(tǒng)中各個(gè)通道的傳感信息，報(bào)警信息，通過對相應(yīng)端 口的操作點(diǎn)亮相應(yīng)通道的指示燈。 使用本實(shí)用新型各實(shí)施例的基于AWG的高速多通道光纖光柵傳感解調(diào)系統(tǒng)，可以 對一些危險(xiǎn)場合的參數(shù)采用電子手段測量如光信號到電信號的轉(zhuǎn)換、光波長信號的解調(diào)、 預(yù)報(bào)警監(jiān)測、實(shí)現(xiàn)了現(xiàn)場環(huán)境的參數(shù)測量，安全性較高。 本實(shí)用新型各實(shí)施例將AWG型波分復(fù)用/解復(fù)用器件用于傳感信號的解調(diào)，類似 一個(gè)基于陣列波導(dǎo)光柵強(qiáng)度解調(diào)技術(shù)的準(zhǔn)分布式FBG高速、高精度的傳感器，具有結(jié)構(gòu)相 對簡單、成本低、波長分辨率高、解調(diào)速度快、使用穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)；另外，采用波長編碼技術(shù)、波 分復(fù)用技術(shù)實(shí)現(xiàn)了分布式、大容量光纖光柵傳感解調(diào)，充分利用了資源，保證了系統(tǒng)的可靠 性要求。 綜上所述，本實(shí)用新型各實(shí)施例的基于AWG的高速多通道光纖光柵傳感解調(diào)系 統(tǒng)，包括光源、隔離器、2 X 2分路器、1 X 2分路器、光纖光柵基準(zhǔn)、多路光開關(guān)、FBG探頭連接 器、FBG探頭、雙窗口的AWG、光電二極管探測器陣列、信號放大和A/D變換器組、以及信號解 調(diào)處理器，可以將雙窗口的AWG型波分復(fù)用/解復(fù)用器件用于傳感信號的解調(diào)，可以將FBG 探頭置于待測物理場中，當(dāng)待測物理量發(fā)生變化時(shí)，F(xiàn)BG探頭會(huì)將載有待測物理量變化信息 的光強(qiáng)信號按原光路反射，反射回來的光強(qiáng)信號經(jīng)雙窗口的AWG分成不同波長的窄帶光， 再將每個(gè)窄帶光經(jīng)光電轉(zhuǎn)換、信號放大和A/D轉(zhuǎn)換，得到對應(yīng)的波長漂移量，再基于得到的 波長漂移量求取解調(diào)函數(shù)的值，即可得到對應(yīng)的待測物理量的變化量；AWG在還不具有100 以上更多通道工藝的今天，采用雙窗口的AWG并行工作，其中第一 AWG工作在C波段，第二 AWG工作在L波段，并且兩波段的邊緣相重合，可以實(shí)現(xiàn)C+L波段的寬范圍波長解調(diào)；同時(shí) AWG每兩個(gè)相鄰?fù)ǖ揽蓪?yīng)一個(gè)傳感探頭的中心波長，每個(gè)通道中光強(qiáng)的大小反應(yīng)通過的 信號波長的大小，與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有成本低、實(shí)用性強(qiáng)、可靠性高、分辨率高、解調(diào)速度 快、結(jié)構(gòu)簡單和波長范圍寬的優(yōu)點(diǎn)。 最后應(yīng)說明的是以上所述僅為本實(shí)用新型的優(yōu)選實(shí)施例而已，并不用于限制本 實(shí)用新型，盡管參照前述實(shí)施例對本實(shí)用新型進(jìn)行了詳細(xì)的說明，對于本領(lǐng)域的技術(shù)人員 來說，其依然可以對前述各實(shí)施例所記載的技術(shù)方案進(jìn)行修改，或者對其中部分技術(shù)特征 進(jìn)行等同替換。凡在本實(shí)用新型的精神和原則之內(nèi)，所作的任何修改、等同替換、改進(jìn)等，均 應(yīng)包含在本實(shí)用新型的保護(hù)范圍之內(nèi)。
權(quán)利要求一種基于陣列波導(dǎo)光柵AWG的高速多通道光纖光柵傳感解調(diào)系統(tǒng)，其特征在于，包括光源、光纖光柵基準(zhǔn)、多路光開關(guān)、FBG探頭、雙窗口的AWG、光電二極管探測器陣列、信號放大器和A/D變換器組、以及信號解調(diào)處理器，其中所述光源的激勵(lì)光信號輸出端分別與所述光纖光柵基準(zhǔn)的基準(zhǔn)端和所述多路光開關(guān)的單路端連接；所述多路光開關(guān)的多路端分別與對應(yīng)的所述FBG探頭的信號采集端連接，同時(shí)，所述多路光開關(guān)的所述單路端與所述雙窗口的AWG的信號輸入端連接；所述雙窗口的AWG的信號輸出端與對應(yīng)的所述光電二極管探測器陣列的信號輸入端連接；所述光電二極管探測器陣列的信號輸出端與所述信號放大和A/D變換器組的信號輸入端連接；所述信號放大和A/D變換器組的信號輸出端與所述信號解調(diào)處理器的信號輸入端連接。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于AWG的高速多通道光纖光柵傳感解調(diào)系統(tǒng)，其特征在于， 所述信號解調(diào)處理器包括解調(diào)單元和計(jì)算單元，其中所述解調(diào)單元的差值信號輸入端與所述信號放大和A/D變換器組的信號輸出端連接； 所述解調(diào)單元的差值信號輸出端與所述計(jì)算單元的波長信號輸入端連接。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于AWG的高速多通道光纖光柵傳感解調(diào)系統(tǒng)，其特征在于， 該系統(tǒng)還包括隔離器、2X2分路器和1X2分路器，其中所述隔離器的隔離信號輸入端與所述光源的激勵(lì)光信號輸出端連接，隔離信號輸出端 與所述2X2分路器的信號輸入端連接；所述2X2分路器的信號輸出端與所述光纖光柵基準(zhǔn)的基準(zhǔn)端連接，反射信號輸入端 與所述多路光開關(guān)的單路端連接，反射信號輸出端與所述1X2分路器的信號輸入端連接；所述1 X 2分路器的信號輸出端與所述雙窗口的AWG的信號輸入端連接。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于AWG的高速多通道光纖光柵傳感解調(diào)系統(tǒng)，其特征在于， 所述多路光開關(guān)為高速光開關(guān)。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1-4中任一項(xiàng)所述的基于AWG的高速多通道光纖光柵傳感解調(diào)系統(tǒng)， 其特征在于，所述FBG探頭由N個(gè)通過單模光纖串接而成的FBG探頭串組成。
6. 根據(jù)權(quán)利要求5所述的基于AWG的高速多通道光纖光柵傳感解調(diào)系統(tǒng)，其特征在于， 該系統(tǒng)還包括N個(gè)FBG探頭連接器，所述N個(gè)FBG探頭連接器的第一連接端與所述多路光 開關(guān)的多路端對應(yīng)連接，第二連接端與對應(yīng)的所述FBG探頭中所述FBG探頭串的信號采集 端連接。
專利摘要本實(shí)用新型公開了一種基于陣列波導(dǎo)光柵AWG的高速多通道光纖光柵傳感解調(diào)系統(tǒng)，包括光源、光纖光柵基準(zhǔn)、多路光開關(guān)、FBG探頭、雙窗口的AWG、光電二極管探測器陣列、信號放大器和A/D變換器組、以及信號解調(diào)處理器。本實(shí)用新型所述系統(tǒng)，可以克服現(xiàn)有技術(shù)中成本高、實(shí)用性差、可靠性差、分辨率低和解調(diào)速度慢等缺陷，以實(shí)現(xiàn)成本低、實(shí)用性強(qiáng)、可靠性高、分辨率高、解調(diào)速度快、結(jié)構(gòu)簡單和波長范圍寬。
文檔編號G01D5/26GK201476800SQ20092015371
公開日2010年5月19日 申請日期2009年5月8日 優(yōu)先權(quán)日2009年5月8日
發(fā)明者劉信, 王清偉, 趙風(fēng)琴 申請人:劉信