本發(fā)明涉及光學(xué)測量領(lǐng)域，更具體涉及一種測量光纖光柵波長的裝置和設(shè)備。

背景技術(shù)：
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1989年MOREY首次報道將光纖光柵(Fiber Bragg Grating，簡稱FBG)用作傳感器件。光纖光柵是一種光纖無源器件，實(shí)際上就是一段光纖，其纖芯中具有折射率周期性變化的結(jié)構(gòu)，或稱作光纖芯內(nèi)的布拉格反射器。它利用光纖材料的紫外光敏性，通過雙光束干涉法和相位掩模法等方法，從側(cè)面將裸纖暴露在紫外光束的干涉圖案下，將干涉圖案寫入到光纖內(nèi)，在纖芯內(nèi)部形成空間相位光柵。當(dāng)具有一定頻譜寬度的光信號經(jīng)過光纖光柵后，特定波長的光波沿原路反射回來，其余波長的光信號則直接透射出去。根據(jù)模耦合理論，λ_Β＝2nΛ的波長就被光纖光柵所反射回去(其中λ_Β為光纖光柵的中心波長，Λ為光柵周期，n為纖芯的有效折射率)。反射的中心波長信號λ_Β，跟光柵周期Λ，纖芯的有效折射率n有關(guān)，所以當(dāng)外界的被測量引起光纖光柵溫度、應(yīng)力改變都會導(dǎo)致反射的中心波長的變化。也就是說光纖光柵反射光中心波長的變化反映了外界被測信號的變化情況。光纖光柵的中心波長與溫度和應(yīng)變的關(guān)系為：

$\frac{{\mathrm{\Δ\λ}}_B}{{\mathrm{\λ}}_B}=({\mathrm{\α}}_f+\mathrm{\ξ})\mathrm{\Δ}T+(1-P_e)\mathrm{\Δ}\mathrm{\ϵ}$

其中，為光纖的熱膨脹系數(shù)，為光纖材料的熱光系數(shù)，為光纖材料的彈光系數(shù)。在1550nm窗口，中心波長的溫度系數(shù)約為10.3pm/℃，應(yīng)變系數(shù)為1.209pm/με。

溫度引起光柵中心波長的漂移主要有兩個方面的原因：起主要作用的光纖材料的熱光效應(yīng)，起次要作用熱膨脹效應(yīng)。這樣光柵的中心波長漂移就反映了所處溫度場的變化情況，從而達(dá)到測量的目的。由于光纖光柵中心波長隨溫度的變化關(guān)系是線性的，所以可以非常方便地應(yīng)用在傳感領(lǐng)域。

光纖光柵屬于反射型工作器件，當(dāng)光源發(fā)出的連續(xù)寬帶光通過傳輸光纖射入時，它與光場發(fā)生耦合作用，對該寬帶光有選擇地反射回相應(yīng)的一個窄帶光，并沿原傳輸光纖返回；其余寬帶光則直接透射過去。

光纖光柵具有抗電磁、抗腐蝕、耐高溫、不帶電量、不產(chǎn)生熱量、防燃、防爆、重量輕、體積小、能在有害或危險環(huán)境中安全運(yùn)行等優(yōu)點(diǎn)，隨著社會信息需求的急劇增長，光通信作為信息領(lǐng)域的主要支柱之一，也不斷地受到新的挑戰(zhàn)，要求其不斷更新和進(jìn)步， 以適應(yīng)信息社會的迅猛發(fā)展。光纖光柵已經(jīng)應(yīng)用于光通信領(lǐng)域的激光光源、光放大器、光信號處理、波分復(fù)用、光上下路和光濾波等方面：用光纖光柵可以制造大功率光纖激光器、窄帶激光器和可調(diào)諧激光器；用光纖光柵可以制作增益平坦濾波器，用于EDFA的增益均衡；用光纖光柵可以制作光纖色散補(bǔ)償器；用光纖光柵可以制造優(yōu)勢明顯的密集波分復(fù)用器和網(wǎng)絡(luò)上/下路器；用光纖光柵可以實(shí)現(xiàn)超窄帶濾波等。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：
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本發(fā)明的目的是提供一種測量光纖光柵波長的裝置和設(shè)備，成本低、光噪聲信號小、波長測量實(shí)用簡便。

為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用以下技術(shù)方案：一種測量光纖光柵波長的裝置，包括具有傳輸比曲線的分光器件和光電轉(zhuǎn)化器；將待測光纖光柵的窄帶光經(jīng)過所述分光器件形成兩路光信號，所述兩路光信號分別經(jīng)過所述光電轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成不同功率的參考電信號和測量電信號；所述電信號分別經(jīng)過電信號處理電路比較分析出所述待測光纖光柵波長。

所述待測光纖光柵的窄帶光為由寬帶光源經(jīng)過光纖耦合器并通過待測光纖光柵的反射從所述光纖耦合器的第三端端口輸出。

所述待測光纖光柵的窄帶光為由寬帶光源經(jīng)過環(huán)行器并通過待測光纖光柵的反射從所述環(huán)行器的第三端端口輸出。

所述分光器件包括線性濾光片；所述窄帶光的光信號經(jīng)過光功率耦合器分成兩路光信號，一路光信號直接傳送至所述光電轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成電信號，作為參考電信號，另一路光信號經(jīng)過所述線性濾光片后傳送至光電轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成測量電信號。

所述分光器件為雙錐耦合波分復(fù)用器；所述窄帶光的光信號經(jīng)過所述雙錐耦合波分復(fù)用器，分為兩路光信號。

所述電信號處理電路包括信號放大電路和數(shù)據(jù)處理電路。

經(jīng)過所述線性濾光片和光電轉(zhuǎn)換器形成的所述測量電信號和與其相對應(yīng)的經(jīng)過所述光電轉(zhuǎn)換器形成的參考電信號分別經(jīng)過信號放大電路中的放大器后，在經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換器得到數(shù)字信號，將所述數(shù)字信號通過數(shù)據(jù)處理電路中的微處理器得出待測光纖光柵波長。

經(jīng)過所述雙錐耦合波分復(fù)用器和光電轉(zhuǎn)換器形成的所述測量電信號和與其相對應(yīng)參考電信號分別經(jīng)過信號放大電路中的對數(shù)放大器后得到數(shù)字信號，將所述數(shù)字信號通過數(shù)據(jù)處理電路中的微處理器得出待測光纖光柵波長。

所述寬帶光源是自發(fā)輻射光源ASE、發(fā)光二極管LED光源或半導(dǎo)體激光二極管LD 光源；所述寬帶光源的發(fā)光波長與采用光纖的工作窗口相一致，包括1525nm～1565nm的C波段、1565nm～1625nm的L波段、1525nm～1625nm的C+L波段、1460nm～1525nm的S波段、1280nm～1350nm光譜區(qū)和850nm～980nm近紅外區(qū)。

一種測量光纖光柵波長的設(shè)備，包括若干的如權(quán)利要求1-9所述的測量光纖光柵波長的裝置和光分路器；各個所述裝置共用一個寬帶光源；共用寬帶光源經(jīng)過所述光分路器輸出若干路光源并傳送至各個對應(yīng)的所述裝置的光纖耦合器。

和最接近的現(xiàn)有技術(shù)比，本發(fā)明提供技術(shù)方案具有以下優(yōu)異效果

1、本發(fā)明提供的技術(shù)方案用了分光器件的分光比與入射光波長的函數(shù)關(guān)系來達(dá)到波長測量的目的；

2、本發(fā)明提供的技術(shù)方案成本低，可以單通道單光柵波長測量，也可以多通道多光柵波長測量；

3、本發(fā)明提供的技術(shù)方案簡單實(shí)用，應(yīng)用方便；

4、本發(fā)明提供的技術(shù)方案的測量結(jié)果與入射光強(qiáng)的大小無關(guān)；

5、本發(fā)明提供的技術(shù)方案在實(shí)現(xiàn)測量過程中光噪聲信號小。

附圖說明

圖1為本發(fā)明技術(shù)方案提供的采用線性濾光片的裝置測量光纖光柵波長示意圖；

圖2為本發(fā)明技術(shù)方案提供的采用耦合波分復(fù)用器的裝置測量光纖光柵波長示意圖；

圖3為本發(fā)明技術(shù)方案提供的并聯(lián)通道實(shí)現(xiàn)多光柵波長測量示意圖；

圖4為本發(fā)明技術(shù)方案提供的線性濾光片的傳輸比示意圖。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合實(shí)施例對發(fā)明作進(jìn)一步的詳細(xì)說明。

實(shí)施例1：

本例的發(fā)明提供一種測量光纖光柵波長的裝置和設(shè)備；所述裝置包括如圖1和圖2所示，具有傳輸比曲線的分光器件和光電轉(zhuǎn)化器；將待測光纖光柵的窄帶光經(jīng)過所述分光器件形成兩路光信號，所述兩路光信號分別經(jīng)過所述光電轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成不同功率的參考電信號和測量電信號；所述電信號分別經(jīng)過電信號處理電路比較分析出所述待測光纖光柵波長。

本技術(shù)方案利用了分光器件的分光比與入射光波長的函數(shù)關(guān)系來達(dá)到波長測量的目的，它將分出的兩路光電流進(jìn)行對比處理從而消除入射光功率的影響，使最后的測量結(jié)果與入射光強(qiáng)的大小無關(guān)。所有光路組件采用單模光纖相連接，所有電路組件采用導(dǎo)線 相連接。

如圖1所示，一定寬帶的光201先經(jīng)光纖耦合器202或環(huán)行器，通過待測光纖光柵203的反射成為窄帶光，從光纖耦合器或環(huán)行器的第三端205輸出，所述待測光纖光柵在物理場中引起中心波長變化，此反射的窄帶光含有波長信息，該光信號再經(jīng)過光功率耦合器206分成兩路，一路直接傳送至光電轉(zhuǎn)換器208轉(zhuǎn)換成電信號，作為參考信號302，另一路接一線性濾光片305后傳送至光電轉(zhuǎn)換器209轉(zhuǎn)換成電信號303，由于濾波片對光信號的吸收和反射，使得測量信號相對于參考信號來說有所衰減，對于不同波長的光其衰減量是不同的，比較參考信號和通過線性濾光片后的信號功率大小，計算出待測光柵的波長。

如圖2所示，一定寬帶的光201先經(jīng)光纖耦合器202或環(huán)行器，通過待測光柵203的反射成為窄帶光，從光纖耦合器或環(huán)行器的第三端205輸出，所述待測光纖光柵在物理場中引起中心波長變化，此反射的窄帶光含有波長信息，該光信號再經(jīng)過一個雙錐耦合波分復(fù)用器306，它將輸入光信號分為兩路302和303，耦合波分復(fù)用器的耦合系數(shù)隨入射光波長的變化而變化，使得兩路的光功率不一樣，比較兩路信號功率大小，計算出待測光柵的波長。該方法利用了分光器件的分光比與入射光波長的函數(shù)關(guān)系來達(dá)到波長測量的目的，它將分出的兩路光電流進(jìn)行對數(shù)處理從而消除入射光功率的影響，使最后的測量結(jié)果與入射光強(qiáng)的大小無關(guān)。

所述的線性濾光片305和所述的雙錐耦合波分復(fù)用器306是依據(jù)波長的分光器件，其傳輸比率是波長的函數(shù)，本技術(shù)方案不限于此兩種分光器件，包含使用光柵等其他分光器件。

所述光纖耦合器為Y形光纖耦合器，所述寬帶光源201連接在所述Y形光纖耦合器或環(huán)行器的一分路端口，所述待測光纖光柵203連接在所述Y形光纖耦合器或環(huán)行器的合波端口(環(huán)行器第二端口)，所述Y形光纖耦合器或環(huán)行器的另一端口傳送帶有波長信息的待測信號，這一信號通過具有一定傳輸比曲線的線性濾光片305和光耦合波分復(fù)用器306后傳送至光電轉(zhuǎn)換器208和209轉(zhuǎn)換成電信號，經(jīng)過電信號處理電路，比較和分析后輸出待測波長信號。

在需要對多個信道同時進(jìn)行監(jiān)測時，本發(fā)明的技術(shù)方案提出了一種測量光纖光柵波長的設(shè)備，包括如圖3所示：

1×Q光纖分路器，寬帶光源經(jīng)過1×Q光纖分路器分成Q路光，還設(shè)有Q個并聯(lián)連接的其合路端口分別連接Q個待測光纖光柵的Y形光纖耦合器或環(huán)行器，其一分路端口分 別連接至所述1×Q光纖分路器的Q個輸出端口，其另一分路端口分別連接至Q個帶有一定傳輸比曲線的線性濾光片305的耦合器或光耦合波分復(fù)用器306，該光耦合器或耦合波分復(fù)用器306的兩組Q對端口連接光電轉(zhuǎn)換器208和209的輸入端口，所述Q個相應(yīng)光電轉(zhuǎn)換器的輸出端口都連接在所述電信號處理電路。采用上述Q個并聯(lián)通道可以實(shí)現(xiàn)Q通道的光柵波長測量。

所述一定寬帶的光是自發(fā)輻射光源ASE、發(fā)光二極管LED光源或半導(dǎo)體激光二極管LD光源等；

所述寬帶光源的發(fā)光波長與采用光纖的工作窗口相一致，包括1525nm～1565nm的C波段、1525nm～1625nm的C+L波段、1565nm～1625nm的L波段、1460nm～1525nm的S波段、1280nm～1350nm光譜區(qū)和850nm～980nm近紅外區(qū)。

在很多場合，我們需要對DWDM系統(tǒng)的某一個復(fù)用信道波長進(jìn)行測量，或?qū)WDM光源波長進(jìn)行監(jiān)測和校準(zhǔn)?；诰€性濾光片的單波長測量，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)比較簡單，易于做成便攜式儀表，而且成本較低，具有很高的性價比。下面將對一些應(yīng)用于1550nm窗口的單波長測量技術(shù)進(jìn)行介紹，該方案中的核心器件是線性濾光片，它具有依賴于入射光波長的傳輸特性，傳輸比如圖4所示：

被測光信號被一個1×2的光功率耦合器分為兩路，其中一路經(jīng)線性濾光片后進(jìn)入光電探測器成為測量信號，另一路直接進(jìn)入光電探測器成為參考信號。由于濾波片對光信號的吸收和反射，使得測量信號相對于參考信號來說有所衰減，對于不同波長的光其衰減量是不同的。將測量信號值與參考信號值相比即得到濾光片的傳輸比。測量信號和控制信號各自經(jīng)放大器和A/D轉(zhuǎn)換器處理后成為數(shù)字信號，將它們傳入微處理器進(jìn)行處理，最后顯示出波長值。

由于線性濾光片的光功率衰減范圍(動態(tài)范圍)不宜過大，因此要得到高分辨率的波長測量結(jié)果，則需要高精度的光功率測量手段。

基于波分復(fù)用器件的單波長測量使用一個雙錐耦合波分復(fù)用器，它將輸入光信號分為A、B兩路，這兩路光信號分別通過光電二極管DA和DB轉(zhuǎn)化為光電流IA和IB，IA和IB輸入到一個對數(shù)放大器后產(chǎn)生一個輸出電壓：

$V_m=Klog\left(\frac{I_A}{I_B}\right)---\left(1\right)$

式中，K為放大器的增益系數(shù)。雙錐耦合波分復(fù)用器使得波長為λ₁的光從A路輸出，而讓波長為λ₂的光從B路輸出。耦合波分復(fù)用器的耦合系數(shù)近似為：

$\mathrm{\η}={\sin }^2\[\frac{\mathrm{\π}(\mathrm{\λ}-{\mathrm{\λ}}_1)}{2({\mathrm{\λ}}_2-{\mathrm{\λ}}_1)}\]---\left(2\right)$

如果輸入耦合器的光信號的功率譜密度為則輸出的光電流分別為

式中，Δλ為輸入光的譜寬，R_A和R_B分別為光電二極管DA和DB的響應(yīng)度。對于一個光功率為P_L，波長為λ_L的單色輸入光來說，可由式(1)～(4)得出輸出電壓V_m的表達(dá)式為：

$V_m=Klog\{\frac{R_A}{R_B}{\tan }^2\[\frac{\mathrm{\π}(\mathrm{\λ}-{\mathrm{\λ}}_1)}{2({\mathrm{\λ}}_2-{\mathrm{\λ}}_1)}\]\}---\left(5\right)$

由式(5)可以看出，V_m是一個關(guān)于λ_L的平穩(wěn)單調(diào)函數(shù)，這里λ_L的值在λ₁與λ₂之間。因此，如果我們事先知道被測光信號的波長值落在這個范圍里，就可以通過測量V_m來得到被測光信號的波長。

該測量中的關(guān)鍵器件是雙錐耦合波分復(fù)用器，被測光信號波長值的測量主要是借助于耦合波分復(fù)用器的耦合系數(shù)隨入射光波長的變化而變化這一特性來實(shí)現(xiàn)的?？梢钥闯?，上述這種方法是利用了分光器件的分光比與入射光波長的函數(shù)關(guān)系來達(dá)到波長測量的目的，它將分出的兩路光電流進(jìn)行對數(shù)處理從而消除入射光功率的影響，使最后的測量結(jié)果與入射光強(qiáng)的大小無關(guān)。

所述Y形光纖耦合器是50:50功率分配型1×2雙分支光纖耦合器。

所述環(huán)行器是三接口型環(huán)行器。所述光電轉(zhuǎn)換器是光電檢測二極管(Photodiode，簡稱PD)。在傳感光纖光柵或傳感光纖光柵串與電信號處理電路之間設(shè)有用于指示裝置正常工作的光電轉(zhuǎn)換器。

最后應(yīng)當(dāng)說明的是：以上實(shí)施例僅用以說明本發(fā)明的技術(shù)方案而非對其限制，所屬領(lǐng)域的普通技術(shù)人員盡管參照上述實(shí)施例應(yīng)當(dāng)理解：依然可以對本發(fā)明的具體實(shí)施方式進(jìn)行修改或者等同替換，這些未脫離本發(fā)明精神和范圍的任何修改或者等同替換，均在 申請待批的本發(fā)明的權(quán)利要求保護(hù)范圍之內(nèi)。