專利名稱：一種光纖光柵傳感器及其波長解調方法及傳感器的制作方法
技術領域：
本發明公開了一種在光纖光柵傳感系統中的光纖光柵傳感器及其波長解調方法，尤其是應用啁啾光纖光柵實現光纖光柵傳感及其波長解調的方法。
背景技術：
光纖光柵可以將外界環境的變化(如應力、應變、振動、溫度變化等等)轉換成自身反射光譜中心波長的變化，將光纖光柵經過適當的封裝后，可以制作成特定的光纖光柵傳感器。
相對于傳統電量型傳感器，光纖光柵傳感器具有顯著的優點抗電磁干擾，可以在惡劣的環境下正常工作；光纖傳輸損耗小，可以遠距離監測；光纖光柵性能穩定，使用壽命長；光纖光柵與光纖具有天然的兼容性，封裝尺寸小，結構小巧。由于上述諸多優點，光纖光柵傳感得到越來越廣泛的應用。
光纖光柵傳感應用需要解決的一個核心問題就是光纖光柵傳感器中心波長的解調。目前實現波長解調技術通常有以下幾種，它們是光譜分析技術、波長掃描技術、光學濾波技術、非平衡M-Z干涉儀解調技術以及匹配光柵解調方法等。光譜分析技術由于需要大量的數學計算，波長解調速度較低，無法適應高速動態信號的測量；波長掃描技術因為存在可動部件，其可靠性和長期穩定性有待進一步提高；光學濾波技術和非平衡M-Z干涉儀解調技術由于存在零點飄移問題目前僅適用于動態信號的測量。
傳統的匹配光柵解調方法由于采用等周期的布拉格光纖光柵，其反射譜頻帶寬度通常不大于1nm，需要對參考光纖光柵的中心波長進行調制實現波長掃描，從而限制了解調速度及所能測量的動態范圍。
發明內容
本發明的目的在于提供一種非均勻周期(啁啾)光纖光柵傳感器及其波長解調方法，具有成本低、結構簡單、無須大量的信號處理、測量動態范圍大、解調速度快等優點，可以彈性提高或降低波長解調的速度，同時簡化波長解調系統結構，降低光纖光柵傳感應用的成本。
所述光纖光柵傳感器，采用啁啾光纖光柵進行封裝，通過粘接或者焊接的方法將光纖光柵固定在基底材料上，封裝后的光纖光柵傳感器具有近似矩形的反射光譜。波長解調部分包括一個寬帶光源、兩個光纖耦合器、兩個光電探測器以及一個和光纖光柵傳感器匹配的參考啁啾光纖光柵。
所述光纖光柵傳感器，可用于環境溫度、結構體應力/應變以及振動情況的測量，當被測量物理量變化時，引起其反射光譜中心波長發生漂移，而反射光譜形狀基本不發生改變。
所述光纖光柵傳感器，其反射光譜頻帶寬度與被測物理量的動態范圍以及測量精度相關，被測量動態范圍越大、測量精度越高，所述光纖光柵的反射光譜頻帶寬度越大。
所述波長解調方法中，波長解調部分包括一個寬帶光源、兩個光纖耦合器、兩個光電探測器以及一個和光纖光柵傳感器匹配的參考啁啾光纖光柵。
寬帶光源發出的光信號通過一個光纖耦合器進入光纖光柵傳感器，經過光纖光柵傳感器反射后，依次通過兩個光纖耦合器后分成兩路，一路直接進入光電探測器，另一路通過參考光纖光柵后進入光電探測器，兩路信號經過差分處理后輸出。
在所述的波長解調方法中，寬帶光源的輸出光譜范圍應和所述光纖光纖傳感器的反射光譜范圍處于同一波段，并且其輸出光譜寬度應大于所述光纖光柵傳感器的反射光譜頻帶寬度。
在所述的波長解調方法中，兩個光纖耦合器必需具有確定的分光比，并且其分光比不隨環境溫度變化而發生明顯的改變。既可以使用1×2型光纖耦合器，也可使用2×2型光纖耦合器。
在所述的波長解調方法中，兩個光電探測器的光電響應特性，包括頻率響應參數和強度響應參數必需相同。
在所述的波長解調方法中，參考啁啾光柵具有近似矩形的反射光譜，并且其反射光譜與光纖光柵傳感器初始狀態下相同。通過溫度控制或者其他減敏措施，使其反射光譜譜形不受環境變化的影響。參考啁啾光纖光柵的反射光譜頻帶寬度與被測物理量的動態范圍以及測量精度相關，被測量動態范圍越大、測量精度越高，所述光纖光柵的反射光譜頻帶寬度越大。
在所述的波長解調方法中，進入光電探測器的兩路光信號，經過光電轉換和必要的信號放大后，通過一個差分電路，或者經過模擬-數字轉換后進行差分處理，差分結果即反映了光纖光柵傳感器所測物理量的變化情況。
在所述的波長解調方法中，兩路光信號差分處理方法消除了所述寬帶光源輸出光信號強度波動的影響，不要求所述的寬帶光源具有特別穩定的輸出光功率，同時在多點波分復用系統中，可以消除其他波長的光纖光柵傳感器反射光強對解調結果的影響。
在所述的波長解調方法中，當光纖光柵傳感器的反射光譜與參考啁啾光纖光柵的反射光譜完全重合時，差分得到的信號強度最小，理論上為0；當被測物理量發生變化，光纖光柵傳感器的反射光譜發生漂移，當其反射光譜剛剛與參考啁啾光纖光柵的反射光譜完全不重合時，達到系統所能測量的最大范圍，此時差分得到的信號強度最大。
圖1是啁啾光纖光柵傳感器示意圖。
圖2是采用參考啁啾光纖光柵實現波長解調的示意圖。
具體實施例方式
為了更清楚地介紹本發明的目的和優點，下文結合實施例、附圖來做進一步的說明。
圖1示意出啁啾光纖光柵傳感器的結構圖，可以看出纖芯內部的柵區結構的周期沿光纖芯軸方向不斷變化。啁啾光纖光柵既可以采用啁啾掩模板直接曝光，也可以采用等周期光纖光柵不等強度應變封裝的方式實現。啁啾光纖光柵可以通過粘膠或者焊接的方式固定在基底材料上。
圖2示意出采用參考啁啾光纖光柵實現波長解調的方案。寬帶光源100的輸出光信號經過2001端口進入光纖耦合器200，從2003端口出射后進入啁啾光纖光柵傳感器300。經過光纖光柵傳感器300反射后沿原來光路返回進入光纖耦合器200，從光纖耦合器200的2002端口出射，通過光纖耦合器400后分成兩束光，一束直接進入光電探測器600，另一束經過參考啁啾光纖光柵500后進入光電探測器700。兩路光信號經過光電轉換后，分別經由端口8001和8002進入差分電路800，差分的結果經由8003端口輸出，即為最終解調信號。
由于啁啾光纖光柵傳感器300和參考啁啾光纖光柵500的初始反射光譜相同，經啁啾光纖光柵傳感器300反射進入參考啁啾光纖光柵500的光又被完全反射，因此在初始狀態下光電探測器700探測到的信號強度最小，理論值為0；由于參考啁啾光纖光柵500經過處理后其反射光譜不隨外界環境變化而改變，當啁啾光纖光柵傳感器300所測量的物理量發生改變時，引起其反射光譜發生相對飄移，此時反射光譜中會有一部分超出參考啁啾光纖光柵500的反射光譜范圍，從而得以進入光電傳感器700，此時光電探測器700探測到的信號強度增大。由于兩個啁啾光纖光柵300和400的反射光譜呈矩形分布，所以光電探測器700探測到的信號強度與啁啾光纖光柵傳感器300的光譜飄移幅度成正比，從而正比于被測物理量的變化。
在解調方案中引入光電探測器600，一方面是為了消除由于寬帶光源100輸出光功率的波動；另一方面，在多點波分復用系統中，可以有效消除其他波長的光纖光柵傳感器對解調結果的影響。
雖然參照上述實施例詳細地描述了本發明，但是應該理解本發明并不限于所公開的實施例，對于本專業領域的技術人員來說，可對其形式和細節進行各種改變。本發明意欲涵蓋所附權利要求書的精神和范圍內的各種變形。
權利要求
1.一種光纖光柵傳感器，其特征在于，采用啁啾光纖光柵進行封裝，通過粘接或者焊接將光纖光柵固定在基底材料上，封裝后的光纖光柵傳感器具有近似矩形的反射光譜。
2.根據權利要求1所述的光纖光柵傳感器，其特征在于，可用于環境溫度、結構體應力/應變以及振動情況的測量，當被測量物理量變化時，引起其反射光譜中心波長發生漂移，而反射光譜形狀基本不發生改變。
3.根據權利要求1所述的光纖光柵傳感器，特征在于，其反射光譜頻帶寬度與被測物理量的動態范圍以及測量精度相關，被測量動態范圍越大、測量精度越高，所述光纖光柵的反射光譜頻帶寬度越大。
4.一種和權利要求1配套的光纖光柵中心波長解調方法，波長解調部分包括一個寬帶光源、兩個光纖耦合器、兩個光電探測器以及一個和光纖光柵傳感器匹配的參考啁啾光纖光柵，寬帶光源發出的光信號通過一個光纖耦合器進入光纖光柵傳感器，經過光纖光柵傳感器反射后，依次通過兩個光纖耦合器后分成兩路，一路直接進入光電探測器，另一路通過參考光纖光柵后進入光電探測器，兩路信號經過差分處理后輸出。
5.根據權利要求4所述的波長解調方法，其特征在于，所述寬帶光源的輸出光譜范圍應和所述光纖光纖傳感器的反射光譜范圍處于同一波段，并且其輸出光譜寬度應大于所述光纖光柵傳感器的反射光譜頻帶寬度。
6.根據權利要求4所述的波長解調方法，其特征在于，所述兩個光纖耦合器必需具有確定的分光比，并且其分光比不隨環境溫度變化而發生明顯的改變。
7.根據權利要求4所述的波長解調方法，其特征在于，所述兩個光電探測器的光電響應特性，包括頻率響應參數和強度響應參數必需相同。
8.根據權利要求4所述的波長解調方法，其特征在于，所述參考啁啾光柵具有近似矩形的反射光譜，并且其反射光譜與光纖光柵傳感器初始狀態下相同。
9.根據權利要求4所述的波長解調方法，其特征在于，所述參考啁啾光纖光柵，通過溫度控制或者其他減敏措施，使其反射光譜譜形不受環境變化的影響。
10.根據權利要求4所述的波長解調方法，其特征在于，所述參考啁啾光纖光柵的反射光譜頻帶寬度與被測物理量的動態范圍以及測量精度相關，被測量動態范圍越大、測量精度越高，所述光纖光柵的反射光譜頻帶寬度越大。
11.根據權利要求4所述的波長解調方法，其特征在于，進入光電探測器的兩路光信號，經過光電轉換和必要的信號放大后，通過一個差分電路，或者經過模擬-數字轉換后進行差分處理，差分結果即反映了光纖光柵傳感器所測物理量的變化情況。
12.根據權利要求4所述的波長解調方法，其特征在于，兩路光信號差分處理方法消除了所述寬帶光源輸出光信號強度波動的影響，不要求所述的寬帶光源具有特別穩定的輸出光功率，同時在多點波分復用系統中，可以消除其他波長的光纖光柵傳感器反射光強對解調結果的影響。
全文摘要
一種光纖光柵傳感器及其波長解調方法，該光纖光柵傳感器采用啁啾光纖光柵進行封裝，波長解調部分包括一個寬帶光源、兩個光纖耦合器、兩個光電探測器以及一個和光纖光柵傳感器匹配的參考啁啾光纖光柵。所述寬帶光源發出的光信號通過一個光纖耦合器進入光纖光柵傳感器，經過光纖光柵傳感器反射后，通過兩個光纖耦合器分成兩路，一路直接進入光電探測器，另一路通過參考光纖光柵后進入光電探測器，兩路信號經過差分處理后輸出。
文檔編號G01D5/26GK1955640SQ200510118018
公開日2007年5月2日 申請日期2005年10月24日 優先權日2005年10月24日
發明者張松偉, 劉育梁 申請人:中國科學院半導體研究所
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