張燕君，王光宇，付興虎

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長周期光纖光柵-布拉格光纖光柵多波長解調(diào)

張燕君1,2，王光宇1，付興虎1,2

( 1. 燕山大學(xué) 信息科學(xué)與工程學(xué)院，河北 秦皇島 066004；2. 河北省特種光纖與光纖傳感重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，河北 秦皇島 066004 )

提出了一種長周期光纖光柵(Long Period Fiber Grating，LPFG)-布拉格光纖光柵(Fiber Bragg Grating，F(xiàn)BG)多波長解調(diào)方法。FBG能夠反射LPFG透射光，F(xiàn)BG中心波長的漂移會(huì)引起反射光功率的變化，進(jìn)而改變光電轉(zhuǎn)換電壓，從而實(shí)現(xiàn)電壓對(duì)中心波長的解調(diào)。由于LPFG的帶寬很寬，而FBG的帶寬很窄，進(jìn)而一個(gè)LPFG可以實(shí)現(xiàn)對(duì)多個(gè)FBG的解調(diào)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：FBG的中心波長和光電轉(zhuǎn)換后的電壓有良好的對(duì)應(yīng)關(guān)系。該解調(diào)方法結(jié)構(gòu)簡單，測(cè)量精度高，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)溫度、應(yīng)力等參數(shù)的多點(diǎn)測(cè)量。

光纖元件；布拉格光纖光柵；長周期光纖光柵；解調(diào)

0 引 言

布拉格光纖光柵(Fiber Bragg Grating，F(xiàn)BG)作為一種新型的傳感器，具有抗電磁干擾能力強(qiáng)、靈敏度高、能夠復(fù)用等優(yōu)勢(shì)[1-4]，受到越來越多國內(nèi)外學(xué)者的重視。而FBG中心波長的解調(diào)是現(xiàn)在光纖傳感技術(shù)研究的重點(diǎn)之一。目前FBG的解調(diào)方法主要有以下幾種：邊緣濾波解調(diào)法[5]，該解調(diào)方式結(jié)構(gòu)簡單、速度快，但是容易受到耦合器分光比和濾波器穩(wěn)定性的影響，導(dǎo)致測(cè)量精度低，便攜性差；非平衡馬赫-曾德爾干涉解調(diào)法[6]，測(cè)量精度高，響應(yīng)速度快，但很容易受到外界環(huán)境的影響，適用范圍??；匹配光柵解調(diào)法[7]結(jié)構(gòu)簡單、適用于靜態(tài)和低頻率的動(dòng)態(tài)測(cè)量，但是測(cè)量精度低、測(cè)量范圍??；可調(diào)諧法布里-珀羅濾波器解調(diào)法[8]解調(diào)精度高、解調(diào)范圍大，高頻測(cè)量時(shí)法布里-珀羅濾波器的非線性會(huì)影響解調(diào)精度。針對(duì)傳統(tǒng)的FBG解調(diào)方式存在的缺陷，本文提出一種長周期光纖光柵(Long Period Fiber Grating，LPFG)-布拉格光纖光柵多波長解調(diào)方法。

基于LPFG和FBG的傳感原理，本文首先介紹了LPFG-FBG多波長解調(diào)原理，然后以兩路FBG為例，對(duì)FBG的中心波長進(jìn)行解調(diào)，并詳細(xì)分析了實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

1 光纖光柵傳感原理

1.1 LPFG傳感原理

LPFG的耦合是纖芯導(dǎo)模和同向傳播的包層間的耦合。對(duì)于均勻LPFG，當(dāng)僅考慮纖芯導(dǎo)模與同向傳播的一階包層模間的耦合時(shí)，其耦合方程[9]可以寫為

1.2 FBG傳感原理

由光纖的耦合模式理論[10]可以得到FBG的中心波長為

其微分形式為

FBG結(jié)構(gòu)的改變，集中表現(xiàn)為FBG中心波長的漂移。

根據(jù)LPFG和FBG的傳感原理，F(xiàn)BG可以反射LPFG透射譜中不同波長的光，通過反射光功率的不同即可解調(diào)出FBG中心波長的變化，因此本文提出了一種LPFG-FBG多波長解調(diào)方法。

2 解調(diào)實(shí)驗(yàn)與結(jié)果分析

2.1 解調(diào)原理

LPFG-FBG多波長解調(diào)方法原理如圖1所示。實(shí)驗(yàn)中選擇臺(tái)式ASE寬帶光源，其輸出功率為16 dBm，光譜范圍為1 520 nm~1 610 nm；光譜儀型號(hào)為AQ6375。在實(shí)際應(yīng)用中，不同F(xiàn)BG的中心波長相差較大，以避免中心波長的漂移而發(fā)生串?dāng)_；LPFG具有較大的帶寬，以增加FBG的解調(diào)數(shù)量。

解調(diào)原理如下：寬帶光源發(fā)出的光，經(jīng)過LPFG后會(huì)形成一個(gè)透射損耗峰，其通過第一個(gè)環(huán)形器(Optical Circulator，OC)后，一部分光被FBG1反射由OC1輸出，另一部分透射光通過OC2后，一部分光被FBG2反射再由OC2輸出，另一部分透射光再進(jìn)入OC3。以此類推，直到光被FBG反射后通過OC輸出。LPFG的透射譜存在著損耗峰，不同中心波長的FBG能夠反射LPFG透射譜中相應(yīng)波長的光。當(dāng)FBG受到外界因素影響，其中心波長發(fā)生變化時(shí)，由OC輸出的反射光功率也會(huì)產(chǎn)生相應(yīng)的變化。對(duì)反射光功率的光電轉(zhuǎn)換信號(hào)首先進(jìn)行去噪、放大，得到相應(yīng)的電壓值；然后對(duì)采集到的電壓值進(jìn)行時(shí)域平均；最后通過標(biāo)定的方式得到輸出電壓與FBG中心波長的對(duì)應(yīng)關(guān)系曲線。LPFG-FBG多波長解調(diào)原理如圖2所示。

當(dāng)LPFG所處的外界溫度發(fā)生變化時(shí)，LPFG的傳輸光譜形狀基本不變，只是發(fā)生平移，損耗峰幅值的變化很小[11]，可以認(rèn)為LPFG的損耗峰幅值對(duì)溫度不敏感，但是損耗峰的偏移會(huì)使FBG反射光強(qiáng)發(fā)生明顯的改變；當(dāng)LPFG受到的壓力改變時(shí)，LPFG的峰值損耗會(huì)發(fā)生劇烈改變，F(xiàn)BG的反射光強(qiáng)也會(huì)發(fā)生劇烈變化。所以在實(shí)驗(yàn)中應(yīng)將LPFG置于25 ℃的室溫環(huán)境中，以保證LPFG的透射譜的穩(wěn)定性。

由圖2可以看出，由于FBG1和FBG2的中心波長都處于LPFG透射譜范圍內(nèi)。當(dāng)外界環(huán)境穩(wěn)定時(shí)，F(xiàn)BG1和FBG2能夠反射LPFG透射譜與其中心波長相同的光，反射光功率恒定；當(dāng)FBG1和FBG2的中心波長發(fā)生變化時(shí)，反射光的波長也會(huì)產(chǎn)生變化，相應(yīng)的反射光功率也會(huì)改變。因此可以通過反射光功率的變化對(duì)應(yīng)出FBG中心波長的改變，實(shí)現(xiàn)光功率對(duì)中心波長的解調(diào)。LPFG具有很大的帶寬，而FBG1和FBG2有較大的波長差，當(dāng)FBG的中心波長發(fā)生漂移時(shí)，不會(huì)造成彼此之間的串?dāng)_，因此可以通過一個(gè)LPFG實(shí)現(xiàn)對(duì)多個(gè)中心波長的FBG解調(diào)。

2.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

由于FBG的解調(diào)結(jié)構(gòu)都是相同的，所以僅對(duì)其中的兩個(gè)FBG進(jìn)行驗(yàn)證即可。實(shí)驗(yàn)中FBG1的中心波長為1 558.25 nm，3 dB帶寬為0.16 nm，反射率為92.23%；FBG2的中心波長為1 562.34 nm，3 dB帶寬為0.18 nm，反射率為92.86%；LPFG的中心波長為1 560.354 nm，3 dB帶寬為1.46 nm，透射深度為24 dB。將LPFG置于25 ℃的室溫環(huán)境中，為了模擬FBG中心波長的漂移[12-13]，將FBG置于溫控箱中，對(duì)FBG進(jìn)行升溫處理，初始時(shí)刻溫度為30 ℃，每次升高10 ℃，一直升高到90 ℃，記錄FBG1和FBG2的波形變化。圖3為實(shí)驗(yàn)所獲得波形變化圖。

圖3 實(shí)驗(yàn)所獲得波形變化圖

表1 擬合結(jié)果Table

圖4 中心波長-電壓關(guān)系

由圖3可以看出，隨著FBG1中心波長的增加，其反射光功率逐漸減小，而FBG2隨著中心波長的增加，反射光功率逐漸增大。對(duì)FBG的反射光進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換，通過標(biāo)定的方式即可得到不同中心波長的FBG對(duì)應(yīng)的光電轉(zhuǎn)換電壓值。利用三次多項(xiàng)式法對(duì)FBG不同中心波長對(duì)應(yīng)下的光電轉(zhuǎn)換后的電壓值進(jìn)行擬合，得到的擬合曲線如圖4所示，擬合結(jié)果如表1所示。

通過對(duì)圖4和表1的分析可知，F(xiàn)BG1和FBG2的中心波長和光電轉(zhuǎn)換后的電壓有著很高的擬合度，校正系數(shù)分別為0.998 7和0.999 7，相對(duì)誤差分別為1.281 4%和0.128 6%。說明LPFG-FBG多波長解調(diào)方法可行，利用電壓-波長擬合曲線就可以實(shí)現(xiàn)對(duì)中心波長的解調(diào)。兩個(gè)FBG中心波長-電壓的對(duì)應(yīng)關(guān)系分別為

由圖4可以看出，隨著FBG1中心波長的增加，轉(zhuǎn)換后的電壓首先急劇減小，幾乎呈線性關(guān)系，然后電壓下降幅度逐漸減小，最后電壓值幾乎不變；而隨著FBG2的中心波長的增加，光電轉(zhuǎn)換后的電壓逐漸增大，線性度良好。首先對(duì)FBG1的這種現(xiàn)象分析：

1) FBG1的中心波長在1 557.6 nm~1 559 nm范圍內(nèi)變化時(shí)，F(xiàn)BG1反射光功率經(jīng)光電轉(zhuǎn)后的電壓值和FBG的中心波長具有較好的線性關(guān)系。LPFG的透射譜在這個(gè)區(qū)間的損耗均勻增大，當(dāng)FBG1的中心波長增加的幅度相同時(shí)，F(xiàn)BG1反射光功率變化量大小近似相同。由于FBG1中心波長的變化范圍很小，光電二極管對(duì)小范圍的波長光譜響應(yīng)度近乎相同，進(jìn)而光電轉(zhuǎn)換后的電壓大小變化相似，所以此區(qū)間FBG1的中心波長和光電轉(zhuǎn)換后電壓具有良好的線性關(guān)系。

2) FBG1的中心波長在1 559 nm~1 559.5 nm范圍內(nèi)變化時(shí)，隨著FBG1中心波長的增加，光電轉(zhuǎn)換后的電壓值變化程度明顯減弱。當(dāng)FBG1的中心波長為1 559 nm時(shí)，F(xiàn)BG1反射光功率相對(duì)較大；但隨著FBG1中心波長的繼續(xù)增大，LPFG透射譜逐漸趨于最大損耗處，此時(shí)FBG1能夠反射光功率已經(jīng)很小，所以此區(qū)段才會(huì)出現(xiàn)光電轉(zhuǎn)換后電壓下降幅度逐漸減小的現(xiàn)象。

3) FBG1的中心波長超過1 559.5 nm時(shí)，隨著FBG中心波長的繼續(xù)增大，F(xiàn)BG1反射光功率已經(jīng)很小，當(dāng)FBG1的中心波長再次增加時(shí)，F(xiàn)BG1反射光功率的變化量也很小，因此電壓值的變化量很小。由于環(huán)形器和FBG1的連接處也會(huì)有少量的光被反射，所以光電轉(zhuǎn)換后的電壓值不會(huì)趨于零，這些原因共同造成了此區(qū)間內(nèi)FBG1光電轉(zhuǎn)換后電壓值幾乎不變。

FBG2的分析與FBG1相類似：FBG2的中心波長在1 561.85 nm~1 563.95 nm范圍內(nèi)變化時(shí)，光電轉(zhuǎn)換后的電壓隨FBG2中心波長的增加而增大，F(xiàn)BG2反射光功率經(jīng)光電轉(zhuǎn)后的電壓值和FBG2的中心波長具有較好的線性關(guān)系。

3 結(jié) 論

本文基于LPFG透射譜的特性，提出了一種基于LPFG透射譜的多波長FBG解調(diào)方法，并進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。通過對(duì)LPFG和FBG傳感原理的分析可知，光通過LPFG會(huì)出現(xiàn)損耗峰，當(dāng)FBG的中心波長發(fā)生漂移，F(xiàn)BG反射光功率也會(huì)發(fā)生相應(yīng)的變化，進(jìn)而光電轉(zhuǎn)換后的電壓也會(huì)發(fā)生明顯的改變。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，兩組FBG光電轉(zhuǎn)換后的電壓和FBG中心波長的擬合曲線都具有很高的擬合度，相對(duì)誤差分別為1.281 4%和0.128 6%，證明電壓能夠?qū)BG中心波長進(jìn)行解調(diào)，還表明系統(tǒng)能夠?qū)Χ帱c(diǎn)進(jìn)行測(cè)量。該解調(diào)方法系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，能夠?qū)囟?、?yīng)力等參數(shù)進(jìn)行多點(diǎn)測(cè)量。

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Multiple Wavelength Demodulation Method of Long Period Fiber Grating and Fiber Bragg Grating

ZHANG Yanjun1,2，WANG Guangyu1，F(xiàn)U Xinghu1,2

( 1. School of Information Science and Engineering, Yanshan University, Qinhuangdao 066004, Hebei, China;2. The Key Laboratory for Special Fiber and Fiber Sensor of Hebei Province, Qinhuangdao 066004, Hebei, China )

A multiple wavelength demodulation method of long period fiber grating and fiber Bragg grating is proposed. Fiber Bragg grating can reflect the long period fiber grating transmission light. The central wavelength shift of fiber Bragg grating will cause the change of reflected light power, and the photoelectric conversion voltage can also change accordingly. So the voltage can demodulate the central wavelength. Because the transmission spectrum of long period fiber grating is very wide, the bandwidth of fiber Bragg grating is so narrow, and a long period fiber grating can demodulate a lot of fiber Bragg gratings. The experimental results show that the voltage of central wavelength and the photoelectric conversion of fiber Bragg grating have a good corresponding relationship. The demodulation method has some advantages including simple structure and high accuracy, so it can be used to measure the parameters of temperature and strain.

optical fiber components; fiber Bragg grating; long period fiber grating; demodulation

1003-501X(2016)08-0013-05

TN253；TN247

A

10.3969/j.issn.1003-501X.2016.08.003

2015-08-24；

2015-12-07

國家自然科學(xué)基金(61205068,61475133)；河北省自然科學(xué)基金(F2014203125)；中國博士后科學(xué)基金(2013M541200)；河北省科技支撐計(jì)劃(15273304D)；河北省高等學(xué)校青年拔尖人才計(jì)劃(BJ2014057)；燕山大學(xué)“新銳工程”人才支持計(jì)劃。

張燕君(1973-)，女(漢族)，北京人。教授，博士，主要研究工作是光纖傳感、光電檢測(cè)和信號(hào)處理等。E-mail: yjzhang@ysu.edu.cn。

付興虎(1981-)，男(漢族)，河北故城人。副教授，博士，主要研究工作是光纖傳感。E-mail: fuxinghu@ysu.edu.cn。