趙亞麗

（承德石油高等?？茖W(xué)校，河北承德，067000；2.河北省儀器儀表工程技術(shù)研究中心，河北承德，067000）

基于F-P濾波器的光纖光柵解調(diào)系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)

趙亞麗1,2

（承德石油高等?？茖W(xué)校，河北承德，067000；2.河北省儀器儀表工程技術(shù)研究中心，河北承德，067000）

為了提高基于法布里-珀羅(Fabry-Perot ，F(xiàn)-P)濾波器的光纖光柵波長解調(diào)系統(tǒng)的性能，提出了一種采用新型光纖梳狀濾波器作為參考波長裝置的解調(diào)方案。新型光纖梳狀濾波器由兩個(gè)啁啾光柵和一個(gè)光耦合器組成，與傳統(tǒng)的參考光柵相比可以為解調(diào)系統(tǒng)提供更多的參考點(diǎn)。優(yōu)化后的解調(diào)系統(tǒng)重復(fù)性好，運(yùn)行更穩(wěn)定、精確。

光纖光柵；光纖梳狀濾波器；波長解調(diào)；F-P濾波器

0 引言

光纖光柵是一種新型的無源器件，能實(shí)現(xiàn)對應(yīng)變、溫度等多種外界物理量的測量，具有傳感器靈敏度高、抗電磁干擾、耐腐蝕、可遙測、體積小、可埋入工程材料及進(jìn)行分布式測量等諸多優(yōu)點(diǎn)[1]，因此，近年來在光纖傳感領(lǐng)域得到了廣泛的關(guān)注，成為傳感領(lǐng)域的又一研究熱點(diǎn)，并獲得了極大的發(fā)展。光纖光柵傳感系統(tǒng)的解調(diào)是關(guān)乎光纖光柵傳感器應(yīng)用的重要組成部分，近年來發(fā)展也很快。

本文分析了基于F-P濾波法光纖光柵解調(diào)技術(shù)的原理，并在此基礎(chǔ)上對其波長標(biāo)定裝置進(jìn)行研究改進(jìn)，以期提高整個(gè)解調(diào)系統(tǒng)的性能。

1 可調(diào)諧F-P濾波法解調(diào)原理

可調(diào)諧F-P濾波解調(diào)法的工作原理是通過改變加在F-P腔上的電壓來調(diào)節(jié)濾波器的腔長，從而達(dá)到對傳感光柵進(jìn)行波長掃描的目的。當(dāng)F-P濾波器的的透射波長光纖光柵的反射波長重合時(shí)，光電探測器探測到的光強(qiáng)最大，再根據(jù)F-P腔的波長和掃描電壓的關(guān)系對所得數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合運(yùn)算，就可以得到傳感光柵的被測中心波長[3]。

一般情況下，認(rèn)為透射波長與加在濾波器上的電壓成線性關(guān)系，但法布里-珀羅濾波器的電壓響應(yīng)并不是線性的，而且濾波器的線性度也受到溫度等環(huán)境因素的影響，導(dǎo)致加在濾波器上的電壓與光纖光柵的波長之間不能實(shí)現(xiàn)真正的線性關(guān)系。在實(shí)際測量過程中F-P濾波器的腔長漂移和驅(qū)動(dòng)元件的非線性以及PZT的遲滯效應(yīng)都會(huì)影響測量結(jié)果的精確度[4]。一般來說解決這種非線性問題的方法是使用一個(gè)波長分布已知的，帶標(biāo)記且不受溫度影響的參考光柵標(biāo)準(zhǔn)具模塊來補(bǔ)償濾波器光譜的非線性和漂移的影響。但這種方式受參考光柵數(shù)量的限制，為此我們提出利用新型光纖光柵梳狀濾波器優(yōu)化FBG解調(diào)系統(tǒng)來提高解調(diào)精度。

2 系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)

2.1 新型光纖梳狀濾波器

新型光纖梳狀濾波器主要由單模光纖、光纖耦合器以及兩個(gè)相同的啁啾光柵構(gòu)成，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。光從端口1進(jìn)入濾波器，從端口2輸出。兩個(gè)啁啾光柵分別連在耦合器的兩端與耦合器之間的臂長分別為L1、L2。這種結(jié)構(gòu)的梳狀濾波器相當(dāng)于一個(gè)邁克爾干涉儀，啁啾光柵的反射譜經(jīng)余弦調(diào)制后從端口2的輸出。當(dāng)兩臂長L1和L2相等時(shí)，梳狀濾波器的輸出光譜為啁啾光柵的反射譜；當(dāng)兩臂長不相等時(shí)，則濾波器的輸出為啁啾光柵反射譜內(nèi)的多個(gè)干涉峰結(jié)構(gòu)[5]。

圖1 新型濾波器的結(jié)構(gòu)

這種濾波器具有較低的插入損耗和較大的工作帶寬，而且還可以通過改變L1和L2的兩臂長差來改變通帶間隔從而提高梳狀濾波器的性能。將這種梳狀濾波器用于解調(diào)系統(tǒng)時(shí)，一個(gè)最大的優(yōu)點(diǎn)就是當(dāng)信號改變時(shí)，不需要重新設(shè)計(jì)光柵，只需要先在恒溫狀態(tài)下，先標(biāo)定光纖梳狀濾波器的波長，再將其作為解調(diào)系統(tǒng)的參考波長，然后再通過各種數(shù)學(xué)擬合運(yùn)算，即可得到傳感光柵的被測中心波長。

2.2 優(yōu)化解調(diào)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

圖2 解調(diào)系統(tǒng)框圖

優(yōu)化后的基于F-P濾波器的光纖光柵解調(diào)系統(tǒng)如圖2所示，其工作過程是寬帶光源發(fā)出的光經(jīng)3dB耦合器后分別進(jìn)入傳感光柵通道和參考光纖梳狀濾波器通道，滿足Bragg條件的光被反射，經(jīng)3dB耦合器進(jìn)入在一定波長范圍內(nèi)掃描的可調(diào)F-P濾波器后進(jìn)入光電探測器，根據(jù)光纖梳狀濾波器多個(gè)參考點(diǎn)提供的標(biāo)定波長再通過精確的牛頓差值算法即可得到被測波長。

3 結(jié)束語

本文提出了利用新型光纖梳狀濾波器來優(yōu)化可調(diào)諧F-P濾波器的光纖光柵解調(diào)系統(tǒng)。與傳統(tǒng)的參考光柵解調(diào)相比，新型梳狀濾波器可以提供更多的參考點(diǎn)且不用重復(fù)設(shè)計(jì)和改變光纖光柵，具有低插入損耗、大工作帶寬等優(yōu)點(diǎn)，提高了解調(diào)系統(tǒng)的性能。光纖光柵解調(diào)系統(tǒng)的發(fā)展方向是高速、高精度、低價(jià)格且能同時(shí)進(jìn)行動(dòng)態(tài)和靜態(tài)參量測量。本文提出的光纖光柵解調(diào)方案還需要不斷改進(jìn)和完善，以達(dá)到更好的解調(diào)效果。

[1]華靜.波長參考FBG波長解調(diào)系統(tǒng)分析與設(shè)計(jì)[D].中國計(jì)量學(xué)院,2012:1-3.

[2]趙亞麗,李玉華,張春青.基于 DWDM與MATLAB的光纖光柵壓力傳感解調(diào)系統(tǒng)的研究[J],承德石油高等?？茖W(xué)校學(xué)報(bào),2016.12:54-56.

[3]孫金衛(wèi),黃俊斌,顧紅燦等.基于可調(diào)諧F-P濾波解調(diào)系統(tǒng)的直接尋峰算法與功率加權(quán)尋峰算法，四川兵工學(xué)報(bào)，2011.32(6):83-85.

[4]胡志新,朱軍,張陵等，光纖光柵壓力傳感器中應(yīng)力遲滯的消除方法[J],光子學(xué)報(bào),2006.35（9）:1329-1332.

[5]李明珠.新型光纖光柵梳狀濾波器設(shè)計(jì)[J],光纖與電纜及其應(yīng)用技術(shù),2012.2:11-13.

Optimization design of fiber Bragg grating demodulation system based on F-P filter

Zhao Yali1,2
(1.ChengDe Petroleum College,Chengde Hebei,067000 ;2.Instrumentation engineering technology research center of the Hebei province,Chengde Hebei,067000)

A new demodulation system is proposed with a novel fiber comb filter as the reference wavelength to improve the performance of fiber Bragg grating wavelength demodulation system based on F-P filter.The new fiber comb filter consists of two chirped gratings and one optical coupler, which can provide more reference points for the demodulation system.The optimized demodulation system has good repeatability and stable operation.

FBG;fiber comb filter; wavelength demodulation; F-P filter

趙亞麗(1982-)，女，河北保定人，碩士，講師，主要從事光電檢測、光纖傳感技術(shù)以及實(shí)踐教學(xué)的研究。