[实用新型]一种使用角度调谐滤光片的光纤光栅波长解调系统

说明书

技术领域

本实用新型属于光纤光栅传感、分布式光学测量、物联网技术领域，涉及到一种分布式传感用高精度光纤光栅波长解调系统。特别适合于高精度、高可靠性、宽带实时光纤光栅波长解调，能够实现大范围分布式光纤传感。

背景技术

随着光纤传感技术及物联网行业的快速发展，基于光纤光栅的分布式温度、压力、应变、振动等类型光纤传感测量系统正大范围的应用于石化、电力、铁路、桥梁、隧道、土木工程等国民工程领域。光纤光栅传感器以其特有的高可靠性、抗电磁辐射、耐高压、质量轻、寿命长及其对光强度不敏感的波长编码特性，在无源传感器领域具有极好的应用前景。在光纤光栅传感系统中，对环境中物理量(温度、压力、应变、加速度等)的感知是以测量光纤光栅结构的特征波长来实现的，因此该类型光学传感对波长解调系统有很高的使用需求，要求该解调系统具有调谐范围宽、测量准确度高、稳定性好、可靠性高、产业化成本低的特点。

从光纤光栅的发明至今，在传感器应用领域科学家、工程师们已经开发出多种波长调制解调技术，主要有以下几种：(1)直接使用光谱仪、波长计测量由光纤光栅反射的光谱，该种方式的测量速度较慢，且仪器设备价格昂贵，仅适合于实验室、工厂车间等具备较好操作环境；(2)利用可调谐激光器作为激光光源，在一定范围内进行光谱扫描，根据反射谱的最大值在往复扫描期内的相对时间来确定光栅的特征波长，该种方法对光源的功率要求不高，容易实现多路复用，但对光源的品质要求苛刻，光源成本高；(3)利用宽谱光源和可调谐滤波器作为光功率输入，通过功率计监测整形后峰值脉冲信号的相对位置来确定光纤光栅的特征波长，该种解调技术对宽谱光源的光功率的强度、光源的稳定性以及谱线宽度的要求较高，同时通过使用可调谐光学滤波器来实现光波长信号峰的确定。

光学可调谐滤波器目前在市场上有比较好的应用前景的主要有如下几类：光纤法布里-珀罗型可调谐滤波器、光纤光栅型可调谐滤波器、角度调谐滤光片型可调谐滤波器；其中前两种光纤型可调谐滤波器使用压电陶瓷驱动，受限于压电陶瓷材料的特性，存在一定的迟滞效应，且使用寿命受限，并且目前该种器件主要依赖进口，价格较高，不利于产业化生产。光栅滤波器利用的是光纤布拉格衍射，采用控制温度变化或应力来调谐波长，其带宽和信道隔离度都较好，但其调谐范围小，容易受到外界环境的影响特性，长期稳定性不好，一直没有在实际工程中应用。F-P(法布里-珀罗)型可调谐光滤波器(参见中国专利CN1828351A)的优点是插入损耗低，调谐速度快精细度高，是密集波分复用系统中的重要元件；另外还可以与探测器、激光器、波长转换器结合使用进行波长探测(参见中国专利200610013454.8)；美国公司MOI的FFP(光纤法布里-珀罗)(参见美国专利US5212746)采用的压电陶瓷带动FP移动进行滤波，调谐速度快，调谐范围宽，但结构复杂，价格昂贵，且存在较大的漂移量，影响其长期使用寿命。介质薄膜滤波器(参见中国专利CN1532618，CN201449502，CN1996074A)具有很好的热稳定性，具有非常低的温度系数，能够保证长期的稳定性，且具有较低偏振相关损耗、低色散等优势；基于角度调谐型滤光片的可调谐滤波器因其结构稳定、可靠、易于加工，目前国内外市场上已有相关产品出现(参见中国专利CN200920061296.2、03128005.6、200610125495.6)，但是应用领域集中在光纤通信行业，主要作为密集波分复用(DWDM)系统中的核心组件来使用，在光纤传感领域还未见相关产品出现。随着新技术的不断涌现，在一些刊物里面也介绍了其他集中类型的光学滤波器，例如马赫-曾德尔光滤波器、声光可调谐光滤波器(参见中国专利200910063191.5)、液晶光调谐滤波器(参见中国专利201020129713.5)，其中马赫-曾德尔光滤波器的优点是信道间隔可以做到很小，制造成本低，对偏振很不灵敏，串音很低；缺点是频率间隔Δf必须非常精确地控制，且所有信道的频率间隔都必须是Δf的倍数才行，调谐控制复杂、速度较慢；声光可调谐光滤波器(参见中国专利CN1449507A)具有较宽的调谐带宽(几百个nm)，可同时选择多个波长，缺点是对偏振态敏感，分辨率较低(约1nm)；液晶光调谐滤波器调谐电压低，属于块状结构，不利于与光纤的输入输出耦合；并且对光信号的偏振态敏感，液晶材料的吸收与散射的损耗较大，并不适合于大规模的工业化运用。