基于波长错位的双阵列波导光栅的高分辨光谱解调系统

1.本发明涉及一种基于双阵列波导光栅的高分辨光谱解调技术高分辨光谱解调系统，属于光传感的技术领域。


背景技术：

2.光纤光栅(fiber bragg grating,fbg)传感器因其具备抗电磁干扰性强、灵敏度高、结构简单、体积小等优势得以不断发展，并深入应用到航空航天、环境监测、地质勘探等各个方面。fbg反射谐振峰的中心波长会随外界温度、应变、振动、噪声等的影响而发生漂移，可通过对fbg谐振中心波长的解调实现对上述各物理量的实时监测。
3.光谱解调方案多基于分立的自由空间光学和光电子元器件，比较典型的方案有边缘滤波解调法、波长匹配法、射频探测法、干涉解调法、时域拉伸法等。其中，边缘滤波法具有系统结构简单、无需成本高昂的光精密仪器，具有较好的线性输出谱型，能有效抑制光功率损耗或起伏的影响，系统响应速度较快，成本较低，使用方便，可用于静态和动态测量。
4.由于目前基于边缘滤波法的信号解调仪主体一般采用单个awg芯片，相比于其他分立器件构成的方案已经向集成化迈进了一步。该方案具有体积小的优点，但是还未真正实现集成化。受限于awg的谱形，波峰附近的测量精度不高，难易覆盖所有需测量的波长，这限制了解调仪的波长测量精度。


技术实现要素：

5.为解决上述问题，本发明提出一种基于双阵列波导光栅的高分辨光谱解调系统，可以实现1540nm～1560nm全波长覆盖。
6.技术方案：本发明提出了一种基于双阵列波导光栅的高分辨光谱解调系统，包括一个宽谱光源，一个光隔离器，一个环形器，一个光纤布拉格光栅(fbg)阵列，一个y型分束器，两个阵列波导光栅(awg)，两个光电转换电路，两个a/d转换电路和一个信号处理单元。宽谱光源输出的光经过光隔离器和环形器进入fbg阵列，入射光经过fbg后反射为窄带光，再次经过环形器和y型分束器后分别进入两个通道中心波长交错的awg中，接着将awg通道输出的光接入光电转换电路输出电压信号，再经过a/d转换电路，最后将输出数字信号接入信号处理单元进行计算。
7.进一步，所述宽谱光源选择波长在1540nm～1560nm的光作为系统光源。
8.进一步，所述两个阵列波导光栅(awg)选用的波导结构为矩形波导。
9.进一步，所述矩形波导选择折射率为1.445的二氧化硅作为包层材料，折射率为1.467的二氧化硅作为芯层材料。
10.进一步，所述两个阵列波导光栅(awg)通道中心波长交错，间隔为2nm。
11.进一步，所述光电转换电路由pin光电二极管和运算放大电路组成。
12.进一步，所述a/d转换电路核心是24位的a/d转换芯片。
13.进一步，所述信号处理单元由stm32单片机实现功能。
14.有益效果：本发明基于两个通道波长错位的阵列波导光栅(awg)，可以在1540nm～1560nm全波段范围内实现线性解调函数，弥补了单个awg在每段线性区的两端线性度变差，以及相邻线性解调区间之间存在小范围无法覆盖波长的不足。
附图说明
15.图1为本发明的基于双阵列波导光栅的高分辨光谱解调技术的整体结构示意图；
16.图2为本发明的阵列波导光栅(awg)通道输出光谱图；
17.图3为两个中心波长相差2nm的阵列波导光栅(awg)相邻三个通道输出光谱图；
18.图4为本发明的基于阵列波导光栅(awg)解调fbg的原理图；
19.图5为两个阵列波导光栅(awg)相邻通道输出光功率及其解调函数。
具体实施方式
20.下面结合附图对本发明做进一步描述。
21.如图1所示，本发明的一个实施例，一种基于双阵列波导光栅的高分辨光谱解调技术，包括一个宽谱光源，一个光隔离器，一个环形器，一个光纤布拉格光栅(fbg)阵列，一个y型分束器，两个阵列波导光栅(awg)，两个光电转换电路，两个a/d转换电路和一个信号处理单元。
22.如图2所示，单个awg通道输出光谱图，两个awg除了中心波长相差2nm外，其他参数均保持一致。图3为两个阵列波导光栅(awg)相邻三个通道输出光谱图。
23.具体包括以下步骤：
24.1.宽谱光源输出的光由光路1经过光隔离器和环形器进入fbg阵列。
25.2.入射光进入fbg后将产生模式耦合，满足布拉格条件的窄带光将发生反射，反射光的中心波长为
26.λ
fbg
＝2n
eff
λ
ꢀꢀꢀ
(1)
27.其中，λ
fbg
为光纤光栅的布拉格波长，λ为光纤光栅的栅格周期，n
eff
为光纤纤芯的有效折射率。当外界环境发生变化时，光栅的n
eff
和λ会发生改变，从而导致反射光的中心波长λ
fbg
变化。fbg反射谱的函数表达式为
[0028][0029]
其中，r0为fbg反射谱的归一化因子，λ
fbg
为fbg的中心波长，δλ
fbg
为fbg反射谱的半峰值带宽。
[0030]
3.反射光再次经过环形器由光路2进入y型分束器分成两束相同的光。
[0031]
4.两束光分别进入两个通道中心波长交错的awg中。对于任意一个awg，fbg中心波长对应的awg两输出通道为ch(m)、ch(m 1)、λm、λ
m 1
为awg相邻两通道m和m 1的中心波长，fbg反射谱与awg通道透射谱的重叠部分决定了阵列波导光栅通道输出光强的大小，如图4所示。为了便于理论分析，只考虑温度影响因素，光纤布拉格光栅反射谱与阵列波导光栅通道的透射谱均近似地用高斯函数来表示，因此，awg通道m的透射谱函数表达式为
[0032]
[0033]
其中，t0为awg透射谱的归一化因子，λ和λm分别表示入射光波长和awg通道m的中心波长，δλm为awg通道m透射谱的半峰值带宽。
[0034]
awg各通道的输出光强为光源的发射谱、fbg反射谱和awg透射谱三者的乘积在整个光谱范围的积分，由式(2)和式(3)可得到通道m和通道m 1的输出光强分别为
[0035][0036][0037]
其中，pm、p
m 1
分别为awg通道m和通道m 1的输出光强，lm、l
m 1
分别为awg通道m和通道m 1的衰减因子，在同一个awg波长解调系统中，可认为各通道的衰减因子都相等，即lm＝l
m 1
＝l，is(λ)为光源的发射谱，由式(2)和式(3)可知，光强主要由波长在λm、λ
fbg
附近的光决定，即式(4)和(5)只在一个窄带范围内积分，而宽带光源的光谱密度在一个窄带范围内可以认为是一个定值is(λ)＝is，则式(4)、式(5)可简化为
[0038][0039][0040]
在awg各通道传输系数、半峰值带宽相等的情况下，将式(7)与式(6)做比值得awg通道m和通道m 1的光强比:
[0041][0042][0043]
其中，δλ＝λ
m 1-λm，awg相邻两通道间隔可认为是一个定值，对式(8)两边取以e为底的对数可得:
[0044][0045]
式(9)为awg波长解调算法的理论公式，awg输出光强比对数与fbg传感器中心波长呈线性关系。如图5所示，通过matlab处理两个通道中心波长差0.2nm的awg的测试结果，得到其解调函数基本呈线性。
[0046]
5.接着将awg各通道输出的光接入光电转换电路，其中pin光电二极管将光信号转化为电信号，工作模式为光伏模式，响应度为0.9a/w，再经过运算放大电路实现电压放大，
假设awg通道输出光功率为1nw，则响应电流为0.9na，放大电路输出电压为u＝ir＝0.9na
×
330kω＝0.297mv。
[0047]
6.输出电压接入a/d转换电路，将模拟信号转换为数字信号，其中使用24位a/d转换芯片，可实现对输出电压为u＝0.297mv的转换。
[0048]
7.最后将输出数字信号接入信号处理单元，即利用stm32单片机计算公式(9)进行解调，计算出结果。
[0049]
本实施例中每个awg的通道间隔为0.4nm，插损约为4.5db，1db带宽约为0.18nm。
[0050]
综上，本发明利用两个并联awg对fbg反射波长进行解调，将y形分束器和两个awg相连，使输入信号通过分束器分别进入两个通道中心波长交错的awg中，使线性解调函数的斜率明显优于增大单个awg光谱交叠的方案，实现更高的解调分辨率，并且可以弥补单个awg在解调通道间部分波长范围无法覆盖的问题，实现1540-1560nm的解调范围全覆盖。