专利名称：一种光纤光栅反射波长的解调方法和装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及光纤光栅传感器技术领域，更具体地，涉及一种光纤光栅反射波长的解调方法和装置。
背景技术：
光纤光栅传感器属于光纤传感器的一种。光纤光栅的传感过程是通过外界传感参数对光纤光栅的反射光波波长的影响，由光纤光栅的反射光波波长的变化量就可以得知外界传感参数的变化量。光纤光栅的输出信号为反射光波，因此要想得到外界参量的变化首先需要对反射光波解调得到反射光波波长信息，然后由多个反射光波波长信息得到反射光波波长的变化信息，最后再由反射光波波长的变化信息得到外部传感参数。常用的波长解调方法是采用光谱分析仪，但此方法只能给出光谱曲线，无法直接得到外界参数的变化，且光谱仪的价格较高。如果想要得到外界参数的变化，首先需要将光纤光栅的反射光波波长信号转换为光强信号，然后将光强信号由光电探测器接收转变为电信号。电信号的变化与光栅波长的变化之间满足特定关系，根据此关系，将电信号进行数据处理后即可以得到反射光波波长变化信息，此即为波长解调。进一步，根据外界参数与反射波光波长之间的关系得到外界参数的变化信息。目前国内外研究的光纤光栅反射光波波长解调方法有多种，如边缘滤波法、光纤环干涉法、啁啾光纤光栅解调法、匹配光栅法和可调谐激光扫描法等，比较成熟的是基于可调谐F-P腔滤波器的解调方法。前几种解调方法都存在有可动部件、解调精度不高或者稳定性差的问题，F-P腔滤波器解调方法的成本较高，且解调仪体积较大。综上，现有技术中的光纤光栅反射波长解调方法存在测量精度低和解调仪体积大解调成本高的问题。

发明内容
本发明实施例提出一种光纤光栅反射波长的解调方法，具有测量精度高、解调仪体积小和解调成本低的优点。本发明实施例还提出一种光纤光栅反射波长的解调装置，具有测量精度高、解调仪体积小和解调成本低的优点。一种光纤光栅反射波长的解调方法，该方法包括将来自光纤光栅的反射光波输入非对称M-Z型波导调制器；在非对称M-Z型波导调制器中，将所述反射光波分为两束光波分别输入波导上臂和波导下臂，所述波导上臂的长度不等于所述波导下臂的长度；从所述波导上臂输出的光波与从所述波导下臂输出的光波在所述波导上臂和所述波导下臂的汇合处发生干涉，输出所述干涉光波；测量非对称M-Z型波导调制器输出的所述干涉光波的光强，由所述干涉光波的光强得到所述光纤光栅的反射光波波长。
所述两束光波按分光功率相等或不相等进行分光。当非对称M-Z型波导调制器单偏振工作时，所述将来自光纤光栅的反射光波输入非对称M-Z型波导调制器之前进一步包括，调整所述光纤光栅反射波的偏振方向，为非对称M-Z型波导调制器工作的偏振方向。所述由所述干涉光波的光强得到所述光纤光栅的反射光波波长包括，将所述光强转换为模拟电信号，将所述模拟电信号转换为数字信号，根据所述数字信号得到所述光纤光栅的反射光波波长。所述来自光纤光栅的反射光波是由宽带光源发出的光波通过耦合器输入所述光纤光栅，又被所述光纤光栅反射回来的光波。一种光纤光栅反射波长的解调装置，该装置包括反射光波装置、非对称M-Z型波导调制器和反射波光强-波长检测计算装置，反射光波装置、非对称M-Z型波导调制器和反射波光强-波长检测计算装置顺序连接；反射光波装置产生光纤光栅的反射光波入射非对称M-Z型波导调制器；所述非对称M-Z型波导调制器的晶体基片上包括，两个臂长不等的波导上臂和波导下臂，和设置在波导间的电极，波导上臂所处的电场与波导下臂所处的电场大小相等方向相反；反射光波在波导上臂与波导下臂的Y型分支处分为两束光波，分别输入所述波导上臂与所述波导下臂，并在波导上臂与波导下臂的Y型汇合处发生光干涉，输出光强随反射光波波长变化的干涉光波；反射波光强-波长检测计算装置对非对称M-Z型波导调制器输出的干涉光波强度进行检测并计算出反射光波的波长。所述反射光波装置和非对称M-Z型波导调制器之间还连接有偏振控制器，将所述反射光波装置输出的光纤光栅的反射光波调整到单偏振工作的非对称M-Z型波导调制器的偏振方向。所述设置在波导间的电极包括，设置在波导上臂上方的电极、波导下臂下方的电极、和设置在波导上臂与波导下臂之间的电极；所述非对称M-Z型波导调制器的偏振方向是平行于晶体表面的偏振方向，所述偏振控制器按水平偏振方向调整所述反射光波；所述晶体基片的电光效应的作用方向平行于晶体表面。所述设置在波导间的电极包括，设置在波导上臂上方的电极、波导上臂下方的电极、波导上臂上层的电极、波导下臂上方的电极、波导下臂下方的电极、和设置在波导下臂上层的电极；所述非对称M-Z型波导调制器的偏振方向是垂直于晶体表面的偏振方向，所述偏振控制器按垂直偏振方向调整所述反射光波；所述晶体基片的电光效应的作用方向垂直于晶体表面。所述反射光波装置包括顺序连接的宽带光源、隔离器、耦合器和光纤光栅传感器， 宽带光源输出宽带光波，经隔离器后，通过耦合器输入光纤光栅传感器，光纤光栅传感器输出所述反射光波。所述反射波光强-波长检测计算装置包括顺序连接的PIN光电二极管、电流-电压I-U转换单元、模/数A/D转换单元、单片机和计算机；PIN光电二极管检测所述干涉波的光强信号，并转化为电流信号输入所述电流-电压I-U转换单元，和经模/数A/D转换单元转换为数字电压信号，由单片机对所述数字电压信号进行数据采集、反射光波长信号处理后，送计算机计算所述光纤光栅传感器的传感参数。从上述技术方案中可以看出，在本发明实施例中，通过将来自光纤光栅的反射光波输入非对称M-Z型波导调制器；在非对称M-Z型波导调制器中，将所述反射光波分为两束光波分别输入波导上臂和波导下臂，所述波导上臂的臂长不等于所述波导下臂的臂长；从所述波导上臂输出的光波与从所述波导下臂输出的光波在所述波导上臂和所述波导下臂的汇合处发生光干涉，输出所述干涉光波；测量非对称M-Z型波导调制器输出所述干涉光波的光强变化，由所述干涉光波的光强变化得到所述光纤光栅的反射光波波长变化。光纤光栅反射光波波长发生变化，所反映的是与光纤光栅反射光波波长对应的干涉光波的光强发生的变化，因此由干涉光波的光强变化就可以得到光纤光栅反射光波波长的变化。利用干涉原理测量光纤光栅反射光波波长的变化，测量精度高，稳定性好。且本发明所采用的非对称M-Z型波导调制器是在对称M-Z型波导调制器的基础上进行改动，解决了现有技术中存在的解调仪器体积大成本高的问题。


图1为本发明中对称M-Z型波导调制器结构示意图；图2为本发明中非对称M-Z型波导调制器结构示意图；图3为本发明中另一个非对称M-Z型波导调制器结构示意图；图4为本发明实施例利用非对称M-Z型波导调制器的波长解调装置结构示意图；图5为本发明实施例中臂长差等于0时非对称M-Z型波导调制器输出光强随波长的变化示意图；图6为本发明实施例中臂长差等于0. Imm时非对称M-Z型波导调制器输出光强随波长的变化示意图；图7为本发明实施例中臂长差等于0. 5mm时非对称M-Z型波导调制器输出光强随波长的变化示意图。
具体实施例方式为使本发明的目的、技术方案和优点表达得更加清楚明白，下面结合附图及具体实施例对本发明再作进一步详细的说明。本发明的核心在于，采用非对称的马赫-泽德(M-Z)型波导调制器实现将光纤光栅的反射光波波长变化转换为光强变化，从而由易测量的光强变化得到光纤光栅的反射光波波长变化。在本发明实施例中，通过将待测光纤光栅的反射光波分为两束光波并分别输入长度不同的波导上臂和波导下臂，从波导上臂和波导下臂输出的两束光波在汇合处发生干涉，对出射的干涉光波光强进行测量，得到与光纤光栅的反射光波波长对应的干涉光波的光强。换句话说，是将光纤光栅的反射光波波长变化，转换成与之相对应的干涉光波光强的变化，通过测量干涉光波光强的变化就可以确定光纤光栅的反射光波波长的变化，从而进一步确定光纤光栅所测量外部参数的变化。采用干涉法对光纤光栅的反射光波波长的光强进行测量，测量精度高；仅对现有的对称M-Z型波导调制器进行改造，成本低、测量仪器体积小且稳定性高。参见附图1是对称M-Z型波导调制器结构示意图。整个对称M-Z型波导调制器是由电光效应的作用方向平行于晶体表面的晶体基片材料制作。光波从Y型波导的单接口处输入，被Y型波导分为两路光波，分别输入两平行的波导上臂和波导下臂，波导上臂的长度 Ll与波导下臂的长度L2相等。Ll是从对称M-Z型波导调制器Y型分支处到波导上臂与波导下臂的Y型汇合点间的距离；相应的，L2是从对称M-Z型波导调制器Y型分支处到波导上臂与波导下臂的Y型汇合点间的距离。在波导上臂的上方、波导上臂与波导下臂之间、以及波导下臂的下方均对称设置有长度为1的电极。在波导上臂上方的电极与波导下臂下方的电极的极性相同，但与上、下臂间的电极的极性相反，由于上下臂中的电场方向均平行晶体表面且相反，因此上下臂光折射率的改变量也是相反的。通过调节电极之间的电压对上下臂折射率进行控制，从而调整出射光波的强度。现有的M-Z型波导调制器主要应用在高速光纤通信系统、光纤有线电视(CATV)系统中，可批量生产，是一个比较成熟的器件。本发明对现有技术中的对称M-Z型波导调制器进行改动，形成非对称M-Z型波导调制器，用于对光纤光栅的反射光波进行解调。参见附图2是非对称M-Z型波导调制器结构示意图。与对称M-Z型波导调制器的不同点仅在于非对称M-Z型波导调整器的波导上臂与波导下臂的长度不相等。从Y型波导的单接口入射的光纤光栅的反射光波，分为两束光波分别输入波导上臂和波导下臂。由于波导上臂与波导下臂的臂长不相等，分别从波导上臂和波导下臂输出的光波发生干涉。由于采用附图2中的装置，相应的需要偏振控制器将反射光波装置输出的光纤光栅的反射光波调整到水平偏振方向，以便上下臂电场调制光波的折射率。参见附图3是另一个非对称M-Z型波导调制器结构示意图。与附图2中非对称 M-Z型波导调制器的不同点在于电极的数目和电极的位置不同。附图3中的电极包括，设置在波导上臂上方的电极、波导上臂下方的电极、波导上臂上层的电极、波导下臂上方的电极、波导下臂下方的电极、和设置在波导下臂上层的电极。在波导上臂上方的电极与波导上臂下方的电极的极性相同，但与波导上臂上层的电极极性相反，因此上臂中的电场方向是垂直晶体基片表面。类似的，下臂的电场方向也是垂直晶体基片表面。但上下臂中的电场方向是相反的，因此上下臂光折射率的改变量也是相反的。在附图3的装置中，由于上下臂的电场方向均垂直于晶体基板，因此需要偏振控制器将反射光波装置输出的光纤光栅的反射光波调整到垂直偏振方向，以便上下臂电场调制光波的折射率，相应的选用电光效应的作用方向垂直于晶体表面的晶体基片。参见附图4是采用非对称M-Z型波导调制器的波长解调装置示意图。该装置包括反射光波装置、非对称M-Z型波导调制器和反射波光强-波长检测计算装置。反射光波装置包括，顺序连接的宽带光源401、隔离器402、耦合器404和光纤光栅传感器404，宽带光源401输出宽带光波，经隔离器402后，通过耦合器404输入光纤光栅传感器404，光纤光栅传感器404输出反射光波至非对称M-Z型波导调制器。隔离器的作用是阻挡由光纤光栅传感器404输出的反射光波进入宽带光源。当非对称M-Z型波导调制器是单偏振工作的，在反射光波装置和非对称M-Z型波导调制器之间还连接有偏振控制器405， 将反射光波装置输出的光纤光栅的反射光波调整到单偏振工作的非对称M-Z型波导调制器406的偏振方向。如果是如附图2中的装置，则偏振控制器将偏振方向调整到平行于晶体表面的偏振方向；如果是如附图3中的装置，则偏振控制器将偏振方向调整到垂直于晶体表面的偏振方向。非对称M-Z型波导调制器406包括，两个臂长不等的波导上臂和波导下臂，和设置在波导上臂上方的电极、波导下臂下方的电极、和设置在波导上臂与波导下臂之间的电极， 波导上臂电极的极性与波导下臂电极的电压相等极性相反；反射光波在波导上臂与波导下臂的Y型分支处，按相等分光功率或不相等分光功率分为两束光波，分别输入所述波导上臂与所述波导下臂，并在波导上臂与波导下臂的Y型汇合处发生光干涉，输出光强随反射光波波长变化的干涉光波。反射波光强-波长检测计算装置包括，PIN光电二极管407、电流-电压I-U转换单元408、模/数A/D转换单元409、单片机410和计算机411 ；PIN光电二极管407检测干涉波的光强信号，并转化为电流信号输入电流-电压I-U转换单元408，和经模/数A/D转换单元409转换为数字电压信号，由单片机410对数字电压信号进行数据采集、反射光波长信号处理后，送计算机411计算所述光纤光栅传感器的传感参数。再次通过上述装置对测量传感参数变化的光纤光栅的反射光波波长进行解调，可以得到另外一个干涉波光强。从而可以由光纤光栅的反射光波波长变化得到干涉波光强的变化。计算机根据波长与光强、传感参数与波长之间的关系，再对数据进行处理和分析，从而由光纤光栅反射光波波长的变化得到与光纤光栅反射波长变化对应的外部传感参数的变化。由干涉波的光强变化得到与光纤光栅反射光波波长对应的外部传感参数的变化，其数据处理过程是现有技术，本文不再赘述。本发明中的关键部分在于采用非对称性M-Z型波导调制器和其在反射波长解调方法中的应用。通过将来自光纤光栅的反射光波输入非对称M-Z型波导调制器；在非对称 M-Z型波导调制器中，对输入的光纤光栅的反射光波波长进行解调；即将所述反射光波分为两束光波分别输入波导上臂和波导下臂进行独立传输，当波导上臂臂长不等于波导下臂臂长时，从波导上臂和波导下臂出射的光波在汇合处就可以发生干涉；波导上臂所处的电场与波导下臂所处的电场大小相等但方向是相反的，在调制器上的外加电压将波导上臂与波导下臂中的光波调制为相位不同的光波即调相波，调相波的作用是调整输出光强随波长变化的工作点位置。从波导上臂输出的光波与从波导下臂输出的光波在波导上臂和波导下臂的汇合处发生干涉，输出所述干涉光波的光强即为调强波。通过测量非对称M-Z型波导调制器输出干涉光波的光强变化，由干涉光波的光强变化，通过计算就可得到所述光纤光栅的反射光波波长变化。实施例一下面以在Y型分支处被分成两束强度相等的光波E1和E2，E1和氏分别进入波导上臂和波导下部的情况进行分析在Y型波导分支处，由于E1等于E2，所以两臂中的光场均为E ^ ^E0 cosω (1)其中，Etl是光场的振幅，ω是光的角频率，t为时间。在Y型分支的汇合点，经过相位调节的两臂中的光场分别为￡■, 二 IE0 cos(iyi + 病),E2 = E0 cos(wt + φ2)( 2 )
则E1和E2合成光场
权利要求
1.一种光纤光栅反射波长的解调方法，其特征在于，该方法包括将来自光纤光栅的反射光波输入非对称M-Z型波导调制器；在非对称M-Z型波导调制器中，将所述反射光波分为两束光波分别输入波导上臂和波导下臂，所述波导上臂的长度不等于所述波导下臂的长度；从所述波导上臂输出的光波与从所述波导下臂输出的光波在所述波导上臂和所述波导下臂的汇合处发生干涉，输出所述干涉光波；测量非对称M-Z型波导调制器输出的所述干涉光波的光强，由所述干涉光波的光强得到所述光纤光栅的反射光波波长。
2.根据权利要求1所述光纤光栅反射波长的解调方法，其特征在于，所述两束光波按分光功率相等或不相等进行分光。
3.根据权利要求1或2所述光纤光栅反射波长的解调方法，其特征在于，当非对称M-Z 型波导调制器单偏振工作时，所述将来自光纤光栅的反射光波输入非对称M-Z型波导调制器之前进一步包括，调整所述光纤光栅反射波的偏振方向，为非对称M-Z型波导调制器工作的偏振方向。
4.根据权利要求1或2所述光纤光栅反射波长的解调方法，其特征在于，所述由所述干涉光波的光强得到所述光纤光栅的反射光波波长包括，将所述光强转换为模拟电信号，将所述模拟电信号转换为数字信号，根据所述数字信号得到所述光纤光栅的反射光波波长。
5.根据权利要求1或2所述光纤光栅反射波长的解调方法，其特征在于，所述来自光纤光栅的反射光波是由宽带光源发出的光波通过耦合器输入所述光纤光栅，又被所述光纤光栅反射回来的光波。
6.一种光纤光栅反射波长的解调装置，其特征在于，该装置包括反射光波装置、非对称M-Z型波导调制器和反射波光强-波长检测计算装置，反射光波装置、非对称M-Z型波导调制器和反射波光强-波长检测计算装置顺序连接；反射光波装置产生光纤光栅的反射光波入射非对称M-Z型波导调制器；所述非对称 M-Z型波导调制器的晶体基片上包括，两个臂长不等的波导上臂和波导下臂，和设置在波导间的电极，波导上臂所处的电场与波导下臂所处的电场大小相等方向相反；反射光波在波导上臂与波导下臂的Y型分支处分为两束光波，分别输入所述波导上臂与所述波导下臂， 并在波导上臂与波导下臂的Y型汇合处发生光干涉，输出光强随反射光波波长变化的干涉光波；反射波光强-波长检测计算装置对非对称M-Z型波导调制器输出的干涉光波强度进行检测并计算出反射光波的波长。
7.根据权利要求6所述光纤光栅反射波长的解调装置，其特征在于，所述反射光波装置和非对称M-Z型波导调制器之间还连接有偏振控制器，将所述反射光波装置输出的光纤光栅的反射光波调整到单偏振工作的非对称M-Z型波导调制器的偏振方向。
8.根据权利要求7所述光纤光栅反射波长的解调装置，其特征在于，所述设置在波导间的电极包括，设置在波导上臂上方的电极、波导下臂下方的电极、和设置在波导上臂与波导下臂之间的电极；所述非对称M-Z型波导调制器的偏振方向是平行于晶体表面的偏振方向，所述偏振控制器按水平偏振方向调整所述反射光波；所述晶体基片的电光效应的作用方向平行于晶体表面。
9.根据权利要求7所述光纤光栅反射波长的解调装置，其特征在于，所述设置在波导间的电极包括，设置在波导上臂上方的电极、波导上臂下方的电极、波导上臂上层的电极、 波导下臂上方的电极、波导下臂下方的电极、和设置在波导下臂上层的电极；所述非对称M-Z型波导调制器的偏振方向是垂直于晶体表面的偏振方向，所述偏振控制器按垂直偏振方向调整所述反射光波；所述晶体基片的电光效应的作用方向垂直于晶体表面。
10.根据权利要求6至9任一权利要求所述光纤光栅反射波长的解调装置，其特征在于，所述反射光波装置包括顺序连接的宽带光源、隔离器、耦合器和光纤光栅传感器，宽带光源输出宽带光波，经隔离器后，通过耦合器输入光纤光栅传感器，光纤光栅传感器输出所述反射光波。
11.根据权利要求10所述光纤光栅反射波长的解调装置，其特征在于，所述反射波光强-波长检测计算装置包括顺序连接的PIN光电二极管、电流-电压I-U转换单元、模/数 A/D转换单元、单片机和计算机；PIN光电二极管检测所述干涉波的光强信号，并转化为电流信号输入所述电流-电压I-U转换单元，和经模/数A/D转换单元转换为数字电压信号， 由单片机对所述数字电压信号进行数据采集、反射光波长信号处理后，送计算机计算所述光纤光栅传感器的传感参数。
全文摘要
一种光纤光栅反射波长的解调方法，该方法包括将来自光纤光栅的反射光波输入非对称M-Z型波导调制器；在非对称M-Z型波导调制器中，将所述反射光波分为两束光波分别输入臂长不等的波导上臂和波导下臂，两平行波导受大小相同、方向相反的电场作用；分别从所述波导上臂与从所述波导下臂输出的调相光波在汇合处发生干涉成为调强光波，输出所述干涉光波；测量非对称M-Z型波导调制器输出的干涉光波的光强变化，由所述干涉光波的光强变化得到所述光纤光栅的反射光波波长变化。本文还公开了一种光纤光栅反射波长的解调装置。本发明实施例，具有测量精度高、解调仪体积小和解调成本低的优点。
文档编号G01D5/26GK102401666SQ201010279109
公开日2012年4月4日 申请日期2010年9月10日 优先权日2010年9月10日
发明者余重秀, 张琦, 张锦龙, 忻向军, 桑新柱, 王拥军, 王葵如, 颜玢玢 申请人:北京邮电大学