基于F-P濾波器的光纖光柵解調系統的優化設計

趙亞麗

（承德石油高等專科學校，河北承德，067000；2.河北省儀器儀表工程技術研究中心，河北承德，067000）

基于F-P濾波器的光纖光柵解調系統的優化設計

趙亞麗1,2

（承德石油高等專科學校，河北承德，067000；2.河北省儀器儀表工程技術研究中心，河北承德，067000）

為了提高基于法布里-珀羅(Fabry-Perot ，F-P)濾波器的光纖光柵波長解調系統的性能，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方案。新型光纖梳狀濾波器由兩個啁啾光柵和一個光耦合器組成，與傳統的參考光柵相比可以為解調系統提供更多的參考點。優化后的解調系統重復性好，運行更穩定、精確。

光纖光柵；光纖梳狀濾波器；波長解調；F-P濾波器

0 引言

光纖光柵是一種新型的無源器件，能實現對應變、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行分布式測量等諸多優點[1]，因此，近年來在光纖傳感領域得到了廣泛的關注，成為傳感領域的又一研究熱點，并獲得了極大的發展。光纖光柵傳感系統的解調是關乎光纖光柵傳感器應用的重要組成部分，近年來發展也很快。

本文分析了基于F-P濾波法光纖光柵解調技術的原理，并在此基礎上對其波長標定裝置進行研究改進，以期提高整個解調系統的性能。

1 可調諧F-P濾波法解調原理

可調諧F-P濾波解調法的工作原理是通過改變加在F-P腔上的電壓來調節濾波器的腔長，從而達到對傳感光柵進行波長掃描的目的。當F-P濾波器的的透射波長光纖光柵的反射波長重合時，光電探測器探測到的光強最大，再根據F-P腔的波長和掃描電壓的關系對所得數據進行擬合運算，就可以得到傳感光柵的被測中心波長[3]。

一般情況下，認為透射波長與加在濾波器上的電壓成線性關系，但法布里-珀羅濾波器的電壓響應并不是線性的，而且濾波器的線性度也受到溫度等環境因素的影響，導致加在濾波器上的電壓與光纖光柵的波長之間不能實現真正的線性關系。在實際測量過程中F-P濾波器的腔長漂移和驅動元件的非線性以及PZT的遲滯效應都會影響測量結果的精確度[4]。一般來說解決這種非線性問題的方法是使用一個波長分布已知的，帶標記且不受溫度影響的參考光柵標準具模塊來補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量的限制，為此我們提出利用新型光纖光柵梳狀濾波器優化FBG解調系統來提高解調精度。

2 系統優化設計

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相同的啁啾光柵構成，其結構如圖1所示。光從端口1進入濾波器，從端口2輸出。兩個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。這種結構的梳狀濾波器相當于一個邁克爾干涉儀，啁啾光柵的反射譜經余弦調制后從端口2的輸出。當兩臂長L1和L2相等時，梳狀濾波器的輸出光譜為啁啾光柵的反射譜；當兩臂長不相等時，則濾波器的輸出為啁啾光柵反射譜內的多個干涉峰結構[5]。

圖1 新型濾波器的結構

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系統時，一個最大的優點就是當信號改變時，不需要重新設計光柵，只需要先在恒溫狀態下，先標定光纖梳狀濾波器的波長，再將其作為解調系統的參考波長，然后再通過各種數學擬合運算，即可得到傳感光柵的被測中心波長。

2.2 優化解調系統設計

圖2 解調系統框圖

優化后的基于F-P濾波器的光纖光柵解調系統如圖2所示，其工作過程是寬帶光源發出的光經3dB耦合器后分別進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3dB耦合器進入在一定波長范圍內掃描的可調F-P濾波器后進入光電探測器，根據光纖梳狀濾波器多個參考點提供的標定波長再通過精確的牛頓差值算法即可得到被測波長。

3 結束語

本文提出了利用新型光纖梳狀濾波器來優化可調諧F-P濾波器的光纖光柵解調系統。與傳統的參考光柵解調相比，新型梳狀濾波器可以提供更多的參考點且不用重復設計和改變光纖光柵，具有低插入損耗、大工作帶寬等優點，提高了解調系統的性能。光纖光柵解調系統的發展方向是高速、高精度、低價格且能同時進行動態和靜態參量測量。本文提出的光纖光柵解調方案還需要不斷改進和完善，以達到更好的解調效果。

[1]華靜.波長參考FBG波長解調系統分析與設計[D].中國計量學院,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系統的研究[J],承德石油高等專科學校學報,2016.12:54-56.

[3]孫金衛,黃俊斌,顧紅燦等.基于可調諧F-P濾波解調系統的直接尋峰算法與功率加權尋峰算法，四川兵工學報，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力遲滯的消除方法[J],光子學報,2006.35（9）:1329-1332.

[5]李明珠.新型光纖光柵梳狀濾波器設計[J],光纖與電纜及其應用技術,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、光纖傳感技術以及實踐教學的研究。