基于偏振分束器的保偏型光纖傳感器解調(diào)方法

張淑芳，張錦龍，毛海濤，2，周德讓

(1．河南大學(xué)物理與電子學(xué)院，河南開封　475004；2．河南大學(xué)民生學(xué)院，河南開封　475004)

0　引言

加拿大渥太華通信研究中心的KHILL K O等人于1978年首次在摻鍺石英光纖中發(fā)現(xiàn)光纖的光敏效應(yīng)，并采用駐波寫入法制成世界上第一只光纖光柵[1-3]。它首先被用做傳感器，是目前最優(yōu)良的傳感器之一，具有很多其他傳感器不具備的優(yōu)點(diǎn)，如高反射、選頻和色散等特性，使之立刻被用在光纖通信和激光光源中。光纖光柵傳感器是一種典型的波長(zhǎng)調(diào)制型光纖傳感器，它具有抗干擾能力強(qiáng)、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、精確性高、可用于外界參量的絕對(duì)測(cè)量、便于規(guī)模生產(chǎn)等優(yōu)點(diǎn)，但也存在不足之處，例如，對(duì)波長(zhǎng)移位的檢測(cè)需要用較復(fù)雜的技術(shù)和較昂貴的儀器或光纖器件，需要大功率的寬帶光源或可調(diào)諧光源，檢測(cè)范圍和分辨率也受到一定限制等。目前，制約光纖光柵傳感器實(shí)用化的關(guān)鍵技術(shù)是對(duì)傳感信號(hào)的精密解調(diào)[4-6]。因此，人們對(duì)光纖光柵的解調(diào)技術(shù)進(jìn)行了深入的研究，先后提出了許多解調(diào)方法，其中干涉法解調(diào)法以高分辨率的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)成為研究的重點(diǎn)，但干涉解調(diào)法的解調(diào)精度受環(huán)境的影響太大[7-10]。文中依據(jù)線偏振光干涉和PBS分光原理提出了一種新型波長(zhǎng)解調(diào)方案。研究保偏光纖長(zhǎng)度、主軸與偏振方向夾角對(duì)PBS兩臂輸出光強(qiáng)與入射光波長(zhǎng)關(guān)系的影響，設(shè)計(jì)了基于PMF和PBS的干涉型解調(diào)系統(tǒng)，并對(duì)幾種參數(shù)的測(cè)試結(jié)果進(jìn)行了比較分析。結(jié)果顯示該解調(diào)儀不僅結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，而且穩(wěn)定性良好、檢測(cè)精度高，與理論分析一致。

1　結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及原理分析

圖1為文中設(shè)計(jì)的傳感器解調(diào)系統(tǒng)示意圖，由光源發(fā)出線偏振寬光譜通過耦合器(optical fiber coupler，OFC)進(jìn)入光柵，符合Bragg反射條件的窄帶光被反射，從OFC左邊的另一端口進(jìn)入。線偏振光Ein由A點(diǎn)射入長(zhǎng)度為L(zhǎng)1的PMF，由于Ein偏振方向與PMF應(yīng)力主軸的方向不相同，在此段保偏光纖中激起兩個(gè)正交的偏振模式。兩種模式傳送到B點(diǎn)經(jīng)一段普通的單模光纖后進(jìn)入偏振分(合)束器，兩種模式又會(huì)激起4個(gè)正交的偏振模式同時(shí)產(chǎn)生干涉現(xiàn)象，最后由偏振分束器兩輸出臂輸出光場(chǎng)E1、E2。偏振分束器的主軸方向和PMF輸入光場(chǎng)偏振方向如圖1中的虛線框內(nèi)部分所示，α為A點(diǎn)Ein偏振方向與L1主軸的夾角，β為B點(diǎn)PMF主軸與偏振分束器主軸的夾角。

圖1　系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

在理論分析中，不計(jì)光纖傳輸過程中的損耗，依據(jù)矩陣光學(xué)原理[11]該光路的傳輸矩陣為：

Eout=Tout·TSM·Tβ·TS·TS·Ta·Tin·Tin

(1)

式中：Eout為輸出光光場(chǎng)；Tin給出了光場(chǎng)在A點(diǎn)的相位；Ein為入射光場(chǎng)，

(2)

Tα、Tβ分別是A、B兩點(diǎn)旋光器的傳輸矩陣，

(3)

用δx、δy分別表示PMF快、慢軸的相位延遲，則可PMF傳輸矩陣可表示為：

(4)

式(5)為模光纖傳輸矩陣：

(5)

式中：k為波矢；η為光纖損耗系數(shù)；l為光纖長(zhǎng)度。

由于單模光纖是PBS的輸入尾纖且長(zhǎng)度L2很小，則光場(chǎng)在B點(diǎn)與PBS之間傳輸過程中偏振態(tài)不變，故這段長(zhǎng)度為L(zhǎng)2的單模光纖的影響可以忽略，所以PBS的輸出矩陣可寫為：

(6)

聯(lián)立以上各式，可得：

Eout=

(7)

E1、E2和Eout滿足：

(8)

由光功率公式p=(其中< >為時(shí)間上求平均)得E1、E2對(duì)應(yīng)的光功率分別為

P1=cosα2·cosβ2+sinα2·sinβ2-

2sinα·sinβ·cosα·cosβ·cos(δx-δy)

P2=cosα2·sinβ2+sinα2·cosβ2+

2sinα·sinβ·cosα·cosβ·cos(δx-δy)

(9)

光場(chǎng)在PMF快慢軸上的相位差：

δ=|δx-δy|=2πBmL1/λ

式中：Bm為PMF的雙折射度；L1為PMF長(zhǎng)度；λ為入射光的波長(zhǎng)。

(10)

帶入式(9)得：

(11)

令

(12)

由式(12)知，η是PMF長(zhǎng)度L1、兩偏振方向的夾角α、β和波長(zhǎng)λ的函數(shù)。α、β和L1為系統(tǒng)結(jié)構(gòu)參數(shù)值，只要系統(tǒng)確定，它們則為定值，X1、X2也為常數(shù)，且分別可看作直流分量和交流分量的最大值。波長(zhǎng)λ隨溫度t線性變化，它們的關(guān)系可表示為：

λ=λ0+Ct，

式中：λ0為0℃時(shí)的波長(zhǎng)；C為FBG的溫度系數(shù)[12]。

由此可知，η和t也具有一一對(duì)應(yīng)的函數(shù)關(guān)系，所以測(cè)出η就可求得溫度值t。因此該解調(diào)方案可應(yīng)用于光纖光柵傳感系統(tǒng)。如圖1所示，利用PIN1和PIN2兩個(gè)探測(cè)器將PBS探測(cè)到的光強(qiáng)P1和P2轉(zhuǎn)化為電流，再經(jīng)I-U轉(zhuǎn)換器等效為電壓，后經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換器將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)化成數(shù)字信號(hào)。由單片機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集和處理后傳送給PC，最后利用Matlab7．0接收數(shù)據(jù)，并依據(jù)理論模型計(jì)算出η值，從而可得到對(duì)應(yīng)的溫度值。

2　系統(tǒng)仿真

因光纖光柵反射波長(zhǎng)λ與溫度t一一對(duì)應(yīng)，故要研究η和t的關(guān)系，可直接研究η和λ的關(guān)系。根據(jù)式(12)通過Matlab7．0進(jìn)行數(shù)值計(jì)算研究參數(shù)L1、α、β對(duì)η和λ對(duì)應(yīng)關(guān)系的影響。

圖2是α=2π/3、β=π/3、L1由0～2 m變化時(shí)η隨λ變化的曲線：

圖2　L1變化時(shí)η和λ關(guān)系圖

由圖2可知：L1增大，η隨λ的變化靈敏度增高；而η的直流分量X1、交流分量最大值X2均不隨L1的變化而變化，故PMF應(yīng)盡量長(zhǎng)以使檢測(cè)靈的敏度更高。但同時(shí)還可以看出η隨λ的變化曲線具有周期性，周期隨L1值增大而變短，傳感系統(tǒng)檢測(cè)時(shí)只能取一個(gè)單調(diào)區(qū)間，故PMF長(zhǎng)度的選擇應(yīng)根據(jù)實(shí)際檢測(cè)的溫度范圍而定。

圖3　α變化時(shí)η和波長(zhǎng)λ關(guān)系圖

圖3為L(zhǎng)1=3 m、β=π/3、α從0～π變化時(shí)，η和λ的函數(shù)曲線。由圖3可知：η隨波長(zhǎng)λ變化周期不隨α的變化而變化；α越趨近π/4(3π/4)X2越大，η隨λ變化的靈敏度也越高；α接近0(π/2、π)時(shí)η幾乎不變，η隨波長(zhǎng)λ變化的靈敏度為0，即波長(zhǎng)變化無法被檢測(cè)。因此，在傳感系統(tǒng)中應(yīng)使得α盡可能趨近π/4(3π/4)。由式(10)知β和α是對(duì)稱關(guān)系，所以β也盡可能趨近3π/4或π/4。

分析以上仿真結(jié)果知，針對(duì)需要的測(cè)量范圍，選取合適的結(jié)構(gòu)參數(shù)搭建系統(tǒng)可提高測(cè)量精度。該系統(tǒng)雖然也基于偏振干涉的原理，但相比于M-Z干涉解調(diào)法，穩(wěn)定性更好，且比其他傳感系統(tǒng)有更高的測(cè)量精度。

3　實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

基于以上理論模型，搭建了測(cè)試系統(tǒng)驗(yàn)證光路結(jié)構(gòu)各參數(shù)對(duì)光纖光柵傳感系統(tǒng)精度的影響。在試驗(yàn)系統(tǒng)中，調(diào)諧精度0.001 nm、帶寬0.01 nm的可調(diào)諧激光器模擬Bragg反射波長(zhǎng)的變化；PBS兩輸出端口的串?dāng)_為64 dB；PMF長(zhǎng)度2 m，拍長(zhǎng)小于4 mm；A/D轉(zhuǎn)換精度為16位；PIN管靈敏度0.85 A/W；探測(cè)、數(shù)據(jù)采集及處理和PC通信模塊均是自己設(shè)計(jì)。通過光譜分析儀同步對(duì)比檢測(cè)，最小分辨率0.02 nm．系統(tǒng)選取3m長(zhǎng)PMF構(gòu)建測(cè)試系統(tǒng)，在1 550～1 560 nm范圍內(nèi)用可調(diào)諧的激光器進(jìn)行掃描，用R和T分別表示E1對(duì)應(yīng)的反射能量和E2對(duì)應(yīng)的透射能量，R(T)和λ關(guān)系如圖4所示。

(a)

(b)

所得實(shí)驗(yàn)結(jié)果與數(shù)值仿真結(jié)果一致。實(shí)驗(yàn)值和理論值間的偏差主要是由PMF長(zhǎng)度的測(cè)量誤差、OFC制作的分光比誤差、偏振方向的控制誤差造成的。

普通光纖光柵中心波長(zhǎng)溫度系數(shù)0.01 nm/℃[8]，依據(jù)以上結(jié)果，選用L=1.2 m、α=λ/4、β=3π/4的系統(tǒng)，可測(cè)量范圍超過1 nm(即溫度測(cè)量范圍超過100℃)。該參數(shù)組成的系統(tǒng)最大測(cè)量范圍為1.5 nm；理論上此系統(tǒng)輸入信號(hào)的功率達(dá)-10 d Bm時(shí)，分辨率是0.055 pm，其由A/D轉(zhuǎn)換的位數(shù)決定。光譜儀和可調(diào)激光器分辨率最高為1 pm，測(cè)量結(jié)果因此只能精確至pm量級(jí)，所以該系統(tǒng)針對(duì)波長(zhǎng)的分辨率小于1 pm，故測(cè)量的精度在±1 pm之間。該方案的穩(wěn)定性雖得到了提高，但環(huán)境溫度的影響并沒有徹底避免，溫度對(duì)PMF雙折射度的影響在數(shù)量級(jí)10-3，明顯低于其它解調(diào)系統(tǒng)。

4　結(jié)束語

基于PBS的保偏型光纖傳感器的解調(diào)是一種獨(dú)特創(chuàng)新的方法。文中探討了系統(tǒng)各結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)輸出光場(chǎng)的影響，建立理論模型進(jìn)行數(shù)值仿真，搭建傳感解調(diào)系統(tǒng)進(jìn)行試驗(yàn)測(cè)試，結(jié)果均與理論分析相吻合，且系統(tǒng)的測(cè)量精度在±1 pm之間，分辨率低于1 pm．由此，在實(shí)際應(yīng)用中可調(diào)節(jié)PMF長(zhǎng)度、挑選耦合系數(shù)適當(dāng)?shù)腛FC和調(diào)整PMF主軸角度來提高系統(tǒng)的分辨率并得到理想的測(cè)量范圍。相比于其它解調(diào)方法，該系統(tǒng)不僅有很好的穩(wěn)定性和獨(dú)立性，而且采用全光纖搭建，易于實(shí)現(xiàn)小型化，對(duì)光纖光柵傳感器的應(yīng)用具有重要意義。

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