F-P標準具溫度特性對光纖光柵波長解調(diào)精度的影響

姚國珍，李永倩

(華北電力大學 電子與通信工程系，河北 保定 071003)

引言

基于可調(diào)諧法布里-珀羅(Fabry-Perot, F-P)濾波器的光纖光柵波長解調(diào)方法具有靈敏度高、解調(diào)范圍大[1]等特點，已成為人們研究的熱點[2-3]。為了消除F-P濾波器的溫度效應、遲滯特性及蠕變特性[4-6]對解調(diào)精度的影響，通常采用熱穩(wěn)定F-P標準具[7]作為波長參考來計算波長，從而提高光纖光柵波長解調(diào)系統(tǒng)的精度[8]。F-P標準具通常采用隔熱材料進行封裝，但無法徹底消除溫度對其特性的影響[9-10]，當外界溫度發(fā)生變化時，F(xiàn)-P標準具的透射峰會發(fā)生漂移。由于傳感光纖光柵的波長值是依據(jù)F-P標準具的透射峰波長得來的，所以F-P標準具透射峰的漂移會對光纖光柵波長解調(diào)的精度產(chǎn)生影響。為了獲取F-P標準具溫度特性對光纖光柵波長解調(diào)精度的影響程度，對由此產(chǎn)生的誤差進行了理論計算，并采用2種溫度穩(wěn)定性不同的F-P標準具進行了對比實驗。

1 F-P標準具的應用

1.1 光纖光柵波長解調(diào)系統(tǒng)組成

基于F-P標準具的光纖光柵波長解調(diào)系統(tǒng)框圖如圖1所示[8]。寬譜光源發(fā)出的光經(jīng)隔離器進入可調(diào)諧F-P濾波器，可調(diào)諧F-P濾波器在三角波的驅(qū)動下對寬譜光進行掃描。可調(diào)諧F-P濾波器輸出的光經(jīng)耦合器后分為2路，一路經(jīng)環(huán)形器送入接有傳感光纖光柵的傳感通道，另一路送入接有F-P標準具和參考光柵的參考通道。環(huán)形器和參考通道輸出的光信號經(jīng)光電檢測器轉(zhuǎn)換為電信號后送入數(shù)據(jù)采集卡進行數(shù)據(jù)采集，計算機負責對采集到的光譜數(shù)據(jù)進行濾波、尋峰和波長計算。

圖1 光纖光柵波長解調(diào)系統(tǒng)框圖Fig.1 Diagram of fiber Bragg grating wavelength demodulation system

1.2 波長計算方法

在圖1所示的光纖光柵波長解調(diào)系統(tǒng)中的傳感通道接入3個光纖光柵傳感器，利用數(shù)據(jù)采集卡對參考通道和傳感通道的光譜進行采集，采集結(jié)果如圖2所示。

圖2 參考通道和傳感通道光譜Fig.2 Spectra of reference channel and sensing channel

參考通道中負峰的波長為已知量，正峰之間的頻率間隔為1個自由光譜范圍(free spectrum range, FSR)。利用尋峰算法，可獲得正峰和負峰對應的橫坐標值，通過一定算法，便可計算出所有正峰對應的波長值。同理，傳感通道中光纖光柵的反射峰對應的橫坐標值也可以獲得，結(jié)合參考通道中各峰對應的橫坐標值，即可得到各光纖光柵傳感器的波長值。

根據(jù)文獻[8]中的計算方法，將負峰左側(cè)的正峰記為r，然后假設負峰左側(cè)的正峰對應的波長為λr，則其頻率值為

fr=c/λr

(1)

采用三角波的上升部分或下降部分掃描F-P濾波器時，圖2中由左至右峰值對應的波長值的大小關(guān)系會發(fā)生變化，本文假設圖2中由左至右峰值對應的波長依次增大，所以頻率值依次減小，則光譜圖中正峰r左側(cè)的峰r-1的頻率值為

fr-1=c/λr+FSR

(2)

則峰r-1的波長值為

λr-1=c/fr-1

(3)

同理，正峰r+1對應的頻率和波長分別為

fr+1=c/λr+2×FSR

(4)

λr+1=c/fr+1

(5)

每個正峰對應的波長計算出來后，就可以得到峰和峰之間每個采樣點對應的波長值。假設正峰m和正峰m+1對應的波長值分別為λm和λm+1，對應的采樣點分別為a和b，則2個峰之間的采樣點x對應的波長值為

(6)

2 F-P標準具的溫度特性對波長解調(diào)的影響

當環(huán)境溫度發(fā)生變化時，會導致F-P標準具光譜中的峰漂移，從而影響光纖光柵波長解調(diào)的精度。假設常溫時F-P標準具負峰左側(cè)的正峰的波長值為1 550 nm，F(xiàn)-P標準具的FSR為100 GHz，由于環(huán)境溫度變化導致負峰的波長漂移值為Δλ，利用(1)式～(5)式可計算出各正峰對應的漂移前和漂移后的波長值，用漂移后的波長值減去漂移前的波長值，可得到各峰值的漂移量，如圖3所示。圖3中橫坐標為未發(fā)生漂移時的各正峰對應的波長值，縱坐標為負峰漂移Δλ后各正峰的漂移值，Δλ取不同值時可得到不同曲線。由圖3可知，Δλ的絕對值越大，各峰值的波長漂移誤差也越大；對同一Δλ，峰值的波長越大，對應的誤差的絕對值也越大，當Δλ= ±20 pm時，波長為1 510 nm和1 590 nm的峰誤差分別為19.02 pm和21.05 pm。

圖3 溫度變化導致的誤差Fig.3 Errors caused by temperature change

由于傳感光纖光柵的波長值是由參考F-P標準具各峰值的波長值計算得來，所以，由F-P標準具的波長漂移導致的波長解調(diào)系統(tǒng)的誤差與F-P標準具的峰值波長誤差相等。

3 實驗結(jié)果

為了驗證F-P標準具的溫度特性對光纖光柵波長解調(diào)精度的影響，采用接有F-P標準具的光纖光柵波長解調(diào)系統(tǒng)進行實驗。

3.1 不同波長光纖光柵傳感器誤差實驗

在光纖光柵波長解調(diào)系統(tǒng)傳感通道中串聯(lián)4個中心波長在常溫下分別約為1 542 nm、1 558 nm、1 560 nm和1 569 nm的光纖光柵傳感器，分別記為FBG1、FBG2、FBG3和FBG4。將4個光纖光柵傳感器放置于精度為0.005 ℃的恒溫液浴槽中，水溫由28 ℃升至58 ℃，每隔2 ℃記錄1次數(shù)據(jù)；為了保證測量的準確性，每次溫度到達設定值后穩(wěn)定10 min再記錄數(shù)據(jù)。保持實驗條件相同，按上述方法對4個光纖光柵傳感器的反射波長進行3次測量。

將3次測量求平均值并進行二次擬合，可得到每個傳感器的波長和溫度的對應關(guān)系曲線。利用該曲線和每個傳感器各次測得的波長值，可計算出溫度值。將計算獲得的溫度值減去實驗時設定的溫度值，可得到各個傳感器各次測量的溫度誤差值，如圖4所示。

圖4 測量數(shù)據(jù)誤差Fig.4 Errors of measurements

由圖4可看出，光柵FBG4的溫度誤差較大，為了準確反應光纖光柵傳感器中心波長和測量誤差的關(guān)系，對上述誤差值求標準差，如圖5所示。由圖5可知，隨著光纖光柵中心波長的增大，其測溫的標準差也隨之增大，與圖3的分析結(jié)果一致。其中FBG2在第2次測量和第3次測量時的標準差值比FBG1略微偏小，與這個光纖光柵傳感器本身的特性和測試誤差有關(guān)。

圖5 溫度標準差Fig.5 Standard deviation of temperature

3.2 穩(wěn)定性誤差對比實驗

在同一光纖光柵波長解調(diào)系統(tǒng)中，分別采用溫度穩(wěn)定性為±1.5 GHz和±3 GHz的F-P標準具進行實驗，測試F-P標準具溫度穩(wěn)定性對波長解調(diào)精度的影響。2個F-P標準具分別記為FPI1和FPI2。進行穩(wěn)定性測試時，將1個光纖光柵傳感器置于38 ℃的恒溫液浴槽中，連續(xù)測量4 h，每隔10 min記錄1次數(shù)據(jù)，共記錄24個數(shù)據(jù)，然后將恒溫液浴槽溫度設置為50 ℃，重復上述過程。將測得的數(shù)據(jù)求平均值作為真值，用測量數(shù)據(jù)減去真值得到穩(wěn)定性誤差，如圖6所示。

圖6 穩(wěn)定性測試Fig.6 Test of stability

由圖6可看出， 利用FPI1測得的光纖光柵波長值比利用FPI2測得的光纖光柵波長值波動小。對測得誤差求標準差得表1。由表1可知，采用FPI1和FPI2測得的溫度標準差最大值分別為0.528 pm和0.676 pm，所以采用FPI1的光纖光柵波長解調(diào)系統(tǒng)的穩(wěn)定性比采用FPI2的光纖光柵波長解調(diào)系統(tǒng)高。

表1 穩(wěn)定性測試誤差的標準差Table 1 Standard deviation of stability testing

3.3 重復性誤差對比試驗

在光纖光柵波長解調(diào)系統(tǒng)傳感通道中串聯(lián)3個中心波長在常溫下分別約為1 542 nm、1 558 nm、1 560 nm的光纖光柵傳感器，分別記為FBG1、FBG2和FBG3。采用本文3.1中的方法，分別在光纖光柵波長解調(diào)系統(tǒng)中采用F-P標準具FPI1和FPI2進行實驗，測得的誤差值如圖7所示。

圖7 重復性測試Fig.7 Test of repeatability

圖7中左邊一列是溫度穩(wěn)定性為±1.5 GHz的F-P標準具的測試結(jié)果，右邊一列是溫度穩(wěn)定性為±3 GHz的F-P標準具的測試結(jié)果。采用溫度穩(wěn)定性為±1.5 GHz的F-P標準具的測試誤差最大值為1.77 pm，采用溫度穩(wěn)定性為±3 GHz的F-P標準具測試的誤差最大值為2.01 pm，說明F-P標準具的溫度穩(wěn)定性對光纖光柵波長解調(diào)系統(tǒng)的重復性有影響。

4 結(jié)論

分析了F-P標準具的溫度特性對光纖光柵波長解調(diào)精度的影響，并采用2個溫度穩(wěn)定性不同的F-P標準具進行了穩(wěn)定性和重復性誤差對比實驗。通過分析和實驗可知，F(xiàn)-P標準具的溫度特性對光纖光柵波長解調(diào)精度有一定影響。在高精度光纖光柵波長解調(diào)系統(tǒng)中，為了減小F-P標準具溫度特性的影響，提高波長解調(diào)精度，可采用中心波長較小的光纖光柵傳感器以減小測量誤差，或者采用溫度穩(wěn)定性高的F-P標準具以及采用高精度的溫控裝置控制F-P標準具的環(huán)境溫度，減小F-P標準具的溫度漂移，但會增加系統(tǒng)的復雜度以及成本。

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