打孔光子晶体光纤气室有源内腔气体检测方法与装置

摘要

本发明涉及光纤气体检测技术，为大幅度提高光纤气体传感检测系统的容量，提高系统的检测精度、成本低、实时性好、传输损耗低、抗电磁干扰能力强的光子晶体光纤传感方法和系统。本发明采取的技术方案是，打孔光子晶体光纤气室有源内腔气体检测装置，泵浦光源发出的激光依次经波分复用器WDM、掺铒光纤EDF、隔离器到达F-P滤波器一端；1×N光开关的N端每一路分别经串接的光子晶体光纤气室、密集波分复用器DWDM、光纤耦合器连接到F-P滤波器另一端；光开关的1端经一个光纤耦合器连接到波分复用器WDM形成回路；此外还包括有控制装置。本发明主要应用于光纤气体检测。

说明书

技术领域

本发明涉及光纤气体检测技术，特别涉及打孔光子晶体光纤气室有源内腔气体检测方法 与装置。

技术背景

光纤气体传感由于具有抗电磁干扰能力强、可靠性高、便于组网远程检测等优势，而被 广泛地应用于环境治理、化工生产、电力电气等行业对有毒、有害气体的检测。

光子晶体光纤是一种新型的光纤，由于其特有的导光和控光特性成为当前材料学、光电 子学、物理学、生物学、化学、微电子等众多交叉学科的研究热点。相比于传统的光纤，光 子晶体光纤具有更大的优势，逐步在光通信、光纤激光器、高分辨率滤波器、高功率传输器 件、高灵敏度传感等方面得到广泛的应用。利用光子带隙原理导光的光子晶体光纤可以实现 激光在空气纤芯区的传播，通过在光子晶体光纤内部机构的设计优化可以将95％的光限制在 空气纤芯区，为光与物质的相互作用提供良好的环境。附图1a)、b)是丹麦NKT公司商品化 生产的两种空心光子晶体光纤的横截面图，其中心空气孔直径均为10微米，该空心光子晶体 光纤在保证光以低损耗传输的同时，空的纤芯区域可以作为光信号的吸收池，实现有效、稳 定的全光纤气室。专利CN102279154A提出了一种应用该光子晶体光纤制作的气室，可用于 气体光谱测量，痕量测量，以及气体分子非线性光学现象的研究。随着微纳加工技术的发展， 已有对光子晶体光纤侧面打孔实现气室的相关报道。打孔光子晶体光纤传感气室较传统的气 体气室，如附图1c)所示，具有集成化程度高，插入损耗低等优点。

相较于光子晶体光纤气体传感器的多元化，光子晶体光纤气体传感网络方面就鲜有专利 的提出。

发明内容

为克服现有技术的不足，大幅度提高光纤气体传感检测系统的容量，提高系统的检测精 度，本发明提出了一种可容用户数量大、成本低、实时性好、传输损耗低、抗电磁干扰能力 强，能够同时实现对多用户和指定用户进行检测的光子晶体光纤传感方法和系统。本发明采 取的技术方案是，打孔光子晶体光纤气室有源内腔气体检测装置，泵浦光源发出的激光依次 经波分复用器WDM、掺铒光纤EDF、隔离器到达F-P滤波器一端；1×N光开关的N端每一路 分别经串接的光子晶体光纤气室、密集波分复用器DWDM、光纤耦合器连接到F-P滤波器另一 端；光开关的1端经一个光纤耦合器连接到波分复用器WDM形成回路；此外还包括有控制装 置，控制装置用于控制光开关的切换、通过电压控制器控制F-P滤波器电压、接收来自光探 测器的探测数据，光探测器连接到光开关的1端与波分复用器WDM之间的光纤耦合器上。

所述控制装置为PC计算机。

还包括有任意波形发生器，用于产生阶梯斜坡电压实现对F-P滤波器的控制。

打孔光子晶体光纤气室有源内腔气体检测方法，借助于前述打孔光子晶体光纤气室有源 内腔气体检测装置实现，并包括下列步骤：

通过控制装置控制光开关将1端与N端第一路接通，N端第一路连接的打孔光子晶体光 纤气室、密集波分复用器DWDM、光纤耦合器与泵浦光源、波分复用器WDM、掺铒光纤EDF、 隔离器、F-P滤波器以及波分复用器WDM光开关1端之间的光纤耦合器构成第一个有源内腔， 利用用光探测器对有源内腔激光的光谱和光功率进行监控；打孔光子晶体光纤气室充有低浓 度的待测气体；随着F-P滤波器电压增大，有源内腔激光的中心波长逐渐增大；当波长漂移 至打孔光子晶体光纤气室内待测气体的吸收波长时，有源内腔由于气体的吸收而使损耗增大， 引起功率的降低；继续加大电压，有源内腔激光的中心波长移出气体的吸收区间，光功率又 恢复稳定；若气室内气体的浓度变大，则使得光功率大大降低，当低于气体爆炸极限所对应 功率值时，由控制装置发出警报；

类似地，通过控制装置控制光开关将1端与N端第二路接通，N端第二路连接的打孔光 子晶体光纤气室、密集波分复用器DWDM、光纤耦合器与泵浦光源、波分复用器WDM、掺铒光 纤EDF、隔离器、F-P滤波器以及波分复用器WDM光开关1端之间的光纤耦合器构成第二个有 源内腔，利用用光探测器对有源内腔激光的光谱和光功率进行监控；打孔光子晶体光纤气室 充有低浓度的待测气体；随着F-P滤波器电压增大，有源内腔激光的中心波长逐渐增大；当 波长漂移至打孔光子晶体光纤气室内待测气体的吸收波长时，有源内腔由于气体的吸收而使 损耗增大，引起功率的降低；继续加大电压，有源内腔激光的中心波长移出气体的吸收区间， 光功率又恢复稳定；若气室内气体的浓度变大，则使得光功率大大降低，当低于气体爆炸极 限所对应功率值时，由控制装置发出警报；

光开关N端其余各路依次类推，进行循环测试，直至N端最后一路。

使每个密集波分复用器DWDM连接的光纤耦合器形成的有源内腔输出端具有相同的输出 功率。

通过更换密集波分复用器DWMD的工作波长，可将各个气室用于不同气体的检测。

使用任意波形发生器产生阶梯斜坡电压实现对F-P滤波器的控制。

与已有技术相比，本发明的技术特点与效果：

本发明采用光开关和密集波分复用器功能的有机结合不仅能实现对系统的扫描监测，还 能查看指定用户的信息。密集波分复用器的运用相较于光纤光栅(FBG)有源内腔具有更高的 稳定性，可以大大消除环境对监测精度的影响，同时为实现电压的精密控制和提高检测速率 提供了保障。此外，打孔光子晶体光纤气室的运用，将气室和传输介质融为一体，大大增加 了气体与光信号的作用时间，对于提高网络的监测精度和光子晶体光纤器件的广泛应用具有 重要意义。调整电压的输出波形即可用于监测特定用户，而且密集波分复用器的窄带宽可以 缩短系统的调整时间。本发明市场前景好，实现方式简单，可被广泛地应用于诸如甲烷(CH4)、 乙炔(C2H2)、一氧化碳(CO)、一氧化氮(NO)等具有多吸收峰、易燃易爆、有毒气体的检测， 具有良好的技术转化基础。由于本发明专利是我们自主知识产权，并且可以推动光子晶体光 纤器件的推广，实现广泛的社会效益。

附图说明

附图1a)、b)为He-1550-02空芯光子晶体光纤端面图，c)为侧面打孔图。

附图2为基于打孔光子晶体光纤气体传感检测系统。

附图3为打孔光子晶体光纤气室。

附图4为检测原理图。

附图5为功能实现流程图。

附图6为控制电压优化图

图中：

1—泵浦光源              2—WDM                 3—EDF

4—隔离器                5—电压控制器          6—F-P滤波器

71—光纤耦合器Ⅰ         72—光纤耦合器Ⅱ       73—光纤耦合器Ⅲ

74—光纤耦合器N          81—DWDMⅠ             82—DWDMⅡ

83—DWDMⅢ               84—DWDM N             91—光子晶体光纤气室Ⅰ

92—光子晶体光纤气室Ⅱ   93—光子晶体光纤气室Ⅲ 94—光子晶体光纤气室N

100—Optical Key         101—光纤耦合器        102—光探测器

103—电脑控制系统        104—中心空气孔        105—光纤侧面所打气孔。

具体实施方式

本发明提出的基于光开关和密集波分复用器传感网络不仅能实现对系统的扫描监测和查 看指定用户的信息，而且具有传输损耗低、检测灵敏度高、结构简单、实时性好、易实现、 单用户成本低等优点。同时，该光纤气体传感系统具有高的可移植性，可容纳大容量的用户， 使光纤传感系统得到更广泛的应用。

本光子晶体光纤气体传感网系统主要是利用光开光、密集波分复用器窄带滤波的功能， 实现对多用户和指定用户的监测，同时结合打孔光子晶体光纤作为气室，可以减小系统的复 杂度。系统容纳更多的接入用户、极大降低单用户的成本。

本发明是利用下述技术方案实现的：通过所述电脑(PC)控制系统控制光开关，将打孔 光子晶体光纤气室与光纤耦合器接通。此时，泵浦光源、波分复用器、掺铒光纤EDF、隔离 器、F-P滤波器与不同的光纤耦合器、DWDM、打孔光子晶体光纤气室组合相连接，构成不同 有源内腔，用光探测器对有源内腔激光的光谱和光功率进行监控。各个打孔光子晶体光纤气 室充有低浓度的待测气体。随着F-P滤波器电压增大，有源内腔激光的中心波长逐渐增大。 当波长漂移至打孔光子晶体光纤气室内待测气体的吸收波长时，有源内腔由于气体的吸收而 使损耗增大，引起功率的降低。若气室内气体的浓度值升高，则使得光功率大大降低，当低 于气体爆炸极限所对应功率值时，由电脑(PC)控制系统发出警报。若光功率处于报警阈值 以上，则继续加大电压，有源内腔激光的中心波长移出气体的吸收区间，光功率又恢复稳定， 此时光探测器对电脑(PC)控制系统做出反馈，使光开关切换到下一通道，重复上述步骤运 行。当光开光遍历完所有通道时，电脑(PC)控制系统初始化，进入新的扫描周期。系统的 最大用户数由F-P滤波器的自由光谱范围内所包含的吸收波长的个数所确定。

下面结合具体实施方式对本发明作进一步详细地描述。

如附图2所示，本发明基于打孔光子晶体光纤气室的有源内腔气体传感系统主要包括以 下两大部分：有源内腔气体检测系统、信号控制与解调系统。两大部分的有机结合实现本发 明提出的有源内腔气体传感系统。所述有源内腔气体检测系统主要包括泵浦光源(1)、波分 复用器WDM(2)、掺铒光纤EDF(3)、隔离器(4)、F-P滤波器(6)、光纤耦合器Ⅰ(71)、 光纤耦合器Ⅱ(72)、光纤耦合器Ⅲ(73)、光纤耦合器N(74)、密集波分复用器DWDMⅠ(81)、 DWDMⅡ(82)、DWDMⅢ(83)、DWDM N(84)、打孔光子晶体光纤气室Ⅰ(91)、打孔光子晶 体光纤气室Ⅱ(92)、打孔光子晶体光纤气室Ⅲ(93)、打孔光子晶体光纤气室N(94)、光纤 耦合器(101)；所述信号控制与解调系统主要包括电压控制器(5)、光开关Optical Switch (100)、光探测器(102)、电脑(PC)控制系统(103)。

如附图2所示，本发明有源内腔气体传感系统的工作过程是：将DWDMⅠ(81)、DWDMⅡ (82)、DWDMⅢ(83)、DWDM N(84)按照中心工作波长从小到大的顺序进行排列(从大到小 亦可，视后续F-P滤波器对波长的控制和电压的关系而定)。

通过电脑(PC)控制系统(103)控制Optical Switch(100)将打孔光子晶体光纤气室 Ⅰ与光纤耦合器(101)接通。此时，泵浦光源(1)、波分复用器WDM(2)、掺铒光纤EDF(3)、 隔离器(4)、F-P滤波器(6)、光纤耦合器Ⅰ(71)、DWDMⅠ(81)、打孔光子晶体光纤气室 Ⅰ(91)、光开关Optical Switch(100)的第一通道、光纤耦合器(101)构成第一个有源 内腔，用光探测器(102)对有源内腔激光的光谱和光功率进行监控。打孔光子晶体光纤气室 Ⅰ(91)充有低浓度的待测气体。随着F-P滤波器(6)电压增大，有源内腔激光的中心波长 逐渐增大。当波长漂移至打孔光子晶体光纤气室Ⅰ(91)内待测气体的吸收波长时，有源内 腔由于气体的吸收而使损耗增大，引起功率的降低。继续加大电压，有源内腔激光的中心波 长移出气体的吸收区间，光功率又恢复稳定，如附图4中的λ1。若气室内气体的浓度变大， 则使得光功率大大降低，当低于气体爆炸极限所对应功率值时，由电脑(PC)控制系统(103) 发出警报。

类似地，电脑(PC)控制系统(103)控制Optical Switch(100)将打孔光子晶体光纤 气室Ⅱ与光纤耦合器(101)接通。此时，泵浦光源(1)、波分复用器WDM(2)、掺铒光纤EDF (3)、隔离器(4)、F-P滤波器(6)、光纤耦合器Ⅱ(72)、DWDMⅡ(82)、打孔光子晶体光 纤气室Ⅱ(92)、光开关Optical Switch(100)的第二通道、光纤耦合器(101)构成第二 个有源内腔，用光探测器(102)对有源内腔激光的光谱和光功率进行监控。打孔光子晶体光 纤气室Ⅱ(92)充有低浓度的待测气体。继续增大滤波器(6)的电压，有源内腔激光的中心 波长逐渐增大。当波长漂移至打孔光子晶体光纤气室Ⅱ(92)内待测气体的吸收波长时，有 源内腔由于气体的吸收而使损耗增大，引起功率的降低。继续加大电压，有源内腔激光的中 心波长移出气体的吸收区间，光功率又恢复稳定如附图4中的λ2。若气室内气体的浓度值 很高，则可使得光功率大大降低，当低于气体爆炸极限所对应功率值时，由电脑(PC)控制 系统(103)发出警报。

类似地，电脑(PC)控制系统(103)控制Optical Switch(100)将打孔光子晶体光纤 气室Ⅲ与光纤耦合器(101)接通。此时，泵浦光源(1)、波分复用器WDM(2)、掺铒光纤EDF (3)、隔离器(4)、F-P滤波器(6)、光纤耦合器Ⅲ(73)、DWDMⅢ(83)、打孔光子晶体光 纤气室Ⅲ(93)、光开关Optical Switch(100)的第三通道、光纤耦合器(101)构成第三 个有源内腔，用光探测器(102)对有源内腔激光的光谱和光功率进行监控。打孔光子晶体光 纤气室Ⅲ(93)充有低浓度的待测气体。继续增大滤波器(6)的电压，有源内腔激光的中心 波长逐渐增大。当波长漂移至打孔光子晶体光纤气室Ⅲ(93)内待测气体的吸收波长时，有 源内腔由于气体的吸收而使损耗增大，引起功率的降低。继续加大电压，有源内腔激光的中 心波长移出气体的吸收区间，光功率又恢复稳定如附图4中的λ3。若气室内气体的浓度值 很高，则可使得光功率大大降低，当低于气体爆炸极限所对应功率值时，由电脑(PC)控制 系统(103)发出警报。

类似地，电脑(PC)控制系统(103)控制Optical Switch(100)将打孔光子晶体光纤 气室N与光纤耦合器(101)接通。此时，泵浦光源(1)、波分复用器WDM(2)、掺铒光纤EDF (3)、隔离器(4)、F-P滤波器(6)、光纤耦合器N(74)、DWDM N(84)、打孔光子晶体光纤 气室N(94)、光开关Optical Switch(100)的第N通道、光纤耦合器(101)构成第N个有 源内腔，用光探测器(102)对有源内腔激光的光谱和光功率进行监控。打孔光子晶体光纤气 室N(94)充有低浓度的待测气体。继续增大滤波器(6)的电压，有源内腔激光的中心波长 逐渐增大。当波长漂移至打孔光子晶体光纤气室N(94)内待测气体的吸收波长时，有源内 腔由于气体的吸收而使损耗增大，引起功率的降低。继续加大电压，有源内腔激光的中心波 长移出气体的吸收区间，光功率又恢复稳定如附图4中的λ6。若气室内气体的浓度值很高， 则可使得光功率大大降低，当低于气体爆炸极限所对应功率值时，由电脑(PC)控制系统(103) 发出警报，实现方式如附图5所示。

为使得本发明提出的光纤旋转连接器的性能达到最优，在实施过程中需保证：

保证光纤耦合器Ⅰ、光纤耦合器Ⅱ、光纤耦合器Ⅲ、光纤耦合器N形成的有源内腔输出 端具有相同的输出功率，便于报警阈值的设定。

通过更换密集波分复用器DWMD的工作波长，可将各个气室用于不同气体的检测，以扩大 本传感检测网络的应用范围。同时，密集波分复用器的运用相较于光纤光栅(FBG)有源内腔 具有更高的稳定性，为实现电压的精密控制和提高检测速率提供了保障。

使用任意波形发生器产生阶梯斜坡电压实现对F-P滤波器的控制，以提高系统检测速率。 优化后的控制电压如附图6所示。

尽管上面结合图对本发明进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上 述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启 示下，在不脱离本发明宗旨的情况下，还可以作出很多变形，这些均属于本发明的保护之内。