基于乙炔气体吸收峰的DFB激光器波长解调方法和系统

摘要

基于乙炔气体吸收峰的DFB激光器波长解调方法和系统，属波长解调技术领域，利用乙炔气体吸收峰进行DFB激光器波长解调，系统包括光路、电路及示波器，其特征在于光路由DFB激光器等组成，DFB激光器位于WDM耦合器之前，乙炔气体气室位于WDM耦合器之后；电路由两组光电探测器等组成，两光电探测器分别连接到两前置放大电路的输入端，两前置放大电路的输出端分别连接到两滤波电路，两滤波电路连接到除法器的输入端，除法器的输出端和示波器相连接；两光电探测器分别放置在WDM耦合器和乙炔气体气室之后。本发明的解调方法和系统具有以下优点：系统稳定，技术简单方便，测试精确直观，所用器件都容易从市场获得，成本较低。

说明书

所属技术领域

本发明涉及一种波长解调技术，具体讲是涉及一种基于乙炔气体吸收峰的DFB激光器波长解调方法和系统。

背景技术

目前，激光器的应用越来越广泛，激光器输出波长具有一定的线宽，而且由于外部因素的影响，激光器的输出波长会发生变化。精确测量波长漂移的技术就是激光器的波长解调技术。通过精确测量激光器的工作波长的漂移，我们可以了解激光器的工作状态及影响因素，从而调节相应的环境因素来减小这种波长波动。因此，激光器的波长解调技术在生产应用中具有很重要的作用。

DFB光纤激光器与传统的激光器不同，它没有传统的腔镜，而是直接在稀土掺杂光纤写入的光栅构成谐振腔，有源区和反馈区同为一体，只用一个光栅来实现光反馈和波长选择，因而具有线宽窄、噪声小等优点，是光纤激光器发展的一个重要方向。将DFB激光器应用于光纤传感领域中，作为光纤传感头，必将大大提高光纤传感器的性能。因此如何精确测量DFB激光器的波长波动成为一个需要解决的问题。目前，已有的波长解调方案主要有以下几种：

1、采用已成型的仪器如光波长计或光谱仪直接读取波长的数值，从而可以得出波长的变化。这种方法极简单且直接，但光谱仪体积庞大且结构复杂，使用时需反复校准，且高精度光谱仪价格昂贵，成本较高。<应用光学>杂志，25，(2004)，p40-43，周伟林等所著的文章“光纤光栅传感器波长移位检测方法”即属于此列。

2、比例探测法，即通过线性滤波器把波长变化转为光强变化。这种方法比较简单、成本低，能直接测量波长绝对值，不足是测量分辨率不高，不适合于复用光纤光栅的波长解调。

3、波分复用(WDM)光纤耦合器解调法。该方法采用全光纤器件连接，降低了反射和连接损耗，但是由于WDM光纤耦合器的偏振特性，此种方法测量波长的精度不高。

4、非平衡Mach-Zehnder干涉解调法。该方法虽然有带宽、高解析度的解调能力，但随机相移使得该方法局限于测量动态应变，不适于对绝对应变的测量。上述2、3、4所述解调法出自赵勇所著的“光纤光栅及其传感技术”一书，由国防工业出版社出版。

5、<仪器仪表学报>，27(2006)，张剑等的文章“应用CWDM实现FBG传感解调的研究”披露了一种解调法，它是采用线性斜边滤波器解调的方法测量波长移动，当外界待测物理量的变化引起FBG波长发生变化的时候，斜边滤波器输出光强也会随之发生变化。这种方法结构简单，易于解调，但是系统耦合器的分束比变化及滤波器非线性都会影响测量精度。根据FBG反射谱和CWDM边带的滤波特性来解调波长变化，这种系统虽然消除了因光源强度波动和光纤连接器不牢固引入的测量误差，但是由于WDM光纤耦合器的偏振特性，测量波长的精度不高。

6、<压电与声光>，30(2008)，李丽等的“光纤光栅非平衡M-Z干涉解调技术研究”所提出的技术是采用非平衡M-Z干涉解调技术，具有良好的动态性能，适合于精密测试中动态信号的检测，但是随机相移使得该方法局限于测量动态应变，不适于对绝对应变的测量。

发明内容

为了克服现有技术存在的缺陷和不足，本发明提出了一种基于乙炔气体吸收峰的DFB激光器波长解调方法和系统，旨在提供稳定、低成本的波长解调方法和系统。

本发明的技术方案是按以下方式实现的。

一种基于乙炔气体吸收峰的DFB激光器波长解调方法，将DFB激光器的输出光通过WDM耦合器按7∶1的比例分成两路，其中第一路光即所占比例为7/8的光通过乙炔气体气室，然后输入到第一光电探测器上作为测量信息，第二路光直接输入到第二光电探测器上作为参考信息，两探测器将光信号变为电信号，再分别通过各自的前置放大电路及滤波电路进行信号放大和噪声滤除，然后将两路信号输入除法器进行处理，经除法器处理后的两路信号输入到示波器，即可观察到输出信号随波长波动的变化图像。

上述解调方法所使用的解调系统，包括光路、电路及示波器，其特征在于光路由DFB激光器、WDM耦合器、乙炔气体气室组成，DFB激光器位于WDM耦合器之前，乙炔气体气室位于WDM耦合器之后；电路由两组光电探测器、前置放大电路、滤波电路及除法器组成，两光电探测器分别连接到两前置放大电路的输入端，两前置放大电路的输出端分别连接到两滤波电路，两滤波电路连接到除法器的输入端，除法器的输出端和示波器相连接；两光电探测器分别放置在WDM耦合器和乙炔气体气室之后，能将DFB激光器输出的光经WDM耦合器分成两路，一路送到光电探测器，另一路经乙炔气体气室送到另一个光电探测器。

本发明解调方法的工作原理如下：将DFB激光器的输出光通过WDM耦合器按7∶1的比例分成两路，第一路光(所占比例为7/8)通过乙炔气体气室，由于乙炔气体的吸收峰边沿(上升边沿或下降边沿)对波长的选择性，由公式

I＝I₀exp[-α(λ)L]

α(λ)为气体吸收系数，L为气室长度，I_σ为输入光的初始光强，I为通过气室后的输出光强，将DFB激光器波长的漂移量转换为光强的变化量，然后输入到第一光电探测器上作为测量信息。第二路光(所占比例为1/8)直接输入到第二光电探测器上作为参考信息。两探测器通过光电转换将光信号转化为电信号，之后经放大电路放大成电压变化量，再经滤波电路滤除直流分量和高频分量，然后将两路信号输入除法器作信号处理，消除由于各种原因引起的系统光强度波动，最后输入示波器，即可直观的观察到随着DFB激光器输出波长的漂移量Δλ的变化，输出的电压变化量ΔV的变化图像。选用乙炔气体是根据乙炔气体在1530.371nm附件有一强吸收峰，DFB激光器的输出波长一般也在1530nm左右，可以满足我们利用吸收峰陡峭边沿进行测量的需求，利用乙炔气体吸收峰边沿对波长的选择性将波长漂移量转化为光强变化量。由于气体吸收峰比较稳定，一般不会受外界因素产生漂移，所以该系统具有很好的稳定性。另外，气体吸收峰边沿非常陡峭、线宽较窄，微小的波长变化就会产生大的光强变化，所以该系统非常适用于窄线宽的波长解调，且精度很高。引入了参考信息，且参考信息与测量信息来自同一光源，能有效消除激光器本身和背景变化带来的干扰

图5为乙炔气体的透射率与波长的关系图，透射率＝1-吸收率。由HITRAN2004数据库可知，乙炔气体在1530.371nm处有一强吸收峰，半高宽度(Full Width Half Maximum——FWHM)约为22pm。DFB激光器线宽一般为小于50KHz(约为0.0005pm)，远远小于22pm。将DFB激光器输出波长控制在图5下降边沿的一个数值时，其对应一个透过率值，当波长发尘波动时，由于图中下降边沿比较陡峭，透过率会发尘比较大的变化。再经过后续处理我们可得到电压的变化量。

本发明的解调方法和系统具有以下优点：系统稳定，所用器件都容易从市场获得，技术简单方便，测试精确直观，成本较低。

附图说明

图1.是本发明解调系统的结构示意图。

其中：1、DFB激光器，2、WDM耦合器，3、乙炔气体气室，4、光电探测器，5、前置放大电路，6、滤波电路，7、光电探测器，8、前置放大电路，9、滤波电路，10、除法器，11、示波器。

图2是本发明解调系统中的光电探测器和前置放大电路示意图。

图3是本发明解调系统中的滤波电路示意图。

图4是本发明解调系统中的除法器电路示意图。

图5为乙炔气体的透射率与波长的关系图，透射率＝1-吸收率

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明做进一步说明，但不限于此。

实施例1：(方法实施例)

如图1所示，一种基于乙炔气体吸收峰的DFB激光器波长解调方法，将DFB激光器1的输出光通过WDM耦合器2按7∶1的比例分成两路，其中第一路光即所占比例为7/8的光通过乙炔气体气室3，然后输入到第一光电探测器7上作为测量信息，第二路光直接输入到第二光电探测器4上作为参考信息，两光电探测器4、7将光信号变为电信号，再分别通过各自的前置放大电路5、8及滤波电路6、9进行信号放大和噪声滤除，然后将两路信号输入除法器10进行处理，经除法器10处理后的两路信号输入到示波器11，即可观察到输出信号随波长波动的变化图像。

实施例2：(硬件实施例)

本发明实施例2如图1所示，一种上述解调方法所使用的解调系统，包括光路、电路及示波器，其特征在于光路由DFB激光器1、WDM耦合器2、乙炔气体气室3组成，DFB激光器1位于WDM耦合器2之前，乙炔气体气室3位于WDM耦合器2之后；电路由两组光电探测器4、7、前置放大电路5、8、滤波电路6、9及除法器10组成，两光电探测器4、7分别连接到两前置放大电路5、8的输入端，两前置放大电路5、8的输出端分别连接到两滤波电路6、9，两滤波电路6、9连接到除法器10的输入端，除法器10的输出端和示波器11相连接；两光电探测器4、7分别放置在WDM耦合器2和乙炔气体气室3之后，能将DFB激光器1输出的光经WDM耦合器2分成两路，一路送到光电探测器4，另一路经乙炔气体气室3送到另一个光电探测器7。

图2所示是光电探测器和前置放大电路。其中光电探测器和电容Cp并联后并接在运算放大器的输入端，运算放大器的输出端接电阻R1、电感L和电阻R2的串联电路，电阻R2另一端接地；电容C并接在电阻R1和电感L上，反馈电容Cf和反馈电阻Rf并联后连接在运算放大器的输入负极端，另一端接在电容C和电感L的接点处。R2、R1，电感L和电容C组成选频放大电路，所用电阻选择温度特性及频率特性均较好的低噪声高精度金属膜电阻，电容尽量选择低噪声电容。运算放大器在前放中起到了核心的作用，其性能指标如开环增益、输入偏置电流、失调电流和失调电压、频率响应以及噪声性能均对前放产生影响。实际电路使用的是OPA128作为运放，具有较好的效果。

图3是本发明解调系统中的滤波电路，图中所示是四阶的滤波器。本发明实施例2使用OPA2604双路运算放大器，外加电容电阻组成二阶的滤波电路R1，C2和R2，C3构成二阶的无源滤波器，加上集成运放OPA2604构成二阶的RC低通滤波器，后半部分和前半部分类似，两部分组合构成一个4四阶的低通滤波电路。C1，C4两端接电源(+12V，-12V)和地，是电源的去耦电容，消除电源中交流对电路的影响。

图4是本发明解调系统中的除法器电路。采用常见的CMOS版555定时器TLC555，用作自由运行的RC振荡器(IC2)。IC2的第3脚的输出信号驱动电阻器R1和C1，同时通过电阻R5和电容C4接地。输入电压VB为分母，通过由R3和R4组成的电阻分压器驱动IC2的放电脚7，R3的另一端与IC1B的正相输入端，负相输入端6和输出端7连接后输入到R8和C3组成的低通滤波器。积分器IC1A的正相输入端与C3连接，负相输入端连接R5、R7和C2的并联电路，输出电压通过R2向C1驱动电流，建立一个偏置电压，反过来控制IC2的输出脉冲宽度，构成一个反馈回路。R5和C4组成一个低通滤波电路。