光纤光栅传感器用的高功率宽带光源--【汉魅HanMei—课程讲义论文分享】

2 0 0 5 年 第 2 4卷 第 1 期 传感器技术 J o u rn al o f T r a n s d u c e r T e c h n o l o g y 7 5 光纤光栅传感器用的高功率宽带光源 郭小东 乔学光 贾振安 王小凤 西安石油大学 光纤传感实验室 陕西 西安 7 1 0 0 6 5 摘要 运用单程后向结构 通过优化掺 E r 光纤结构 从实验上实现了一种功率达 2 9 4 m W 平均波长 为 1 5 4 4 3 3 6 n m的高功率宽带掺 E r 超荧光光源 3 d B带宽为 3 1 2 n m 在 C波段 1 5 2 5 1 5 6 5 n m之间可实现 功率高于 2 7 8 m W 在 1 5 3 2 1 1 5 6 0 6 n m之间的平坦度可达 0 5 d B 不加任何滤波器的条件下 可 以 较好地满足光纤 B r a g g 光栅在传感领域的研究 和实用化的应用要求 作为单独的光源也适用于光纤 陀螺 等场合 关键词 掺 E r 光纤 超荧光光纤光源 宽带光源 放大的自发辐射 光纤 B r a g g光栅 中图分类号 T N 2 5 T P 2 2 T Q 3 4 2 文献标识码 A 文章编号 1 0 0 0 9 7 8 7 2 0 0 5 叭 一 0 0 7 5 0 3 Hi g h p o we r br o a d ba nd l i g ht s o ur c e f o r fibe r Br a g g g r a t i n g s e n s o r s GU O X i a o d o n g Q I AO Xu e g u a n g J I A Z h e n a n WAN G X i a o f e n g Op t i c a l F i b e r S e n s i n g L a b Xi a n S h i y o u Un i v e r s i t y Xi a n 7 1 0 0 6 5 Ch i n a A b s t r a c t T h e b r o a d b a n d E r d o p e d s u p e r f l u o r e s c e n t fi ber s o u r c e w i t h h i gh p o w e r o f 2 9 4 m W i s d e m o n s t r a t e d b y e x p e r i me n t s t h r o u g h o p t i ma l d e s i g n o f t h e c o n fi g u r a t i o n o f s i n g l e p a s s b a c k w a r d i t s me a n w a v e l e n g t h i s 1 5 4 4 3 3 6n m a n d a l i n e wi d t h o f 3 1 2n m wit h a powe r r i p p l e o f3d B i s o b t a i n ed wi t h o u t u s i n g any e x t e rnal s p e c tra l fi l t e r s t h e po w e r o f C b an d b e t we e n 1 5 2 5n m an d 1 5 6 5 n m i s h i g h e r t h an 2 7 8mW Th e r e i n t o powe r r i p p l e be t ween 1 5 3 2 1 n m an d 1 5 6 0 6B i n i s o n l y 0 5d B t h a t ma y me e t t h e n e e d s f o r t h e r e c h e arc h o ffi be r B mg g g r a t i n g i n t h e d o ma i n o f s e n s o r an d t h e i r p r a c t i c a l i t y an d a p p l y t o ma n y o t h e r a p p l i c a t i o n s s u c h as fibe r o p t i c g y r o s c o p e Ke y wo r d s E D F E r d o p e d fi ber S F S s u p e r fl u o r e s c e n t fi b e r s o u r c e b r o a d b a n d l i g h t s o u r c e AS E a m p l i fi e d s p o n t ane o u s e mi s s i o n F B G fi b e r B r a g g gra t i n g 0引 言 基于 F B G传感器的传感过程是通过外界对 B r a g g中心 波长的调制来获取信息的一种波长调制型光纤传感器 与 其他类型传感器相 比 由于具有抗 电磁干扰能力 强 抗 腐 蚀 传感探头结构简单 测量重复性好 便 于构成各种形式 的光纤传感 网络等优点 尤其是在石油化工 电力 桥梁及 航 天等 一 些特 殊 或者 复 杂 的应 用场 合 成 为研究 的热 点 在众多光纤传感器和光纤探测器 中 一般都需要 时间相干性低的宽带光源 目前 商用的宽带光源 掺 E r 光纤超荧光光纤光源 E D S F S 具有温度稳定性强 荧光 谱线宽 输出功率高 使用寿命长等特点 在光纤 传感得 到 了应用 应用场合对光 源的要求主要表现在 4个参数上 带宽 平均波长 稳定性 以及输 出功率 而 E D S F S输 出的 A S E则同时具有光谱宽 输 出功率高 稳定性好等优点 因 此 可较好地与光纤光栅传感器配合使用 本文介绍了 E D S F S的基本原理 结构及物理模型 并 根据理论及光纤光栅传感 网络 的实际应 用背景进行了实 验 优化得到了较为理想的结果 并对结果进行了分析与总 结 提出了一些改进思路 1 1 分布式光纤光栅传感网络 分布式光纤光栅传感系统充分利用 了光纤光栅 的特 点 多个点采用共用一个光源及解调系统 以降低成本 而 且 可用的分布距离长 适用范 围广 如图 1所示 整个网 络主要包括光源 传感头 信号解调 3 个部分 由于光纤传 感是在光纤通信的基础之上发展起来的 因此 光纤传感 光源以 1 5 5 0 n m及附近波长为主 一 一 光 器 耋 H i I L i i 一 I笪 三 塑 l I I 收 稿 日期 2 0 0 4一 O 7 2 O 基金项 目 国家 8 6 3计划项 目 2 0 0 2 A A 3 1 3 1 5 0 国家 自然科学基金资助项目 6 9 8 7 7 0 2 5 国家教育部科学技术重点项 目 0 2 1 9 0 陕西省科 技攻关项 目 2 0 0 3 K 0 1 5 J 一 2 8 维普资讯 7 6 传感器技术 第 2 4卷 1 2基本 原理与 结构 当 E D F 被抽运时 随着抽 运光强 度的变化 E D F可 处 于三种不同的状态 1 抽运光较低时 n n 后 粒子数呈反转分布 在极强 的相互作用下 粒子发光的 个性化 特征逐渐 向相 关一致的 共性 转化 单个粒子独立的 自发辐射逐渐 变为 多个粒子协调一致的受激辐射 这种 由于掺杂光纤 对 自发 辐射的放大所产生的辐射称 为 A S E 如果抽运光足够强 在掺杂光纤中特定方 向上的 A S E将大大加强 这种加强 了 的辐射称为 超荧光 3 若抽运光很强 掺 杂光纤 中辐射 放大增益完全抵消了系统的损耗 此时 将形成 自激振荡而 产生激光 J 这种利用 A S E原理制作 的无谐振腔 的 E D F 放大器称为 E D S F S 由于光纤超荧光的产生是基 于光纤 中 A S E过程 因而具有输出功率高 温度稳定性好 有一 定的 相干性和较宽的光谱线宽等诸多优点 根据抽运光和超荧光传播方向的异同以及光纤两端是 否存在反射 S F S有单程前 向 单程后 向 双程前 向 双程后 向等几种基本结 构 在这些结 构中 单程后 向结构 由于实 现简单 并且不容易形成激光而被广泛采用 双程结构的光 源可以得到更高的输出功率和更好的波长稳定性 单程 前向结构的光源在带宽较宽时输出功率很小 由于超荧光是一 种 A S E 包括沿抽 运光方 向和逆抽运 光方向的 自 发辐射 单程装置只利用了一个方向的自发辐 射 而双程装置则包括 了2个方 向的 自发辐射 所 以 双程 装置要 比单程 装 置 有更 高 的转换 效率 和较 低 的抽 运 功 率 引 在单程后向装置 的超荧光中 通过优化光纤的长度 输 出的超荧光的波长具有不依赖抽 运功率 的稳定性 而这种 稳定性在双程后向装置 中也可以实现 J 与双程前向装置 相比 双程后 向装置则具有更高的输出功率 更好的波长稳 定性以及更大的线宽等特点 1 3光 源 物 理 模 型 用等效的三能级系统来描述其物理 过程 对光源的信 号频谱分成 个区域 则光源 的性质完全 由 2 N 1束光沿 E D F的演化 情 况决 定 即前 向 后 向传播 的光信 号 功率 z i 1 2 前 向传播的抽运光功率 P z 考虑抽运光和信号光在光纤中都 以 L P 0 模传播 则它们沿 E D F的演 化 遵从 下 列 传播 方 程 信 号 光 演化 过 程 为 式 1 和抽运光演化过程为式 2 f f d r d F 干 矗 z 1 一 J f d rd Up p r O a n a b r O es a n P p z 一 P p z 2 式中 F n z r 一 n z r n 8 b r z 2 c r e n z r 如 A v i 1 2 N 分别表示第 i 束光频 信 号光频和抽运光频 o r 和 分别为 E D F的离子吸收和发光 截面 O e s a 为铒离子的激发态吸收截面 和 分别为信号 光和抽运光模式的归一化功率分布函数 和 分别为光 纤的在信号光频和抽运光频的本底吸收系数 n 是 E D F中 的铒离子对密度 铒离子的激光上能级 下能级及抽运离子 能级的粒子数密度分别为 n n 和 n 可以从速率方程求 得 式 1 式 2 的边界条件为 0 0 3 L R L i 1 2 N 4 P 0 P 5 式 中 为 E D F长度 R 为反射镜对频率 为 的信 号光 的反射率 P 为抽运光 的初始输入功率 假设铒离子在光 纤芯层内均匀分布 数值模拟 中用到的有关 E D F和反射镜 的主要参数为 纤芯半径 折射率 差 数值 孔径 铒离 子密 度 在波长 1 5 3 m处的小信号吸收率 在抽运波长处的小 信号吸收率 离子相对浓度 光纤本底吸收率 反射镜 的最 大反射率 据此 可对 E D S F S进行数值模拟与分析计算 2实 验装 置与 结 果 实验中 采取单程后 向结构 用 9 8 0 n m抽运激光二极 管作后向抽运 光源 中心波 长 为 9 7 9 0 4 n n l 阈值 电流为 2 7 8 m A 允许最大抽运电流为 4 5 0 m A 激光二极 管尾纤输 出光功率随抽运电流 从 阈值电流点起 基本呈线性关系 如 图 2 所示 实验 中 采用掺铒体积分数为 7 1 0 I 4 的掺 杂 光纤 截止 波长为8 5 3 5 n m 在 1 2 0 0 n m处 的本底损 耗 g 斛 丑 集 驱动 电流 mA 图 2 抽运光 源输 出与 电流关 系 Fi g 2 Re l a t i o n s hi p b e t we e n o u t pu t p o we r o f p ump LI D a nd a pp l i e d c u r r e n 5 0 d B k m 在 9 8 0 n m处的峰值吸收 系数为 4 5 d B m 数 值孔径 I 0 2 模场直径为 6 6 8 经 过优化设计与实验验证 选定长度为 3 1 i n 实验中 结果均为采用 An r i t s u MS 9 7 1 0 C 维普资讯 第 1 期 郭小东等 光纤光栅传感器用的高功率宽带光源 多功能光谱 仪与 P M S 一 1 2型光功率计测得 光谱 仪最小分 辨力为 0 0 5 n m 测量范 围为 6 O O一1 7 5 0 n m 光功率计的测 量范围为 0 1 p W 一 1 0 0 m w 测量精度为0 0 1 p W 实验中 当光纤 长度为定长 起初 抽运功率 较小 的时 候 粒子反转不充分 输出 A S E光谱主要集中在长波长范围 上 主要是由于当抽运功率较小时 短波长范围内的 A S E光 被铒离子重新吸收 成为二次抽运源 再次发射的 A S E的 光主要集 中在长波长范围内 随着抽运光功 率的增加 粒 子逐渐得 以反转充分 输 出光偏向于短波长方向 主要特征 为 1 5 3 1 n m附近 出现一个较 为明显的峰值 且峰值处的增 长速率远远高于其它波长处 此种现象可 以从一段较长光 纤的前向和后向光谱谱形 中对 比得出 如图 3所示 待抽运 功率增加到一定程度后 整个波谱形状基本保持不变 不再 随抽运光的变化 而变化 实验中 优化光纤参数与光纤长 度及抽运光功率 得到后向输出最高光功率达 2 9 4 m W 平 均波长为 1 5 4 4 3 3 6 n m 如图 4所示 考虑到接头及光纤之 间的熔接损耗 实际进入光纤 中的抽运光功率为 1 2 0 m W 左 右 E D S F S 3 d B带宽达 3 1 2 n m 如图 5所示 0 5 d B范 围内可实 现带 宽 2 8 5 n m 光谱 如图 6 其 中 在 1 5 2 5 1 5 6 5 n l n 之间功率可实现功率高于 2 7 8 m W 能够很好地满 足在光纤光栅传感等及器件测试 信号解调等场合的应用 若将1 5 3 1 n m 附近的峰值进行平坦 则平坦化后谱宽可达近 4 0n m g 料 g 糌 蠡 波长 n m a 后 向输 出光谱 a me a s u r e d b a c d wo r d o u t p u t s p e c t r a 波长 n m b 前向输 出光 谱 b me a s u r e d f r o n t wo r d o u t p u t s p e c t r a 图3 相同抽运功率下后向与前向光谱输出对 比 Fi g 3 Co m pa r i s o n b e t we e n S PB a nd SPF wi t h S alin e pu m p p owe r g 褂 蠡 波长 n m 图 4 光源输出功率谱图 Fi g 4 Sp e c t r a d i a g r a m o fme a s ur e d o ut p ut p o we r g 瓣 餐 波 长 n m 图5 光源输出积分带宽谱 Fi g 5 M e a s u r e d o u t pu t i nt e g r al l i ne wi dt h s pe c t r a g 褂 图6 0 5 d B范围内光谱图 Fi g 6 S pe c t r a d i a g r a m o fm e a s u r e d o u t pu ti n s i d e 0 5dB l i ne wi d t h 3 结束语 在单程 后 向结 构 的情 况 下 得 到 了输 出 光功 率 达 2 9 4 m w 平均波长 为 1 5 4 4 3 3 6 n m 可满足传感 系统 的需 求 根据理论 若采用 双程后 向结构 功率可进一步提高 抽运光的利用效率的也可得到增加 长光纤前 向与后向光 输出比较的结果可作为用一根光纤制作 C L波段光源分 别提供 C波段和 L波段光信号 据此便可得到高功率宽带 宽的光信号输出 扩宽传感的应用分布 参考文献 1 廖延彪 光纤光学 M 北京 清华大学 出版社 2 0 0 1 1 2 5一 l 2 7 下转第 8 0页 维普资讯 8 0 传感器技术 第 2 4卷 上面 调节对应的电位器 使显示与第 一只读数相 同 由于模拟信号调节的相互影响 衡器要达到 四角平衡 一般 要经过反复多次的调节 本变换器采用了全新 的设计 每只传感器信号直接加 到变换器 通过按键 可进行各种参 数的设 置 例 如 进行上 面四角平衡的调节就变得非 常简单 只需要揿几下按键加 载一遍即可完成 无需 调任何 电位 器 省时又省力 另外 变换器集成了称重显示器上的所有功能 所 以 完全可 以当 作一台数字式称重仪表来使用 由于变换器 内部对每路传 感器信号单独进 行放大和 A D转换 因此 每路信 号是相 对独立 的 一旦 出现故 障 可判别是哪一路信 号出了问题 自 诊断 以便及时更换或修理相对应 的传感器 这个功能 在目前采用模 拟接线盒方 式 的电子 汽车衡 中是 无法 做到 的 4 2应用结 果及其误 差分析 将变换器 与一 台 2 0 t 汽车 衡平 台相连 分 度值设 为 1 k g 采用 2 0 t 标准砝码进行标定 首先 按 4 1 所示方法用 1 0 t 砝码在 四个角上加载一 遍 然后 将 2 0 t 砝码全部加上 输入 2 0 0 0 0 按 输入 键 后 变换器显示 2 0 0 0 0 卸下砝码 标定结束 2 0 t 砝码 由 1 0个组成 每个 2 t 采用逐级加载 的方法 进行检测并记 录 重 复测试 了 3次 得 表 2所 示 的测 试结 果 表 2 汽车衡测试数据 Ta b 2 Au t o we i g he r t e s t d a t a 从表 2中看 出 在量程范围内 最大绝对误差为 1 k g 最 大相对误差为 0 0 0 8 4 完全符合国家标准 3级秤的要求 0 1 0 0 1 而一般采用模拟接线盒方式 的汽车衡 只能达到 0 0 2 5结论 变换器比较适合用于多传感器组成的衡器以及多点 自 动测量 与采用模拟接线盒方式组成的称重系统 比较 具 有调整非常方便的特点 但是 价格相对要高一些 因此 它 们各有其优缺点 适用于不同的应用场合 参 考文献 1 何立民 片机应用系统设计 M 北京 北京航空航天大学 出 版社 1 9 9 2 2 7 9 3 0 5 2 邬宽 明 片 机外 围 器件 实用 手 册数 据 传输 接 口器 件分 册 M 北京 北京航空航天大学出版社 1 9 9 8 1 l 4 一l 7 3 纪宗南 片机外围器件实用手册输入通道器件分册 M 北 京 航 空航天 大学 出版社 1 9 9 8 3 l一1 3 4 作者简介 郑文广 1 9 6 4一 男 浙江杭州人 工程师 主要从事智能化仪 器的设计和精密测量等方面的研究工作 上接第 7 7页 9 8 0 n m J I E E E P h o t o n T e c h n o l L e t t 1 9 9 7 9 4 4 4 6 4 4 8 2 K e r s e y A D D a v i s M A P a t ri c k H J e