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双波长差分解调弱光纤光栅传感研究新进展

导读: 根据目前的窄线宽激光,光源输出功率能轻松达到10dBm以上,该方法在没有中继放大的条件下,能够支持长达50km以上的传感解调距离,以及能够达到一根光纤上多达数百根弱反光栅同时解调的效果。

  上世纪90年代以来,基于布拉格光栅的光纤传感技术受到科学家们的广泛关注,并进行了大量的研究。虽然目前大规模、快速且廉价的光栅制作技术及其工艺已经成熟,可是但是较为昂贵的光学解调设备仍然限制了其在工业、化工以及建筑物结构检测等一系列重要领域的广泛应用。另外,相对于传统光域解调的方法,利用光学滤波器将光栅波长的漂移转化为功率的变化的解调方法具有廉价、简单、响应速度快等优势。

  此前,光通信与光网络系夏历副教授带领的研究组采用交叉高斯滤波方法实现光纤光栅的传感解调,研究结果已发表在Optics Letters期刊上(Vol. 40, Iss. 8, pp. 1760-1763)。随着研究的深入,发现该方法还存在两个方面的缺点:一是需要额外增加两个高斯滤波特征的滤波器,增添了系统的复杂度;二是采用的宽光谱光源功率谱密度较小,使得传感解调距离和范围受限。

  因此,该研究小组在近期的工作中又进一步设计出一种基于双波长窄线宽激光入射的弱光纤光栅传感阵列解调方法(图1)。在解调系统的输入端,利用两个具有一定中心波长间隔的激光入射。利用弱反射光纤光栅自身高斯谱型特征并加以功率差检测,恰好可以得到一个线性的布拉格波长到功率差的转换(图2)。并且它们线性关系的斜率可以简单的通过控制双波长激光的波长间隔来进行调节。此种方法并不像高斯匹配滤波方法那样对于滤波器的滤波特性有要求,所以整个解调系统较为简单。根据目前的窄线宽激光,光源输出功率能轻松达到10dBm以上,该方法在没有中继放大的条件下,能够支持长达50km以上的传感解调距离,以及能够达到一根光纤上多达数百根弱反光栅同时解调的效果。可以预测该方法将在布拉格光栅准分布式传感网络各个领域中有着非常好的应用前景。

  该研究成果“双波长差分解调弱光纤光栅传感器” (Interrogation of weak Bragg grating sensors based on dual-wavelength differential detection)在2016年11月9日发表于Optics Letters (Vol. 41, Iss. 22, pp. 5254-5257 )。

  该项工作得到了国家自然科学基金面上项目(61675078)的资助。

双波长差分解调弱光纤光栅传感研究新进展

  (c): 不同应力条件下第6根光栅的放大响应谱;(d):两个波长上的反射强度分布;(e):(d)中数据相减后的结果

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