專利名稱：基于非對稱分布反饋技術(shù)的傳感器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及一種動態(tài)應(yīng)變、振動、聲波傳感器的傳感裝置，尤其涉及一種基于非對 稱分布反饋光纖激光器(NADFB-FL)技術(shù)的傳感器。
(二)
背景技術(shù)：
振動傳感器正被廣泛應(yīng)用在國民經(jīng)濟(jì)的各部門，然而，電子基的振動傳感器體積大，易 受電磁干擾，傳感部件有電流與電壓的存在，這大大限制了其應(yīng)用范圍，例如大型機(jī)電設(shè)備 在工作時(shí)會產(chǎn)生強(qiáng)電磁場及存在易燃、易爆氣體的場所，因此體積小、抗電磁干擾能力強(qiáng)、 易于多點(diǎn)復(fù)用、傳感元件不需帶電的光纖振動傳感器正成為研究的熱點(diǎn)。早期的光纖振動傳 感器都基于光學(xué)無源設(shè)計(jì)，大致分強(qiáng)度型、光纖干涉儀型、光纖光柵型(FBG)，這些技術(shù)極 大的推動了聲波探測技術(shù)的發(fā)展，也存在著精度較低、抗外界干擾差等方面的問題。上世紀(jì) 90年代發(fā)達(dá)國家的研究人員迅速開發(fā)出了分布反饋光纖激光(DFB-FL)型聲波傳感器，具有 比較高的靈敏度，大的動態(tài)范圍、非常小的體積，它還能很方便利用成熟的C波段波分復(fù)用 系統(tǒng)組成陣列，這為基于光學(xué)有源設(shè)計(jì)的光纖振動傳感器的研究奠定了基礎(chǔ)，如2004年12 月份刊的《光機(jī)電信息》雜志第8頁所提的DFB激光器既是此類用作光纖振動傳感器的器件。 但是由于傳統(tǒng)的對稱分布反饋光線激光型聲波傳感器它兩端輸出光強(qiáng)的對稱性，使得有相當(dāng) 一部分光信號損失掉，效率比較低，靈敏度也有提高的潛力，體積也有減小的可能。
(三) 發(fā)明內(nèi)容
為克服現(xiàn)有技術(shù)的缺陷和不足，本實(shí)用新型提出了一種基于非對稱分布反饋技術(shù)的傳感器。
一種基于非對稱分布反饋技術(shù)的傳感器，它包括泵浦源，諧振腔，以及連通泵浦源和諧 振腔的耦合器，以及與耦合器相連接的解調(diào)光路，其特征在于所述諧振腔是非對稱分布反饋
諧振腔。
所述泵浦源為980nm半導(dǎo)體激光器。 所述耦合器為波分復(fù)用耦合器。
所述解調(diào)光路包括與波分復(fù)用耦合器連接的馬赫-貞德(Mach-Zenhder)干涉儀，以及 與其相連的密集波分復(fù)用(DWDM)模塊。
上述波分復(fù)用即將不同的頻率放在一個(gè)單纖通道里邊，叫波分復(fù)用單纖多通道，為光通 訊領(lǐng)域術(shù)語。
本實(shí)用新型在使用時(shí)，980nm泵浦光通過波分復(fù)用耦合器(WDM)耦合至工作波長在C波 段各個(gè)波長入l、 A 2、…入n的非對稱分布反饋(NADFB)傳感器諧振腔，由于外界聲波會影響諧振腔的腔長，使得輸出光信號的波長有一個(gè)微小的變化，這樣受到泵浦的非對稱分布 反饋光纖激光傳感器發(fā)出包含有振動信息的Al、 A 2、…An的信號光，信號光進(jìn)入馬赫-貞德(Mach-Zenhder)干涉儀對波長信號解調(diào)，信號解調(diào)后進(jìn)入密集波分復(fù)用系統(tǒng)(DWDM) 將各波長分開，各波長的光信號分別進(jìn)入相應(yīng)探測器轉(zhuǎn)化成電信號，經(jīng)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)分析出 振動信號，這樣通過密集波分復(fù)用(DWDM)技術(shù)實(shí)現(xiàn)傳感器的陣列組成。參照國際電信聯(lián)盟 (ITU)在C波段波分復(fù)用波長間隔設(shè)計(jì)32波長的非對稱分布反饋光纖激光傳感器(NADFB-FL)， 可以實(shí)現(xiàn)單光纖32只傳感器的復(fù)用。
本實(shí)用新型實(shí)現(xiàn)了基于非對稱分布反饋光纖激光器(NADFB-FL)技術(shù)的聲波振動傳感器。 它利用聲波對諧振腔的擾動改變激光器輸出波長拾取聲波信號，非對稱型諧振腔可有效改善 分布反饋光纖激光器(DFB-FL)的輸出特性。波長型傳感方式克服了光回路損耗的變化帶來的 噪聲，非對稱分布反饋光纖激光(NADFB-FL)傳感器的輸出波長單色性可以做的非常好(線 寬可小于20K Hz)，因此，這種傳感器具有極高的分辨率(可達(dá)100uPa)，通過適當(dāng)?shù)姆庋b 技術(shù)和解調(diào)方法可使它具有極高的靈敏度，成熟的波分復(fù)用技術(shù)使這種傳感器非常容易組成 陣列，NADFB-FL水聽器陣列的體積和重量在相同探測能力下可以減小到壓電陶瓷陣列的百 分之一。它將大大提高現(xiàn)有對稱分布反饋光纖激光傳感器(DFB-FL)的靈敏度，應(yīng)用對"采 取靜音措施"，的水下武器的探測，也能廣泛應(yīng)用于海洋石油勘探等領(lǐng)域。非對稱分布反饋 光纖激光(NADFB-FL)傳感器的實(shí)用新型能大大促進(jìn)光學(xué)有源傳感領(lǐng)域的發(fā)展。
非對稱分布反饋諧振腔的原理及其制作工藝
傳統(tǒng)上主要存在著3種DFB激光器的設(shè)計(jì)方法，它們具有顯著區(qū)別的運(yùn)轉(zhuǎn)特性。圖4是 一經(jīng)典DFB激光器,它由折射率均勻調(diào)制的光柵構(gòu)成，具有恒定的幅度和固定的周期。這一類 DFB激光器在不同波長的2個(gè)單縱模下運(yùn)行，其波長與光柵帶隙的2個(gè)邊緣相對應(yīng),從光柵兩端 對稱地輸出功率Pleft和Pright ，且均等地分布在2個(gè)模式上,形成了雙波長雙向運(yùn)轉(zhuǎn)方式。 然而實(shí)際中，單一波長單縱模運(yùn)轉(zhuǎn)是我們所期望的。這一點(diǎn)，可通過在光柵的空間相位中引入 ^-相移來實(shí)現(xiàn)。如果相移發(fā)生在光柵中間位置，如圖4所示，由于有效諧振腔的對稱性，則兩 端輸出的功率是相等的。這樣的有效諧振腔提供單一縱模雙向運(yùn)轉(zhuǎn),激射波長與光柵布拉格 波長相對應(yīng)。而如果將相移相對光柵中心非對稱地放置,如圖5所示，則能從光柵段較短的一 端獲得更大的激光功率輸出。
在抽運(yùn)源進(jìn)纖功率65 mW時(shí)，測量到的前向端最大激光輸出功率約3 mW的光譜曲線，在此 路中未發(fā)現(xiàn)剩余的抽運(yùn)光，而此時(shí)后向端口處則僅有約O. 3mW的激光輸出。并且，連續(xù)開機(jī)兩 小時(shí)以上,未觀測到峰值波長漂移和自脈動現(xiàn)象,且輸出功率起伏小于l %。
非對稱分布反饋諧振腔的制作工藝與對稱分布反饋諧振腔的制作工藝大致相同光柵 設(shè)計(jì)方法運(yùn)用于Er-Yb共摻光纖,其數(shù)值孔徑NA = 0.1921 ，纖芯半徑為2. 3 w m，截止波長為 1150 nm。摻Er濃度為3X1023 m—3 ，摻Y(jié)b濃度為3. 4 X薦nf3 ，光纖橫截面內(nèi)的折射率分布是階躍型的，纖芯中所摻雜質(zhì)均勻分布。將該光纖經(jīng)過載氫處理后，在由相位掩膜所產(chǎn)生的 紫外干涉條紋模式下曝光，折射率光柵就在光敏層上形成了。在此光柵設(shè)計(jì)長度為50 rnm,輸 出激光中心波長在1550 nm。選擇耦合系數(shù)k和相移位置^的最佳值分別為150 m—'和 29鵬，Er-Yb共摻光纖長度略大于50mm ，并且在刻制光柵前在其兩端各焊接一段單模光纖，既 便于實(shí)現(xiàn)單模運(yùn)轉(zhuǎn)，也有利于與其它通信器件連接。
本實(shí)用新型的有益效果可根據(jù)對上述方案的敘述得知，由于所述非對稱分布反饋諧振腔 相移位置不在中間或者折射率調(diào)制深度不同，產(chǎn)生的激光將從一端輸出為主，我們利用主要 輸出端的光作為光信號，這樣提高了對光的利用率，且由于聲波等外界影響對諧振腔的影響 兩邊不對稱，提高了對外界響應(yīng)的靈敏度。利用活塞式或者牙齒狀的封裝結(jié)構(gòu)對所述傳感器 進(jìn)行封裝，可以進(jìn)一步提高靈敏度，并且達(dá)到輕便小巧的目的。采用C波段的密集波分復(fù)用 技術(shù)實(shí)現(xiàn)非對稱分布反饋(NADFB)傳感器陣列，可以觀察到不同波長的光對聲波信號的響 應(yīng)，提高了該傳感器的精度。
本實(shí)用新型可以明顯改善DFB-FL的輸出特性，有效減小分布式反饋光纖激光器 (DFB-FL)的長度，從而進(jìn)一步縮小體積、減輕重量、提高靈敏度。


圖1利用密集波分復(fù)用(DWDM)系統(tǒng)組成非對稱分布反饋光纖激光(NADFB-FL)傳感器 陣列的示意圖；圖2是非對稱分布反饋光纖激光器的泵浦光路；圖3是NADFB-FL對聲波的 響應(yīng)測試系統(tǒng)；圖4是對稱分布反饋諧振腔折射率分布圖；圖5是相移位置型NADFB諧振腔 折射率分布圖；圖6是用于聲波振動傳感的活塞式封裝。
其中1、泵浦源，2、耦合器，3、諧振腔，4、馬赫-貞德(Mach-Zenhder)干涉儀，5、 密集波分復(fù)用模塊，6、光電探測器，7、數(shù)據(jù)處理模塊，8、傳感器振動信號輸出，9、光程 差(OPD)， 10、壓電陶瓷調(diào)制器(PZTmodulator), 11、反饋放大器，12、聲波，13、差分 放大電路，14、低通濾波器(LPF)， 15、帶通濾波器(BPF), 16、數(shù)字信號處理電路(DSP)， 17、硅膠，18、鋁合金剛性圓筒，19、鋁合金底端板，20、連接光纖，21、膠。
具體實(shí)施方式
以下結(jié)合附圖和實(shí)施例對本實(shí)用新型做進(jìn)一步說明，但不限于此。 實(shí)施例
一種基于非對稱分布反饋技術(shù)的傳感器，它包括泵浦源，諧振腔，以及連通泵浦源和諧 振腔的耦合器，以及與耦合器相連接的解調(diào)光路，其特征在于所述諧振腔是非對稱分布反饋
諧振腔。
本實(shí)用新型實(shí)施例如圖1所示，它包括泵浦源l、諧振腔3、以及連通泵浦源l和諧振 腔3的耦合器2，以及與耦合器2相連接的解調(diào)光路，其特征在于所述諧振腔3是非對稱分 布反饋諧振腔。所述泵浦源l為980nm半導(dǎo)體激光器。所述耦合器2為波分復(fù)用耦合器。所 述解調(diào)光路包括與波分復(fù)用耦合器2連接的馬赫-貞德(Mach-Zenhder)干涉儀4，以及與其相連的密集波分復(fù)用(DWDM)模塊5。
本實(shí)用新型在使用時(shí)，980nm泵浦源1通過波分復(fù)用耦合器2(WDM)耦合至工作波長在 C波段各個(gè)波長A1、 A 2、…An的非對稱分布反饋光纖激光(NADFB-FL)諧振腔3中，受 到泵浦的非對稱分布反饋光纖激光(NADFB-FL)傳感器發(fā)出包含有振動信息的A 1、入2、…入n 的信號光，信號光進(jìn)入馬赫-貞德(Mach Zenhder)干涉儀4對波長信號解調(diào)，信號解調(diào)后 進(jìn)入密集波分復(fù)用(DWDM)模塊中將各波長分開，分別進(jìn)入光電探測器6陣列轉(zhuǎn)化成電信號， 經(jīng)數(shù)據(jù)處理模塊7分析出振動信號，振動信號對應(yīng)各傳感器振動信號輸出8。這樣通過密集 波分復(fù)用(DWDM)技術(shù)實(shí)現(xiàn)傳感器的陣列組成。參照國際電信聯(lián)盟(ITU)在C波段波分復(fù)用 波長間隔設(shè)計(jì)32波長的非對稱分布反饋光纖激光(NADFB-FL)傳感器,可以實(shí)現(xiàn)單光纖32 只傳感器的復(fù)用。
非對稱分布反饋光纖激光(NADFB-FL)傳感器性能測試如圖3所示搭建光路，采用 9S0nm半導(dǎo)體激光器(LD)作泵浦源l，產(chǎn)生的光通過波分復(fù)用耦合器2進(jìn)入到非對稱分布 反饋諧振腔中，由于外界聲波振動會使諧振腔產(chǎn)生一個(gè)應(yīng)變，因此經(jīng)泵浦后的信號光就包含 了外部聲波的調(diào)制信息，經(jīng)過調(diào)制的信號光再通過一個(gè)耦合器2， 一路經(jīng)過相位延遲，另一 路經(jīng)過來自輸出端經(jīng)低通濾波反饋放大的信號的調(diào)制，共同進(jìn)入光電探測器6轉(zhuǎn)變成為電信 號，經(jīng)差分放大電路13放大得到所需要的受外界聲波信號調(diào)制的光信號，通過帶通濾波器 15進(jìn)入數(shù)字信號處理電路16進(jìn)行處理，得到對外界聲波信號的響應(yīng)。也可以說，輸出的信 號光進(jìn)入一個(gè)馬赫-貞德(Mach-Zenhder)干涉儀4,這樣可以進(jìn)行非對稱分布反饋光纖激 光(NADFB-FL)傳感器的泵浦閾值、泵浦效率、輸出線寬等特性的測試寬等特性的測試，可 以了解該系統(tǒng)對當(dāng)前聲波相應(yīng)的靈敏度以及響應(yīng)譜。測試證明，非對稱分布反饋光纖激光器 (NADFB-FL)的輸出特性可以用于聲波傳感器的用途，并且實(shí)現(xiàn)了低閾值，高效率，高靈敏 度的目的。
非對稱分布反饋(NADFB)傳感器所用外部封裝技術(shù)所用外部封裝結(jié)構(gòu)采用對稱分布 式光纖激光傳感器的常用封裝活塞式封裝。如圖6所示，采用半徑為2mm，厚度2mm的鋁合 金剛性圓筒18做成外殼，內(nèi)部注入硅膠17作為彈性填充物(彈性系數(shù)為4KN/m)，兩端為可以 做活塞運(yùn)動的鋁合金底端板19，底端板的半徑為2mm，厚度2mm，重量為O. 08g，拉置好的光 纖20從底端板的中央穿過，為防止內(nèi)部松弛，將光纖20加一預(yù)應(yīng)力后與底端板用AB膠21粘牢， 使得諧振腔位于圓筒中央。這種封裝形式對縱向的聲波振動非常敏感，通過有限元分析和實(shí) 驗(yàn)驗(yàn)證，這種封裝形式比裸光纖可以增敏40dB，有非常好的低頻響應(yīng)，1-1K Hz響應(yīng)平坦。 適合用于水聽器陣列等其它聲波傳感裝置。
權(quán)利要求1. 一種基于非對稱分布反饋技術(shù)的傳感器，它包括泵浦源，諧振腔，以及連通泵浦源和諧振腔的耦合器，以及與耦合器相連接的解調(diào)光路，其特征在于所述諧振腔是非對稱分布反饋諧振腔。
2. 如權(quán)利要求1所述一種基于非對稱分布反饋技術(shù)的傳感器，其特征在于所述泵浦源 為980nm半導(dǎo)體激光器。
3. 如權(quán)利要求1所述一種基于非對稱分布反饋技術(shù)的傳感器，其特征在于所述耦合器 為波分復(fù)用耦合器。
4. 如權(quán)利要求1所述一種基于非對稱分布反饋技術(shù)的傳感器，其特征在于所述解調(diào)光 路包括與波分復(fù)用耦合器連接的馬赫-貞德干涉儀，以及與其相連的密集波分復(fù)用模塊。
專利摘要基于非對稱分布反饋技術(shù)的傳感器，屬傳感器領(lǐng)域，包括泵浦源，諧振腔，以及連通泵浦源和非對稱分布反饋諧振腔的波分復(fù)用耦合器，以及與耦合器相連接的解調(diào)電路，其特征在于所述諧振腔是非對稱分布反饋諧振腔。本實(shí)用新型可以明顯改善DFB-FL的輸出特性，有效減小分布式反饋光纖激光器(DFB-FL)的長度，從而進(jìn)一步縮小體積、減輕重量、提高靈敏度。
文檔編號G01H9/00GK201225895SQ200820025429
公開日2009年4月22日 申請日期2008年7月8日 優(yōu)先權(quán)日2008年7月8日
發(fā)明者于光義, 劉復(fù)俊, 軍 常, 王青圃, 廣 陳 申請人:山東大學(xué)