專利名稱：波長掃描光纖激光裝置及由其構(gòu)成的光纖傳感系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及光電子技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及激光器技術(shù)領(lǐng)域，具體是指一種波長掃描光纖激 光裝置及由其構(gòu)成的光纖傳感系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
基于FBG (光纖布拉格光柵)技術(shù)的光纖傳感系統(tǒng)是光纖傳感中應(yīng)用最廣的技術(shù)，大 量使用在橋梁、隧道、大壩等建筑物的應(yīng)力健康監(jiān)控，以及石油、輸變電纜管線的溫度監(jiān) 測等行業(yè)，其基本采用的原理結(jié)構(gòu)如圖l所示。
其中寬帶光源一般采用超輻射發(fā)光二極管(SLED)光源或基于摻雜光纖的自發(fā)輻射 (ASE)光源，通過定向耦合器傳到光纖傳感器上， 一般光纖傳感器由FBG制成，F(xiàn)BG的 反射波長會隨著溫度、應(yīng)力等因素發(fā)生變化，帶有溫度、應(yīng)力等信息的反射波長經(jīng)過定向 耦合器入射到窄帶的掃描濾波器上，選取出對應(yīng)的波長，再經(jīng)過比對定標(biāo)等光語分析，就 可以通過FBG的反射波長而精確地實(shí)時測量出被測的應(yīng)力、溫度等參數(shù)。
其中的核心部件之一寬帶光源，無論是SLED還是ASE光源，其輸出功率通常都在 20mW量級，由于光源是寬帶的，這樣的功率通常分布在一個很寬的波長帶上，比如覆蓋 整個C波段(1525 1565nm),這樣導(dǎo)致其功率譜密度通常都很低，以20mWC波段為例， 平均功率譜密度為0.05mW/0.1nm.而為了達(dá)到很高的監(jiān)測靈敏度，通常需要將光纖傳感器 的反射帶寬做得非常窄，通常O.lnm.同時光在整個光路中傳輸，由于2次經(jīng)過定向耦合器， 光纖傳感器的反射率影響，掃描濾波器插損等等，還會帶來10dB以上的衰減，如果是準(zhǔn)分 布的多通道系統(tǒng)，該損耗甚至?xí)?0dB，這樣就會導(dǎo)致進(jìn)入光譜分析的信號功率非常低， 通常在nW量級，對如此低功率的信號進(jìn)行處理極大地增加了整個系統(tǒng)的難度，也很難保 證信號的信噪比。甚至更多通道，比如8通道以上的系統(tǒng)根本很難實(shí)現(xiàn)，除非再增加一套 系統(tǒng)。
總之，由于光纖傳感本身的結(jié)構(gòu)帶來的損耗，以及寬帶光源被FBG濾波后帶來的損耗 使得現(xiàn)有的光纖傳感系統(tǒng)(1 )光譜分析處理難度加大，成本很高；(2 )多通道級聯(lián)無法 實(shí)現(xiàn)。發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的目的是克服了上述現(xiàn)有技術(shù)中的缺點(diǎn)，提供一種波長掃描光纖激光裝置及由其 構(gòu)成的光纖傳感系統(tǒng)，該波長掃描光纖激光裝置設(shè)計(jì)巧妙，極大地降低了光纖傳感系統(tǒng)處理 難度和成本，且能實(shí)現(xiàn)多通道級聯(lián)。為了實(shí)現(xiàn)上述目的，在本發(fā)明的第一方面，提供了一種波長掃描光纖激光裝置，其特點(diǎn) 是，包括至少一光纖放大器、掃描濾波器、第一定向耦合器、第一光纖隔離器和第二光纖隔 離器，所述的掃描濾波器、第一光纖隔離器、光纖放大器和第二光纖隔離器依次閉環(huán)連接， 并形成一光波通行環(huán)路，所述的第一定向耦合器接入所迷的光波通行環(huán)路中，且該第一定向 耦合器還具有掃描激光輸出端。較佳地，所述的第一定向耦合器接入所述的掃描濾波器和所迷的第一光纖隔離器的連接 端之間。較佳地，所述的第 一定向耦合器設(shè)置在所述的光纖放大器和第 一光纖隔離器的連接端之間。較佳地，所述的第一定向耦合器設(shè)置在兩個所述的光纖放大器的連接端之間。 較佳地，所述的掃描濾波器是基于FP腔壓電陶瓷驅(qū)動的掃描濾波器或基于微機(jī)電技術(shù)的 掃描濾波器。較佳地，所述的光纖放大器是摻稀土光纖放大器或者半導(dǎo)體光纖放大器。 更佳地，所述的摻稀土光纖放大器是摻鉺光纖放大器、摻鐿光纖放大器或者滲皤光纖放 大器。在本發(fā)明的第二方面，提供了一種光纖傳感系統(tǒng)，其特點(diǎn)是，所述的光纖傳感系統(tǒng)采用 上述的波長掃描光纖激光裝置作為光源。較佳地，所述的光纖傳感系統(tǒng)還包括第二定向耦合器、至少一光纖傳感器和光譜分析裝 置，所述的第一定向耦合器和至少一所述的光纖傳感器分別通過所述的第二定向耦合器與所 述的光i普分析裝置相連接。更佳地，所述的光纖傳感器是光纖布拉格光柵。本發(fā)明的有益效果在于1、本發(fā)明的波長掃描光纖激光裝置采用掃描濾波器、第一光纖隔離器、光纖放大器和第 二光纖隔離器依次閉環(huán)連接，并形成一光波通行環(huán)路，從而掃描濾波器和光纖放大器 形成環(huán)形腔，第一定向耦合器接入所述的光波通行環(huán)路中，且該第一定向耦合器還具 有掃描激光輸出端；這樣由光纖放大器產(chǎn)生的ASE寬帶光被掃描濾波器濾波后通過定向耦合器再次進(jìn)入光纖放大器放大，這樣形成光學(xué)諧振，抑制掉在濾波器以外的波 長，同時在濾波器帶寬內(nèi)還通過竟?fàn)庍x模，輸出比濾波器線寬更窄的激光，輸出光通 過定向耦合器的掃描激光輸出端輸出，設(shè)計(jì)巧妙，由于所有的輸出功率都集中于一個 窄的波長(<0.1nm),就C波段(共40nm帶寬)為例，與ASE寬帶光源同樣的總輸 出功率，可以使光譜分析處理單元處功率增加400倍(26dB)，極大地降低了光纖傳 感系統(tǒng)處理難度；2、 本發(fā)明的波長掃描光纖激光裝置不具有寬帶光源所必須的增益平坦濾波器(GFF), 只是將光諳分析單元前同樣的可調(diào)濾波器移植到光源內(nèi)，與ASE寬帶光源同樣總輸 出功率下成本可以降低10%;通常，在實(shí)際工程應(yīng)用中，可以采用相當(dāng)于普通寬帶光 源l/4的輸出總功率，光鐠分析單元處理功率比普通寬帶光源高100倍(20dB),這 樣整個系統(tǒng)成本會降低30%以上；極大地降低了光纖傳感系統(tǒng)成本；3、 本發(fā)明的波長掃描光纖激光裝置可以非常容易實(shí)現(xiàn)多通道方案?？梢詫?shí)現(xiàn)比常規(guī)ASE 寬帶光源方案多數(shù)十倍的通道連接；4、 本發(fā)明的波長掃描光纖激光裝置的掃描頻率可以任意設(shè)定，與濾波器相關(guān)，通常壓電 陶瓷驅(qū)動的濾波器可以在1 ~ 1000Hz,微機(jī)電(MEMS)技術(shù)濾波器可以實(shí)現(xiàn)百KHz 量級的掃描頻率，使用靈活方便；5、 本發(fā)明的波長掃描光纖激光裝置的輸出波長線寬，與濾波器相關(guān)，通常在〈0.1nm,也 可以窄至〈0.01nm,從而提高監(jiān)測靈敏度，極大地降低了光纖傳感系統(tǒng)處理難度。


圖1是傳統(tǒng)光纖傳感系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)關(guān)系示意圖。圖2是本發(fā)明的波長掃描光纖激光裝置的一具體實(shí)施例的結(jié)構(gòu)關(guān)系示意圖。 圖3是本發(fā)明的波長掃描光纖激光裝置的另一具體實(shí)施例的結(jié)構(gòu)關(guān)系示意圖。 圖4是本發(fā)明的波長掃描光纖激光裝置的又一具體實(shí)施例的結(jié)構(gòu)關(guān)系示意圖。 圖5是本發(fā)明的光纖傳感系統(tǒng)的一具體實(shí)施例的結(jié)構(gòu)關(guān)系示意圖。
具體實(shí)施方式
為了能夠更清楚地理解本發(fā)明的技術(shù)內(nèi)容，特舉以下實(shí)施例詳細(xì)說明。 請參閱圖2-4所示，本發(fā)明的波長掃描光纖激光裝置包括至少一光纖放大器、掃描濾波 器、第一定向耦合器、第一光纖隔離器和第二光纖隔離器，所述的掃描濾波器、第一光纖隔 離器、光纖放大器和第二光纖隔離器依次閉環(huán)連接，并形成一光波通行環(huán)路，所述的第一定向耦合器接入所述的光波通行環(huán)路中，且該第一定向耦合器還具有掃描激光輸出端。第一光 纖隔離器和第二光纖隔離器分別聯(lián)接在放大器的輸入輸出端，以保證環(huán)形腔內(nèi)激光的單向傳 輸、諧振；第一定向耦合器的分光比可以根據(jù)具體工程需要的輸出功率指標(biāo)選擇。
在本發(fā)明的一具體實(shí)施例中，所述的第一定向耦合器接入所述的掃描濾波器和所述的第 一光纖隔離器的連接端之間，如圖2所示。
在本發(fā)明的一具體實(shí)施例中，所述的第一定向耦合器設(shè)置在所述的光纖放大器和第一光 纖隔離器的連接端之間，如圖3所示。
在本發(fā)明的一具體實(shí)施例中，所述的第 一定向耦合器設(shè)置在兩個所述的光纖放大器的連 接端之間，如圖4所示。
較佳地，所述的掃描濾波器是基于FP腔壓電陶瓷驅(qū)動的掃描濾波器或基于微機(jī)電 (MEMS ):忮術(shù)的掃描濾波器。當(dāng)然，還可以采用其他掃描濾波器。
較佳地，所述的光纖放大器是摻稀土光纖放大器或者半導(dǎo)體光纖放大器。更佳地，所述 的摻稀土光纖放大器是摻鉺光纖放大器、摻鐿光纖放大器或者摻鐠光纖放大器。當(dāng)然，還可 以釆用摻雜氣體稀土元素的光纖放大器。
在本發(fā)明的一具體實(shí)施例中，掃描濾波器選用MOI公司的FFP-2,掃描頻率為50Hz,第 一定向耦合器分光比選用80: 20,光纖放大器為一個飽和輸出功率為17dBm的摻鉺光纖放 大器，可以實(shí)現(xiàn)整個C波IS:內(nèi)，掃描頻率為50Hz,輸出功率為10mW的掃描激光器。
采用上述的波長掃描光纖激光裝置作為光源的光纖傳感系統(tǒng)請參見圖5所示，所述的光 纖傳感系統(tǒng)還包括第二定向耦合器、至少一光纖傳感器和光譜分析裝置，所述的第一定向耦 合器和至少 一所述的光纖傳感器分別通過所述的第二定向耦合器與所述的光譜分析裝置相連 接。
在本發(fā)明的一具體實(shí)施例中，所述的光纖傳感器是光纖布拉格光柵(FBG )。當(dāng)然，也可 以采用其它合適的傳感器。
本發(fā)明的波長掃描光纖激光裝置采用掃描濾波器與光纖放大器結(jié)合通過環(huán)形光纖諧振腔 的方法來實(shí)現(xiàn)掃描激光輸出，由光纖放大器產(chǎn)生的ASE寬帶光被掃描濾波器濾波后通過定向 耦合器再次進(jìn)入光纖放大器放大，這樣形成光學(xué)諧振，抑制掉在濾波器以外的波長，同時在 濾波器帶寬內(nèi)還通過竟?fàn)庍x模，輸出比濾波器線寬更窄的激光，輸出光通過定向耦合器的掃 描激光輸出端輸出，而傳統(tǒng)分?jǐn)傇诤軐挼膸捝系墓夤β誓芰吭诮?jīng)過FBG濾波后，在某一個 時刻點(diǎn)，實(shí)際上絕大部分的光功率都被濾除浪費(fèi)掉了 ，本發(fā)明的波長掃描光纖激光裝置將這 些功率都集中在一點(diǎn)，極大地提高了光譜密度，減少了浪費(fèi)，但并未很大地提高總輸出功率，而集中的功率在波長上不停掃描，同樣實(shí)現(xiàn)判別FBG濾波波長的功能，而+及大地降^氐了系統(tǒng) 難度和成本。綜上，本發(fā)明的波長掃描光纖激光裝置設(shè)計(jì)巧妙，極大地降低了光纖傳感系統(tǒng)處理難度 和成本，且能實(shí)現(xiàn)多通道級聯(lián)。在此說明書中，本發(fā)明已參照其特定的實(shí)施例作了描述。但是，很顯然仍可以作出各種 修改和變換而不背離本發(fā)明的精神和范圍。因此，說明書和附圖應(yīng)被認(rèn)為是說明性的而非限 制性的。
權(quán)利要求
1.一種波長掃描光纖激光裝置，其特征在于，包括至少一光纖放大器、掃描濾波器、第一定向耦合器、第一光纖隔離器和第二光纖隔離器，所述的掃描濾波器、第一光纖隔離器、光纖放大器和第二光纖隔離器依次閉環(huán)連接，并形成一光波通行環(huán)路，所述的第一定向耦合器接入所述的光波通行環(huán)路中，且該第一定向耦合器還具有掃描激光輸出端。
2. 根據(jù)權(quán)利要求l所述的波長掃描光纖激光裝置，其特征在于，所述的第一定向耦合器接入 所述的掃描濾波器和所述的第一光纖隔離器的連接端之間。
3. 根據(jù)權(quán)利要求l所述的波長掃描光纖激光裝置，其特征在于，所述的第一定向耦合器設(shè)置 在所述的光纖放大器和第一光纖隔離器的連接端之間。
4. 根據(jù)權(quán)利要求l所述的波長掃描光纖激光裝置，其特征在于，所述的第一定向耦合器設(shè)置 在兩個所述的光纖放大器的連接端之間。
5. 根據(jù)權(quán)利要求l所述的波長掃描光纖激光裝置，其特征在于，所述的掃描濾波器是基于FP 腔壓電陶資驅(qū)動的掃描濾波器或基于《鼓^L電技術(shù)的掃描濾波器。
6. 根據(jù)權(quán)利要求l所述的波長掃描光纖激光裝置，其特征在于，所述的光纖放大器是摻稀土 光纖放大器或者半導(dǎo)體光纖放大器。
7. 根據(jù)權(quán)利要求6所述的波長掃描光纖激光裝置，其特征在于，所述的4參稀土光纖放大器是 摻鉺光纖放大器、摻鐿光纖放大器或者摻鐠光纖放大器。
8. —種光纖傳感系統(tǒng)，其特征在于，所述的光纖傳感系統(tǒng)采用根據(jù)權(quán)利要求l所述的波長掃 描光纖激光裝置作為光源。
9. 根據(jù)權(quán)利要求8所述的光纖傳感系統(tǒng)，其特征在于，所述的光纖傳感系統(tǒng)還包括第二定向 耦合器、至少一光纖傳感器和光譜分析裝置，所述的第一定向耦合器和至少一所述的光纖 傳感器分別通過所述的第二定向耦合器與所述的光語分析裝置相連接。
10. 根據(jù)權(quán)利要求9所述的光纖傳感系統(tǒng)，其特征在于，所述的光纖傳感器是光纖布拉格光柵。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種波長掃描光纖激光裝置，其中掃描濾波器、第一光纖隔離器、光纖放大器和第二光纖隔離器依次閉環(huán)連接，并形成一光波通行環(huán)路，第一定向耦合器接入光波通行環(huán)路中，且還具有掃描激光輸出端，較佳地，第一定向耦合器接入掃描濾波器和第一光纖隔離器的連接端之間、第一光纖隔離器和光纖放大器的連接端之間或者兩個光纖放大器的連接端之間，掃描濾波器是基于FP腔壓電陶瓷驅(qū)動的掃描濾波器或基于微機(jī)電技術(shù)的掃描濾波器，光纖放大器是摻稀土光纖放大器或者半導(dǎo)體光纖放大器，還提供了采用上述波長掃描光纖激光裝置作為光源的光纖傳感系統(tǒng)，本發(fā)明設(shè)計(jì)巧妙，極大地降低了光纖傳感系統(tǒng)處理難度和成本，且能實(shí)現(xiàn)多通道級聯(lián)。
文檔編號H01S3/10GK101593926SQ20091005129
公開日2009年12月2日 申請日期2009年5月15日 優(yōu)先權(quán)日2009年5月15日
發(fā)明者濤 張 申請人:上海拜安信息科技有限公司