长周期光纤光栅-布拉格光纤光栅多波长解调

张燕君，王光宇，付兴虎



长周期光纤光栅-布拉格光纤光栅多波长解调

张燕君1,2，王光宇1，付兴虎1,2

( 1. 燕山大学 信息科学与工程学院，河北 秦皇岛 066004；2. 河北省特种光纤与光纤传感重点实验室，河北 秦皇岛 066004 )

提出了一种长周期光纤光栅(Long Period Fiber Grating，LPFG)-布拉格光纤光栅(Fiber Bragg Grating，FBG)多波长解调方法。FBG能够反射LPFG透射光，FBG中心波长的漂移会引起反射光功率的变化，进而改变光电转换电压，从而实现电压对中心波长的解调。由于LPFG的带宽很宽，而FBG的带宽很窄，进而一个LPFG可以实现对多个FBG的解调。实验结果表明：FBG的中心波长和光电转换后的电压有良好的对应关系。该解调方法结构简单，测量精度高，能够实现对温度、应力等参数的多点测量。

光纤元件；布拉格光纤光栅；长周期光纤光栅；解调

0 引 言

布拉格光纤光栅(Fiber Bragg Grating，FBG)作为一种新型的传感器，具有抗电磁干扰能力强、灵敏度高、能够复用等优势[1-4]，受到越来越多国内外学者的重视。而FBG中心波长的解调是现在光纤传感技术研究的重点之一。目前FBG的解调方法主要有以下几种：边缘滤波解调法[5]，该解调方式结构简单、速度快，但是容易受到耦合器分光比和滤波器稳定性的影响，导致测量精度低，便携性差；非平衡马赫-曾德尔干涉解调法[6]，测量精度高，响应速度快，但很容易受到外界环境的影响，适用范围小；匹配光栅解调法[7]结构简单、适用于静态和低频率的动态测量，但是测量精度低、测量范围小；可调谐法布里-珀罗滤波器解调法[8]解调精度高、解调范围大，高频测量时法布里-珀罗滤波器的非线性会影响解调精度。针对传统的FBG解调方式存在的缺陷，本文提出一种长周期光纤光栅(Long Period Fiber Grating，LPFG)-布拉格光纤光栅多波长解调方法。

基于LPFG和FBG的传感原理，本文首先介绍了LPFG-FBG多波长解调原理，然后以两路FBG为例，对FBG的中心波长进行解调，并详细分析了实验结果。

1 光纤光栅传感原理

1.1 LPFG传感原理

LPFG的耦合是纤芯导模和同向传播的包层间的耦合。对于均匀LPFG，当仅考虑纤芯导模与同向传播的一阶包层模间的耦合时，其耦合方程[9]可以写为

1.2 FBG传感原理

由光纤的耦合模式理论[10]可以得到FBG的中心波长为

其微分形式为

FBG结构的改变，集中表现为FBG中心波长的漂移。

根据LPFG和FBG的传感原理，FBG可以反射LPFG透射谱中不同波长的光，通过反射光功率的不同即可解调出FBG中心波长的变化，因此本文提出了一种LPFG-FBG多波长解调方法。

2 解调实验与结果分析

2.1 解调原理

LPFG-FBG多波长解调方法原理如图1所示。实验中选择台式ASE宽带光源，其输出功率为16 dBm，光谱范围为1 520 nm~1 610 nm；光谱仪型号为AQ6375。在实际应用中，不同FBG的中心波长相差较大，以避免中心波长的漂移而发生串扰；LPFG具有较大的带宽，以增加FBG的解调数量。

解调原理如下：宽带光源发出的光，经过LPFG后会形成一个透射损耗峰，其通过第一个环形器(Optical Circulator，OC)后，一部分光被FBG1反射由OC1输出，另一部分透射光通过OC2后，一部分光被FBG2反射再由OC2输出，另一部分透射光再进入OC3。以此类推，直到光被FBG反射后通过OC输出。LPFG的透射谱存在着损耗峰，不同中心波长的FBG能够反射LPFG透射谱中相应波长的光。当FBG受到外界因素影响，其中心波长发生变化时，由OC输出的反射光功率也会产生相应的变化。对反射光功率的光电转换信号首先进行去噪、放大，得到相应的电压值；然后对采集到的电压值进行时域平均；最后通过标定的方式得到输出电压与FBG中心波长的对应关系曲线。LPFG-FBG多波长解调原理如图2所示。

当LPFG所处的外界温度发生变化时，LPFG的传输光谱形状基本不变，只是发生平移，损耗峰幅值的变化很小[11]，可以认为LPFG的损耗峰幅值对温度不敏感，但是损耗峰的偏移会使FBG反射光强发生明显的改变；当LPFG受到的压力改变时，LPFG的峰值损耗会发生剧烈改变，FBG的反射光强也会发生剧烈变化。所以在实验中应将LPFG置于25 ℃的室温环境中，以保证LPFG的透射谱的稳定性。

由图2可以看出，由于FBG1和FBG2的中心波长都处于LPFG透射谱范围内。当外界环境稳定时，FBG1和FBG2能够反射LPFG透射谱与其中心波长相同的光，反射光功率恒定；当FBG1和FBG2的中心波长发生变化时，反射光的波长也会产生变化，相应的反射光功率也会改变。因此可以通过反射光功率的变化对应出FBG中心波长的改变，实现光功率对中心波长的解调。LPFG具有很大的带宽，而FBG1和FBG2有较大的波长差，当FBG的中心波长发生漂移时，不会造成彼此之间的串扰，因此可以通过一个LPFG实现对多个中心波长的FBG解调。

2.2 实验结果与分析

由于FBG的解调结构都是相同的，所以仅对其中的两个FBG进行验证即可。实验中FBG1的中心波长为1 558.25 nm，3 dB带宽为0.16 nm，反射率为92.23%；FBG2的中心波长为1 562.34 nm，3 dB带宽为0.18 nm，反射率为92.86%；LPFG的中心波长为1 560.354 nm，3 dB带宽为1.46 nm，透射深度为24 dB。将LPFG置于25 ℃的室温环境中，为了模拟FBG中心波长的漂移[12-13]，将FBG置于温控箱中，对FBG进行升温处理，初始时刻温度为30 ℃，每次升高10 ℃，一直升高到90 ℃，记录FBG1和FBG2的波形变化。图3为实验所获得波形变化图。

图3 实验所获得波形变化图

表1 拟合结果Table

图4 中心波长-电压关系

由图3可以看出，随着FBG1中心波长的增加，其反射光功率逐渐减小，而FBG2随着中心波长的增加，反射光功率逐渐增大。对FBG的反射光进行光电转换，通过标定的方式即可得到不同中心波长的FBG对应的光电转换电压值。利用三次多项式法对FBG不同中心波长对应下的光电转换后的电压值进行拟合，得到的拟合曲线如图4所示，拟合结果如表1所示。

通过对图4和表1的分析可知，FBG1和FBG2的中心波长和光电转换后的电压有着很高的拟合度，校正系数分别为0.998 7和0.999 7，相对误差分别为1.281 4%和0.128 6%。说明LPFG-FBG多波长解调方法可行，利用电压-波长拟合曲线就可以实现对中心波长的解调。两个FBG中心波长-电压的对应关系分别为

由图4可以看出，随着FBG1中心波长的增加，转换后的电压首先急剧减小，几乎呈线性关系，然后电压下降幅度逐渐减小，最后电压值几乎不变；而随着FBG2的中心波长的增加，光电转换后的电压逐渐增大，线性度良好。首先对FBG1的这种现象分析：

1) FBG1的中心波长在1 557.6 nm~1 559 nm范围内变化时，FBG1反射光功率经光电转后的电压值和FBG的中心波长具有较好的线性关系。LPFG的透射谱在这个区间的损耗均匀增大，当FBG1的中心波长增加的幅度相同时，FBG1反射光功率变化量大小近似相同。由于FBG1中心波长的变化范围很小，光电二极管对小范围的波长光谱响应度近乎相同，进而光电转换后的电压大小变化相似，所以此区间FBG1的中心波长和光电转换后电压具有良好的线性关系。

2) FBG1的中心波长在1 559 nm~1 559.5 nm范围内变化时，随着FBG1中心波长的增加，光电转换后的电压值变化程度明显减弱。当FBG1的中心波长为1 559 nm时，FBG1反射光功率相对较大；但随着FBG1中心波长的继续增大，LPFG透射谱逐渐趋于最大损耗处，此时FBG1能够反射光功率已经很小，所以此区段才会出现光电转换后电压下降幅度逐渐减小的现象。

3) FBG1的中心波长超过1 559.5 nm时，随着FBG中心波长的继续增大，FBG1反射光功率已经很小，当FBG1的中心波长再次增加时，FBG1反射光功率的变化量也很小，因此电压值的变化量很小。由于环形器和FBG1的连接处也会有少量的光被反射，所以光电转换后的电压值不会趋于零，这些原因共同造成了此区间内FBG1光电转换后电压值几乎不变。

FBG2的分析与FBG1相类似：FBG2的中心波长在1 561.85 nm~1 563.95 nm范围内变化时，光电转换后的电压随FBG2中心波长的增加而增大，FBG2反射光功率经光电转后的电压值和FBG2的中心波长具有较好的线性关系。

3 结 论

本文基于LPFG透射谱的特性，提出了一种基于LPFG透射谱的多波长FBG解调方法，并进行了实验验证。通过对LPFG和FBG传感原理的分析可知，光通过LPFG会出现损耗峰，当FBG的中心波长发生漂移，FBG反射光功率也会发生相应的变化，进而光电转换后的电压也会发生明显的改变。实验结果表明，两组FBG光电转换后的电压和FBG中心波长的拟合曲线都具有很高的拟合度，相对误差分别为1.281 4%和0.128 6%，证明电压能够对FBG中心波长进行解调，还表明系统能够对多点进行测量。该解调方法系统结构简单，能够对温度、应力等参数进行多点测量。

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Multiple Wavelength Demodulation Method of Long Period Fiber Grating and Fiber Bragg Grating

ZHANG Yanjun1,2，WANG Guangyu1，FU Xinghu1,2

( 1. School of Information Science and Engineering, Yanshan University, Qinhuangdao 066004, Hebei, China;2. The Key Laboratory for Special Fiber and Fiber Sensor of Hebei Province, Qinhuangdao 066004, Hebei, China )

A multiple wavelength demodulation method of long period fiber grating and fiber Bragg grating is proposed. Fiber Bragg grating can reflect the long period fiber grating transmission light. The central wavelength shift of fiber Bragg grating will cause the change of reflected light power, and the photoelectric conversion voltage can also change accordingly. So the voltage can demodulate the central wavelength. Because the transmission spectrum of long period fiber grating is very wide, the bandwidth of fiber Bragg grating is so narrow, and a long period fiber grating can demodulate a lot of fiber Bragg gratings. The experimental results show that the voltage of central wavelength and the photoelectric conversion of fiber Bragg grating have a good corresponding relationship. The demodulation method has some advantages including simple structure and high accuracy, so it can be used to measure the parameters of temperature and strain.

optical fiber components; fiber Bragg grating; long period fiber grating; demodulation

1003-501X(2016)08-0013-05

TN253；TN247

A

10.3969/j.issn.1003-501X.2016.08.003

2015-08-24；

2015-12-07

国家自然科学基金(61205068,61475133)；河北省自然科学基金(F2014203125)；中国博士后科学基金(2013M541200)；河北省科技支撑计划(15273304D)；河北省高等学校青年拔尖人才计划(BJ2014057)；燕山大学“新锐工程”人才支持计划。

张燕君(1973-)，女(汉族)，北京人。教授，博士，主要研究工作是光纤传感、光电检测和信号处理等。E-mail: yjzhang@ysu.edu.cn。

付兴虎(1981-)，男(汉族)，河北故城人。副教授，博士，主要研究工作是光纤传感。E-mail: fuxinghu@ysu.edu.cn。