光纤F-P传感器正交工作点稳定技术研究

张玉雪

(哈尔滨工程大学 信息与通信工程学院，黑龙江 哈尔滨 150001)

光纤F-P传感器正交工作点稳定技术研究

张玉雪

(哈尔滨工程大学 信息与通信工程学院，黑龙江 哈尔滨 150001)

针对光纤法布里-珀罗传感器受到温度、压力等作用会使正交工作点发生漂移的问题，提出一种负反馈的方法使正交工作点输出稳定。通过扫描波长找到正交工作点，使用找到的电流重新设置激光器，将外界变化引起的正交工作点变化引入到温度负反馈控制系统中，使温度控制激光器的输出波长，设计了基于负反馈的稳定正交工作点系统。通过温度变化3℃，设计的稳定正交工作点系统能够使正交工作点稳定地输出，从而验证了系统设计的正确性。

法布里-珀罗传感器；正交工作点；漂移；负反馈

0 引言

随着现代科学的进步，光纤传感器能够应用的场所越来越多[1-2]，已经成为现代科学技术发展不可分割的一部分，在获取信息方面占据着不可撼动的地位[3-4]。光纤传感器具有分辨率高、抗电磁干扰强、灵敏度高、耐高温、体积小、重量轻、动态范围大、稳定性强以及构造简单等特点，广泛应用于各种复杂的环境[5-8]。光纤传感器自身的优势不可替代[9-10]，而且在未来的发展中会占据着越来越重要的角色[11-13]。

光纤法布里-珀罗传感器是诸多传感器中的一种。现在对于它的研究已经有广泛的成果[14-16]。光纤法布里-珀罗传感器容易受环境温度的影响，使腔长发生变化，从而正交工作点发生漂移[17-18]，针对这个问题，提出了一种解决方案使正交工作点稳定的输出。

1 光纤F-P传感器的原理

光纤F-P传感器是通过干涉的原理，实现对外界参量测量的一种高灵敏度传感器，当一束光进入光纤传感器时，会在腔内发生干涉并且返回，输出的光强与腔长有关系。当传感器受到外界的影响，腔长会发生微变，而且会影响输出的信号。根据多光束干涉理论，激光器发射的光进入F-P腔，如图1所示[19]。

图1 光纤干涉反射光和透射光示意图

当一束固定波长的光入射到F-P传感器时，入射角θ(光纤出射方向相对于光纤轴水平方向的夹角)可认为是接近0，入射的光强是I0=1，腔内的折射率为n,腔长度为L，光束在腔内经过多次的反射会发生光束干涉的现象，任意相邻光的光程差表示为：

δ=2nLcosθ。

(1)

相邻光束的相位差为：

(2)

反射光强为：

(3)

图2是腔长发生变化时对应的多光束干涉曲线图。从图中可知，一个干涉周期的长度是半个波长，当腔长变长时，正交工作点发生了偏移，如图中750 nm处横线与纵线相交所示，波长需要变长才会稳定正交工作点。当外界温度的变化作用到光纤法布里-珀罗传感器，由于热胀冷缩作用会使腔长发生微变，此时正交工作点漂移，如果腔长变长，就需要激光器发射的波长变长来稳定正交工作点。

图2 多光束干涉

2 系统整体设计

图3是光纤F-P传感器稳定正交工作点的总体设计图。整个系统主要是由光源、光纤环形器、光纤F-P传感器、光电探测器、反馈系统、信号处理系统、数据采集系统、数据传输和上位机显示系统组成。首先需要去除反馈部分，找到正交工作点。其次，使用正交工作点对应的电流设为激光器的驱动电流，通过图3的设计系统，达到稳定正交工作点的目的。

图3 稳定正交工作点系统图

光纤F-P传感器稳定正交工作点的光路设计如图4所示。光信号经过光纤隔离器进入光纤环形器，然后就可以进入光纤法布里-珀罗传感器，反射之后的光信号通过接收光纤传输到光电探测器，经过光电探测器的转换成为可以处理的电信号。

图4 光路设计系统图

3 电路设计

根据前面介绍的理论知识和整体设计，设计了电路系统。光纤F-P传感器稳定正交工作点系统主要分为2部分：第一部分是电流扫描波长寻找正交工作点，如图5所示；第二部分是稳定正交工作点系统，如图6所示。第一部分：将激光器的驱动电流从最小值扫到最大值，发射的光进入光纤F-P传感器，光电探测器探测到的信号经过射随和低通滤波器提取出直流信号，输出结果出现最小值和最大值，找到2个极值之后就可以得到正交工作点的电压值以及对应的驱动电流。第二部分：调节温度台的温度使腔长微变，为了稳定正交工作点，相应的波长也要变化。将找到的电流作为激光器的驱动电流，调节温度台的温度使腔长发生微变，光电探测器探测到的信号经过低通滤波器等取得的直流信号与正交工作点的电压和热敏电阻的电压组成负反馈系统，观察直流信号的输出是否稳定在正交工作点。

图5 电流扫描波长寻找正交工作点系统设计框图

图6 光纤F-P传感器稳定正交工作点系统框图

4 实验结果与分析

在电路设计完成基础上，搭建了光纤F-P传感器稳定正交工作点系统的实验平台。此平台包括光纤F-P传感器、温度台、光纤隔离器、光纤环形器、光源驱动电路、信号处理电路、数据采集电路以及上位机。

由于实验中使用的激光器从开始工作到相对稳定的输出会有20～40 min的时间，因此为了实验的准确性与稳定性，每次实验的开始都需要将激光器开机预热至少30 min，再进行其他相关实验。

在实验中使用1 nm自由光谱程的F-P传感器，激光器的驱动电流在20～80 mA之间，设置温度台的温度在50℃，调节电流从最小值到最大值，得到反射光强经过光电探测器探测到的电压与驱动电流的关系，如图7所示。

通过扫描，得到的最大值为1.4 V，最小值为0.5 V，经过计算得知正交工作点的电压为0.95 V，相应的激光器的驱动电流为57 mA。将找到的电流作为第二部分的驱动电流，调节温度台的温度大约变化3℃，观察实验效果。如果没有第二部分的负反馈的作用，再观察实验效果。

图7 1 nm自由光谱程50℃时初始化曲线

如图8所示，如果没有负反馈系统的作用，输出信号呈现周期性变化；有负反馈系统的作用时，实验系统输出在0.95 V上下，说明光纤F-P传感器的腔长受到温度的影响发生微变时，设计的稳定正交工作点系统能够稳定在正交工作点处。

图8 工作点自校准实验验证

5 结束语

基于多光束干涉原理，采用负反馈的方法，在仿真中出现正交工作点发生漂移的情况，提出稳定正交工作点的方法，设计了光纤F-P传感器稳定正交工作点系统。通过光路整体设计以及电路设计方案，对所设计的稳定正交工作点系统进行测量，该系统能够使正交工作点稳定地输出。同时对没有反馈系统也进行了测量，输出的工作点呈现周期性的变化。通过测量分析，说明所设计的稳定正交工作点系统满足设计要求。本实验方法相较其他方法：光源范围小、追踪速度快、灵敏度高、成本低，提高了效率。

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Research on Stability of the Quadrature Point of Fiber Fabry-Perot Sensor

ZHANG Yu-xue

(College of Information and Communication Engineering，Harbin Engineering University，Harbin Heilongjiang 150001，China)

Aiming at the problem that the fiber Fabry-Perot sensor is affected by temperature and pressure and the quadrature point (Q) is drifted，a negative feedback method is proposed to stabilize the output of the Q point.The Q point is found by scanning wavelength，the laser is reset by using the found current，and the change of the Q point caused by the external variation is introduced into the temperature negative feedback control system，making the output wavelength of laser controlled by temperature，thus a stable Q point system based on negative feedback is designed.The stable Q point system can stabilize the output of the Q point through the temperature variation of 3 degrees，thus verifying the correctness of the designed system.

Fabry-Perot sensor；quadrature point；drift；negative feedback

10.3969/j.issn.1003-3114.2017.03.13

张玉雪.光纤F-P传感器正交工作点稳定技术研究[J].无线电通信技术，2017，43(3):53-55,90.

[ZHANGYuxue.ResearchontheStabilityoftheQuadraturePointofFiberFabry-PerotSensor[J].RadioCommunicationsTechnology，2017，43(3)：53-55,90.]

2017-02-22

张玉雪(1988— ),女，硕士研究生，主要研究方向：光电检测、光学信号信息处理。

TN29

A

1003-3114(2017)03-53-3