光纖F-P傳感器正交工作點穩(wěn)定技術(shù)研究

張玉雪

(哈爾濱工程大學 信息與通信工程學院，黑龍江 哈爾濱 150001)

光纖F-P傳感器正交工作點穩(wěn)定技術(shù)研究

張玉雪

(哈爾濱工程大學 信息與通信工程學院，黑龍江 哈爾濱 150001)

針對光纖法布里-珀羅傳感器受到溫度、壓力等作用會使正交工作點發(fā)生漂移的問題，提出一種負反饋的方法使正交工作點輸出穩(wěn)定。通過掃描波長找到正交工作點，使用找到的電流重新設置激光器，將外界變化引起的正交工作點變化引入到溫度負反饋控制系統(tǒng)中，使溫度控制激光器的輸出波長，設計了基于負反饋的穩(wěn)定正交工作點系統(tǒng)。通過溫度變化3℃，設計的穩(wěn)定正交工作點系統(tǒng)能夠使正交工作點穩(wěn)定地輸出，從而驗證了系統(tǒng)設計的正確性。

法布里-珀羅傳感器；正交工作點；漂移；負反饋

0 引言

隨著現(xiàn)代科學的進步，光纖傳感器能夠應用的場所越來越多[1-2]，已經(jīng)成為現(xiàn)代科學技術(shù)發(fā)展不可分割的一部分，在獲取信息方面占據(jù)著不可撼動的地位[3-4]。光纖傳感器具有分辨率高、抗電磁干擾強、靈敏度高、耐高溫、體積小、重量輕、動態(tài)范圍大、穩(wěn)定性強以及構(gòu)造簡單等特點，廣泛應用于各種復雜的環(huán)境[5-8]。光纖傳感器自身的優(yōu)勢不可替代[9-10]，而且在未來的發(fā)展中會占據(jù)著越來越重要的角色[11-13]。

光纖法布里-珀羅傳感器是諸多傳感器中的一種?，F(xiàn)在對于它的研究已經(jīng)有廣泛的成果[14-16]。光纖法布里-珀羅傳感器容易受環(huán)境溫度的影響，使腔長發(fā)生變化，從而正交工作點發(fā)生漂移[17-18]，針對這個問題，提出了一種解決方案使正交工作點穩(wěn)定的輸出。

1 光纖F-P傳感器的原理

光纖F-P傳感器是通過干涉的原理，實現(xiàn)對外界參量測量的一種高靈敏度傳感器，當一束光進入光纖傳感器時，會在腔內(nèi)發(fā)生干涉并且返回，輸出的光強與腔長有關系。當傳感器受到外界的影響，腔長會發(fā)生微變，而且會影響輸出的信號。根據(jù)多光束干涉理論，激光器發(fā)射的光進入F-P腔，如圖1所示[19]。

圖1 光纖干涉反射光和透射光示意圖

當一束固定波長的光入射到F-P傳感器時，入射角θ(光纖出射方向相對于光纖軸水平方向的夾角)可認為是接近0，入射的光強是I0=1，腔內(nèi)的折射率為n,腔長度為L，光束在腔內(nèi)經(jīng)過多次的反射會發(fā)生光束干涉的現(xiàn)象，任意相鄰光的光程差表示為：

δ=2nLcosθ。

(1)

相鄰光束的相位差為：

(2)

反射光強為：

(3)

圖2是腔長發(fā)生變化時對應的多光束干涉曲線圖。從圖中可知，一個干涉周期的長度是半個波長，當腔長變長時，正交工作點發(fā)生了偏移，如圖中750 nm處橫線與縱線相交所示，波長需要變長才會穩(wěn)定正交工作點。當外界溫度的變化作用到光纖法布里-珀羅傳感器，由于熱脹冷縮作用會使腔長發(fā)生微變，此時正交工作點漂移，如果腔長變長，就需要激光器發(fā)射的波長變長來穩(wěn)定正交工作點。

圖2 多光束干涉

2 系統(tǒng)整體設計

圖3是光纖F-P傳感器穩(wěn)定正交工作點的總體設計圖。整個系統(tǒng)主要是由光源、光纖環(huán)形器、光纖F-P傳感器、光電探測器、反饋系統(tǒng)、信號處理系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、數(shù)據(jù)傳輸和上位機顯示系統(tǒng)組成。首先需要去除反饋部分，找到正交工作點。其次，使用正交工作點對應的電流設為激光器的驅(qū)動電流，通過圖3的設計系統(tǒng)，達到穩(wěn)定正交工作點的目的。

圖3 穩(wěn)定正交工作點系統(tǒng)圖

光纖F-P傳感器穩(wěn)定正交工作點的光路設計如圖4所示。光信號經(jīng)過光纖隔離器進入光纖環(huán)形器，然后就可以進入光纖法布里-珀羅傳感器，反射之后的光信號通過接收光纖傳輸?shù)焦怆娞綔y器，經(jīng)過光電探測器的轉(zhuǎn)換成為可以處理的電信號。

圖4 光路設計系統(tǒng)圖

3 電路設計

根據(jù)前面介紹的理論知識和整體設計，設計了電路系統(tǒng)。光纖F-P傳感器穩(wěn)定正交工作點系統(tǒng)主要分為2部分：第一部分是電流掃描波長尋找正交工作點，如圖5所示；第二部分是穩(wěn)定正交工作點系統(tǒng)，如圖6所示。第一部分：將激光器的驅(qū)動電流從最小值掃到最大值，發(fā)射的光進入光纖F-P傳感器，光電探測器探測到的信號經(jīng)過射隨和低通濾波器提取出直流信號，輸出結(jié)果出現(xiàn)最小值和最大值，找到2個極值之后就可以得到正交工作點的電壓值以及對應的驅(qū)動電流。第二部分：調(diào)節(jié)溫度臺的溫度使腔長微變，為了穩(wěn)定正交工作點，相應的波長也要變化。將找到的電流作為激光器的驅(qū)動電流，調(diào)節(jié)溫度臺的溫度使腔長發(fā)生微變，光電探測器探測到的信號經(jīng)過低通濾波器等取得的直流信號與正交工作點的電壓和熱敏電阻的電壓組成負反饋系統(tǒng)，觀察直流信號的輸出是否穩(wěn)定在正交工作點。

圖5 電流掃描波長尋找正交工作點系統(tǒng)設計框圖

圖6 光纖F-P傳感器穩(wěn)定正交工作點系統(tǒng)框圖

4 實驗結(jié)果與分析

在電路設計完成基礎上，搭建了光纖F-P傳感器穩(wěn)定正交工作點系統(tǒng)的實驗平臺。此平臺包括光纖F-P傳感器、溫度臺、光纖隔離器、光纖環(huán)形器、光源驅(qū)動電路、信號處理電路、數(shù)據(jù)采集電路以及上位機。

由于實驗中使用的激光器從開始工作到相對穩(wěn)定的輸出會有20～40 min的時間，因此為了實驗的準確性與穩(wěn)定性，每次實驗的開始都需要將激光器開機預熱至少30 min，再進行其他相關實驗。

在實驗中使用1 nm自由光譜程的F-P傳感器，激光器的驅(qū)動電流在20～80 mA之間，設置溫度臺的溫度在50℃，調(diào)節(jié)電流從最小值到最大值，得到反射光強經(jīng)過光電探測器探測到的電壓與驅(qū)動電流的關系，如圖7所示。

通過掃描，得到的最大值為1.4 V，最小值為0.5 V，經(jīng)過計算得知正交工作點的電壓為0.95 V，相應的激光器的驅(qū)動電流為57 mA。將找到的電流作為第二部分的驅(qū)動電流，調(diào)節(jié)溫度臺的溫度大約變化3℃，觀察實驗效果。如果沒有第二部分的負反饋的作用，再觀察實驗效果。

圖7 1 nm自由光譜程50℃時初始化曲線

如圖8所示，如果沒有負反饋系統(tǒng)的作用，輸出信號呈現(xiàn)周期性變化；有負反饋系統(tǒng)的作用時，實驗系統(tǒng)輸出在0.95 V上下，說明光纖F-P傳感器的腔長受到溫度的影響發(fā)生微變時，設計的穩(wěn)定正交工作點系統(tǒng)能夠穩(wěn)定在正交工作點處。

圖8 工作點自校準實驗驗證

5 結(jié)束語

基于多光束干涉原理，采用負反饋的方法，在仿真中出現(xiàn)正交工作點發(fā)生漂移的情況，提出穩(wěn)定正交工作點的方法，設計了光纖F-P傳感器穩(wěn)定正交工作點系統(tǒng)。通過光路整體設計以及電路設計方案，對所設計的穩(wěn)定正交工作點系統(tǒng)進行測量，該系統(tǒng)能夠使正交工作點穩(wěn)定地輸出。同時對沒有反饋系統(tǒng)也進行了測量，輸出的工作點呈現(xiàn)周期性的變化。通過測量分析，說明所設計的穩(wěn)定正交工作點系統(tǒng)滿足設計要求。本實驗方法相較其他方法：光源范圍小、追蹤速度快、靈敏度高、成本低，提高了效率。

[1] 廖延彪.光纖光學[M].北京:清華大學出版社,2000.

[2] Kim Y，Neikirk D.Micromachined Fabry-Perot Cavity Pressure Transducer[J].IEEE Photonics Technology Letters，1995，7(12):1471-1473.

[3] Woyessa G，Nielsen K，Stefani A，et al.Temperature Insensitive Hysteresis Free Highly Sensitive Polymer Optical Fiber Bragg Grating Humidity Sensor[J].Optics Express，2016，24(2):1206-1207.

[4] 葉 晨.光纖MEMS法布里—珀羅傳感器解調(diào)方法研究[D].哈爾濱:哈爾濱工業(yè)大學,2014.

[5] Ushakov N.Multiplexed EFPI Sensors with Ultra-high Resolution[J].Proceedings of SPIE-The International Society for Optical Engineering，2014，32(14):9156-9157.

[6] Sun X，Dai D，Thylén L，et al.High-sensitivity Liquid Refractive-index Sensor Based on a Mach-Zehnder Interferometer with a Double-slot Hybrid Plasmonic Waveguide[J].Optics Express，2015，23(20):25688-25699.

[7] Yu B，Wang A.Grating-assisted Demodulation of Interferometric Optical Sensors[J].Applied Optics，2004，42(34):6824-6929.

[8] Jiang J，F(xiàn)an W，Liu T，et al.Research on LED Effect in Spatial Scanning Optical Fiber Fabry-Perot Sensing Demodulation System[J].Acta Optica Sinica，2014,34(2):224-229.

[9] Yuan L，Zhou L M，Jin W.Detection of Acoustic Emission in Structure Using Sagnac-like Fiber-loop Interferometer[J].Sensors & Actuators A Physical，2005，118(1):6-13.

[10]葛益嫻.光纖法布里-珀羅MEMS壓力傳感器的研究[D].南京：南京師范大學，2009.

[11]Liu B，Lin J，Liu H，et al.Extrinsic Fabry-Perot Fiber Acoustic Pressure Sensor Based on Large-area Silver Diaphragm[J].Microelectronic Engineering，2016，166:50-54.

[12]Liu G，Han M，Hou W.High-resolution and Fast-response Fiber-optic Temperature Sensor Using Silicon Fabry-Perot Cavity[J].Optics Express，2015，23(6):7237-7247.

[13]趙振峰.光纖法布里—珀羅腔溫度傳感技術(shù)的研究[D].西安:西安理工大學,2007.

[14]Nagano K，Enomoto Y，Nakano M，et al.New Method to Measure the Angular Antispring Effect in a Fabry-Perot Cavity with Remote Excitation Using Radiation Pressure[J].Physics Letters A，2016，380(9-10):983-988.

[15]吳 迪.法布里-珀羅光纖位移傳感器的研究[D].哈爾濱:哈爾濱工程大學，2014.

[16]Gallego J，Ghosh S，Alavi S K，et al.High-finesse Fiber Fabry-Perot Cavities：Stabilization and Mode Matching Analysis[J].Applied Physics B，2016，122(3):1-14.

[17]Ronnekleiv E，Waagaard O H.Processing Data from a Distributed Fibre-optic Interferometric Sensor System:，EP2860498[P].2015.

[18]Quevy E P，Bernstein D H.Method for Temperature Compensation in MEMS Resonators with Isolated Regions of Distinct Material：US，US8669831[P].2014.

[19]Hu P，Tong X，Zhao M，et al.Study on High Temperature Fabry-Perot Fiber Acoustic Sensor with Temperature Self-compensation[J].Optical Engineering，2015，54(9):101-105.

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

張玉雪.光纖F-P傳感器正交工作點穩(wěn)定技術(shù)研究[J].無線電通信技術(shù)，2017，43(3):53-55,90.

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

2017-02-22

張玉雪(1988— ),女，碩士研究生，主要研究方向：光電檢測、光學信號信息處理。

TN29

A

1003-3114(2017)03-53-3