基于長(zhǎng)周期光纖光柵的FBG解調(diào)方法

劉 強(qiáng)，李斌雯，孫宇丹,2，劉 超，劉 偉，付天舒，趙 錦，邰勝男

（1.東北石油大學(xué) 物理與電子工程學(xué)院，黑龍江 大慶 163318；2.大慶師范學(xué)院 機(jī)電工程學(xué)院，黑龍江 大慶 163712）

引言

布拉格光纖光柵(fiber Bragg grating，F(xiàn)BG)傳感器作為一種新型傳感器，具有體積小、抗電磁干擾能力強(qiáng)、靈敏度高、便于復(fù)用[1]等優(yōu)勢(shì)，受到越來越多國(guó)內(nèi)外學(xué)者的重視，在石油管道監(jiān)測(cè)[2]、土木建設(shè)[3]、電力設(shè)備[4]、航天[5]和醫(yī)學(xué)[6]等各個(gè)領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。

FBG 傳感器是利用反射中心波長(zhǎng)的變化感知外界環(huán)境參量的變化[7]。為了實(shí)現(xiàn)FBG解調(diào)，常見的方法有直接解調(diào)法、邊沿濾波法、匹配光柵法和干涉法等。直接解調(diào)法主要是利用光譜儀或其他解調(diào)儀器直接檢測(cè)波長(zhǎng)的變化，這類儀器測(cè)量精度高，波長(zhǎng)探測(cè)范圍比較廣，但是價(jià)格昂貴且結(jié)構(gòu)復(fù)雜，體積龐大，不適合實(shí)際工程中使用。匹配解調(diào)法[8]僅使用FBG 就能實(shí)現(xiàn)解調(diào)，其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，但是需要待測(cè)FBG 和參考FBG 特性完全匹配，且測(cè)量光譜范圍較小。干涉法是通過非平衡 M-Z 干涉儀把 FBG 波長(zhǎng)漂移量轉(zhuǎn)化為相位變化[9]，其測(cè)量精度較高，光譜范圍寬，但易受外界環(huán)境和光纖自身影響，無法測(cè)量波長(zhǎng)的絕對(duì)值。邊沿濾波法是利用邊沿濾波器的線性區(qū)域進(jìn)行濾波，由 Melle S.M.等人[10]首先提出，通過實(shí)時(shí)檢測(cè)光在濾波前后的光強(qiáng)大小，就可計(jì)算光波長(zhǎng)的變化，這種解調(diào)方法簡(jiǎn)單，制作成本低，可適用于靜態(tài)和動(dòng)態(tài)測(cè)量。2008年，張衛(wèi)華等人[11]提出了基于傾斜光纖光柵的邊沿濾波法，其消除了溫度對(duì)應(yīng)變信號(hào)的影響，但是邊沿線性區(qū)平緩，影響了解調(diào)精度，且傾斜光纖光柵的制作工藝較復(fù)雜。2016年，楊洋等人[12]將密集型光波復(fù)用器（dense wavelength division multiplexing，DWDM）用作邊沿濾波器，其解調(diào)靈敏度較高，但是市場(chǎng)上的DWDM 器件線性區(qū)域較窄，解調(diào)范圍受局限。同年，張燕君等人[13]采用LPFG 實(shí)現(xiàn)了FBG 多波長(zhǎng)解調(diào)，該方法結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，測(cè)量精度高，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)溫度、應(yīng)力的測(cè)量。

由于邊沿濾波法的邊沿斜率直接影響FBG解調(diào)的靈敏度，為此要求邊沿濾波器具有較深的透射譜。本文首先研究了LPFG 的制作方法，分析了影響LPFG 透射譜深度的因素，并采用CO2激光器打標(biāo)法制作了透射譜深度為25 dB 的LPFG。采用該LPFG 搭建了FBG解調(diào)實(shí)驗(yàn)裝置，測(cè)試了FBG傳感器的靜態(tài)和動(dòng)態(tài)響應(yīng)特征，實(shí)現(xiàn)了FBG解調(diào)。

1 邊沿濾波器的解調(diào)原理

1.1 FBG 的工作原理

FBG 的中心波長(zhǎng)可表示為

式中：λB為光柵的中心波長(zhǎng)；neff為光柵有效折射率；Λ為光柵的柵格周期。

其微分形式為

式中：Δλ、Δneff、ΔΛ分別為Bragg 波長(zhǎng)移動(dòng)量、有效折射率的變化量、柵格周期的變化量。由（2）式可知，當(dāng)外界環(huán)境（溫度，應(yīng)力等）引起有效折射率或柵格周期發(fā)生變化時(shí)，就會(huì)導(dǎo)致 FBG 中心波長(zhǎng)產(chǎn)生漂移，通過測(cè)量波長(zhǎng)漂移量實(shí)現(xiàn)溫度和應(yīng)力的測(cè)量[14]。

1.2 解調(diào)原理

邊沿濾波解調(diào)是利用了輸出光強(qiáng)與波長(zhǎng)的函數(shù)關(guān)系，圖1 為邊沿濾波器解調(diào)原理示意圖。圖1中①是邊沿濾波器傳遞函數(shù)曲線，可用光譜透射率曲線H(λ)表示，曲線②為FBG 的反射光功率譜密度R(λ)，所以FBG 反射光譜透過該濾波器后的光功率信號(hào)I(λ)為[15]

圖1 邊沿濾波器解調(diào)原理示意圖Fig.1 Schematic diagram of demodulation based on edge filter

H(λ)在特定范圍內(nèi)可近似看作線性函數(shù)，則：

式中：A為線性濾波器的比例系數(shù)；B為截距。

經(jīng)變換可得：

所以，通過檢測(cè)透過邊沿濾波器的光功率和FBG 的反射光功率就可以得到波長(zhǎng)漂移量。

2 長(zhǎng)周期光纖光柵的制作

2.1 LPFG 的原理

LPFG 的工作原理是滿足相位匹配條件的同向傳輸?shù)睦w芯模和包層模耦合[16]，在傳輸光譜中產(chǎn)生損耗，導(dǎo)致相應(yīng)諧振波長(zhǎng)處形成一系列的損耗峰。這主要是由有效折射率周期性的調(diào)制引起的，當(dāng)有效折射率改變時(shí)就會(huì)引起LPFG 諧振峰的漂移和強(qiáng)度發(fā)生改變。CO2激光器制作LPFG 是利用激光能量輻射在光纖區(qū)域使光纖折射率產(chǎn)生變化，因此在制作過程中折射率調(diào)制主要取決于光纖所接收的能量。而CO2激光器輸出功率和光纖外加應(yīng)力決定了CO2激光作用在光纖的時(shí)間，以及光纖所接收的總能量，進(jìn)而決定了折射率調(diào)制的幅度，影響LPFG 的透射光譜。

2.2 LPFG 的制作

2.2.1 實(shí)驗(yàn)裝置

CO2激光器制備LPFG 的實(shí)驗(yàn)裝置如圖2（a）所示。單模光纖一端接入寬帶光源（BBS），另一端與光譜分析儀（OSA）相連，用來實(shí)時(shí)觀察與記錄制備過程中透射譜的變化規(guī)律。CO2激光器由計(jì)算機(jī)（PC）控制，對(duì)激光的參數(shù)進(jìn)行調(diào)節(jié)。

圖2 LPFG 的制作Fig.2 Fabrication of LPFG

制備過程如下：將單模光纖一端用夾具固定，另一端懸掛5 g 砝碼，以保證光纖在制備過程中能保持水平拉直，并提供一定的預(yù)應(yīng)力，提高寫制效率。打標(biāo)參數(shù)如下：Q 頻率5 kHz，打標(biāo)速度15 mm/s，打標(biāo)次數(shù)1 次，LPFG 的周期（柵距）Λ= 603 μm，實(shí)驗(yàn)制作的LPFG 如圖2（b）所示，可看出光纖表面出現(xiàn)明顯的凹陷。

2.2.2 CO2激光輸出占空比對(duì)LPFG 光譜的影響

當(dāng)LPFG 的周期（柵距）Λ= 603 μm，周期個(gè)數(shù)（條紋數(shù)）N為38，激光輸出功率的占空比在 20%～24%區(qū)間變化過程中LPFG 的透射譜如圖3（a）所示。隨著CO2輸出占空比的增加，透射譜的損耗峰深度也快速增大，當(dāng)占空比為22%時(shí)，LPFG的損耗峰深度為24 dB，諧振波長(zhǎng)在1 554 nm；功率繼續(xù)增大時(shí)，損耗峰深度開始減小，并且出現(xiàn)了多個(gè)損耗峰。這是因?yàn)楫?dāng)激光功率較小時(shí)，光纖內(nèi)部接收的能量較少，不足以使光纖內(nèi)部產(chǎn)生形變，導(dǎo)致光纖纖芯折射率變化較小。但是當(dāng)激光功率增加到22%時(shí)，熔融形變達(dá)到最大，以至于光纖折射率調(diào)制達(dá)到最優(yōu)值，折射率不再變化。當(dāng)激光輸出功率繼續(xù)增大時(shí)，光纖吸收的能量過多，以致于其結(jié)構(gòu)過度形變，使光纖纖芯折射率變化較小[17]。過大的激光功率會(huì)破壞光纖內(nèi)部結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致透射譜上出現(xiàn)更多的損耗峰，甚至導(dǎo)致光纖斷裂。因此，實(shí)驗(yàn)選用的最優(yōu)占空比為22%。

圖3 激光輸出占空比和周期數(shù)對(duì)LPFG 透射光譜的影響Fig.3 Influences of different laser output duty cycles and numbers of period on transmission spectrum of LPFG

2.2.3 周期個(gè)數(shù)N對(duì)LPFG 光譜的影響

當(dāng)CO2激光輸出占空比為22%，周期個(gè)數(shù)N從33 增加到43 時(shí)的透射譜如圖3（b）所示。從圖3（b）可以看出，LPFG 透射譜深度隨周期個(gè)數(shù)的增加而逐漸變大，當(dāng)N=43 時(shí)，損耗譜深度最大。但是此時(shí)的透射譜下降沿區(qū)域斜率變化不連續(xù)，制作的LPFG 的透射譜并不理想。同時(shí)，在實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)當(dāng)去掉重物后LPFG 的透射譜發(fā)生顯著改變，這是由于外加應(yīng)力的釋放，導(dǎo)致折射率調(diào)制減小，因此透射譜凹陷變淺，譜線增寬，這種變化導(dǎo)致制作的LPFG 不能用于FBG 的解調(diào)實(shí)驗(yàn)中。

2.2.4 取消重物后 LPFG 的制作

將光纖兩端直接用夾具固定在寫制平臺(tái)上，激光輸出功率占空比為22%，柵距Λ= 603 μm，周期個(gè)數(shù)從40 增加到46 時(shí)LPFG 透射譜如圖4所示。從圖4 可看出，隨著周期個(gè)數(shù)的增加，損耗峰幅值先增大后減小。N=43 時(shí)，損耗峰深度達(dá)到最大，約為25 dB，諧振波長(zhǎng)為1 555.8 nm。峰值兩側(cè)邊沿的波長(zhǎng)范圍為1 525 nm～1 555.8 nm 和1 555.8 nm～1 575 nm，可以用作邊沿濾波器。

圖4 取消重物后不同周期個(gè)數(shù)時(shí)LPFG 的透射光譜Fig.4 Transmission spectrum of LPFG for different numbers of period with weight removed

3 LPFG-FBG解調(diào)裝置

3.1 實(shí)驗(yàn)裝置的搭建與測(cè)試

為了測(cè)試該解調(diào)方法的性能，采用圖5所示的光路圖搭建解調(diào)裝置。采用ASE 寬譜光源，光譜范圍為1 525 nm～1 565 nm，輸出功率為10 mW，經(jīng)LPFG 后對(duì)光源進(jìn)行調(diào)制，輸出光譜如圖6（a）所示。從圖6（a）可看出，在連續(xù)寬譜光源中形成了透射譜，同時(shí)給出了選用FBG 的反射光譜，峰值波長(zhǎng)為1 550 nm，恰好處于LPFG 透射譜的下降沿區(qū)域。局部放大后的光譜如圖6（b）所示，此區(qū)域邊沿的斜率較大，可以實(shí)現(xiàn)FBG 的高靈敏度解調(diào)。被調(diào)制的光源信號(hào)經(jīng)3 dB 耦合器進(jìn)入FBG，其反射光再經(jīng)3 dB 耦合器照射光電檢測(cè)裝置。

圖5 基于LPFG 的FBG解調(diào)裝置示意圖Fig.5 Schematic diagram of FBG demodulation device based on LPFG

圖6 ASE 寬帶光源經(jīng)LPFG 的透射譜和FBG 反射譜Fig.6 Transmission spectrum of ASE broadband light adjusting by LPFG and FBG reflection spectrum

實(shí)驗(yàn)搭建的解調(diào)裝置如圖7所示，將FBG 粘貼于懸臂梁結(jié)構(gòu)的金屬應(yīng)變片表面，一端固定，另一端可懸掛重物，采用光功率計(jì)（型號(hào)為Thorlabs PM20）代替光電探測(cè)器測(cè)量其溫度和應(yīng)變傳感特性。

圖7 LPFG-FBG解調(diào)裝置圖Fig.7 LPFG-FBG demodulation device diagram

3.2 溫度特性測(cè)試

將FBG 傳感器置于溫控箱內(nèi)進(jìn)行升溫實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖8（a）所示。隨著溫度的升高，F(xiàn)BG的中心波長(zhǎng)向長(zhǎng)波方向漂移，導(dǎo)致光功率逐漸減小。同時(shí)，采用線性函數(shù)進(jìn)行擬合，擬合斜率為0.742 38 nW/℃，擬合度為0.998 16，表明在該測(cè)量范圍內(nèi)，F(xiàn)BG 反射光功率與溫度近似呈線性關(guān)系。誤差的產(chǎn)生是由于LPFG 的透射譜也會(huì)受到溫度和應(yīng)變的影響，為此實(shí)驗(yàn)測(cè)量了LPFG 的溫度特性，結(jié)果如圖8（b）所示。隨著溫度的升高，諧振波長(zhǎng)發(fā)生漂移，同時(shí)LPFG 透射譜的諧振峰值產(chǎn)生微小的波動(dòng)，二者會(huì)嚴(yán)重影響FBG 的解調(diào)精度。因此，該解調(diào)方法需要將LPFG 置于恒溫環(huán)境，同時(shí)避免LPFG產(chǎn)生應(yīng)變。

圖8 LPFG-FBG解調(diào)法的溫度特性測(cè)試Fig.8 Temperature characteristic test of LPFG-FBG demodulation method

3.3 應(yīng)力傳感特性

在室溫環(huán)境下，通過在金屬應(yīng)變片的自由端懸掛砝碼進(jìn)行FBG 應(yīng)力傳感特性實(shí)驗(yàn)研究。采用Micro sm125 光纖光柵解調(diào)儀測(cè)試了FBG 的峰值波長(zhǎng)隨應(yīng)變?cè)黾拥淖兓P(guān)系，如圖9（a）所示。隨著砝碼質(zhì)量的增加，F(xiàn)BG 的中心波長(zhǎng)增大，線性函數(shù)的擬合度為0.993 18，可見FBG 中心波長(zhǎng)與砝碼質(zhì)量呈較好的線性關(guān)系，斜率為1.36 pm/g。由斜率可得，當(dāng)使用解調(diào)精度為1 pm 的解調(diào)儀時(shí)，能分辨0.74 g 砝碼引起的應(yīng)變量。隨后測(cè)試了LPFG解調(diào)法的性能，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖9（b）所示。當(dāng)砝碼質(zhì)量從0 g 增加到100 g 時(shí)，F(xiàn)BG 反射光功率由126.9 nW 下降到116.0 nW。這是因?yàn)殡S著砝碼質(zhì)量的增加，F(xiàn)BG 的峰值波長(zhǎng)增加，導(dǎo)致光功率逐漸減小。采用線函數(shù)擬合的斜率為0.107 82 nW/g，擬合度為0.992 14，可見在該測(cè)量范圍內(nèi)，F(xiàn)BG 反射光功率與砝碼導(dǎo)致的應(yīng)變量呈較好的線性關(guān)系。若光功率的測(cè)量精度為0.01 nW，則該方法可分辨0.093 g 砝碼引起的微應(yīng)變。由此可見，LPFG 解調(diào)方法具有更高的精度。

圖9 LPFG-FBG解調(diào)法的應(yīng)變特性測(cè)試Fig.9 Strain characteristic test of LPFG-FBG demodulation method

3.4 動(dòng)態(tài)響應(yīng)測(cè)試

為測(cè)試該解調(diào)方法的動(dòng)態(tài)特性，將懸臂梁式FBG 傳感器固定于LongDate 吸合式電磁振動(dòng)臺(tái)上，如圖10（a）所示。當(dāng)振動(dòng)臺(tái)在垂直方向上的振動(dòng)頻率為65 Hz 時(shí)，F(xiàn)BG 傳感器經(jīng)LPFG 解調(diào)后的信號(hào)如圖10（b）所示。檢測(cè)到的信號(hào)頻率與振動(dòng)頻率一致，并具有較好的信噪比。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該解調(diào)方法不僅能夠檢測(cè)靜態(tài)信號(hào)，對(duì)動(dòng)態(tài)信號(hào)也具有較好的響應(yīng)特性，且設(shè)計(jì)制作成本較低，具有較高的性價(jià)比。

圖10 LPFG-FBG解調(diào)法的動(dòng)態(tài)特性Fig.10 Dynamic characteristic test of LPFG-FBG demodulation method

4 結(jié)論

本文利用長(zhǎng)周期光纖光柵（LPFG）的透射譜作為邊沿濾波器，實(shí)現(xiàn)了對(duì)光纖布拉格光柵（FBG）反射光譜的解調(diào)，詳細(xì)介紹了該解調(diào)方法的工作原理及影響其性能的因素。采用CO2激光寫制法制作了LPFG，分析了影響LPFG 透射譜深度的因素，成功制作了深度為25 dB 的LPFG。并采用該光柵搭建了FBG解調(diào)裝置，將FBG 粘貼于金屬應(yīng)變片表面，測(cè)試了其靜態(tài)與動(dòng)態(tài)響應(yīng)特征。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，基于LPFG 的FBG解調(diào)方法可實(shí)現(xiàn)較高靈敏度的解調(diào)，且成本較低，制作簡(jiǎn)單，具有較好的線性動(dòng)態(tài)范圍，可適用于靜態(tài)和動(dòng)態(tài)測(cè)量。