光纤光栅传感解决方案
来源: http://moore-pe.com/   发布时间: 2011-03-23 13:20   10055 次浏览   大小:  16px  14px  12px
光纤光栅传感解决方案


光纤光栅波长解调模块白皮书
19 世纪60 年代,光纤和半导体激光器的发明开启了很多全新的应用,其中最显著的就是作为光信 号的载体应用于光通信与光传感领域。与传统方法相比,光纤性能在低损耗、高带宽、无电磁干扰 (EMI)、重量轻、价格低以及维护简单等方面有了本质的提升。应用紫外激光器在光纤里写入一段 衍射光栅(FBG-光纤布拉格光栅)使它能够反射特定波长的光,与波长解调仪(光谱分析仪)一齐 使用就可以实现精确的传感测量。近年来,光通信领域的发展很显著的促进各种光电器件的性能, 如:光源、光纤、探测器、光放大器、光复用器以及光开关等。结果使得即使在恶劣环境中,对应 力、压力、压强实时监测的应用也越来越多。
什么是FBGA(FBG 波长解调模块)
从结构上说,一个FBGA 是由光谱分析单元,探测单元和电子处理单元等组成的。光谱单元对那些 包含多个波长的复用信号进行波长成分的分离。探测单元是单个探测器或者探测器阵列,功能是将 光信号转化成电信号以便通过电路做进一步处理。从功能上讲,一个FBGA 模块能够进行快速的波 长和功率测量。通过这些测量,我们可以获得以下信息:1)峰值中心波长,2)中心波长相对于参 考波长的漂移,3)峰值功率,4)峰值功率分布,5)峰值形态。
FBGA 模块类型
下列信息可以帮助我们选择最佳的FBGA 模块。FBGA 模块最关键的光学性能取决于它的光谱单元 和探测单元。我们来看一下哪些光谱单元和探测单元可以选用。
光谱单元可以分成三种类型:
1)扫描滤波器,例如可调谐FP 滤波器
2)连续的色散光谱元件,如体全息相位光栅。
一个特定的光谱元件与两种探测方法其中之一的不同组合就能确定FBGA 模块的工作模式。表格1 总结了可能的组合方式。
众所周知,不管是否与单个的或者阵列探测器结合使用,使用扫描滤波器的FBGA 模块都有多种工 作方式。但是由于一系列的波长扫描和处理,这种方法不能实现快速测量。并且,这种装置需要包 含活动的机械部分以同时保证可靠性和精确性。
为了能够避免离散的波长测量,就非常希望有一个光谱元件,能够取代活动部分并实现连续的光谱 测量。自由空间衍射光栅可以解决这个问题。考虑到高效性、可靠性以及其他相关问题,透射型体 相位光栅(VPG)将是FBGA 模块的最佳光谱元件。高效VPG 光谱元件结合高灵敏度的探测器阵 列,基于此的FBGA 模块提供了最佳的解决方案和理想选择。在世界上同类产品中,这种光谱测量 系统具有高速并行处理、连续光谱监测、优越的性能以及最小的尺寸等特色。
基于VPG 的FBGA 模块是如何工作的?
图1 图示出了FBGA 模块的最基本的工作组图。在保证主通道特性不变的情况下,从光信号分出很 小的一部分(例如,小于10%)光强用来进行监测(这里的主通道即光源发出的光,可以是ASE 宽带光源或者是LED 光源)。由于被分离出来的信号不能再回到主路信号中,因此对传输信息的特 性不产生影响,并且FBGA 模块会给出一个未受干扰的测量结果。从网络里分离出来的弱信号直接 注入光谱单元,不同的波长成分从空间上被分离。通过一系列的探测器探测到这些空间离散的信号, 这样,光信号就可以转化成电信号了。继而把电信号输入电路中进行处理、输出,这样就能得到功 率跟波长的对应值。
FBGA 模块的构成
BaySpec 公司的WaveCaptureTM 型FBG 波长解调模块利用一种特有的高分辨率的体相位光栅 (VPG)光谱色散元件和高灵敏的InGaAs 阵列探测器作为探测单元,同时实现高速并行处理和连 续的光谱测量。WaveCaptureTM 的构造原理图如图2 所示。从主要的数据传输链路里,通过一个 耦合接头可以获得一小部分信号。分离出来的信号很弱,通常约为10%,这取决于应用的需要。弱 信号通过单模光纤输入到FBGA 模块的单端口,再由一块微透镜进行准直。信号通过一个高效的 VPG 进行光谱分离后,衍射区域汇聚到一个InGaAs 探测器阵列上。由控制电路读出信号,经由DSP 处理来获得要探测的信息。通过串口通信或者并行接口都可以将原始数据和处理加工过的数据存储 在主机里。
BaySpec 公司关于VPG 技术专利(已发布)和FBGA 模块设计专利(待定)已经成熟,并在大容 量DWDM 通讯监测中得到广泛检验。图3 是一张WaveCaptureTM FBGA 模块的图片。这种小型 光器件规格为60mm×68mm×15 mm,适用于像信用卡一样小的电路板。OEM 的设计能够让客户 在现有的电路板上自行装配。
特点
世界上同类产品中,WaveCaptureTM 的特色是高速并行处理,连续光谱监测,性能优越和尺寸较小 等。特有的特性: