光纖F-P傳感器正交工作點穩定技術研究

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定技術研究

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中，使溫度控制激光器的輸出波長，設計了基于負反饋的穩定正交工作點系統。通過溫度變化3℃，設計的穩定正交工作點系統能夠使正交工作點穩定地輸出，從而驗證了系統設計的正確性。

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]，已經成為現代科學技術發展不可分割的一部分，在獲取信息方面占據著不可撼動的地位[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、動態范圍大、穩定性強以及構造簡單等特點，廣泛應用于各種復雜的環境[5-8]。光纖傳感器自身的優勢不可替代[9-10]，而且在未來的發展中會占據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。現在對于它的研究已經有廣泛的成果[14-16]。光纖法布里-珀羅傳感器容易受環境溫度的影響，使腔長發生變化，從而正交工作點發生漂移[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，會在腔內發生干涉并且返回，輸出的光強與腔長有關系。當傳感器受到外界的影響，腔長會發生微變，而且會影響輸出的信號。根據多光束干涉理論，激光器發射的光進入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，腔內的折射率為n,腔長度為L，光束在腔內經過多次的反射會發生光束干涉的現象，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，就需要激光器發射的波長變長來穩定正交工作點。

圖2 多光束干涉

2 系統整體設計

圖3是光纖F-P傳感器穩定正交工作點的總體設計圖。整個系統主要是由光源、光纖環形器、光纖F-P傳感器、光電探測器、反饋系統、信號處理系統、數據采集系統、數據傳輸和上位機顯示系統組成。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動電流，通過圖3的設計系統，達到穩定正交工作點的目的。

圖3 穩定正交工作點系統圖

光纖F-P傳感器穩定正交工作點的光路設計如圖4所示。光信號經過光纖隔離器進入光纖環形器，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到光電探測器，經過光電探測器的轉換成為可以處理的電信號。

圖4 光路設計系統圖

3 電路設計

根據前面介紹的理論知識和整體設計，設計了電路系統。光纖F-P傳感器穩定正交工作點系統主要分為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；第二部分是穩定正交工作點系統，如圖6所示。第一部分：將激光器的驅動電流從最小值掃到最大值，發射的光進入光纖F-P傳感器，光電探測器探測到的信號經過射隨和低通濾波器提取出直流信號，輸出結果出現最小值和最大值，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動電流。第二部分：調節溫度臺的溫度使腔長微變，為了穩定正交工作點，相應的波長也要變化。將找到的電流作為激光器的驅動電流，調節溫度臺的溫度使腔長發生微變，光電探測器探測到的信號經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，觀察直流信號的輸出是否穩定在正交工作點。

圖5 電流掃描波長尋找正交工作點系統設計框圖

圖6 光纖F-P傳感器穩定正交工作點系統框圖

4 實驗結果與分析

在電路設計完成基礎上，搭建了光纖F-P傳感器穩定正交工作點系統的實驗平臺。此平臺包括光纖F-P傳感器、溫度臺、光纖隔離器、光纖環形器、光源驅動電路、信號處理電路、數據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定的輸出會有20～40 min的時間，因此為了實驗的準確性與穩定性，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，激光器的驅動電流在20～80 mA之間，設置溫度臺的溫度在50℃，調節電流從最小值到最大值，得到反射光強經過光電探測器探測到的電壓與驅動電流的關系，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，相應的激光器的驅動電流為57 mA。將找到的電流作為第二部分的驅動電流，調節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的作用，輸出信號呈現周期性變化；有負反饋系統的作用時，實驗系統輸出在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生微變時，設計的穩定正交工作點系統能夠穩定在正交工作點處。

圖8 工作點自校準實驗驗證

5 結束語

基于多光束干涉原理，采用負反饋的方法，在仿真中出現正交工作點發生漂移的情況，提出穩定正交工作點的方法，設計了光纖F-P傳感器穩定正交工作點系統。通過光路整體設計以及電路設計方案，對所設計的穩定正交工作點系統進行測量，該系統能夠使正交工作點穩定地輸出。同時對沒有反饋系統也進行了測量，輸出的工作點呈現周期性的變化。通過測量分析，說明所設計的穩定正交工作點系統滿足設計要求。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。

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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

張玉雪.光纖F-P傳感器正交工作點穩定技術研究[J].無線電通信技術，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