＊基于光纤混沌激光FBG压力传感的实验研究

张 丽，秦建敏，侯 煜（．太原理工大学新型传感器与智能控制教育部与山西省重点实验室，物理与光电工程学院，太原03004；．中国水利水电科学研究院，北京00038）



＊基于光纤混沌激光FBG压力传感的实验研究

张 丽1，秦建敏1，侯 煜2
（1．太原理工大学新型传感器与智能控制教育部与山西省重点实验室，物理与光电工程学院，太原030024；2．中国水利水电科学研究院，北京100038）

摘 要：基于非线性克尔效应，通过调节泵浦电流及环形腔内光的偏振状态实验验证了环形掺铒光纤激光器混沌的输出。结合光纤Bragg光栅（FBG）与环形掺铒光纤混沌激光器，利用混沌的类似detla函数特性，验证和分析了基于掺铒光纤混沌激光器的分布式光纤Bragg光栅传感系统。实验结果表明，利用参考混沌光与反射的混沌光之间的互相关特性，可以准确的判断出光栅串中每个光纤Bragg光栅的位置，通过可调谐滤波器很容易获得受压后光纤光栅中心波长的改变量。

关键词：混沌；光纤Bragg光栅；相关特性

青年科技研究基金（2012021013－2）

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通讯联系人：秦建敏，教授，博导，（Tel）13700502213

混沌信号固有的随机性、宽带宽和类似delta函数的特性，使其在保密通信［1］，随机码发生器［2］以及传感器［3］方面成为研究的热点。由于光纤传感器本身具有体积小重量轻、抗电磁干扰能力强、适于恶劣环境、集信息传感与传输于一体等优点，光纤传感器在酒精汽油混合染料质量监测工业领域［4］，温度达1 000℃特殊条件的危险领域［5］以及军用领域［6］得到广泛的应用。

目前，已经有不同种类和不同特性的混沌传感不断被研发。例如电混沌传感，混沌化学传感和混沌无线传感网络［7－9］。特别是混沌和光纤存在的自身优势，使混沌光纤传感的研究日益得到重视。可以利用非线性的微腔环装置中的混沌信号产生脉冲极化纠缠光子来研究双折射传感的应用［10］；基于混沌系统依赖于初始条件的极高敏感性特性，简单结构的混沌光纤环谐振器作为传感器来检测光纤伸长量、衰减和折射率多个参数物理量的变化［11］。波长为532nm的大功率和高分辨率的混沌激光雷达发射机用来水下测距和成像，此发射机是根据一个超长腔的光纤激光器产生高频调制信号来抑制散射［12］；将半导体光纤环形激光器中的一段光纤用作传感光纤且激光器输出为具有帧结构的偏振混沌光构建混沌光纤围栏系统，任意位置的入侵都会改变光纤双折射分布状态，激光器输出波形即刻被改变，通过相邻帧输出波形的互相关检测可实现入侵的检测［13］。由于海水的流动噪声很大，一般水听器的时域检测系统收到的信号往往是信噪比很低的微弱信号，利用混沌振子对被测周期小信号的敏感性和对噪声的免疫力，获取水声信号，这种方法具有更低的信噪比门限和更短的测试时间［14］。虽然混沌在传感领域的研究得到了快速的发展，但是光纤混沌传感的理论和技术应用方面落后于欧美和日本等发达国家，因此，需不断开拓和创新混沌在光纤传感领域的应用。

本文基于非线性克尔效应，利用掺铒光纤环形激光器来产生混沌，将光纤Bragg光栅作为敏感元件结合混沌信号的相关特性，可以准备对每个光纤Bragg光栅定位，通过可调谐滤波器检测出当敏感元件受压时产生的Bragg光栅波长的漂移量，从而获得外界物理量的信息。

1　传感原理及实验装置

1．1 光纤Bragg光栅传感的工作原理

光纤Bragg光栅结构如图1，它是折射率沿轴向变化的一段光纤，是一种具有滤波功能的全光纤器件，它具有确定的中心反射波长可根据需要定制

图1　光纤Bragg光栅结构图Fig．1 Structure of fiber Bragg grating

且可作为敏感元件，而光纤Bragg光栅只会对满足条件的波长发生反射作用，可利用式（1）表示为

λB＝2neffΛ．（1）

式中：neff为光纤纤芯区的有效折射率；Λ为光纤Bragg光栅周期。

当光栅受到外界环境的作用例如压力、温度等物理量的变化时，这些物理量的变化都会导致光栅的折射率和光栅周期的变化，根据式（1）明显可知，光栅的中心波长会发生漂移，可以通过测量光栅中心波长的漂移量间接获得物理量的信息，这即为光纤Bragg光栅传感的最基本原理。

如果光栅只受到应力作用时，光纤弹光效应、弹性形变对折射率和光栅周期的改变会引起光栅的中心波长的变化。则光纤Bragg光栅受到力的作用时，其中心波长的变化ΔλB与轴向应力之间的关系可以用式（2）来表示［15］为

式中：Pe为有效弹光常数；P11，P12为弹光系数；ν为纤芯材料的泊松系数。根据式（2）可得只要获得波长的变化量，就可以得到应力的大小，因此检测波长变化量ΔλB是获得外界物理量作用的关键参数。

1．2 实验装置

基于掺铒光纤环形混沌激光器的光纤Bragg光栅传感装置如图2所示，主要由掺铒光纤环形激光器和光纤Bragg光栅传感系统组成。掺铒光纤环形激光器主要包括波分复用器（WDM）、8m长的掺铒光纤（EDF）、隔离器（ISO）、偏振控制器（PC）和可调谐光纤光栅滤波器（TFBG）组成。980nm的半导体激光器最大的输出功率为250mW，通过一个980 nm／1 550nm的波分复用器来泵浦掺铒光纤。隔离器可确保光在环中单向传输。

掺铒光纤环型混沌激光器和光纤Bragg光栅传感系统利用2×2的耦合器（OC1）连接，经耦合器（OC2）分成两束光，一部分通过光电探测器（PD1）作为参考光，另一部分光通过光纤环形器（Circula－

图2　基于掺铒光纤环形混沌激光器的光纤Bragg光栅传感装置图Fig．2 Experimental setup of optical Bragg grating sensing based on Erbium－doped fiber chaotic laser

tor）进入光纤光栅串，光栅串中反射回的光经环形器进入光电探测器（PD2）输出。输出的信号利用示波器（OSC）进行采集，最后通过相关的数据处理与计算得出实验的结果。

2　实验结果

图3　掺铒光纤环形激光器输出功率随泵浦电流变化曲线图Fig．3 Output power and pump current curveof the Erbium－doped fiber chaotic laser

早在1999年，基于非线性克尔效应，Abaibanel et al［16］对掺铒光纤环形激光器模型混沌的产生进行了理论分析。本文通过实验搭建了掺铒光纤环形激光器的装置，如图2所示，当环腔内单模光纤长度为10m时，通过调节偏振控制器和泵浦电流，掺铒光纤激光器会输出锁模、多脉冲和暗脉冲等多种现象。但是只有调节掺铒光纤环腔中的偏振控制器于一个恰当位置，随着泵浦电流的逐渐增加，掺铒光纤环形激光器会输出倍周期且经倍周期路径进入混沌状态。图3为掺铒光纤混沌激光器输出功率随着泵浦电流变化的曲线图。在泵浦电流为60～400 mA范围内，激光器输出的功率随着泵浦电流成线性关系变化。在泵浦电流为65～85mA时，环形激光器输出倍周期状态，在泵浦电流为85～400mA范围内，随着泵浦电流的逐渐增加，环形激光器输出混沌光。同时，利用光谱仪采集泵浦电流为150mA时，掺铒光纤激光器输出的混沌光的光谱特性如图4所示，中心波长为1 556nm。当泵浦电流为150mA时，掺铒光纤环形激光器输出的混沌的状态特性如图5所示，从图5－c的相关图中的高峰值旁瓣很明显地获得混沌信号本身所携带的掺铒光纤环腔长的信息，每相邻的两个旁瓣之间距离为掺铒光纤环形激光器周期为100ns利用公式T＝Ln／c获得，所对应环腔的长度L＝20m，光速度为c＝3×108m／s，纤芯折射率为n≈1．5。混沌信号的这种现象将限制其在测距、压力和温度等物理量检测中的应用。因此为了实现基于掺铒光纤混沌激光器实现在光纤Bragg光栅的压力传感中的应用。在与图5实验条件相同的情况下，增加掺铒光纤环形激光器中单模光纤长度为3km时的混沌状态来做研究。当增加环长后，泵浦电流为360mA时，掺铒光纤环形激光器输出的混沌状态为图6所示。

图4　当泵浦电流为150mA时，掺铒光纤环形激光器输出混沌的光谱图Fig．4 Chaotic optical spectrum of the Erbium－doped fiber laser under the pump current of 150mA

图5　泵浦电流为150mA时，掺铒光纤环形激光器输出混沌的状态图Fig．5 Chaotic states of the Erbium－doped fiber chaotic laser with pump current of 150mA

图6所示状态的混沌光，经过实验装置图2所示的第二个30∶70的耦合器后，30%的光作为参考光，通过光电探测器PD1进行光电转换后输出到示波器数据采集。70%的光进入刻有5个相同光纤Bragg光栅（中心波长约为1 552．991nm）的光栅串，光经过每个光栅均有7%的光反射回光电探测器PD2。当光纤Bragg光栅在未受到任何外界任何作用，处于自由状态时，利用可调谐滤波器将混沌源的光波长和光纤光栅的中心波长调节一致，经过PD1的参考光和经过PD2的反射光通过示波器采集数据，再做互相关运算，光栅串中每个光纤Bragg光栅距参考光的距离可以通过互相关曲线进行精确的定位。那么互相关函数可以用式（4）来表示为式中：x（t）表示参考信号光的函数表达式；kx（t＋τ）表示反射信号光的函数表达式；表示参考信号光函数与反射信号光函数作卷积运算；k为传输损耗系数；τ为反射信号光相对参考信号光的延迟时间。

图6　泵浦电流为360mA时，掺铒光纤环形激光器输出混沌的状态图Fig．6 Chaotic states of the Erbium－doped fiber chaotic laser with pump current of 360mA

式（4）可以表示为参考信号光和反射信号光的互相关函数具有delta函数线型，因此可以通过互相关曲线，可以精准的对光纤光栅串中的每个光纤Bragg光栅进行位置的确定［17］。

当光纤Bragg光栅没有受到外界任何作用，处于自由态时，相同的5个光纤Bragg光栅的反射光的波长和混沌参考光的波长相一致。那么在泵浦电流为360mA时，对参考光和反射光作互相关，所得互相关曲线如图7。图7中a，b，c，d和e点分别表示光栅串中5个光纤Bragg光栅FBG1，FBG2，FBG3，FBG4和FBG5的反射光与参考光的互相关峰值坐标，横坐标值表示每个光栅距参考光之间的距离，纵坐标表示相关系数。

当对光栅串中的第一个光栅施加压力时，光栅的中心波长会发生漂移Δλ1，此时，FBG1的反射波长为1 552．991nm＋Δλ1，而参考光中的混沌信号波长仍处于自由态波长1 552．991nm，因此参考光波长和受压的光栅中心波长不匹配。从图8－a中互相图可明显的看出FBG1反射光与参考光的相关系数降低，降低的程度与外界对光栅施加的压力有关系。如果对FBG1施加压力后，调节掺铒光纤环形激光器中的可调谐滤波器使混沌源波长改变Δλ1，此时对参考光和反射光做互相关，那么相对于其他的波长该变量Δλ而言，只有波长改变为Δλ1的混沌光FBG1互相关的相关系数达到最大值，此时可以通过可调谐滤波器直接获得波长该变量，进而间接的获得外界压力的信息。

图7　光纤传感系统中参考光与反射光互相关曲线图Fig．7 Cross－correlation curve from reference andreflected chaotic light of fiber sensing system

图8－a、图8－b、图8－c和图8－d表示分别对光纤Bragg光栅FBG1，FBG2，FBG3和FBG4施加不同的压力后，通过示波器采集反射信号和参考信号，再经过数据处理得出反射光与参考光的互相关曲线图。因此对于任意一个光纤Bragg光栅而言，只有光栅的中心波长与混沌源即参考光的波长相一致的时候，光栅的反射光与参考光做互相关后，它的相关系数才会达到最大。而且外界对光栅施加的压力越大，光栅中心波长漂移量就越大，那么相关系数也就越小。

图8　分别对光纤Bragg光栅施加压力后，参考光和反射光的互相关曲线图Fig．8 Cross－correlation curve from reference and reflected chaotic light of fiber sensing system，when the optical Bragg grating subjected to the pressures

3　结束语

基于掺铒光纤环形混沌激光器的光纤Bragg光栅传感系统，利用混沌信号的类delta特性对光纤Bragg光栅反射光与参考光的互相关特性进行了研究。当光纤Bragg光栅受到力的作用时，光栅中心波长的漂移量可以利用掺铒光纤环形激光器中可调谐滤波器进行测量。利用互相关曲线中，每个相关峰分别对应每个光纤Bragg光栅的位置，通过可调谐滤波器改变混沌光的波长，互相关中对应光栅位置的相关峰值达到最大时，可调谐滤波器波长的改变量即为外界压力引起的光纤Bragg光栅中心波长的偏移量，便于测量。

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（编辑：刘笑达）

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Experimental Study on Optical Fiber Bragg Grating Pressure Sensing Based on Chaotic Fiber Laser

ZHANG Li1，QIN Jianmin1，HOU Yu2
（1．Key Laboratory of Advanced Transducers and Intelligent Control System，Ministry of Education and
Shanxi Province，College of Physics and Optoelectronics，Taiyuan University of Technology，Taiyuan030024，China；2．China Institute of Water Resources and Hydropower Research，Beijing100038，China）

Abstract：Based on the nonlinear Kerr effect，chaos output from erbium－doped fiber ring laser was verified experimentally by adjusting pump current and polarization state of light in ring cavity．Combining fiber Bragg grating（FBG）and ring chaotic fiber laser，distributed FBG sensing system based on the chaotic fiber laser was demonstrated by using chaos’similar properties of delta function．The experimental results show that the correlation between reference light from fiber ring laser and reflected light from FBG could precisely locate the position of each FBG．The variation of FBG wavelength induce by stress can be easily detected with tunable filter．

Key words：chaos；optical fiber Bragg grating；correlation

作者简介：张丽（1985－），女，山西兴县人，博士生，主要从事光纤静冰压力检测研究，（E－mail）zhang219li＠126．com

基金项目：国家自然科学基金：基于空气、冰与水物理特性差异的冰层生消过程与力学强度连续在线检测原理研究（51279122）；山西省

收稿日期：＊2015－01－06

文章编号：1007－9432（2015）03－0341－06

DOI：10．16355／j．cnki．issn1007－9432tyut．2015．03．019

文献标识码：A

中图分类号：TN248；TN249