大規(guī)模光纖光柵陣列制備及其查詢(xún)關(guān)鍵技術(shù)研究.pdf

1、準(zhǔn)分布式光纖光柵傳感網(wǎng)絡(luò)具有靈敏度高、響應(yīng)速度快、方便波長(zhǎng)解調(diào)、耐腐蝕、抗電磁干擾等特點(diǎn)，已經(jīng)在工程中獲得廣泛應(yīng)用。但在諸如復(fù)雜結(jié)構(gòu)監(jiān)測(cè)、火災(zāi)報(bào)警、周界安全等重大工程領(lǐng)域，要求傳感網(wǎng)絡(luò)的監(jiān)測(cè)點(diǎn)多達(dá)上千個(gè)，傳統(tǒng)的組網(wǎng)方式面臨技術(shù)和成本的雙重挑戰(zhàn)，開(kāi)發(fā)大規(guī)模光纖光柵傳感網(wǎng)絡(luò)的需求尤為迫切。波分復(fù)用（WDM）和時(shí)分復(fù)用（TDM）技術(shù)是目前擴(kuò)展網(wǎng)絡(luò)容量的主要方法，但受帶寬及噪聲的限制，復(fù)用光柵的數(shù)量只有數(shù)十個(gè)。諸如頻分復(fù)用(FDM)、碼分多址（

2、CDM）等技術(shù)相對(duì)復(fù)雜，且復(fù)用能力也十分有限。近年來(lái)，具有大規(guī)模復(fù)用潛力的弱光柵成為研究的熱點(diǎn)。但采用常規(guī)串行熔接構(gòu)建弱光柵陣列，接點(diǎn)累積損耗大，可靠性差，嚴(yán)重限制了傳感陣列的規(guī)模。與此同時(shí)，弱光柵反射信號(hào)強(qiáng)度低，信號(hào)分離困難，如何實(shí)現(xiàn)對(duì)大規(guī)模弱光柵陣列快速查詢(xún)也是業(yè)界公認(rèn)的難題。國(guó)內(nèi)外相關(guān)科研團(tuán)隊(duì)針對(duì)上述問(wèn)題進(jìn)行了多年的研究，但進(jìn)展緩慢。本文針對(duì)大規(guī)模光纖光柵傳感網(wǎng)絡(luò)中光柵陣列構(gòu)建及查詢(xún)的技術(shù)難題，研究了光柵陣列復(fù)用和制備的相關(guān)理論，

3、采用在線(xiàn)刻寫(xiě)技術(shù)制備超弱光柵，通過(guò)時(shí)分/波分混合復(fù)用構(gòu)建大規(guī)模光纖光柵陣列；提出了光柵陣列相敏查詢(xún)方法，研制了大規(guī)模光柵陣列相敏查詢(xún)系統(tǒng)及超弱光柵陣列質(zhì)量檢測(cè)系統(tǒng)，解決了大規(guī)模光纖光柵傳感系統(tǒng)構(gòu)建的技術(shù)瓶頸，并獲得初步應(yīng)用。主要研究?jī)?nèi)容包括：
　　⑴分析了光纖光柵陣列的復(fù)用理論，重點(diǎn)研究了全同超弱光柵TDM陣列的特性，提出采用超弱光柵混合復(fù)用方法構(gòu)建大規(guī)模傳感陣列。研究表明：采用-35dB以下的超弱光柵構(gòu)建大規(guī)模光柵陣列，可有效降

4、低串?dāng)_，同波長(zhǎng)光柵復(fù)用數(shù)量可達(dá)到1000個(gè)；采用TDM+WDM分段混合復(fù)用，單根光纖上串行復(fù)用光柵的數(shù)量有望達(dá)到數(shù)千個(gè)。
　?、品治隽讼辔谎谀７ㄖ苽涔鈻诺幕纠碚摷瓣P(guān)鍵技術(shù)，采用高摻鍺光纖、硼鍺共摻光纖、普通光纖在線(xiàn)制備弱光柵陣列；分析比較了三種光柵陣列的制備效果，遴選出適用于大規(guī)模光纖傳感網(wǎng)絡(luò)要求的最佳制備方案。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：在普通光纖上刻寫(xiě)的超弱光柵陣列具有反射率低、傳輸損耗小、性?xún)r(jià)比高的特點(diǎn)，更符合大規(guī)模組網(wǎng)要求。對(duì)超弱光柵

5、陣列進(jìn)行高低溫循環(huán)、老化和溫度傳感實(shí)驗(yàn)表明超弱光柵具備良好的傳感特性。
　?、茄芯苛酥芷谛悦}沖入射條件下大規(guī)模光柵陣列的相敏查詢(xún)方法，構(gòu)建了相敏查詢(xún)的理論模型，解析了查詢(xún)過(guò)程及高精度定位的機(jī)理。對(duì)相敏查詢(xún)系統(tǒng)的功率預(yù)算、多脈沖串?dāng)_、消光比等進(jìn)行了分析；研制了高性能的SOA電光調(diào)制模塊；采用雙SOA電光調(diào)制模塊構(gòu)建了1310nm波段相敏查詢(xún)系統(tǒng)，并開(kāi)展了實(shí)驗(yàn)研究。結(jié)果表明：相敏查詢(xún)方法可有效分離大規(guī)模光柵陣列中的單光柵反射信號(hào)；基于

6、雙SOA的相敏查詢(xún)系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)對(duì)平均反射率-43dB超弱光柵陣列的查詢(xún)，實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果與理論分析基本吻合。
　　⑷研制了1550nm波段大規(guī)模光纖光柵高速查詢(xún)系統(tǒng)。通過(guò)引入高速CCD解調(diào)技術(shù)，配套開(kāi)發(fā)光源、脈沖 EDFA放大器和高性能脈沖信號(hào)發(fā)生器，采用Labview軟件協(xié)調(diào)控制光柵的查找和解調(diào)，實(shí)現(xiàn)對(duì)大規(guī)模光柵陣列的高速查詢(xún)。系統(tǒng)的查詢(xún)速度達(dá)到100個(gè)/秒，空間分辨率達(dá)到2m，可檢測(cè)到-53dB的超弱光柵和1000Hz以下的振動(dòng)信號(hào)