一种采用光栅对可调FP温度和非线性补偿的光谱分析装置制造方法及图纸

本发明专利技术涉及一种采用光栅对可调FP温度和非线性补偿的光谱分析装置，该装置包括宽谱光源、光学调制模块、环形器、光栅串、温度测量模块、耦合器、可调FP滤波模块、滤波模块、控制模块和探测模块。宽谱光源的光信号经光学调制模块频率调制和光栅串波长选择后为参考光与待测光混为一路光，进入可调FP滤波模块波长扫描，后经滤波模块滤波区分参考光和待测光。通过温度测量模块查询光栅串温度后，控制模块经参考光对待测光进行温度和非线性补偿，最终输出待测光的精确光谱。与现有技术相比，系统体积小，集成度高，可实现性好，可同时去除可调FP滤波模块非线性和温度的影响；补偿过程能自动处理，实现实时动态补偿。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术设计光纤传感和光纤通信的光谱分析领域，尤其涉及采用可调FP滤波模块对光信号进行光谱特征分析的装置。
技术介绍
在光通信和光传感领域中，光信号的光谱是一个十分重要的信息维度。光通信当中可以利用信号的不同波长进行波分复用，提升通信的传输速率和容量。光纤传感当中许多传感器如光纤光栅，光纤FP干涉仪都是基于光谱进行传感信息的编码和解调的。因此对于光信号的准确、高精度分析是十分有必要的。在光信号分析过程当中，主要关心的技术指标是可以分析的波长带宽，波长分辨率和波长扫描速度。基于不同技术的光谱分析手段，都可以实现光信号的光谱分析，但是都存在着一定的短板。目前较为主流的光谱分析手段是采用基于电荷耦合单元(CCD)的光谱分析装置，将光信号通过体光栅散射之后，将不同波长的光信号在空间上分开，并通过不同位置处的电荷耦合单元进行探测，可以实现对不同波长信息的探测从而实现对光谱的分析。目前已经有成熟固定的产品如横河的AQ6370D光谱分析仪。但是基于CCD的方式，其光谱分析的分辨率受限于体光栅的散射能力和CCD探测单元的点数。因此为了实现较高分辨率的光谱分析，光谱分析仪的体积无法减小，目前该装置至多可以分辨20pm的光谱信号。另外由于超窄线宽激光器的发展，得益于激光线宽的进一步减小，采用扫描激光器也可以获取高精度光谱信息。现有的傅里叶锁模激光器实现了对光栅光谱的解调。然而使用扫描激光器进行光谱解调时，由于激光器在不同波长处光强的波动以及扫描中的非线性现象，光谱解调过程当中存在较大的失真。用可调FP滤波器是实现光谱分析常用方法，其采用光谱扫描的方式进行光谱分析，其分析带宽和波长分辨率可以通过驱动信号调节驱动FP滤波器的电压范围和电压步进进行调节，具备较高的灵活性，可以随着不同应用需求进行调节和配置。且模块体积小，光谱分辨率高，相比于前述光谱分析方法具有一定的优势。但是，可调FP滤波器在扫描过程当中仍存在着扫描非线性的现象，且外界环境温度的变化对可调FP滤波器仍存在着较大的影响。为了消除可调FP滤波器温度的影响，现有技术采用恒温箱的方法反馈控制使滤波器的中心波长保持稳定，取得了一定的效果。但是该方法不够集成，无法在实际使用当中实施。对于存在的非线性效应，没有集成度高、简便、易实施的解决办法。
技术实现思路
本专利技术提出的一种采用光栅对可调FP温度和非线性补偿的光谱分析装置，目的在于克服现有基于可调FP滤波模块的光谱分析装置驱动电压与波长之间的非线性关系，和滤波模块随温度波动的技术问题。本专利技术的目的可以通过以下技术方案来实现：一种采用光栅对可调FP滤波模块温度和非线性补偿的光谱分析装置，其特征在于，包括宽谱光源、光学调制模块、环形器、光栅串、温度测量模块、耦合器、可调FP滤波模块、滤波模块、控制模块和探测模块；其中：所述宽谱光源输出与光学调制模块输入端相连，提供宽谱光信号；所述光学调制模块用于调制宽谱光源送入的宽谱光信号至与待测光信号不同的较高频率上，以便于和待测光区分；所述环形器第一端口与光学调制模块输出端相连，环形器第二端口连光栅串，环形器第三端口接耦合器；所述环形器用于将第一端口送入的光，馈送至第二端口输出，第二端口进入的光送至第三端口送出至耦合器；所述的光栅串包含若干个不同波长的单光栅，用于将环形器第二端口送来的宽谱光信号进行波长选择后产生参考光信号，并反射回环形器第二端口；所述耦合器包含待测光信号输入端、参考光信号输入端和输出端，待测光信号输入端用于接收待测信号，参考光信号输入端与环形器第三端口相连，输出端与可调FP滤波模块相连；耦合器用于将待测光信号与参考光信号混为一路混合光信号，送入可调FP滤波模块的输入端；所述可调FP滤波模块输出端与探测模块的输入端相连，用于将输入端的送入的混合光信号进行波长扫描后，输出不同波长处的光信号，送入探测模块；所述探测模块输出端与滤波模块输入端相连，用于将送入的光转换为电信号，送至滤波模块；所述的滤波模块输入端与探测模块的输出端连接，其内部并列设有高通和低通滤波器，其对外有高通输出端口和低通输出端口，用于将送入的信号的高低频分离，分别由高通输出端口和低通输出端口输出；所述控制模块接滤波模块的高通、低通滤波输出端和温度测量模块的输出端，分别用于采集参考光信号、待测光信号和温度漂移信号；控制模块输出接光学调制模块的调制端和可调FP滤波模块的驱动端，分别输出单频正弦调制信号和三角波扫描信号；控制模块内贮存有光栅串中各单光栅在不同温度下的峰值波长；工作时，可调FP滤波模块扫描输入的混合光信号，输出不同波长点的光信号，经探测模块探测，再通过滤波模块根据频率高低区分待测光信号和参考光信号后，由控制模块采集获得参考光信号与待测光信号在不同波长处的光强值；由于可调FP滤波模块通过三角波扫描信号驱动，每输入一个三角波扫描信号值，可得到一个波长处的参考光信号的光强值与待测光信号的光强值，故采集的参考光信号的光强值与待测光信号的光强值和三角波扫描信号值间对应关系已知，根据参考光信号的光强值与三角波扫描信号值间的对应关系，能获取参考光信号每个峰值处所对应的三角波驱动信号值；控制模块通过温度测量模块获取当前光栅串的温度，并根据当前温度查询内部存储的光栅串中每个单光栅的准确峰值波长，获取的参考光信号的光强值的每个峰即对应着每个单光栅，因此可以获得在每个峰处所对应的三角波扫描信号值和光波长值，进一步的通过计算可以获取三角波扫描信号值与光波长值之间的转换关系；将三角波扫描信号值转换为光波长值，且待测光信号的光强值和三角波扫描信号值对应关系已知，因此可以获得待测光信号光强值与光波长值的与的对应关系，从而获取待测光信号的光谱；计算光波长值的过程中已经计入了当前温度，因此温度补偿可以实现。进一步的，所述的控制模块包括信号发生模块、数据处理模块和数据采集模块；所述数据采集模块包含高通采集输入端口、低通采集输入端口、温度测量采集输入端口，分别用于采集高频信号、低频信号和温度测量数据；所述信号发生模块用于产生单频正弦调制信号和调FP滤波模块的三角波扫描信号；所述数据处理模块具有三个输入端，均与数据采集模块相连，分别接收高通滤波、低通滤波和温度测量数据；数据处理模块输出端与信号发生模块相连，控制信号发生模块输出单频调制信号和三角波扫描信号；工作时，数据处理模块根据当前测量的光栅串的温度，查询光栅串中每个光栅的光波长值，根据三角波扫描信号值和参考光信号光强值的对应关系查询每个单光栅峰值处的三角波扫描信号值，进而获得每个单光栅反射峰处三角波扫描信号值和波长值的对应关系，并计算出三角波扫描信号值与光波长值之间的转换关系，获取待测光信号光强值和波长值间的对应关系，输出温度与非线性补偿后的待测光信号光谱。进一步的，所述的驱动光学调制模块的单频调制信号的频率比待测光信号的频率高，使得参考光信号具备高频频率特征；进一步的，所述的光栅串包含的若干个不同波长的单光栅，每个单光栅都被固定在同一个硬质板材上，对该板材采取隔振措施，以隔绝光栅受到的应力和振动的影响；同时每个单光栅的温度和峰值波长的关系事先已测试完毕，并存储在数据处理模块中；优选的光栅的数目应当不少于两个，最佳的光栅数目为4个；进一步的，所述的温度测量模块，被放置在光栅串附近本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种采用光栅对可调FP温度和非线性补偿的光谱分析装置，其特征在于，包括宽谱光源(2)、光学调制模块(3)、环形器(4)、光栅串(5)、温度测量模块(6)、耦合器(7)、可调FP滤波模块(8)、滤波模块(9)、控制模块(10)和探测模块(11)；其中：所述宽谱光源(2)输出与光学调制模块(3)输入端相连，提供宽谱光信号；所述光学调制模块(3)用于调制宽谱光源(2)送入的宽谱光信号至与待测光信号不同的较高频率上，以便于和待测光区分；所述环形器(4)第一端口与光学调制模块(3)输出端相连，环形器第二端口连光栅串(5)，环形器第三端口接耦合器(7)；所述环形器(4)用于将第一端口送入的光，馈送至第二端口输出，第二端口进入的光送至第三端口送出至耦合器(7)；所述的光栅串(5)包含若干个不同波长的单光栅，用于将环形器(4)第二端口送来的宽谱光信号进行波长选择后产生参考光信号，并反射回环形器(4)第二端口；所述耦合器(7)包含待测光信号输入端、参考光信号输入端和输出端，待测光信号输入端用于接收待测信号，参考光信号输入端与环形器(4)第三端口相连，输出端与可调FP滤波模块(8)相连；耦合器(7)用于将待测光信号与参考光信号混为一路混合光信号，送入可调FP滤波模块(8)的输入端；所述可调FP滤波模块(8)输出端与探测模块(11)的输入端相连，用于将输入端的送入的混合光信号进行波长扫描后，输出不同波长处的光信号，送入探测模块(11)；所述探测模块(11)输出端与滤波模块(9)输入端相连，用于将送入的光转换为电信号，送至滤波模块(9)；所述的滤波模块(9)输入端与探测模块(11)的输出端连接，其内部并列设有高通和低通滤波器，其对外有高通输出端口和低通输出端口，用于将送入的信号的高低频分离，分别由高通输出端口和低通输出端口输出；所述控制模块(10)接滤波模块(9)的高通、低通滤波输出端和温度测量模块(6)的输出端，分别用于采集参考光信号、待测光信号和温度漂移信号；控制模块(10)输出接光学调制模块(3)的调制端和可调FP滤波模块(8)的驱动端，分别输出单频正弦调制信号和三角波扫描信号；控制模块(10)内贮存有光栅串(5)中各单光栅在不同温度下的峰值波长。...

【技术特征摘要】
1.一种采用光栅对可调FP温度和非线性补偿的光谱分析装置，其特征在于，包括宽谱光源(2)、光学调制模块(3)、环形器(4)、光栅串(5)、温度测量模块(6)、耦合器(7)、可调FP滤波模块(8)、滤波模块(9)、控制模块(10)和探测模块(11)；其中：所述宽谱光源(2)输出与光学调制模块(3)输入端相连，提供宽谱光信号；所述光学调制模块(3)用于调制宽谱光源(2)送入的宽谱光信号至与待测光信号不同的较高频率上，以便于和待测光区分；所述环形器(4)第一端口与光学调制模块(3)输出端相连，环形器第二端口连光栅串(5)，环形器第三端口接耦合器(7)；所述环形器(4)用于将第一端口送入的光，馈送至第二端口输出，第二端口进入的光送至第三端口送出至耦合器(7)；所述的光栅串(5)包含若干个不同波长的单光栅，用于将环形器(4)第二端口送来的宽谱光信号进行波长选择后产生参考光信号，并反射回环形器(4)第二端口；所述耦合器(7)包含待测光信号输入端、参考光信号输入端和输出端，待测光信号输入端用于接收待测信号，参考光信号输入端与环形器(4)第三端口相连，输出端与可调FP滤波模块(8)相连；耦合器(7)用于将待测光信号与参考光信号混为一路混合光信号，送入可调FP滤波模块(8)的输入端；所述可调FP滤波模块(8)输出端与探测模块(11)的输入端相连，用于将输入端的送入的混合光信号进行波长扫描后，输出不同波长处的光信号，送入探测模块(11)；所述探测模块(11)输出端与滤波模块(9)输入端相连，用于将送入的光转换为电信号，送至滤波模块(9)；所述的滤波模块(9)输入端与探测模块(11)的输出端连接，其内部并列设有高通和低通滤波器，其对外有高通输出端口和低通输出端口，用于将送入的信号的高低频分离，分别由高通输出端口和低通输出端口输出；所述控制模块(10)接滤波模块(9)的高通、低通滤波输出端和温度测量模块(6)的输出端，分别用于采集参考光信号、待测光信号和温度漂移信号；控制模块(10)输出接光学调制模块(3)的调制端和可调FP滤波模块(8)的驱动端，分别输出单频正弦调制信号和三角波扫描信号；控制模块(10)内贮存有光栅串(5)中各单光栅在不同温度下的峰值波长。2.根据权利要求1所述的光谱分析装置，其特征在于，工作时，可调FP滤波模块(8)扫描输入的混合光信号，输出不同波长光信号，经探测模块(11)探测，过滤波模块(9)根据频率高低区分待测光信号和参考光信号后，由控制模块(10)采集获得参考光信号与待测光信号在不同波长处的光强值；由于可调FP滤波模块通过三角波扫描信号驱动，每输入一个三角波扫描信号值，可得到一个波长处的参考光信号的光强值与待测光信号的光强值，故采集的参考光信号的光强值与待测光信号的光强值和三角波扫描信号值间对应关系已知，根据参考光信号的光强值与三角波扫描信号值间的对应关系，能获取参考光信号每个峰值处所对应的三角波驱动信号值；控制模块(10)通过温度测量模块(6)获取当前光栅串(5)的温度，并根据当前温度查询内部存储的光栅串中每个单光栅的准确峰值波长，获取的参考光信号的光强值的...

【专利技术属性】
技术研发人员：孙琪真，艾凡，程建伟，张威，刘德明，
申请(专利权)人：华中科技大学，
类型：发明
国别省市：湖北;42