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Alex ander G. Sim pson 等 人提 出了基 于 CCD 和闪耀布喇格光纤光栅对光纤传感器进行解调的方 案[ 8] . 虽然 CCD 能对光纤传感器进行解调, 但是由 于它们的波长响应范围在 400~ 1 100 nm , 而布喇 格光纤光栅传感解调波长在 1 500 nm 附近, 如果用 CCD 进行解调, 不得不镀膜而增加额外的成本. 由 于线阵 InGaA s 光电二极管阵列的波长响应范围是 800~ 1 700 nm, 而且在波长 1 500 nm 附近具有很 高的量子效率 和反应 灵敏 度. 因此本 文利 用线 阵 InG aA s 光电二极管阵列[ 9] 探测波长随外界物理量 变化的移动, 然后把光信号转化为电信号, 通过模数
图 7 不同工作温度下输入功率的精确度 F ig . 7 Input power accuracy at different operating temperature
5 结论
提出了基于线阵 InGaAs 光电二极管阵列和体 相位光栅并结合波分复用和空分复用技术的解调系 统. 该解调系统不仅实现了尺寸小, 低功耗, 高的分 辨率, 而且具有很快的解调速度. 实验结果和系统分 析表明: 基于线阵 InGaAs 光电二极管阵列和体相 位光栅的解 调系统, 可用于 解调带宽 为 42 nm 的 F BG 传感器阵列, 实现了信噪比为 30 dB, 信噪比漂 移 0. 5 dB, 中心波长误差 15 pm, 输入功率误差
图 5 是解调系统测得四个波长的信噪比随温度
9期
李国玉, 等: 基于线阵 InG aA s 光电二极管阵列的光纤光栅传感解调
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变化的误差, 由图可见, 信噪比误差在 0. 5 dB之间.
图 4 InGaA s 解调系统信噪比的测量 F ig. 4 SN R measurement of the InGaA s
图 6 不同工作温度下波长的精确度 F ig . 6 Wavelength accuracy at different operating temperature
同理, 功率的精确度测量是 InGaAs 解 调系统 测 得的输入功率与它的∃ 真值%的比值. 这里的∃ 真 值%由功率计测得. 图7就是四波长的输入功率随着温 度变化的误差, 由图可见, 功率的精确度为 0. 3 dB.
与噪音功率的绝对比值, 计算公式为
SN R=
10
# lo g10 [
Ps ignal P ] noise
信噪比的测量在某一恒定的温度和相同的光照
强度下, FBG 波峰的相对强度与解调系统的最大噪
音的比值. 图 4 就是 InGaAs 解调系统在不同的解
调波长下测量得到的信噪比, 从图中可以看出, 解调 波 长范围为42 nm, 测量得到的信噪比为30 dB左右.
15 pm, 功率测量精确度为 0. 3 dB. 基于线阵 InGaA s 光电二极管阵列和体相位光栅的光纤光
栅解调系统不但尺寸小, 功耗低, 而且具有较高的解调速度.
关键词: 光纤光栅传感; InGaAs 光电二极管阵列; 解调系统
中图分类号: T IP21211
文献标识码: A
文章编号: 1004 4213( 2007) 09 1591 4
转化( A/ D) , 直接输入计算机, 实现光纤光栅传感的 分布式实时测量, 增强了光纤光栅传感的智能化.
1 原理和结构
InGaAs 是近红外区域具有良好光敏感性的 !族复合型半导体材料. 通过改变它的掺杂浓度, 可 以控制它的灵敏度. 和 CCD 不同的是 InGaAs 探测 器是一些光电二极管离散的排列在一块集成的片子 上, 从而形成一个线性阵列. InGaAs 探测器阵列在 结构上包括 P IN 二极管阵列、雪崩二极管( APD) 阵 列和金 属 半导 体 金属 ( M SM ) 二 极管 阵 列. 由于 M SM 型二极管阵列结构特别复杂, 而且难于生产, AP D 型二极管阵列需要在高电压下工作, 而且具有 很大的暗电流, 所以它们不适宜应用在光纤光栅传 感的解调系统中. 实验中采取的 P IN 型光电二极管 阵列探测器是利用光生伏特 效应( Dember 效应) , 光照射到 p n 结上, InGaA s 层就会吸收光子, 同时 产生电子 空穴对. 在外电场的作用下, 光生载流子 就会产生漂移, 从而在外围电路生成光电流. 图 1 为 640 像素的 PIN 型光电二极管阵列的结构, 阵列长 度是 40 nm , 像素间隔为 65 pm .
第 36 卷第 9 期 2007 年 9 月
光子学报 ACT A PH OT ON ICA SINICA
V ol. 36 N o. 9 Sept ember 2007
基于线阵 InGaAs 光电二极管阵列的光纤 光栅传感解调*
李国玉, 刘波, 郭团, 张键, 袁树忠, 开桂云, 董孝义
( 南开大学现代光学研究所, 天津 300071)
F ig . 3 Detected ( a) strain and ( b) temperature induced w aveleng th shifts w ith the InG aA s interr og at ion system
4 系统性能分析
一般信噪比定义为某一个信道波长, 信号功率
2 实验装置
实验中采用的 14 m, 512 像素的线阵 InGaAs 光电二极管阵列放置在耦合光输出的平面上, 它由 离散分布的光电二极管, 电荷放大器阵列, 三极管以 及相关的取样电路, 偏移补偿电路, 移位寄存器和时 序发生器组成, 见图 2. 为了区分特别接近的空间信 道并且获得高散射效率, 实验中采用的体相位光栅 夹在两棱镜之间. 这种结构可以允许在 1 550 nm 波 长附近为了满足布拉格方程而达到的大角度. 中心 波长为 1 550 nm , 波长范围为 1 525~ 1 570 nm .