[发明专利]一种基于集成光电芯片的小型化分布式光纤传感系统

说明书

一种基于集成光电芯片的小型化分布式光纤传感系统，包括光源、第一掺铒光纤放大器(EDFA)、具有电光调制和拍频探测功能的集成光电芯片、第二掺铒光纤放大器(EDFA)、环形器以及传感光纤。集成光电芯片包括：第一端面耦合器、定向耦合器、单级可调谐光衰减器(VOA)、IQ单边带调制器、级联可调谐光衰减器(VOA)、第二端面耦合器、第三端面耦合器、2×2多模干涉仪(MMI)以及片上平衡探测器(BPD)。结合片上IQ调制器和级联VOA，实现移频及脉冲调制作用。IQ调制器实现单边带调制，级联VOA将连续光转化为脉冲光经第二端面耦合器耦合到光纤中用于探测。散射回的信号光经第三端面耦合器耦合到片上与本振参考光进行拍频，由片上BPD进行探测。该新型系统更加集成化、小型化、稳定性高且能耗低。

技术领域

本发明属于集成光电芯片和光纤传感技术领域。涉及一种基于集成光电芯片的小型化分布式光纤传感系统，特别涉及一种利用片上器件如端面耦合器、定向耦合器、多模干涉仪(MMI)、IQ调制器、多级可调谐光衰减器(VOA)以及片上平衡探测器(BPD)，将传统分立器件如调制器件、耦合器件和探测器件集成于同一芯片上的新型集成式光纤传感系统。

背景技术

分布式光纤传感技术具有抗电磁干扰、隐蔽性好、体积小、重量轻等优点还兼备分布式动态检测、相位定量测量等优势。

传统的基于外差相干探测的分布式光纤传感系统结构装置包括分立的窄线宽激光器、声光调制器、掺铒光纤放大器(EDFA)、双平衡探测器(BPD)、数据采集卡。窄线宽连续激光光源经过光纤耦合器，分成本振参考光和探测光两部分。探测光经过声光调制器(AOM)斩波形成脉冲光，并产生移频。脉冲光经过掺铒光纤放大器(EDFA)进行放大，并通过环形器注入待测光纤(FUT)。光纤中散射光与本振参考光通过一个3dB耦合器进行拍频，拍频后的信号经过双平衡探测器(BPD)进行探测。BPD输出的信号由数字采集卡进行采集，并进行幅度和相位信息解调，以及进一步的模式识别等信号处理。这种传统的基于外差相干探测系统结构装置由分离光学元器件构成，各元件需要良好的减震环境，系统内部很容易受到环境温度、湿度等变化的干扰，限制其性能。

光电芯片可借助成熟的微电子加工工艺平台，能够实现大规模批量生产，具有低成本、高集成度、高可靠性的优势。通过CMOS工艺可以实现光电和微电子的单片集成，发挥光电芯片在信息高速传输和微电子在信息高效处理的优势，充分实现微电子与光电的融合与取长补短，实现性能更优的光电集成芯片。

从目前公开的文献中尚未发现与本发明提出的基于集成光电芯片的小型化分布式光纤传感系统类似的实现方法和装置。

发明内容

本发明的目的是克服已有的传统基于外差相干探测的分布式光纤传感系统结构装置基于分立器件的不足，提出一种基于集成光电芯片的小型化分布式光纤传感系统，利用片上器件将传统分立器件取代并集成于同一芯片上的新型集成式光纤传感系统，克服已有的传统基于外差相干探测的分布式光纤传感系统结构装置基于分立器件的不足，更加集成化、小型化且可提高系统的稳定性并降低系统能耗。

本发明的技术解决方案如下：

一种基于集成光电芯片的小型化分布式光纤传感系统，系统结构包括光源、第一掺铒光纤放大器(EDFA)、具有电光调制和拍频探测功能的集成光电芯片、第二掺铒光纤放大器(EDFA)、环形器以及传感光纤。其中该集成光电芯片包括：端面耦合器、定向耦合器、多模干涉仪(MMI)、IQ单边带调制器、监测探测器、多级可调谐衰减器(VOA)以及片上平衡探测器(BPD)。其连接关系如下：