CN103292976A - 一种基于干涉法的光纤Verdet常数测量系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于干涉法的光纤Verdet常数测量系统，包括ASE光源、单模光纤耦合器、Y波导集成光学调制器、1/4波片、法拉第旋转反射镜、螺线管、正弦交流驱动电路、匹配液、探测器、信息处理模块、计算机、被测光纤；ASE光源、单模光纤耦合器、Y波导集成光学器件、被测光纤、法拉第旋转反射镜之间依次通过光纤连接，Y波导集成光学器件和被测光纤之间设有1/4波片；信号处理部分包括反馈伺服电路、FPGA模块、相位调制驱动电路；本发明的系统为全光纤结构，搭建简单方便；本发明使用法拉第旋转反射镜，可以消除光纤线性双折射对测量的影响，提高测量精度；本发明能够测量多种光纤的Verdet常数。

Description

一种基于干涉法的光纤Verdet常数测量系统

技术领域

本发明涉及光学应用领域，具体而言涉及一种利用干涉法测量光纤Verdet常数（维尔德常数）的测量系统。

背景技术

随着光纤技术的发展，光纤因抗干扰能力强、绝缘性好、耐高温好、灵敏度高等优点，使得运用光纤作为传感器件的光纤传感器应运而生。其中光纤陀螺与光纤电流互感器是两种典型的光纤传感器。

光纤陀螺作为一种重要的角速度传感器，在各种民用和军用定位导航系统方面有着重要的应用。在实际应用中，光纤陀螺受磁场、温度、振动等环境因素的干扰，会产生信号漂移，精度受到很大的影响。其中，光纤陀螺的磁敏感性是评价光纤陀螺性能指标的重要参数之一，其磁敏感性是由光纤的Verdet常数来表征的。因此，测量陀螺用光纤的Verdet常数可以从微观上了解光纤陀螺的磁敏感性能，为筛选光纤、研究新型光纤陀螺提供依据。光纤电流互感器是基于法拉第效应原理，用已知Verdet常数的光纤作为磁敏感器件来传导电流信号的新型电流传感装置。光纤Verdet常数与材料有关，不同材料的Verdet常数不同，即其磁敏感性能不同，所以对所用光纤的Verdet常数进行测量标定可以提高传感的准确性。因此，搭建测量系统对光纤Verdet常数进行准确测量不论是在光纤陀螺还是光纤电流互感器方面都具有重要的意义。

目前的光纤Verdet常数测量系统较多的采用双光路测量方法，双光路测量法的优点为光能利用率高、抗干扰性能强、能够消除光源光强涨落对输出信号的影响。但在双光路测量中是通过“差除和”的测量方案进行信号处理的，要求线偏光起偏方向与偏振分束器（PBS）的分光轴方向成45°角，因此PBS的位置摆放对系统的测量影响较大，造成系统测量的不精确。

发明内容

本发明的目的是解决上述问题，提出了一种基于干涉法的光纤Verdet常数测量系统，其中，干涉法测量的优点为系统的稳定性较高、不会因光学仪器的摆放位置造成系统测量的不精确、对两光路的对称性要求较低。系统中采用法拉第旋转反射镜可以消除光纤线性双折射对测量的影响，提高测量精度；系统中使用闭环检测装置，使光纤电流互感器始终工作在灵敏度最高点上，提高了检测的灵敏度，扩大了测量的动态范围。

一种基于干涉法的光纤Verdet常数测量系统，包括ASE光源、单模光纤耦合器、Y波导集成光学调制器、1/4波片、法拉第旋转反射镜、螺线管、正弦交流驱动电路、匹配液、探测器、信息处理模块、计算机、被测光纤；

ASE光源、单模光纤耦合器、Y波导集成光学器件、被测光纤、法拉第旋转反射镜之间依次通过光纤连接，Y波导集成光学器件和被测光纤之间设有1/4波片；

ASE光源发出光，输入至单模光纤耦合器，单模光纤耦合器的第一端口连接Y波导集成光学器件，第二端口连接匹配液，光经单模光纤耦合器第一端口传输给Y波导集成光学器件，Y波导集成光学调制器将光起偏为线偏光；

线偏振光由Y波导集成光学调制器的两个端口分为两路，两路线偏光分别通过两个1/4波片，转换成旋向相同的圆偏振光，圆偏振光分别通过两个被测光纤输出至两个法拉第旋转反射镜；

其中一个被测光纤位于螺线管铁芯的中心孔内，设为下光路，另外一个被测光纤为上光路；

螺线管的驱动模块为正弦交流驱动电路提供驱动信号，控制正弦交流驱动电路为螺线管提供电源，使螺线管包围的被测光纤处产生磁场；

上光路中，圆偏振光经过被测光纤，被法拉第旋转反射镜反射，偏振面旋转2β=π/2，β为法拉第旋转角，旋向改变，沿原路返回，再次经过λ/4波片重新转换成线偏振光返回Y波导集成光学调制器的起偏部分；

下光路中，圆偏振光经过螺线管内部磁场，磁场作用使得下光路与上光路光束形成相位差，经过法拉第旋转反射镜后，沿原路返回，再次经过螺线管内部磁场后，经过λ/4波片重新转换成线偏振光返回Y波导集成光学调制器的起偏部分，下光路返回的线偏振光与上光路返回的线偏振光发生干涉；

信号处理部分包括反馈伺服电路、FPGA模块、相位调制驱动电路；

FPGA模块产生方波控制信号，经放大后传输给相位调制驱动电路，相位调制驱动电路使Y波导集成光学调制器的相位调制部分产生相应的相位调制，使两束发生干涉的光波产生一个稳定的

偏置；

Y波导集成光学调制器中发生干涉的光信号，输出至单模光纤耦合器，探测器检测到达单模光纤耦合器的光信号，生成干涉信号，输出至FPGA模块，FPGA模块产生控制信号，将控制信号传输给反馈伺服电路，反馈伺服电路产生反馈相移Φ_f给相位调制驱动电路，相位调制驱动电路使Y波导集成光学调制器的相位调制部分产生相应的相位调制，使两束发生干涉的光波产生附加的反馈相位，其中Φ_f与在Y波导集成光学调制器起偏部分处干涉时的相位差Φ_F大小相等符号相反；

信息处理部分将反馈伺服电路产生的反馈相移Φ_f传输给计算机，通过下述公式得到光纤的Verdet常数V：

$V=\frac{-{\mathrm{\φ}}_f}{2\mathrm{BL}}$

其中：L为被测光纤长度、B为螺线管内电磁感应强度。

本发明的优点在于：

（1）本发明的系统为全光纤结构，搭建简单方便；

（2）本发明使用法拉第旋转反射镜（FRM），可以消除光纤线性双折射对测量的影响，提高测量精度；

（3）本发明能够测量多种光纤的Verdet常数；

（4）本发明使用Y波导相位调制，使光纤电流互感器始终工作在灵敏度最高点上，提高了检测的灵敏度，扩大了测量的动态范围；

（5）本发明采用闭环检测方案，引入反馈相移，可以提高测量的精度。

附图说明

图1是本发明的结构示意图。

图中：

具体实施方式

下面将结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。

本发明是一种基于干涉法的光纤Verdet常数测量系统，为全光纤结构，包括ASE光源1、单模光纤耦合器2、Y波导集成光学调制器3、1/4波片4、法拉第旋转反射镜（FRM）5、螺线管6、正弦交流驱动电路7、匹配液8、探测器9、信息处理模块10、计算机11、被测光纤12；其中信息处理模块10包括反馈伺服电路13、FPGA14、相位调制驱动电路15。

ASE光源1、单模光纤耦合器2、Y波导集成光学器件3、被测光纤12、FRM5之间依次通过光纤连接，Y波导集成光学器件3和被测光纤12之间设有1/4波片4，其中ASE光源1发出光，输入至单模光纤耦合器2，单模光纤耦合器2的第一端口连接Y波导集成光学器件3，第二端口连接匹配液8。光经单模光纤耦合器2第一端口传输给Y波导集成光学器件3，Y波导集成光学调制器3将光起偏为线偏光，其中单模光纤耦合器2的耦合臂一端用匹配液8进行处理，避免外部光功率对干涉的干扰。

线偏振光由Y波导集成光学调制器3的两个端口分为两路，两路线偏光分别通过两个1/4波片4，转换成旋向相同的圆偏振光，本发明中假设为右旋圆偏振光，圆偏振光分别通过两个被测光纤12输出至两个FRM5，其中法拉第旋转反射镜（FRM）5与Y波导3之间为被测光纤12，其中一个被测光纤12的位于螺线管6铁芯的中心孔中，设为下光路，另外一个被测光纤12为上光路，螺线管6的驱动模块为正弦交流驱动电路7提供驱动信号，控制正弦交流驱动电路7为螺线管6提供电源，使螺线管6在被测光纤12处产生磁场。

螺线管6内设中心带孔的铁芯，可以使得螺线管6的磁场可调范围增大，适应不同的被测光纤12的测量；

螺线管6未通电，无磁场产生时，上光路和下光路的两束光波在被测光纤12中以圆偏振态传播，且光速均为V₀，此时两束光波在Y波导集成光学调制器3的起偏部分处干涉时无相位差。螺线管6通电，磁场开启，经过磁场的下光路右旋圆偏振光的光速会变快，而不经过磁场的上光路中的右旋圆偏振光光速不变，由此两路光路的光速差会造成干涉相位差的产生。

上光路中，光经过被测光纤12，被FRM5反射，偏振面旋转2β=π/2，β为法拉第旋转角，旋向改变，由本发明的右旋圆偏振光变换为左旋圆偏振光，沿原路返回，再次经过λ/4波片4重新转换成线偏振光返回Y波导集成光学调制器3的起偏部分。

下光路中，圆偏振光经过螺线管6内部磁场，由于法拉第磁光效应的存在，使得传输的圆偏振光的光速发生变化，光速变为V₁>V₀或V₂<V₀(有△V=V₁-V₀=V₀-V₂)，与上光路光束形成相位差，经过法拉第旋转反射镜5后，同样沿原路返回，再次经过螺线管6内部磁场后，再次经过λ/4波片4重新转换成线偏振光返回Y波导集成光学调制器3的起偏部分，下光路返回的线偏振光与上光路返回的线偏振光发生干涉。

由于上下路光线传输过程中速度不同，两束光波在Y波导集成光学调制器3的起偏部分处干涉时存在相位差

其中

为法拉第旋转角，B为螺线管6内部磁场的磁感应强度，V是被测光纤12的Verdet常数，L是被测光纤长度。

如图1所示，信号处理部分10包括反馈伺服电路13、FPGA模块14、相位调制驱动电路15。

FPGA模块14产生方波控制信号，经放大后传输给相位调制驱动电路15，相位调制驱动电路15使Y波导集成光学调制器3的相位调制部分产生相应的相位调制，使两束发生干涉的光波产生一个稳定的偏置，使系统工作在灵敏度最高点处。

Y波导集成光学调制器3中发生干涉的光信号，输出至单模光纤耦合器2，探测器9检测到达单模光纤耦合器2的光信号，生成干涉信号，输出至FPGA模块14，经FPGA模块14内部程序的处理产生一个控制信号，然后将此控制信号传输给反馈伺服电路13，反馈伺服电路13产生反馈相移Φ_f给相位调制驱动电路15，相位调制驱动电路15使Y波导集成光学调制器3的相位调制部分产生相应的相位调制，使两束发生干涉的光波产生一个附加的反馈相位，其中Φ_f与在Y波导集成光学调制器3起偏部分处干涉时的相位差Φ_F大小相等符号相反，当Φ_F-Φ_f＝0，则实现了闭环检测。

由此可知，在磁感应强度B、被测光纤长度L已知的情况下，检测出反馈相移Φ_f，便可得到光纤Verdet常数。

取Y波导集成光学调制器3起偏部分的透光轴为参考坐标系的x轴。设ASE光源1发出的光为E₀，则经单模光纤耦合器2及Y波导集成光学相位调制器3的分束后的光为

下面分别对各主要光路器件建立理想化的琼斯矩阵。

1）Y波导集成光学相位调制器3起偏部分的琼斯矩阵表达式为：

$L_P=\left(\begin{array}{cc}1& 0\\ 0& 0\end{array}\right)$

2）Y波导集成光学相位调制器3相位调制部分的琼斯矩阵表达式为：

$L_{T1}=\left(\begin{array}{cc}{e}^{\mathrm{i\&psi;}(t-\mathrm{\&tau;})}& 0\\ 0& 1\end{array}\right)$ $L_{T2}=\left(\begin{array}{cc}{e}^{\mathrm{i\&psi;}\left(t\right)}& 0\\ 0& 1\end{array}\right)$

$L_{T1}^{\&prime;}=\left(\begin{array}{cc}{e}^{-\mathrm{i\&psi;}(t-\mathrm{\&tau;})}& 0\\ 0& 1\end{array}\right)$ $L_{T2}^{\&prime;}=\left(\begin{array}{cc}{e}^{-\mathrm{i\&psi;}\left(t\right)}& 0\\ 0& 1\end{array}\right)$

式中，ψ(t-τ)和ψ(t)分别为（t-τ）和t时刻Y波导集成光学相位调制器3上调制臂的调制相位；-ψ(t-τ)和-ψ(t)分别为（t-τ）和t时刻Y波导集成光学相位调制器3下调制臂的调制相位，且由Y波导集成光学相位调制器3相位调制部分产生的最后的相位调制为

3）1/4波片4的琼斯矩阵表达式为：

$L_{\mathrm{\&lambda;}/4}=\frac{\sqrt{2}}{2}\left(\begin{array}{cc}1& -i\\ -i& 1\end{array}\right)$

4）法拉第旋转反射镜（FRM）5的琼斯矩阵表达式为：

$L_{\mathrm{FRM}}=\left(\begin{array}{cc}\cos \mathrm{\&beta;}& \sin \mathrm{\&beta;}\\ -\sin \mathrm{\&beta;}& \cos \mathrm{\&beta;}\end{array}\right)\left(\begin{array}{cc}{e}^{\mathrm{i\&pi;}}& 0\\ 0& 1\end{array}\right)\left(\begin{array}{cc}\cos \mathrm{\&beta;}& -\sin \mathrm{\&beta;}\\ \sin \mathrm{\&beta;}& \cos \mathrm{\&beta;}\end{array}\right)$

其中，且β=π/4，β为光一次经过法拉第旋转反射镜5内部磁场产生的法拉第旋转角，则：

$L_{\mathrm{FRM}}=\left(\begin{array}{cc}\frac{\sqrt{2}}{2}& \frac{\sqrt{2}}{2}\\ -\frac{\sqrt{2}}{2}& \frac{\sqrt{2}}{2}\end{array}\right)\left(\begin{array}{cc}-1& 0\\ 0& 1\end{array}\right)\left(\begin{array}{cc}\frac{\sqrt{2}}{2}& -\frac{\sqrt{2}}{2}\\ \frac{\sqrt{2}}{2}& \frac{\sqrt{2}}{2}\end{array}\right)$

$=\frac{1}{2}\left(\begin{array}{cc}1& 1\\ -1& 1\end{array}\right)\left(\begin{array}{cc}-1& 0\\ 0& 1\end{array}\right)\left(\begin{array}{cc}1& -1\\ 1& 1\end{array}\right)=\left(\begin{array}{cc}0& 1\\ 1& 0\end{array}\right)$

5）磁场引起法拉第旋转效应的琼斯矩阵表达为：

对于从1/4波片4向磁场方向传播的光束：

对于从法拉第旋转反射镜5返回磁场的光束：

其中：

为圆偏振光的法拉第旋转角；

在理想条件下，两束光波到达探测器9的光矢量为：

$E_1=\frac{1}{4}{L}_P{L}_{T_2}{L}_{\frac{\mathrm{\&lambda;}}{4}}{L}_{\mathrm{FRM}}{L}_{\frac{\mathrm{\&lambda;}}{4}}{L}_{T_1}{L}_P{E}_0$

$E_2=\frac{1}{4}{L}_P{L}_{T2}^{\&prime;}{L}_{\frac{\mathrm{\&lambda;}}{4}}{L}_{H2}{L}_{\mathrm{FRM}}{L}_{H1}{L}_{\frac{\mathrm{\&lambda;}}{4}}{L}_{T1}^{\&prime;}{L}_P{E}_0$

其中：L_p为Y波导集成光学调制器3起偏部分的琼斯矩阵，L_T1、L_T2分别为（t-τ）和t时刻Y波导上调制臂的琼斯矩阵；L′_T1、L′_T2分别为（t-τ）和t时刻Y波导下调制臂的琼斯矩阵，L_λ/4为1/4波片4的琼斯矩阵，L_H1、L_H2分别为光从1/4波片4向磁场方向传播时和从法拉第旋转反射镜返回磁场时磁场引起法拉第旋转效应的琼斯矩阵。

由琼斯矩阵推得，探测到的光强表达式为：

$I={|E_1+E_2|}^2=I_1+I_2+2\sqrt{I_1{I}_2}\cos \mathrm{\&delta;}$

其中：I₀＝E₀*E₀，I₁＝E₁*E₁，I₂＝E₂*E₂；I₀为光源输出光强，2ψ(t-τ)+2ψ(t)为Y波导集成光学调制器3的调制相位。其中

为法拉第旋转角，B为磁场的磁感应强度，V是传感光纤的Verdet常数，L是被测光纤长度；

由琼斯矩阵推得的光强表达式可知，干涉输出是一个余弦函数，由于余弦函数在零点的斜率为零，对小信号反应不灵敏，误差很大。因此在实际光路中，FPGA模块14产生方波控制信号，经放大后传输给相位调制驱动电路15，相位调制驱动电路15使Y波导集成光学调制器3的相位调制部分产生相应的相位调制，使两束发生干涉的光波产生一个稳定的

偏置，使系统工作在灵敏度最高点处。

所以

$2\mathrm{\&psi;}(t-\mathrm{\&tau;})+2\mathrm{\&psi;}\left(t\right)=\&PlusMinus;\frac{\mathrm{\&pi;}}{2}---\left(4\right)$

反馈伺服电路13使两束干涉光产生一个附加的反馈相位Φ_f，使反馈相位Φ_f与在Y波导集成光学调制器3起偏部分处干涉时的相位差Φ_F大小相等符号相反，Φ_F＝-Φ_f；

因此实际光路中，探测器9探测到的干涉光强表达式应为

$I=\frac{1}{8}{I}_0[1+\cos ({\mathrm{\&phi;}}_F+{\mathrm{\&phi;}}_f\&PlusMinus;\frac{\mathrm{\&pi;}}{2})]$

Φ_F＝-Φ_f＝2VBL

最后，信息处理部分10将反馈伺服电路13产生的反馈相移Φ_f传输给计算机11，通过公式

将反馈相移-Φ_f＝Φ_F、被测光纤长度L、电磁感应强度B代入，得到光纤的Verdet常数V。

本发明采用全光纤系统，搭建简单方便；全光纤结构光路使光路的装配相对容易，避免了空间光路中由于分立元件之间相对位移引起的相位误差，可以实现较低的光路损耗与较高的信噪比。

所述的ASE光源1是一种高稳定、高功率输出的宽带光源。其光谱范围覆盖了C波段（1525nm－1565nm）及L波段（1565nm－1610nm）。它可以减少系统的相干噪声、光纤瑞利散射引起的位相噪声以及光学克尔效应引起的位相漂移。ASE光源具有输出谱稳定、受环境影响小，易与单模光纤传感系统耦合等优点，使得光纤Verdet常数色散减小，提高了测量的准确度。

所述的法拉第旋转反射镜（FRM）5，可以消除光纤线性双折射对测量的影响，提高测量精度；

所述的Y波导相位调制，使光纤电流互感器始终工作在灵敏度最高点上，提高了检测的灵敏度，扩大了测量的动态范围。

所述的正弦交流驱动电路7由Vmos管组成，Vmos管功率大、提供的驱动电流范围大，可以适应不同光纤测量对磁场强度的要求。

所述的信号处理模块10，采用闭环检测方案，引入反馈相移，可以提高测量的精度。

Claims (1)

1.一种基于干涉法的光纤Verdet常数测量系统，包括ASE光源、单模光纤耦合器、Y波导集成光学调制器、1/4波片、法拉第旋转反射镜、螺线管、正弦交流驱动电路、匹配液、探测器、信息处理模块、计算机、被测光纤；

ASE光源、单模光纤耦合器、Y波导集成光学器件、被测光纤、法拉第旋转反射镜之间依次通过光纤连接，Y波导集成光学器件和被测光纤之间设有1/4波片；

ASE光源发出光，输入至单模光纤耦合器，单模光纤耦合器的第一端口连接Y波导集成光学器件，第二端口连接匹配液，光经单模光纤耦合器第一端口传输给Y波导集成光学器件，Y波导集成光学调制器将光起偏为线偏光；

线偏振光由Y波导集成光学调制器的两个端口分为两路，两路线偏光分别通过两个1/4波片，转换成旋向相同的圆偏振光，圆偏振光分别通过两个被测光纤输出至两个法拉第旋转反射镜；

其中一个被测光纤位于螺线管铁芯的中心孔内，设为下光路，另外一个被测光纤为上光路；

螺线管的驱动模块为正弦交流驱动电路提供驱动信号，控制正弦交流驱动电路为螺线管提供电源，使螺线管包围的被测光纤处产生磁场；

上光路中，圆偏振光经过被测光纤，被法拉第旋转反射镜反射，偏振面旋转2β=π/2，β为法拉第旋转角，旋向改变，沿原路返回，再次经过λ/4波片重新转换成线偏振光返回Y波导集成光学调制器的起偏部分；

下光路中，圆偏振光经过螺线管内部磁场，与上光路光束形成相位差，经过法拉第旋转反射镜后，沿原路返回，再次经过螺线管内部磁场后，经过λ/4波片重新转换成线偏振光返回Y波导集成光学调制器的起偏部分，下光路返回的线偏振光与上光路返回的线偏振光发生干涉；

信号处理部分包括反馈伺服电路、FPGA模块、相位调制驱动电路；

FPGA模块产生方波控制信号，经放大后传输给相位调制驱动电路，相位调制驱动电路使Y波导集成光学调制器的相位调制部分产生相应的相位调制，使两束发生干涉的光波产生一个稳定的

偏置；

Y波导集成光学调制器中发生干涉的光信号，输出至单模光纤耦合器，探测器检测到达单模光纤耦合器的光信号，生成干涉信号，输出至FPGA模块，FPGA模块产生控制信号，将控制信号传输给反馈伺服电路，反馈伺服电路产生反馈相移Φ_f给相位调制驱动电路，相位调制驱动电路使Y波导集成光学调制器的相位调制部分产生相应的相位调制，使两束发生干涉的光波产生附加的反馈相位，其中Φ_f与在Y波导集成光学调制器起偏部分处干涉时的相位差Φ_F大小相等符号相反；

信号处理部分将反馈伺服电路产生的反馈相移Φ_f传输给计算机，通过下述公式得到光纤的Verdet常数V：

$V=\frac{-{\mathrm{\&phi;}}_f}{2\mathrm{BL}}$

其中：L为被测光纤长度、B为螺线管内电磁感应强度。

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