CN100575885C - 马赫-曾德光纤干涉仪偏振衰落和相位衰落控制系统 - Google Patents
马赫-曾德光纤干涉仪偏振衰落和相位衰落控制系统 Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开了一种马赫—曾德光纤干涉仪偏振衰落和相位衰落控制系统。第一激光器(1)、偏振调制器(8)、相位控制器(10)、第一光电探测器(3)和数字信号处理机(11)组成闭环相位衰落控制系统,第二激光器(2)、偏振控制器(7)、相位调制器(9)、第二光电探测器(4)和数字信号处理机(11)组成闭环偏振衰落控制系统。利用波分复用器(5)和波分解复用器(6)使得干涉光路中同时存在第一激光器(1)和第二激光器(2)输出激光,两个不同波长激光的综合利用将同时消除马赫—曾德光纤干涉仪的偏振衰落和相位衰落现象,第一激光器(1)和第二激光器(2)输出激光波长最终稳定在干涉光功率谱的任意波峰或波谷位置。
Description
技术领域
本发明涉及光纤通信和光纤传感领域,尤其适应于长距离光纤传感领域。
背景技术
马赫-曾德光纤干涉仪被广泛应用于Interleaver技术和光纤传感技术,马赫-曾德光纤干涉仪具有两个光路:干涉臂和参考臂。光源发出的相干光从马赫-曾德光纤干涉仪一端分别进入两个臂,并从另一端相干耦合输出,由于两个臂之间存在一定的长度差,使得两个臂中的相干光存在相位差,在两路相干光的偏振态不发生变化的情况下,输出光功率与波长存在下列关系:
其中P0表示干涉仪输入光功率,n表示所使用的单模光纤的有效折射率,ΔL表示两个干涉臂之间的长度差,λ表示光波的波长。对于同一波长的相干光,输出光功率会随着长度差的变化而变化,因此对双光路光纤干涉仪其中一个臂的扰动,会改变两束相干光的相位差,从而可以改变输出光功率,通过对输出光功率的监测,我们可以知道马赫-曾德光纤干涉仪周围环境的变化,这就是马赫-曾德光纤传感器的基本原理。对于不同波长的相干光,如果两个臂之间的长度差不发生变化,Pout的交流分量将是f=c/λ的余弦函数,这就是Interleaver的基本原理。
然而在实际应用中,由于马赫-曾德光纤干涉仪对周围环境具有极高的敏感性,非常微小的温度变化或振动等外界因素,都会对两个干涉臂之间的长度差产生影响,从而改变光功率的输出,产生相位衰落,并且这种相位衰落的影响会随着干涉仪距离的增大而增大。在长距离的马赫-曾德光纤传感器中,存在另外一个限制传感器应用的因素——偏振衰落。在长距离的光路系统中外界应力将不可避免的使光纤发生光纤弯曲和扭转,这将会引起光纤中激光偏振态的变化,另外光纤周围温度等环境因素的分布不均匀也会引起光纤中光波偏振态的变化。
抵抗这两种衰落的传统方式是通过引入偏振控制器或相位控制器来手动调整这两种衰落,但是这只适应于短距离干涉光路和环境条件变化缓慢的条件下,而且在调整的过程中不得不暂时停止干涉仪的工作。在长距离的光纤干涉系统中,外界环境因素复杂,并且变化较快,要想稳定光纤干涉系统的相位和偏振态,必须采用高速率实时控制系统。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是马赫-曾德光纤干涉仪偏振衰落和相位衰落问题,提供了一种马赫-曾德光纤干涉仪偏振衰落和相位衰落控制系统。
分路器的一个输出端通过普通单模光纤与相位调制器的一端连接,相位调制器的另一端通过普通单模光纤与合路器的一输入端连接;分路器的另一个输出端通过普通单模光纤与相位控制器的一端连接,相位控制器的另一端通过普通单模光纤与合路器的另一输入端连接;分路器、合路器、相位调制器、相位控制器和普通单模光纤构成马赫-曾德光纤干涉仪;普通单模光纤和相位调制器构成参考臂;普通单模光纤和相位控制器构成干涉臂;
合路器的输出端与波分解复用器输入端光纤连接,波分解复用器两个输出端分别用光纤连接第一光电探测器和第二光电探测器;
分路器输入端与波分复用器输出端光纤连接,波分复用器一个输入端经偏振调制器与第一激光器光纤连接;波分复用器另一个输入端经偏振控制器与第二激光器光纤连接;
第一光电探测器和第二光电探测器由电信号线分别接数字信号处理机的第一模/数转换输入端口和第二模/数转换输入端口;
偏振控制器和偏振调制器分别与数字信号处理机的第一和第二数/模转换输出端口,电信号线连接;相位调制器和相位控制器分别由电信号线连接数字信号处理机的第三和第四数/模转换输出端口;
第一激光器、偏振调制器、相位控制器、第一光电探测器和数字信号处理机组成闭环相位衰落控制系统,第二激光器、偏振控制器、相位调制器、第二光电探测器和数字信号处理机组成闭环偏振衰落控制系统。
该系统的工作过程如下所示:
首先,由偏振调制器,相位控制器和数字信号处理机调整和控制马赫-曾德光纤干涉仪的相位漂移,并使得第一激光器输出激光的波长处于马赫-曾德光纤干涉仪的某一个波谷或波峰位置。偏振调制器发出某一频率的调制信号来调制第一激光器输出激光的偏振态,该调制信号将使得马赫-曾德光纤干涉仪输出的第一激光器的激光含有相同频率的信号,该激光经波分解复用器进入第一光电探测器,数字信号处理机对第一光电探测器监测到的的光功率进行数字滤波提取出偏振调制器发出频率的信号,并判断该信号的振幅,数字信号处理机根据振幅的大小反馈控制相位控制器来控制马赫-曾德光纤干涉仪两臂的相位差,使监测到的振幅达到最大或最小。经上述过程,马赫-曾德光纤干涉仪输出光的某一个波谷或波峰位置将稳定在第一激光器输出激光的波长处。
同时,由相位调制器,偏振控制器和数字信号处理机调整和控制马赫-曾德光纤干涉仪的偏振态变化,并使得第二激光器输出激光的波长处于马赫-曾德光纤干涉仪的某一个波谷或波峰位置。相位调制器发出某一频率的调制信号来调制马赫-曾德光纤干涉仪两臂的相位差,该调制信号将使得马赫-曾德光纤干涉仪输出的第二激光器的激光含有相同频率的信号,该激光经波分解复用器进入第二光电探测器,数字信号处理机对第二光电探测器监测到的光功率进行数字滤波提取出相位调制器发出的调制频率的信号,并判断该信号的振幅,数字信号处理机根据振幅的大小反馈控制偏振控制器来控制马赫-曾德光纤干涉仪两臂的偏振态,使监测到的振幅达到最大,经上述过程,马赫-曾德光纤干涉仪输出光的某一个波谷或波峰位置将稳定在第二激光器输出激光的波长处。
与此同时,数字信号处理机接收第二光电探测器监测到的马赫-曾德光纤干涉仪输出的第二激光器的激光后,滤除相位调制器发出的调制频率的信号,最终将监测到外界扰动引起的马赫-曾德光纤干涉仪两臂相位或偏振态的改变。
相位调制器发出调制频率应远离偏振调制器发出调制频率和马赫-曾德光纤干涉仪的工作频率范围。
本发明和已有技术相比所具有的有益效果:
第一激光器输出激光应用于相位衰落的控制,第二激光器输出激光应用于偏振衰落的控制,二者在马赫-曾德光纤干涉仪中独立工作,不会相互影响。最终,第一激光器输出激光的波长和第二激光器输出激光的波长将分别处于马赫-曾德光纤干涉仪的波谷或波峰位置,并且消光比能达到20dB~40dB以上,因此该系统能有效的减少马赫-曾德光纤干涉仪在实际使用中的相位衰落和偏振衰落问题。
附图说明
图1马赫-曾德光纤干涉仪偏振衰落和相位衰落控制系统原理图。
图2马赫-曾德光纤干涉仪偏振衰落和相位衰落控制系统效果图。
具体实施方式
实施例一
选择下列参数的器件:
第一激光器1:工作波长为980nm;
第二激光器2:工作波长为1550nm;
波分复用器5:980/1550nm;
波分解复用器6:980/1550nm ;
偏振控制器7及偏振调制器8:OZ Optics EPC-300;
相位控制器9及相位调制器10:PZ1-STD-FC/PC;
数字信号处理机11:TMS320C6202芯片;
普通单模光纤15~18:长度为5m;
第一光电探测器3和第二光电探测器4为普通光电探测器。
马赫-曾德光纤干涉仪偏振衰落和相位衰落控制系统,,构成该系统的连接:
分路器12的一个输出端通过普通单模光纤15与相位调制器9的一端连接,相位调制器9的另一端通过普通单模光纤16与合路器13的一端连接;分路器12的另一个输出端通过普通单模光纤17与相位控制器10的一端连接,相位控制器10的另一端通过普通单模光纤18与合路器13的一端连接;分路器12、合路器13、相位调制器9和相位控制器10和普通单模光纤15~18构成马赫-曾德光纤干涉仪;普通单模光纤15、相位调制器9和通过普通单模光纤16构成参考臂;普通单模光纤17、相位控制器10和普通单模光纤18构成干涉臂。
合路器13的输出端与波分解复用器6输入端光纤连接,波分解复用器6两个输出端分别用光纤连接第一光电探测器3和第二光电探测器4;
分路器12输入端与波分复用器5输出端光纤连接,波分复用器5一个输入端经偏振调制器8与第一激光器1光纤连接;波分复用器5另一个输入端经偏振控制器7与第二激光器2光纤连接;
第一光电探测器3和第二光电探测器4由电信号线分别接数字信号处理机11的第一模/数转换输入端口AD1和第二模/数转换输入端口AD2;
偏振控制器7和偏振调制器8分别与数字信号处理机11的第一和第二数/模转换输出端口DA1,DA2电信号线连接;相位调制器9和相位控制器10分别由电信号线连接数字信号处理机11的第三和第四数/模转换输出端口DA3、DA4;
第一激光器1、偏振调制器8、相位控制器10、第一光电探测器3和数字信号处理机11组成闭环相位衰落控制系统,第二激光器2、偏振控制器7、相位调制器9、第二光电探测器4和数字信号处理机11组成闭环偏振衰落控制系统。
实施例二
马赫-曾德光纤干涉仪偏振衰落和相位衰落控制系统,构成该系统的连接与实施方式一相同,仅下列器件的参数不同:
第一激光器1:工作波长为1550nm;
第二激光器2:工作波长为1310nm;
波分复用器5:1310/1550nm;
波分解复用器6:1310/1550nm;
普通单模光纤15~18:长度为500m。
本发明中使用工作范围为980nm~1570nm的波分复用器5和波分解复用器6,第一激光器1输出激光和第二激光器2输出激光的最小频率间隔为100GHz,均能实现本发明的有益效果。
由图2可见,第一激光器输出激光的波长和第二激光器输出激光的波长将分别处于马赫-曾德光纤干涉仪的任意波谷或波峰位置,偏振衰落和相位衰落得到有效控制。
Claims (4)
1.一种马赫-曾德光纤干涉仪偏振衰落和相位衰落控制系统,其特征在于:
分路器(12)的一个输出端通过第一普通单模光纤(15)与相位调制器(9)的一端连接,相位调制器(9)的另一端通过第二普通单模光纤(16)与合路器(13)的一输入端连接;分路器(12)的另一个输出端通过第三普通单模光纤(17)与相位控制器(10)的一端连接,相位控制器(10)的另一端通过第四普通单模光纤(18)与合路器(13)的另一输入端连接;分路器(12)、合路器(13)、相位调制器(9)、相位控制器(10)和第一普通单模光纤(15)至第四普通单模光纤(18)构成马赫-曾德光纤干涉仪;第一普通单模光纤(15)、相位调制器(9)和第二普通单模光纤(16)构成参考臂;第三普通单模光纤(17)、相位控制器(10)和第四普通单模光纤(18)构成干涉臂;
合路器(13)的输出端与波分解复用器(6)输入端光纤连接,波分解复用器(6)两个输出端分别用光纤连接第一光电探测器(3)和第二光电探测器(4);
分路器(12)输入端与波分复用器(5)输出端光纤连接,波分复用器(5)一个输入端经偏振调制器(8)与第一激光器(1)光纤连接;波分复用器(5)另一个输入端经偏振控制器(7)与第二激光器(2)光纤连接;
第一光电探测器(3)和第二光电探测器(4)由电信号线分别接数字信号处理机(11)的第一模/数转换输入端口(AD1)和第二模/数转换输入端口(AD2);
偏振控制器(7)和偏振调制器(8)分别与数字信号处理机(11)的第一和第二数/模转换输出端口(DA1,DA2)电信号线连接;相位调制器(9)和相位控制器(10)分别由电信号线连接数字信号处理机(11)的第三和第四数/模转换输出端口(DA3、DA4);
第一激光器(1)、偏振调制器(8)、相位控制器(10)、第一光电探测器(3)和数字信号处理机(11)组成闭环相位衰落控制系统,第二激光器(2)、偏振控制器(7)、相位调制器(9)、第二光电探测器(4)和数字信号处理机(11)组成闭环偏振衰落控制系统。
2.根据权利要求1所述的一种马赫-曾德光纤干涉仪偏振衰落和相位衰落控制系统,其特征在于,第一激光器(1)和第二激光器(2)均为连续单色光激光器,且输出的激光波长不相等。
3.根据权利要求1所述的一种马赫-曾德光纤干涉仪偏振衰落和相位衰落控制系统,其特征在于,马赫-曾德光纤干涉仪(14)的分路器(12)为宽带分路器,马赫-曾德光纤干涉仪(14)的合路器(13)为宽带合路器。
4.根据权利要求1所述的一种马赫-曾德光纤干涉仪偏振衰落和相位衰落控制系统,其特征在于,波分复用器(5)两输入端口的波长分别为第一激光器(1)和第二激光器(2)输出激光的波长,波分解复用器(6)两输出端口的波长分别为第一激光器(1)和第二激光器(2)输出激光的波长。
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