CN1013710B - 一种窿格奈克型干涉仪系统 - Google Patents

Abstract

光纤干涉仪系统既可用在陀螺仪上又可应用于法拉第效应测量电流方面。它包括一个与构成干涉环的单模光纤(200)两端相连的光学板(100)，光学板又包括一个光电检测器(103)和一个前、后端面都可藕合的光源。光电检测器与光源是共线的。这两束沿干涉环反向传播的光，通过相位调制而具有相对相位差并且它们的光功率也受幅度调制。电子板产生这些调制，并从光电检测器的信号中，提取这两种调制频率间拍频较低的分量，因而可以测量这两束光的相对相位差。

Description

本发明是关于窿格奈克（Sagnac）型干涉仪系统的，可用在陀螺仪上或用于依法拉第效应测量电流方面。

这种干涉仪系统是利用出自同一光源的两束光，沿着同一根单模光纤按相反方向传播，两束光有相同的光程，在到达检测器前就进行干涉的原理。光源一般为激光型二极管。系统能显示非互易相位变化，此非互易相位变化取决于光束的传播方向，并由于陀螺仪中的窿格奈克效应或测量电流时的法拉第效应而产生。非互易相位变化的产生较之互易相位变化的产生要容易一些。这是因为光束在沿着干涉仪传播过程中遇到各种干扰而产生的互易相位变化，在光电检测器上会因补偿而消除掉。

若不采取特殊措施，在光电检测器上的两束光的光功率会产生一个直流分量和一个正比于它们相对相位差余弦的分量，这样就会形成光电检测器余弦探测定律在原点处其灵敏度为零的缺点。为了克服此缺点，通常对着干涉环传播的两束光进行周期性的、对称的相位调制，调制周期为2τ，其中τ是光束绕干涉环传播一周所用的时间。如已出版的法国专利申请号FR-A-2471583上所述，这种相位调制在光电检测器上可以产生一个含有频率分量为1/2τ的信号，该信号正比于两束光相对相位差的正弦，在原点处一个小的相对相位差范围内，光电检测器有最大的灵敏度。

除了利用光束的相位调制外，用于陀螺仪或用于利用法拉第效应测电流的窿格奈克型干涉仪系统还用了一个集成光学元件Y-型耦合器，用以在将光输入进构成干涉环的光纤之前将光源的光分成两束，并将从干涉环输出的两束光重新合并为一束，同时还使用了一个方向耦合器，将光源发出的光与两束从干涉环返回的光分开。

这种集成光学器件结构紧凑，对震动不灵敏……，优于传统的光学装置。然而，它们也存在着这样的缺点，就是吸收系数不能忽略而且使用起来相对困难些。这也就是为什么要提出这样的建议，特别是在法国专利申请，号FR-A-2582800，中提出这样的建议即去掉方向耦合器，而直接将光源与光电检测器连接起来，并使二者共线，或者将光源与光电检测器都做成单个半导体二极管，一个作为发射器（光源），一个作为光能量检测器，或者将二者准直，用一个前、后端面都可耦合光的半导体二极管作光源，将其放在光电检测器与Y-型耦合器之间，所说的二极管交替地起发射器和光能量放大器的作用。

在上述的各种情况下，切换半导体二极管周期性地发射光脉冲，光脉冲在小于τ¹的时间内尽可能地持续较长时间。这里的τ¹是两束光沿着它们整个光程传播一个来回所用的时间。由于在光源与干涉环路之间的这段来回光程同干涉环路自身的长度相比较小，所以切换周期2τ′与为使探测灵敏度最佳而采用的相位调制的调制周期2τ非常接近。这样，从检测器端输出的信号中，来自源切换和来自相位调制的各个分量就会相互重迭，致使难于探测有用信号。

在上面提到的法国专利说明书FR-A-2582800中提到，在光源与Y-型耦合器之间加一段光纤，使两束光传播一个来回 所用的时间人为地加倍，这样就可以解决上述困难，所说的附加光纤的长度为干涉环的四分之一。

本发明的目标就是不用附加较长的光纤就能解决上述困难，这样可以避免增加干涉仪系统的体积并避免降低光能效率。

本发明给出一种窿格奈克型干涉仪系统，它包括：

一根构成干涉环的光纤;

一个光源和一个光电检测器，二者共线：

光学耦合装置，用来将光源发出的光波分成两个光束，每一光束加到光纤的每一端，还用来将从光纤两端输出的光合为一束，这束光与从光源发出的按相反方向传播且传向检测器的光波是共线;

相位调制装置，可对两束沿着光纤进行周期性的、对称的相位的相位调制;

幅度调制装置，可调制光源发出的光功率;

电子设备，用来处理光电检测器送来的信号;

该系统的特征在于：其处理光电检测器来的信号的电子设备包括一个解调器，它工作在光束相位调制频率和光源幅度调制频率间拍频的较低频率上。

本发明的其它特征和优点可从下面的说明和具体的例子中看出。说明将参照本发明的唯一的附图来进行。附图为按照本发明的隆格奈克型干涉仪系统的光学部分和电子部分的框图。

图中的干涉仪包括一个电子板300和一个光学板100，100与构成干涉环的单模光纤200的两端相连。

光学板100包含一个激光二极管101，其前、后端面都可发射光。激光二极管通过后端面与光电检测器103耦合，通过其前端 面与集成光路102耦合，它具有极化器作用、滤模器作用、Y-型耦合器作用、相位调制器作用。

集成光路102通常包含光电衬底片和电极，光电衬片具有Y型固态光波导，而电极间可建立电场。集成光路有一个普通的I/O（输入/输出）端口104，它与激光二极管101的前端面耦合，还有两个平行的I/O端口105和106，与组成干涉环的光纤200的两端进行耦合。普通的I/O端口104构成了一个固态单模光波导107的极化维持端，固态光波导107的108区域内通过质子交换掺杂工艺或金属沉积工艺变换成极化器。该固态光波导107同Y-接头相连。此Y-接头另有两个极化维持单模光波导109和110分别与平行的I/O端口105和106相连。

这个接头把通过固态光波导107而接收的光能量平均分配给另两个光波导109和110，每一个光波导都穿过一对相应的电极111和112或113和114。电极间可以建立电场以局部地改变光学材料的折射率，从而达到调制光束相位的目的。

构成干涉环的单模光纤200，或者是陀螺仪应用的极化维持光纤，这里，在干涉仪环内产生窿格奈克效应，而线性极化的两束反向传播光束通过该干涉环，或者是用于测量电流的单模光纤，它由于有四分之一波长滤波器作用的端接环而具有很高的园双折射率，在这里其干涉仪环实现法拉第效应，该环内通过的是两束园极化的反向传播的光束。

在该光路中，从激光二极管101的前端面出射的光波，通过公共I/O端口104而进入集成光路102，它在固态光波导107中进行滤模及线性极化，并被分成两束线性极化光束，每束光经过并 行的I/O端口105和106之一而出射。在两束光在构成干涉环的光纤200中按相反方向传播，每一束光在离开光纤时都有一定的相对相位差，以便经由另一个并行的I/O端口返回等成光路102在这里，这两束光合成一束并被滤模。然后光束返回激光二极管，穿过它，并与直接从激光二极管的后端面出射的光一起射到光电检测器103上。

两束沿着构成干涉环的光纤反向传播的光，各自的光功率为P1和P2，它们重新会合后的光功率P可由下式给出：

P＝P1+P2+2 $\sqrt{\mathrm{P1P2}}$ Cos△φ

这里，△φ是两束反向传播的光，在绕光纤200传播一周时由于隆格奈克效应成法拉第效应而产生的相对相位差。

这个功率包含了一个很有用的分量，此分量正比于Cos△φ，但缺憾是在较小的相位差时灵敏度为零。

为了改善灵敏度，传统方法是对干涉环中两束反向传播的光的相位角进行角度调制以期得到等值、互为反号的瞬时相位差。这种相位调制可以通过在成对电极111和112、113和114之间建立电场而产生的电光效应而得到。该电场为脉冲激励，脉冲频率为干添环谐振频率（也就是干涉环固有频率）的一半。加入这种相位调制的作用是使两束光从干涉环返回后的光功率的表达式变为：

P＝P1+P2+2

Cos〔△φ+αCos

（（2π/2t）t+β）〕

这里，α是调制指数，τ是光束沿干涉环传播一周所用的时间。

这个光功率有一个频率半富的频谱，尤其是它包括：

直流分量;

一个频率为1/2τ的相位调制分量，该分量正比于相对相位差△φ的正弦，而且在较小的相位差范围内，有最大的灵敏度;

一个频率为相位调制频率的两倍，即1/τ的分量，该分量正比于相对相位差△φ的余弦，且当相对相位差的余弦为零时，该分量为零。

在激光二极管与光电检测器没有准直而靠一个方向耦合器来放置激光二极管和光电检测器的光路中，从干涉环返回的两束光的相对相位差可以从一个频率为1/2τ的分量中测出，该分量是将光电检测器上的信号进行同步解调而得到的。

当激光二极管与光电检测器对准或者二者由相同的元件组成时，通常使激光二极管发射周期性的脉冲，脉冲周期小于脉冲返回所需的时间。为检测返回的脉冲光功率，要么使用在发射两个脉冲的间隙时间内，充任光电检测器的激光二极管，要么使用光电检测器，接收经由激光二极管的前、后端面而返回的光脉冲。

为了获得高的能量效率，必须利用发射和接收光脉冲之间的最大的持续时间τ′。τ′应等于光从激光二极管到干涉环所需的时间τ″的两倍加上光绕干涉环一周所需的时间t，即：

τ′＝2τ″+τ

这样，发-收切换周期2τ′就非常接近于相位调制周期2τ′因为激光二极管与干涉环之间的距离远远小于环的长度。所以光电检 测器上所产生的信号的谱就包括了频率为1/2τ的谱线，这些谱线是由于激光二极管的发-收切换调制所产生的，它影响了相位调制所产生的频率为1/2τ的谱线的探测。

一个已知的消除此干扰的办法就是在激光二极管与干涉环之间的光路上加入一段单模光纤作为辅助光程以延长光脉冲在其间的光程，这样，就可以将相位调制频率与激光二极管的发-切切换频率分开，辅助长度大约为构成干涉环的光纤长度的四分之一。但是，这就增加了装置的体积并减少了光能效率。

依照本发明，在激光二极管的发-收切换所产生的调制，更普遍地说，就是激光二极管发出的光的任何幅度调制，同相位调制相联后，有用的信号分量是在检测器信号的不同的谱线上的，因而能够同其它信号分开。

如果从激光二极管中出射的光能量被一个频率为f₁的正弦波进行幅度调制，那么进入干涉环的每一束光就要按如下形式变化：

P1＝P01（1+mSin2πf₁t）

P2＝P02（1+mSin2πf₁t）

这里，P01和P02是常数，m是幅度调制深度。把相位调制也考虑在内时，这样的两束从干涉环返回的光的光功率由下式给出：

P＝（1+m·Sin2πf₁t）·〔P01+P02+

2 $\sqrt{\mathrm{P01·P02}}$ Cos（△φ+Cos（（π/τ）

t+β））〕

此关系式用贝塞尔函数进行数字分析，可以证明来自干涉环的光束的光功率P具有谐波非常丰富的频谱，它包含了一个频率为｜1/2τ-f₁｜的谱线，其功率P′正比于相对相位差角，即

P′＝1/2m·P0·J1（α）·Sin△φ·Sin

（2π｜1/2τ-f₁｜t+P）

这里，J1是第一类一阶贝塞尔函数，P0是光功率P01和P02的和。

因此，只要两个调制频率稍有不同，这个分量便存在，并可用来测量两束光的相对相位差，而此时对于小的相位差有最大的灵敏度。

电子板300用于提供能产生这个分量的相位调制和幅度调制，并分离此分量，然后利用此分量来得到从干涉环返回的两束光的相位差。电子板300可分成发射部分，处理部分和服务部分和服务部分。发射部分产生对干涉环中反向传播的两束光进行幅度和相位联合调编所需的电信号;接收部分用于从两束反向传播并从干涉环中返回的光的差拍中提取一个正比于它们相对相位差的信号;处理部分用于把接收部分的信号进行数字处理并将测量结果传送到外部干涉仪系统，并使该测量与一个外部时间基准相同步;服务部分，包括一个电源设备301和光学板100的温控装置。

光学板100的温度由控制块302来调节，控制块302与光学板100中的温度测量装置115相连接。

发射部分包括一个调制器303和一个频率合成发生器304。调制器调制激光二极管101的光功率。

功率调制器303由一反馈回路来稳定，该反馈回路包括同激光二极管101后端面耦合的光电检测器103。由频率合成器304的输出信号所控制的调制载波f₁为功率调制器303提供一个输入信号。频率合成器304有第二个输出信号，在此输出端，可将频率为f₂的信号的频率转换成1/2τ，因而用来控制集成电路102中光学相位调制器的两对电极111和112和及113和114，第三个输出信号为｜f₁-f₂｜，被送入接收部分的同步解调器305中。频率合成器304还有一个由时钟电路306控制的同步输入信号，时钟电路306属于对接收信号进行数字处理的那部分装置。

同步解调电路305组成了接收部分，其前面是放大器和滤波器电路307。307同光电检测器103的输出端相连，光电检测器与激光二极管101的后端面耦合。同步解调器305后面是另一个放大和滤波电路308。

同激光二极管101的后端面耦合的光电检测器103提供一个光信号。此信号正比于从激光二极管接收到的光功率，该光功率或是直接从激光二极管到达检测器，或是通过干涉环返回并通过激光二极管后再到达检测器上。这个信号包括：

一个频率为f₁的主要分量，此频率上激光二极管发出的光功率受到调制，因为从激光二极管直接接收到的光通量经过了二极管的后端面;

一个幅度非常低的拍频分量，拍频是两束反向传播的幅度和相位均受到调制的从干涉环返回经过激光二极管的光之间的拍频，如上所说，此分量满足下面的方程：

P＝（1+m·Sin2πf₁t）〔P01+P02+2

Cos（△φ+Cos（（π/τ）t+β））〕

该信号被电路307滤波放大，以得到一个频率为｜f₁-f₂｜的分量，上面曾提到，此分量应具有如下形式：

P′＝1/2·m·P0·J1（α）·Sin△φSin

（2π｜1/2τ-f₁｜t+P）

此信号被送入同步解调器305中解调，并通过电路308滤波和放大，则得到一个代表相对相位差的测量信号，形式为：

S（t）＝K·Sin△φ（t）

该技术有可能利用非常接近相位调制频率f₂的频率f₁上的幅度调制。在干涉环的极化维持单模光纤大约有1公里长的干涉仪的固有频率，因此也是相位调制频率，大约为100KHz，与之比较接近的频率，比如98KHz，可以考虑作为对激光二极管发出的光进行幅度调制的调制频率。如果重要的话，就有可能利用开/关（on/off）幅度调制来将发射脉冲和光电检测器端的返回脉冲分开，而只需要在激光二极管和干涉环之间增加非常短的光程，本例中大约只需10米长的光纤，远远小于先前技术中所需的250米。

同样，在利用法拉第效应测量电流的装置中，干涉环的具有高的 园双折射单模光纤若为10米，干涉仪的固有频率，也就是相位调制频率，应大约为10MHz，可以设想用约9.95MHz的频率作为对激光器发出的光能量进行幅度调制的调制频率。在激光二极管的开/关幅度调限的条件下，将检测器端的发液脉冲和返回脉冲分开，就意味着只需在激光二极管与干涉环之间附加约25厘米长的光纤就行，远远小于以前技术中所需的2.5米。

从放大器回路308输出的代表相对相位差的测量信号S（t）被一个模/数（A/D）转换器309取样并量化。模/数转换器309包括一个取样保持电路和一个按常规方式工作的模/数转换装置。

电子板300上用于对信号进行数字处理的那部分由一个信号-处理器310，一个通信处理器311和一个时钟电路306所组成成。

信号-处理处理器310的主要任务就是获得精确代表两束来自干涉环的、反向传播的光的相对相位差的值。该值可以从S（t）中推算出来。而S（t）则由接收部分变换，且在模/数转换器309的输出端被变成有用的数字信号形式。然后处理器利用窿格奈克效应或法拉第效应的定义关系，推算陀螺仪中的角速度值或利用法拉第效应测量电流时的电流值。

通信处理器311将信号处理器310给出的瞬时测量值进行编码、串行化并进行数字传送、并通过发光二极管（LED）312和一根单模或多模光纤进行外部传送。

时钟电路306通过另一单模或多模光纤315接收外同步信号，这在干涉仪系统与别的装置同步工作时特别有用。电路306也 能提供一个稳定的时钟信号供发射部分的频率合成器304用，以产生调制载频f₁和f₂，或在合适的相位上产生调调载波（f₁-f₂）以保证同步解调电路305正常工作。

本发明内的各种配置可做抽正，各种装置可用等效的装置来代替，但都应属于本发明的范围。

Claims (3)

1、一种窿格奈克型光干涉仪系统，它包括：

一根构成干涉环的光纤(200)；

一个光源(101)和一个光电检测器(103)，二者共线；光学耦合装置(102)，用来将光源(101)发出的光分成两束，每一束光被输入光纤(200)的一个相应端，光学耦合装置还用来把从光纤(200)两端出射的两束光合为一束，此束光与从光源(101)发出的另一束传播方向相反、直接到达检测器(103)上的光是共线的；

相位调制装置(111、112、113、114)，对两束沿着光纤(200)传播的光进行周期性、对称的相位调制；

幅度调制装置(303)，对光源(101)发出的功率进行调制；

电子装置，用于处理光电检测器(103)输出的信号；

该系统的特征是：其处理光电检测器(103)输出信号的电子装置包括一个解调器(305)，它工作在光束的相位调制频率与光源幅度调制频率间拍频的较低拍频上。

2、权利要求1中所述的干涉仪系统，其特征在于：调调器（305）是同步解调器。

3、权项1所说的干涉仪系统，其特征在于：其幅度调制是使光源（101）作脉冲操作的开/关（on/off）调制。

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