CN101382669B - 一种基于Sagnac干涉仪的光脉冲发生方法和装置 - Google Patents

Abstract

一种基于Sagnac干涉仪的光脉冲发生方法，在Sagnac干涉仪的光纤环的一端放置一个单波导相位调制器，并用方波信号对干涉仪中沿顺、逆时针传播的光进行调制；采用上述方法的装置由光源、偏振器、光纤耦合器、光纤环、单波导相位调制器、方波发生器组成；光源发出的光通过偏振器，进入光纤耦合器被分成两等份，一份直接进入光纤环，另一份经单波导调制器后进入光纤环，方波发生器发出方波作用于单波导调制器；两束光在光纤环中分别沿顺、逆时针方向传播，不同时刻受到相同的方波相位调制，两束光返回至光纤耦合器并发生干涉，输出光脉冲信号；采用本方法输出的光脉冲的宽度和重复频率能精确设定和调节，其装置为全光纤Sagnac干涉仪结构，节约成本、易于实现。

Description

一种基于Sagnac干涉仪的光脉冲发生方法和装置

技术领域

本发明涉及一种光脉冲发生方法和装置，更特别地说，涉及一种基于Sagnac干涉仪的光脉冲发生方法和装置。

背景技术

光脉冲在光纤通信和光纤传感等领域有广泛的应用。光时域反射计(OTDR)是光纤通信工程中测量光纤接头损耗、判断光缆线路故障的重要仪器，它将光脉冲注入被测光缆中，接收后向散射光和反射光并利用其与传输时间的函数关系来确定损耗和故障点的位置。OTDR的空间分辨率和动态范围等性能指标与光脉冲直接相关，光脉冲宽度越窄，空间分辨率越高；在脉冲幅度相等的情况下，脉冲宽度越宽，动态范围越大。

布里渊光时域反射计(BOTDR)是一种分布式光纤传感器，可对传感光纤上各点的温度和应力进行分布式测量。在该系统中，将具有一定宽度和重复频率的光脉冲射入传感光纤，检测不同时刻返回的后向布里渊散射信号即可实现被测量的分布式传感。传感系统对沿传感光纤长度分布的温度和应变进行测量时所能分辨的最小空间单元，即传感系统的空间分辨率取决于射入传感光纤的光脉冲的宽度，光脉冲宽度越窄，空间分辨率越高；传感系统的测量精度也与光脉冲有关。为了实现高精度的测量，BOTDR要求注入传感光纤的光脉冲的脉宽稳定，重复频率易于调节。

现有的光脉冲发生技术主要基于强度调制器，其原理框图如图1所示；高频电脉冲信号源3提供的调制信号作用于光强度调制器2，对光源1发出的连续光进行脉冲调制，输出光脉冲信号。

现有的光脉冲发生技术存在以下问题：

1、稳定性不高：主要体现在调制器的偏置稳定性和温度稳定性方面。对调制器设置合适的偏置电压才能使其工作在最佳状态，偏置电压的变化会影响调制器的正常工作；调制器的衬底材料和波导等对温度较敏感，外界温度的变化也会对其稳定工作产生影响。

2、成本高：光强度调制器和高频脉冲信号源是现有光脉冲发生装置的核心部件，但价格较为昂贵，会增加整个装置的成本。

3、输出光脉冲信号质量差：现有光脉冲发生技术利用高频脉冲信号源对连续光进行外调制来获得光脉冲信号，所得的光脉冲信号中不仅含有直流背景噪声，且脉冲宽度难以稳定、精确控制，无法应用于如光时域反射计和分布式光纤传感器等对脉冲质量要求较高的系统。

基于以上原因，需要采用一种新的方法来获得稳定性高、易于实现且信号质量好的光脉冲。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：克服以上现有技术的不足，提供一种新型的基于Sagnac干涉仪的光脉冲发生方法和装置，能够获得高稳定性、高精度的光脉冲信号，整个装置成本低、易于实现。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种基于Sagnac干涉仪的光脉冲发生方法，其特征在于：在Sagnac干涉仪的光纤环的一端放置一个互易性单波导相位调制器，并用方波信号对干涉仪中沿顺时针和逆时针方向传播的光进行调制；输出的光脉冲信号的脉冲宽度和重复频率分别与光纤环的长度和方波调制信号的频率相关；

其中所述光纤环的时间延迟作用和所述互易性单波导相位调制器的互易性，使得所述光纤环中沿着顺时针和逆时针方向传播的两束光在不同时刻受到相同的方波相位调制。

采用上述所述方法实现的基于Sagnac干涉仪的光脉冲发生装置，其特征在于：由光源、偏振器、光纤耦合器、光纤环、互易性单波导相位调制器、方波发生器组成；光源发出的光通过偏振器后成为线偏振光，进入光纤耦合器后，被分成两等份，其中一份经第三光纤直接进入光纤环，另一份经第五光纤、互易性单波导调制器和第四光纤后，进入光纤环，两束光在光纤环中分别沿顺时针和逆时针方向传播；方波发生器发出的方波通过电缆作用于互易性单波导调制器，沿着顺时针和逆时针方向传播的两束光在不同时刻受到相同的方波相位调制；在光纤环中沿顺时针方向传播的光经第四光纤和第五光纤返回至光纤耦合器，在光纤环中沿逆时针方向传播的光经第三光纤返回至光纤耦合器，返回的两束光在光纤耦合器处发生干涉，从光纤耦合器的B端通过第六光纤会输出光脉冲信号；

其中所述光纤环的时间延迟作用和所述互易性单波导相位调制器的互易性，使得所述光纤环中沿着顺时针和逆时针方向传播的两束光在不同时刻受到相同的方波相位调制。

所述由光源、偏振器、光纤耦合器、光纤环组成的光脉冲发生装置的光路为全光纤结构。

所述全光纤光路结构可采用全保偏光纤结构或普通单模全光纤结构。

所述输出的光脉冲信号的宽度为

重复频率为2f_m，这里，n为光纤的折射率，L为光纤环的长度，c为真空中的光速，f_m为方波信号的频率。

所述光源选择窄谱光源或宽谱光源。

所述光纤环的绕制方法为：将两根光纤并为一股后，再将其绕制成环，保证光纤环所围的等效的闭合面积为零。

本发明与现有技术相比所具有的优点是：

1、本发明采用光纤陀螺中通用的方波相位偏置调制技术来发生光脉冲，技术成熟，稳定性好，精度高；

2、本发明的脉冲发生装置为全光纤Sagnac干涉仪结构，成本低，易于实现，可靠性高；

3、本发明中产生的光脉冲信号的宽度和重复频率与光纤环的长度和方波调制信号的频率直接相关，便于对脉冲宽度和重复频率进行精确设定和调节。

附图说明

图1是现有的基于强度调制器的光脉冲发生原理结构框图；

图2是本发明中所采用的光脉冲发生装置的原理结构框图；

图3是本发明中用于方波相位调制的单波导调制器示意图；

图4是本发明中利用方波相位偏置调制技术产生光脉冲的原理示意图；

图中：1.光源，2.光强度调制器，3.电脉冲信号源，4.第一光纤，5.偏振器，6.第二光纤，7.光纤耦合器，8.第三光纤，9.光纤环，10.第四光纤，11.单波导相位调制器，12.电缆，13.方波信号发生器，14.第五光纤，15.第六光纤，16.波导，17.衬底材料，18.第一金属电极，19第二金属电极。

具体实施方式

下面将结合附图和实施例对本发明做进一步的详细说明。

参见图2，本发明的基于Sagnac干涉仪的光脉冲发生装置。光源1通过第一光纤4与偏振器5连接，偏振器5通过第二光纤6与光纤耦合器7的A端连接；光纤耦合器7的C端通过第三光纤8与光纤环9的A端连接；光纤耦合器7的D端通过第五光纤14与单波导调制器11连接；单波导调制器11通过第四光纤10与光纤环9的B端连接；方波发生器13通过电缆12与单波导调制器11连接；光脉冲信号从光纤耦合器7的B端通过第六光纤15输出。

在光传输过程中，光源1发出的光通过偏振器5后成为线偏振光，进入光纤耦合器7后，被分成两等份，其中一份经第三光纤8直接进入光纤环9，另一份经第五光纤14、单波导调制器11和第四光纤10后，进入光纤环9，两束光在光纤环9中分别沿顺时针和逆时针方向传播。方波发生器13发出的方波信号通过电缆12作用于单波导调制器11，由于光纤环9的时间延迟作用和单波导调制器11的互易性，沿着顺时针和逆时针方向传播的两束光在不同时刻受到相同的方波相位调制，时间差等于光纤环9的延迟时间τ_g(

n为光纤的折射率，L为光纤环的长度，c为真空中的光速)；在光纤环9中沿顺时针方向传播的光经第四光纤10和第五光纤14返回至光纤耦合器7，在光纤环9中沿逆时针方向传播的光经第三光纤8返回至光纤耦合器7，返回的两束光在光纤耦合器7处发生干涉，从光纤耦合器7的B端通过第六光纤15会输出光脉冲信号。

参见图3，本发明中使用的用于方波相位调制的单波导相位调制器。在平面衬底材料17的表面上形成窄带沟道，掺杂其它材料增加折射率形成波导16，在波导16两侧分别镀上第一金属电极18和第二金属电极19制成单波导相位调制器11，第五光纤14和第四光纤10与单波导相位调制器11的端面对接，便于单波导调制器11与其它光纤耦合。方波发生器13发出的调制方波信号作用于第一金属电极18和第二金属电极19，电场的作用改变了波导16的折射率，使在波导16中传输的光的相位随方波调制电压的变化而变化，从而使传输光的相位受到调制。

参见图4，本发明中利用方波相位偏置调制技术产生光脉冲的原理。参见图4(a)，方波相位调制信号φ_m(t)，其周期为2T_S。图中用虚线绘制的方波为延时τ_g后的相位调制信号，因此相位差调制信号为：

Δφ_m(t)＝φ_m(t)-φ_m(t-τ_g)                       (1)

参见图4(b)，上方为Sagnac干涉仪未加偏置相位调制时的固有响应，可表示为：

P＝P₀[1-cos(Δφ)]                                (2)

式(2)中，P₀为响应曲线的峰值光功率，Δφ为相位差。

图4(b)下方所示为相位差调制信号。输出信号参见图4(c)，为光脉冲信号，脉冲宽度为τ_g，周期为T_S，它们分别与光纤环9的长度和方波信号发生器13发出的方波调制信号的频率有关：

光脉冲的宽度同光纤环9长度之间的关系为：

τ_g＝nL/c                                         (3)

式(3)中，n为光纤的折射率，L为光纤环9的长度，c为真空中的光速。

光脉冲的周期为T_S，则其重复频率为

方波调制信号的周期为2T_S，则其频率为

光脉冲的重复频率和方波调制信号的频率之间的关系为：

f_R＝2f_m                                           (4)

式(4)中，f_R为光脉冲的重复频率，f_m为方波调制信号的频率。

在本发明中，光源1的类型根据应用要求来选择：对于相干探测，可选择窄谱光源，如DFB-LD、窄线宽光纤激光器等；对于非相干探测，可选择宽谱光源，如LED、SLD、掺铒超荧光光源等。参见图2，本发明的光路为全光纤光路结构，可根据具体要求选择全保偏光纤光路结构或普通单模全光纤光路结构。

对于全保偏光路结构，光纤耦合器7选用保偏光纤耦合器，第一光纤4、第二光纤6、第三光纤8、第四光纤10、第五光纤14和光纤环9都选用保偏光纤，它们的偏振主轴方向与偏振器5的通光轴方向一致。

对于普通单模全光纤光路结构，光纤耦合器7选用普通单模光纤耦合器，第一光纤4、第二光纤6、第三光纤8、第四光纤10、第五光纤14和光纤环9都选用普通单模光纤。

在全保偏光纤光路结构或普通单模全光纤光路结构中，Sagnac干涉仪的光纤环9的绕制方法为：将两根光纤并为一股后，再将其绕制成环，其绕制原则是使光纤环围成的等效的闭合面积为零，这种绕制方法可以消除Sagnac效应的影响。

Claims (8)

1.一种基于Sagnac干涉仪的光脉冲发生方法，其特征在于：在Sagnac干涉仪的光纤环的一端放置一个互易性单波导相位调制器，并用方波信号对干涉仪中沿顺时针和逆时针方向传播的光进行调制；输出的光脉冲信号的脉冲宽度和重复频率分别与光纤环的长度和方波调制信号的频率相关；

其中所述光纤环的时间延迟作用和所述互易性单波导相位调制器的互易性，使得所述光纤环上沿着顺时针和逆时针方向传播的两束光在不同时刻受到相同的方波相位调制。

2.根据权利要求1所述的基于Sagnac干涉仪的光脉冲发生方法，其特征在于：输出的光脉冲信号的宽度为

重复频率为2f_m，这里，n为光纤的折射率，L为光纤环的长度，c为真空中的光速，f_m为方波信号的频率。

3.一种采用权利要求1所述方法实现的基于Sagnac干涉仪的光脉冲发生装置，其特征在于：由光源(1)、偏振器(5)、光纤耦合器(7)、光纤环(9)、互易性单波导相位调制器(11)、方波发生器(13)组成；光源(1)发出的光通过偏振器(5)后成为线偏振光，进入光纤耦合器(7)的A端后，被分成两等份，其中一份经第三光纤(8)直接进入光纤环(9)，另一份经第五光纤(14)、互易性单波导相位调制器(11)和第四光纤(10)后，进入光纤环(9)，两束光在光纤环(9)中分别沿顺时针和逆时针方向传播；方波发生器(13)发出的方波通过电缆(12)作用于互易性单波导相位调制器(11)，沿着顺时针和逆时针方向传播的两束光在不同时刻受到相同的方波相位调制；在光纤环(9)中沿顺时针方向传播的光经第四光纤(10)和第五光纤(14)返回至光纤耦合器(7)，在光纤环(9)中沿逆时针方向传播的光经第三光纤(8)返回至光纤耦合器(7)，返回的两束光在光纤耦合器(7)处发生干涉，从光纤耦合器(7)的B端通过第六光纤(15)会输出光脉冲信号；

其中所述光纤环的时间延迟作用和所述互易性单波导相位调制器的互易性，使得所述光纤环上沿着顺时针和逆时针方向传播的两束光在不同时刻受到相同的方波相位调制。

4.根据权利要求3所述的基于Sagnac干涉仪的光脉冲发生装置，其特征在于：由光源(1)、偏振器(5)、光纤耦合器(7)、光纤环(9)组成的光路为全光纤结构。

5.根据权利要求3或4所述的基于Sagnac干涉仪的光脉冲发生装置，其特征在于：全光纤光路结构可采用全保偏光纤结构或普通单模全光纤结构。

6.根据权利要求3所述的基于Sagnac干涉仪的光脉冲发生装置，其特征在于：所述输出的光脉冲信号的宽度为

重复频率为2f_m，这里，n为光纤的折射率，L为光纤环的长度，c为真空中的光速，f_m为方波信号的频率。

7.根据权利要求3所述的基于Sagnac干涉仪的光脉冲发生装置，其特征在于：光源(1)选择窄谱光源或宽谱光源。

8.根据权利要求3所述的基于Sagnac干涉仪的光脉冲发生装置，其特征在于：光纤环的绕制方法为：将两根光纤并为一股后，再将其绕制成环，保证光纤环所围的等效的闭合面积为零。

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