CN101526374B - 抗偏振衰落及偏振相位噪声的全光纤Mach-Zehnder干涉仪 - Google Patents
抗偏振衰落及偏振相位噪声的全光纤Mach-Zehnder干涉仪 Download PDFInfo
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Abstract
本发明涉及一种解决光纤Mach-Zehnder干涉仪中偏振扰动引起的偏振衰落及偏振相位噪声问题的方法和系统。本发明方法通过在光纤Mach-Zehnder干涉仪的两干涉臂间桥接一个级联光纤环链，将一对干涉光分解为传输路径不同的无穷多对微小干涉光。通过环长设计可使不同传输路径的光分量之间不相干，并优化设计光分路器的耦合系数，使光分量强度分布合理。每一对微小光分量的偏振状态是随机的，但所有干涉光对的传输相位差相同，因此该光纤Mach-Zehnder干涉仪的输出是各不同传输路径所对应的大量相干光分量对的干涉结果的统计平均。当独立干涉的光分量对数目足够多时，统计干涉结果则趋于稳定，由此可解决系统中偏振扰动引起的偏振相位噪声及偏振衰落问题。
Description
技术领域
本发明涉及一种可以克服一般光纤Mach-Zehnder干涉仪中由于干涉结构中的偏振扰动以及光源的偏振扰动引起的偏振衰落及偏振相位噪声问题的新型光纤Mach-Zehnder干涉仪。关键是采用级联光纤环链实现光纤Mach-Zehnder干涉仪中的两干涉臂上传输光的退偏干涉，由此解决系统的偏振衰落和偏振相位噪声问题。
背景技术
光纤传感技术是新一代传感器的发展趋势，与光通信、光信息处理共同构筑了光信息技术，是国内外公认的最具有发展前途的领域。光纤传感器以被传感量转化为光波信号的不同分量，如强度、光频、相位变化而主要分为强度、波长和干涉相位型等传感类型。干涉相位型光纤传感器主要是采用干涉结构解调光相位的变化，测量灵敏度最高，由于此类光纤传感器属于相干检测，因此测量结果对系统结构的偏振特性极为敏感，对系统的偏振稳定性要求极高。一般而言，光纤传感系统中的偏振不稳定性主要来自于两方面：一是入射到光纤干涉结构的入射光的偏振方向的随环境温度等变化的随机扰动，二是光纤干涉结构内部，由于光纤的随机弯曲、扭转等效应导致的双折射效应对传输光的偏振态产生影响，而这些影响又随环境温度、机械振动等外界因素的变化而变化，因此导致干涉光束的偏振态的动态随机变化。这两个因素将导致系统检测可见度的不确定变化。极端情况当两干涉光的偏振态呈相互正交时，会导致干涉测量的失败，这就是干涉型光纤传感器中的偏振衰落问题。而偏振相位噪声问题是由于进入光干涉仪之前的光偏振态扰动导致检测信号相位的变化。偏振衰落和偏振相位噪声问题一直是阻碍干涉型传感器广泛应用的主要障碍，也是光纤传感领域一直致力解决的问题。
迄今为止，已有各种光纤传感器的偏振衰落抑制偏振衰落的技术被提出、研究并应用。这些解决方案可归纳为四类。一是采用保偏光纤实现对整个系统的光的偏振状态的保持。该方案对保偏光纤干涉系统的结构要求十分严格，要求输入光具有良好的线性偏振且偏振方向与主轴的严格一致，任何光纤的扭转、弯曲等引起的应力双折射都可导致偏振态的更加不稳定，因此系统的建立、使用、维护成本很高。二是采用偏振分离检测技术。这种技术可以使用一般单模光纤干涉结构，通过分别检测并比较两正交偏振方向上的光功率，实现抗偏振衰落。该方案的主要问题是检测技术复杂。第三种方法是采用扰偏技术。扰偏技术是在光纤干涉结构中通过不同方法，对光的偏振态进行主动、快速、周期性扰动，实现两干涉光在时间平均上的退偏，以实现抗偏振衰落的目的。第四种方法是在光进入干涉机构之前退偏来消除偏振相位噪声、在光纤干涉结构中安插退偏器来解决偏振衰落问题。
目前的退偏器技术主要采用Lyot退偏方法。Lyot退偏器主要由采用双折射晶体或双折射光纤构成，需要精确地的准直和调节。且受双折射晶体或光纤的长度限制，退偏一般只对宽光谱光源有效，因此传感系统的光源的相干长度很小，对不同光纤臂的光纤传感器干涉臂的等长要求非常严格。
本发明利用桥接在Mach-Zehnder中的级联光纤环链构成无穷多个传输路径，通过这些光传输路径，分别将两干涉臂的光分解为传输路径不同的无穷多个微小光分量对。通过环长的设计，可实现经过不同传输路径的光分量之间不相干；并通过构成光纤环链的光分路器的耦合系数的优化设计，实现各传输路径光分量强度的合理分配。系统检测结果是各传输路径所对应的大量相干光对的干涉结果的统计平均。
发明内容：
本发明的目的在于针对已有技术存在的缺陷，提供一种抗偏振衰落及偏振相位噪声的全光纤Mach-Zehnder干涉仪。
为达到上述目的，本发明的构思是：利用桥接在光纤Mach-Zehnder干涉两臂上的一个级联光纤环链构成无穷多个传输路径，通过这些光传输路径，可分别将两干涉臂上的光分解为传输路径不同的无穷多个微小光分量对。通过环长的设计，实现同一臂上不同传输路径的光分量之间不相干；光纤环链的每个传输路径，都存在光强相等，传输相位差等于干涉仪相位差、但偏振态随机的一对相干光分量对，因此两个干涉臂上共有无数对这样的微小干涉光对，所有干涉光对之间的相位差相同。通过级联光纤环环长的优化设计，可实现不同路径的干涉光对之间不相干。通过对级联光纤环链中光分路器分光比的优化设计，实现各传输路径对应光分量在强度上的合理分布。而系统中由光源、光纤引入的偏振扰动对正反向光的干涉的影响，随机分布于各传输路径所对应的干涉光分量对的干涉上，每一干涉光对的偏振状态是随机的；因此系统检测结果是各传输路径所对应的相干光对的干涉结果的统计平均，根据大数定理，当独立干涉的光分量对数目足够多时，其统计结果趋于稳定，由此解决系统中各种偏振扰动的带来的偏振相位噪声以及偏振衰落问题。
根据上述发明构思，本发明采用下述技术方案：
一种抗偏振衰落及偏振相位噪声的全光纤Mach-Zehnder干涉仪，包括一个光纤Mach-Zehnder干涉仪：由一个光源输出的光经一个光隔离器和一个1∶1的第一光分路器后分成两路强度相同的光进入两个干涉臂，其特性在于：有一个级联光纤环链通过两个1∶1的第二和第三光分路器桥接在所述两个干涉臂上，一个干涉臂的光由其第二光分路器经级联光纤环链至第三光分路器后经光路至一个第四光分路器后到一个光检测器，而另一个干涉臂的光由其第三光分路器经级联光纤环链至第二光分路器后经光分路器到所述光电检测器；所述级联光纤环链使MACH-ZEHNDER的两干涉臂上的光沿相反方向经过级联光纤环链，分别将两干涉臂上的光分解为无穷多个传输路径不同的微小光分量，同一臂上，不同传输路径的微小光分量之间不相干；每个光传播路径对应着两干涉臂上的一对在级联光纤环链上同路径但反向经过、等光功率、偏振态随机的两个相干分量，且所有传播路径的对应的两个相干分量具有相同的相位差；因此，接收光是所有分离路径所对应的两臂上的干涉光的独立干涉结果的统计平均，由此实现系统检测结果与系统中光源及光纤干涉结构中的引入的随机偏振扰动无关，解决该偏振扰动导致的偏振相位噪声及偏振衰落因此实现抗偏振衰落。
在上述的抗偏振衰落及偏振相位噪声的全光纤Mach-Zehnder干涉仪中，通过对级联光纤环链中的光分路器的分光比及光纤环长的优化，实现退偏。
在上述的抗偏振衰落及偏振相位噪声的全光纤Mach-Zehnder干涉仪中，级联光纤环链置于Mach-Zehnder两干涉臂的任何位置，两干涉光经过同一级联光纤环链(5)。
在上述的抗偏振衰落及偏振相位噪声的全光纤Mach-Zehnder干涉仪中，级联光纤环链(5)中的光纤环的数目可从1个到系统所能允许的数目；级联光纤环数越多，则经过光的退偏特性越好。
在上述的抗偏振衰落及偏振相位噪声的全光纤Mach-Zehnder干涉仪中，级联光纤环链(5)由一般单模光纤构成。
在上述的抗偏振衰落及偏振相位噪声的全光纤Mach-Zehnder干涉仪中，所述全光纤Mach-Zehnder干涉仪采用一般单模光纤构成。
在上述的抗偏振衰落及偏振相位噪声的全光纤Mach-Zehnder干涉仪中，工作光源的谱宽由级联光纤环的环长和Mach-Zehnder干涉仪的两干涉臂长差决定，谱宽越宽，环长越短；各级联光纤环环长的比例决定系统接收的稳定度，级联光纤环数目越多，干涉检测结果越稳定。
本发明与现有技术相比，具有如下显而易见的突出实质性特点和显著有点：
(1)不同于一般的光纤Mach-Zehnder干涉仪，本发明通过桥接级联光纤环链，实现光分量的空间路径分解。通过优化设计级联光纤环长度、数目及分光比例，空间路径分解后实现的大量微小光分量之间互不相关，干涉检测结果不再是一对相干光的干涉结果。而是无数对相位差相同、光强相同、偏振态随机分布的微小相干光对的干涉结果的统计平均。
(2)不同于目前的扰偏技术中采用的时间平均，本发明通过光的空间路径分离，实现大量随机干涉结果的统计稳定。
(3)系统不仅可以解决由光源偏振扰动导致的偏振相位噪声，而且可以解决光纤干涉结构内部的偏振扰动带来的偏振衰落问题。
(4)系统的光纤可全部采用一般的单模光纤，整个系统无需偏振控制器件，以及偏振保持光纤。
(5)系统构成采用无源器件。
(6)系统的形成简单易实现。
附图说明
图1是本发明一种抗偏振衰落及偏振相位噪声的全光纤Mach-Zehnder干涉仪的结构框图。其中构成光纤段L1+桥接的级联光纤环链+L4与L2+桥接的级联光纤环链+L3分别构成Mach-Zehnder干涉仪的两臂。
图2是本发明中桥接的级联光纤环的结构框图。
图3是本发明中级联光纤环链中光的路径分解示意图。
具体实施方式
本发明的优选实施例结合附图说明如下：
参见图1，本发明利用桥接的级联光纤环链(图2)，可分别在Mach-Zehnder光纤干涉仪两干涉臂上构成无穷多个传输路径，这些光传输路径将两臂上的传输光的分别分解为传输路径不同的无穷多个微小光分量。同方向传输的路径分解光分量之间互不相干，相同路径的两干涉臂的光分量对强度相同，偏振态随机；因此由光探测器接收的总干涉结果是各传输路径所对应的相向经过级联光纤环链的各微小相干光对的干涉结果的统计平均。当级联光纤环数足够多，光路径分解分量足够大时，其统计干涉结果趋于稳定，由此解决系统中各种偏振扰动的带来的偏振相位噪声以及偏振衰落问题。
本抗偏振衰落及偏振相位噪声的全光纤Mach-Zehnder干涉仪的结构是：光源(1)输出的光经光隔离器后，由分光为1∶1的第一光分路器(3)分为强度相同的两路光进入两干涉臂。级联光纤环链(5)为两端口器件，通过两个1∶1的第二和第三光分路器(4、6)桥接在Mach-Zehnder干涉仪的两臂上。干涉臂1的光经由光纤段L1，由A至B经过桥接的级联光纤环链(5)，再经过光纤段L4由1∶1第四光分路器(7)输出至接收端。干涉臂2的光经光纤段L2，由B至A经过级联光纤环链，再经过光纤段L3，最后也由第四光分路器(7)输出。干涉臂1与干涉臂2的干涉结果由光探测器(8)检测接收。
系统中光纤Mach-Zehnder干涉仪和级联光纤环链由一般单模光纤构成。
级联光纤环的路径分解原理为：光进入第一个光纤环，可将光分解为，直通光、绕环1周、2周….，及i周的不同光分量，当环长大于传输光的相干长度时，这些光分量相互无关。随着圈数越多，光分量的强度也越小。理论上可有无穷多个光分量，但当循环圈数较大时所对应的光分量已经是足够小了，其影响可忽略。同理，对第2个光纤环又将第一个光纤环分解的各个光分量再次路径分解，依次类推，级联的光纤环可将经过的单一光进行路径分解，得到大量相互无关的微小光分量。如图3所示，假设每个光纤环的分解光的有效分量的循环次数小于n，级联光纤环数为m，则总的有效分解光分量数为(n+1)m。
由光纤环分解的直通光、循环n周的光分量所对应的光强系数分别为k，kn-1(1-k)2，其中k为光分路器的直通耦合系数，n＝1，2，…。不同路径对应的各分量经过的传输路径不同，因而到达输出端时其偏振态各不相同。各光分量的偏振态由光纤环的盘绕状态随机决定。光纤环在盘绕过程中，由于光纤的扭转、弯曲等应力引起的双折射效应，都会导致经过光的偏振态的改变，因此这些分量的偏振态由于传播路径的不同而不同，呈随机分布状态。对于级联光纤环链的每个传输路径，都会有两个等光强的正反向传输的光分量，这两个光分量之间相干，且传输相位差仅由Mach-Zehnder干涉结构的双臂的相位差，本系统中即光纤段L1+L4与L2+L3之差决定。与级联光纤环链无关。两个同路径的正反向光对的偏振态呈随机分布。因此两者的干涉结果也是随机的，极端情况当两者偏振方向一致时，干涉最强，偏振态正交时，干涉为零。因此系统的整体干涉结果表现为大量微小相干光分量对的干涉结果的统计平均。
Claims (7)
1.一种抗偏振衰落及偏振相位噪声的全光纤Mach-Zehnder干涉仪，包括一个光纤Mach-Zehnder干涉仪(9)：由一个光源(1)输出的光经一个光隔离器(2)和一个1∶1的第一光分路器(3)后分成两路强度相同的光进入两个干涉臂(1、2)，其特性在于：有一个级联光纤环链(5)通过两个1∶1的第二和第三光分路器(4、6)桥接在所述两个干涉臂(1、2)上，一个干涉臂(1)的光由其第二光分路器(4)经级联光纤环链(5)至第三光分路器(6)后经光路(L4)至一个第四光分路器(7)后到一个光检测器(8)，而另一个干涉臂(2)的光由其第三光分路器(6)经级联光纤环链(5)至第二光分路器(4)后经第四光分路器(7)到所述光电检测器(8)；所述级联光纤环链(5)使MACH-ZEHNDER的两干涉臂上的光沿相反方向经过级联光纤环链(5)，分别将两干涉臂上的光分解为无穷多个传输路径不同的微小光分量，同一臂上，不同传输路径的微小光分量之间不相干；每个光传播路径对应着两干涉臂上的一对在级联光纤环链(5)上同路径但反向经过、等光功率、偏振态随机的两个相干分量，且所有传播路径的对应的两个相干分量具有相同的相位差；因此，接收光是所有分离路径所对应的两臂上的干涉光的独立干涉结果的统计平均，由此实现系统检测结果与系统中光源及光纤干涉结构中的引入的随机偏振扰动无关，解决该偏振扰动导致的偏振相位噪声及偏振衰落因此实现抗偏振衰落。
2.根据权利要求1所述的抗偏振衰落及偏振相位噪声的全光纤Mach-Zehnder干涉仪，其特征在于通过对级联光纤环链中的光分路器的分光比及光纤环长的优化，实现退偏。
3.根据权利要求1所述的抗偏振衰落及偏振相位噪声的全光纤Mach-Zehnder干涉仪，其特征在于：级联光纤环链置于Mach-Zehnder干涉仪两干涉臂的任何位置，两干涉光相向经过同一级联光纤环链(5)。
4.根据权利要求1所述的抗偏振衰落及偏振相位噪声的全光纤Mach-Zehnder干涉仪，其特征在于：级联光纤环链(5)中的光纤环的数目可从1个到系统所能允许的数目；级联光纤环数越多，则经过光的退偏特性越好。
5.根据权利要求1所述的抗偏振衰落及偏振相位噪声的全光纤Mach-Zehnder干涉仪，其特征在于：级联光纤环链(5)由一般单模光纤构成。
6.根据权利要求1所述的抗偏振衰落及偏振相位噪声的全光纤Mach-Zehnder干涉仪，其特征在于：所述全光纤Mach-Zehnder干涉仪采用一般单模光纤构成。
7.根据权利要求1所述的抗偏振衰落及偏振相位噪声的全光纤Mach-Zehnder干涉仪，其特征在于：工作光源的谱宽由级联光纤环的环长和Mach-Zehnder干涉仪的两干涉臂长差决定，谱宽越宽，环长越短；各级联光纤环环长的比例决定系统接收的稳定度，级联光纤环数目越多，干涉检测结果越稳定。
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