CN101608930A - 一种光纤干涉仪π/2相位偏置的实现方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于光纤传感和测量技术领域，具体为一种光纤干涉仪π/2相位偏置的实现方法。本发明是通过在干涉光路结构中设置一个特殊的3×3光纤分路器，产生相位偏置，该分路器的输出端口的光强占总输出光的百分比分别是20％、40％、40％，通过适当的光路连接即可获得π/2的相位偏置。本发明用纯光路的方法实现π/2(正或负)的相位偏置，获得高的测量灵敏度和线性段量程。本发明不仅适用于干涉光路径相同、传输方向相反的干涉系统，诸如Sagnac环、单芯反馈式等干涉结构，也可为M－Z光纤干涉结构提供相位偏置。

Description

一种光纤干涉仪π/2相位偏置的实现方法

技术领域

本发明属于光纤传感和测量技术领域，具体涉及一种光纤干涉仪π/2相位偏置的实现方法。

背景技术

光纤传感器是以光纤作为功能材料的传感器，它是激光技术和光纤通信技术发展的产物。近年来，由于半导体激光器和低损耗光纤的出现，使光纤传感技术得到迅猛发展。

光传感器的基本原理包含多种调制技术，其中有强度调制、频率调制、波长调制、偏振调制和相位调制，其中相位调制，即干涉型的光传感器，因其具有极高的灵敏度和很高精度，在光传感领域中占有重要的地位。

传统的光干涉结构是以自由空间做光路，干涉仪体积大，易受空气、环境、温度、声波即振动的影响，稳定性差，调整困难，测量准确度低，因而使用受到限制。

干涉型光纤系统以光纤做光路，减少了干涉仪的长臂安装和校准等困难，容易实现小型化，并且由于光纤器件和光纤的独特性，易于使用更加多样的、灵活的方法增加干涉光路对测量参数的响应灵敏度。

光纤干涉系统中，输出信号是干涉光路间相位差Δφ的函数，是一个隆起的余弦函数：P(Δφ)＝A₁+B₁cosΔφ(A₁、B₁为常数)，其中Δφ＝Δφ_s+φ₀，Δφ_s是由测量对象产生的相位差，φ₀是由系统结构产生的相位偏置。若系统相位偏置为0，即φ₀＝0，Δφ_s＝0时，P(Δφ)取最大值，此时系统响应斜率为0，处在最不灵敏的工作点。为了获得高灵敏度，必须需给系统提供一个不为零的偏置相位。当相位偏置量为π/2时，系统可得输出：P(Δφ_s)＝A₂+B₂sinΔφ_s(A₂、B₂为常数)，此时，系统具有最大线性工作范围。

在类似图1所示的干涉结构中，相干涉的光路径相同、传输方向相反，即，从光分路器5的端口2输出的光传输至端口3的光与从端口3输出回到端口2的光，在分路器5相遇后，发生干涉。系统工作在零相位点上。图中11为干涉单元，它的常用结构类似11a、11b，其中，12是光纤环路，13是分路器，15是反馈装置。

为了给系统施加不为零的相位偏置，在光路中引入相位调制器6，从电极8给给相位调制器6施加一定特性的电信号，直接或间接得到所需的相位偏置。或者，如图2所示，使用均分的3×3光分路器16，获得相位偏移。前一种方法必须施加电信号，增加了系统的复杂性。后一种方案，由于3×3分路器16自身带来的相位差，在干涉信号输出端18、19虽然可获得非零的偏置相位，但是，偏置相位仅为

系统并未工作在

处，无法获得最大线性工作范围。虽然该结构，可以通过端口18、19这两端输出信号相减获得等效

的相位偏置，但是需要两路输出光插损一致性很好，而且还需要电路的处理，增加了系统实现的难度。

发明内容

本发明的目的在于提出一种结构简单，实现方便的光纤干涉仪π/2相位偏置的实现方法。

本发明提出的光纤干涉仪π/2相位偏置的实现方法，是通过3×3光纤分路器的分光比的合理选择以及光路结构，用纯光路的方法实现π/2(正或负)的相位偏置，从而获得最大的线性量程。本发明方法的具体步骤如下：

在光纤干涉系统中，采用特殊分光比的3×3分路器23，该分路器的分光比为20％∶40％∶40％，即输出端口的光强占总输出光的比例分别为20％、40％、40％。设24#、25#、26#、27#、28#、29#分别是该分路器的输入输出端口。则具体输入输出关系如下表所示：

当分别以端口24、25、26为光输入，相应的输出分光比例为20％的端口分别是端口27、28、29，反之亦然。

系统的连接方式如图3所示，光输入端口为端口24，端口27与光干涉单元11的一个端口9相连，端口29与光干涉单元11的另一个端口10相连。该连接方式的特点是，构成干涉路径的3×3分路器的两个端口，其中一个为，当以干涉光路的光输入端为3×3分路器输入时，分光比例为“20％”的端口，另一个端口为任一分光比例为“40％”的端口；直接获得π/2相位偏置的干涉光信号输出端口为，当以干涉光路中所采用前面所述的“40％”的端口为3×3分路器输入时，分光比例为“20％”的端口。设输入光波振幅为a(0)，则从三个端口27、28、29输出的光振幅为：

$\left[\begin{array}{c}{a}_{27}\left(z\right)\\ a_{28}\left(z\right)\\ a_{29}\left(z\right)\end{array}\right]=\frac{a\left(0\right)}{3}\left[\begin{array}{c}{2e}^{\mathrm{ikz}}+e^{-i2\mathrm{kz}}\\ {-e}^{\mathrm{ikz}}+e^{-i2\mathrm{kz}}\\ {-e}^{\mathrm{ikz}}+e^{-i2\mathrm{kz}}\end{array}\right]$

相应的光强I₂₇(z)、I₂₈(z)、I₂₉(z)为：

$\left[\begin{array}{c}{I}_{27}\left(z\right)\\ I_{28}\left(z\right)\\ I_{29}\left(z\right)\end{array}\right]=\frac{a^2\left(0\right)}{9}\left[\begin{array}{c}5+4\cos 3\mathrm{kz}\\ 2-2\cos 3\mathrm{kz}\\ 2-2\cos 3\mathrm{kz}\end{array}\right]$

其中k为分路器的耦合系数，z为耦合长度。设干涉路径7引入的干涉相位差为

从端口26输出的光强

可以表示为：

当分光比为20％∶40％∶40％时， $\cos 3\mathrm{kz}=-\frac{4}{5},$ $\sin 3\mathrm{kz}=\±\frac{3}{5}$ (符号于耦合长度z有关)，可得光强随

变化的部分为，

即从端口26输出的光相位偏置为π/2，系统可获得最大工作线性范围。

值得指出的是，使用这种方法在干涉系统的实现过程中需注意分路器的连接方式。如果连接方式如图4，光源从端口25输入，端口27与光干涉单元11的端口9相连，端口29与光干涉单元11的端口10相连。这种连接方式的特征是，构成干涉路径的3×3分路器的两个端口为，当以干涉光路的光输入端为3×3分路器输入时，分光比例为40％的两端口。从连接光输入之外的两个3×3分路器输出端口输出的光干涉信号之间的相位偏置差为π/2。此时，端口24、26输出的光强

分别为：

易见，不论kz取何值，都不能可到π/2的相位偏置。当分路器分光比为20％∶40％∶40％的分路器时，光强随变化的部分分别为：

此时，这两个输出端的相位差为π/2。

本发明的突出特点是，系统使用光无源器件实现了干涉系统的π/2相位偏置，使干涉系统获得最大线性工作范围。由于系统避免了在光路上引入电光器件，保证了干涉系统完全无源的特性，结构简单，易于实现。同时，由于π/2相位偏置信号直接可从光输出端获得，系统可以不必在特殊电路系统的配合下，即可直接用传统的测试仪器、设备进行测量。

本发明中使用的是特殊分光比的3×3分路器，分光比为20％∶40％∶40％，该分路器可以是用光纤通过一定的工艺，如熔融拉锥，制作的，也可以是由其它波导结构获得的。

本发明不仅适用于类似图1所示的干涉光路径相同、传输方向相反的干涉系统，诸如Sagnac环、单芯反馈式等干涉结构，也可为M-Z光纤干涉结构提供相位偏置，当两臂平衡时，在特定的输出端口直接获得相位偏置为π/2的光干涉输出。连接方式如图5所示，系统设置2个分路器23、38，38是与分路器23分光特性相同的分路器，即，分光比为20％∶40％∶40％的分路器，设30、31、32、33、34、35分别是其光端口。当分别以端口33、34、35为光输入，相应的输出分光比例为20％的端口分别是30、31、32；分别以端口30、31、32为光输入，相应的输出分光比例为20％的端口分别是33、34、35。取干涉系统的光输入为端口24，则其中的一条干涉臂是由该端口相应的分光比例20％的端口27构成，端口27与另一3×3分路器38的端口33相连，端口25与端口29相连，则当两干涉臂36、37平衡时，从端口30(端口33相对应的分光比例为20％的端口)输出的干涉光信号相位偏置为π/2。

附图说明

图1是用电信号通过相位调制器来实现π/2相位偏置的光纤干涉系统。

图2是用均分的3×3光分路器获得非零的相位偏置。

图3是用特殊分光比20％∶40％∶40％的分路器实现π/2相位偏置的方法。

图4是用3×3分路器连成干涉结构的另一种方法。这种方式中，从某一个光输出端口不能直接获得π/2相位偏置，但存在光干涉信号相位差为π/2的两个输出端口。

图5是M-Z干涉结构获得π/2相位偏置的连接方式。在这种结构中，两干涉臂36、37平衡时，端口30输出的光信号相位偏置为π/2。

图6是3×3光纤耦合器横截面结构示意图。

图7是实施例中采用的光路连接图，其中，44是相位调制器，串接在光路中，以检测相位偏置。

图8是实施例中光电探测装置输出的波形。此时，通过相位调制器给系统施加正弦扰动A₁为波峰42到最小值的幅度，A₂为波谷43到最大值的幅度。

图中标号：5是2×2分路器，1、2、3、4是2×2分路器5的光输入输出端口。6是相位调制器，8是给相位调制器施加电信号的电极，7是干涉路径，11是干涉单元，它的常用结构类似11a、11b，其中，12是光纤环路，13是分路器，14是光纤，15是反馈装置，可以是反射镜或法拉第反射镜等等。9、10是干涉单元11的连接端口。16是均分的3×3光分路器，17、18、19、20、21、22分别是分路器16的光输入输出端口。23是分光比为20％∶40％∶40％的分路器，24、25、26、27、28、29分别是分路器23的输入输出端口。38是分光比为20％∶40％∶40％的分路器，30、31、32、33、34、35分别是分路器38的输入输出端口。39、40、41分别是3根光纤经熔融拉锥后的横截面，这三根光纤的横截面形成三角形结构。42为波峰，43波谷，44是相位调制器。

具体实施方式

用本发明方法构造一相位偏置为π/2的Sagnac干涉仪，结构如图7所示。分路器23的端口24连接光源，光源为电子集团总公司44研究所生产的SO3-B型超辐射发光管(SLD)型稳定光源。3×3分路器23是上海康阔制造的熔融拉锥型单模光纤光纤耦合器，分光比为20％∶40％∶40％。耦合器的横截面如图6所示，三根光纤经熔融拉锥后形成三角形结构，39、40、41分别是它们横截面。光纤环12是由光纤绕制而成，光纤为美国“康宁”生产的G652型单模光纤。光电探测装置连接在耦合器的端口26，是44所生产、型号为GT322C500的InGaAs光电探测器，44是串联在光路中的相位调制器，用来检测系统的相位偏置。当通过相位调制器44给光路施加正弦信号，当正弦信号的幅度达到一定的幅值时，测量经光电转换后输出的电信号，观察到如图8所示的波形，当波峰42与波谷43几乎位于同一水平位置时，幅度A₁与A₂的比值近似1，可以认为该系统的相位偏置为π/2。

Claims (4)

1.一种光纤干涉仪π/2相位偏置的实现方法，其特征在于采用不均分的3×3分路器(23)，以产生相位偏置，该分路器(23)输出端口的光强占总输出光的比例分别为20％、40％、40％，设该分路器的输出端口依次为24#、25#、26#、27#、28#、29#，则各端口输入输出关系如下表所示：

2.根据权利要求1所述的实现方法，其特征在于在相干涉的光路径相同，传输方向相反的干涉光路结构中，所述的3×3分路器采用如下连接方式：

光输入端口为端口24，端口27与光干涉单元11的一个端口9相连，端口29与光干涉单元11的另一个端口10相连；构成干涉路径的3×3分路器的两个端口，其中一个为分光比例为“20％”的端口，当以干涉光路的光输入端为3×3分路器输入时，另一个端口为任一分光比例为“40％”的端口；直接获得π/2相位偏置的干涉光信号输出端口为分光比例为“20％”的端口，当以干涉光路中所采用所述的“40％”的端口为3×3分路器输入时。

3.根据权利要求1所述的实现方法，其特征在于在相干涉的光路径相同，传输方向相反的干涉光路结构中，所述的3×3分路器采用如下连接方式：

光源从端口25输入，端口27与光干涉单元11的端口9相连，端口29与光干涉单元11的端口10相连；构成干涉路径的3×3分路器的两个端口为分光比例为40％的两端口，当以干涉光路的光输入端为3×3分路器输入时；从连接光输入之外的两个3×3分路器输出端口输出的光干涉信号之间的相位偏置差为π/2。

4.根据权利要求1所述的实现方法，其特征在于在M-Z型干涉光路结构中，再采用一个与所述分路器(23)分光特征性相同的另一分路器(38)，设30、31、32、33、34、35分别是其光端口；当分别以端口33、34、35为光输入，相应的输出分光比例为20％的端口分别是30、31、32；分别以端口30、31、32为光输入，相应的输出分光比例为20％的端口分别是33、34、35；取干涉系统的光输入为端口24，则其中的一条干涉臂是由该端口相应的分光比例20％的端口27构成，端口27与另一3×3分路器38的端口33相连，端口25与端口29相连，则当两干涉臂36、37平衡时，从端口30输出的干涉光信号相位偏置为π/2。

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