CN101608930B - 一种光纤干涉仪π/2相位偏置的实现方法 - Google Patents

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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
[0001] 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
[0002] 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。
[0003] 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。
[0004] 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。
[0005] 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。
[0006] 光纤干涉系统中,输出信号是干涉光路间相位差Δ φ的函数,是一个隆起的余弦函数:Ρ(Δ φ) = A^B1COS Δ φ (A^B1为常数),其中Δφ = Δφ3+φ0,Δ Φ s是由测量对象产生的相位差,(K是由系统结构产生的相位偏置。若系统相位偏置为0,即(K = 0,Δ φ3 =0时,Ρ(Δ φ)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η/2时,系统可得输出: Ρ(Δ φ3) =Α2+Β28ίηΔ Φ S(A2、&为常数),此时,系统具有最大线性工作范围。
[0007] 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,S卩,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。
[0008] 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3X3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3X3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[0009] 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η /2相位偏置的实现方法。
[0010] 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3X3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:
[0011] 在光纤干涉系统中,采用特殊分光比的3X3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%。设对#、 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:
Figure CN101608930BD00041
[0013] 当分别以端口 M、25J6为光输入,相应的输出分光比例为20%的端口分别是端口 27、沘、29,反之亦然。
[0014] 系统的连接方式如图3所示,光输入端口为端口对,端口 27与光干涉单元11的一个端口 9相连,端口四与光干涉单元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 X 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 X 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η/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3X3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、四输出的光振幅为:
Figure CN101608930BD00042
[0016]相应的光强 I27(Z)、L8(Z)、I29(Z)为: I21 (ζ) 2 5 + 4cos3fe
[0017]
Figure CN101608930BD00043
[0018] 其中k为分路器的耦合系数,ζ为耦合长度。设干涉路径7引入的干涉相位差为垵,从端口沈输出的光强ρ)可以表示为:
[0019]
Figure CN101608930BD00051
[0020]
Figure CN101608930BD00052
[0021] 当分光比为20% : 40% : 40%时,如3 3虻=-|,3论3虹=±|(符号于耦合长度2
有关),可得光强随P变化的部分为,
[0022]
Figure CN101608930BD00053
[0023] 即从端口沈输出的光相位偏置为π /2,系统可获得最大工作线性范围。
[0024] 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,端口四与光干涉单元11的端口 10相连。这种连接方式的特征是,构成干涉路径的3X3分路器的两个端口为,当以干涉光路的光输入端为3 X 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 X 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、沈输出的光强I24(勿、Im(约分别为:
[0025]
Figure CN101608930BD00054
[0026]
Figure CN101608930BD00055
[0027] 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,光强随识变化的部分分别为:
[0028] [0029] [0030] 此时,这两个输出端的相位差为π/2。
[0031] 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η/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。
[0032] 本发明中使用的是特殊分光比的3X3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。[0033] 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Mgnac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η/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 3X3分路器38的端口 33相连,端口 25与端口四相连,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η /2。
附图说明
[0034] 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。
[0035] 图2是用均分的3X3光分路器获得非零的相位偏置。
[0036] 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。
[0037] 图4是用3X3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η/2相位偏置,但存在光干涉信号相位差为η/2的两个输出端口。
[0038] 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。
[0039] 图6是3X3光纤耦合器横截面结构示意图。
[0040] 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。
[0041] 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。
[0042] 图中标号:5是2X2分路器,1、2、3、4是2X2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lla、llb,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3X3 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、四分别是分路器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
[0043] 用本发明方法构造一相位偏置为π /2的Mgnac干涉仪,结构如图7所示。分路器23的端口 M连接光源,光源为电子集团总公司44研究所生产的S03-B型超辐射发光管 (SLD)型稳定光源。3X3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η/2。

Claims (2)

1. 一种光纤干涉仪η/2相位偏置的实现方法,其特征在于采用不均分的3X3分路器03),以产生相位偏置,该分路器03)输出端口的光强占总输出光的比例分别为20%、 40%、40%,设该分路器的输入输出端口依次为对#、25#、沈#、27#、观#、四#,则各端口输入输出关系如下表所示:
Figure CN101608930BC00021
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3X3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,端口四与光干涉单元(11)的另一个端口 10相连;构成干涉路径的3X3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 X 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η/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 X 3分路器输入时。
2. 一种光纤干涉仪η/2相位偏置的实现方法,其特征在于采用不均分的3X3分路器03),以产生相位偏置,该分路器03)输出端口的光强占总输出光的比例分别为20%、 40%、40%,设该分路器的输入输出端口依次为对#、25#、沈#、27#、观#、四#,则各端口输入输出关系如下表所示:
Figure CN101608930BC00022
在M-Z型干涉光路结构中,再采用一个与所述3X3分路器分光特性相同的另一 3X3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 X 3分路器(38)的端口 33相连,端口 35与端口四相连,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η/2。
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Granted publication date: 20120523

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