CN102279444A - 一种用于消除布里渊光纤传感器中偏振噪声的无源装置 - Google Patents
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Abstract
用于消除布里渊光纤传感器中偏振噪声的无源装置，包括引导保偏光纤（1）、偏振分束/合束器（2）、保偏光纤（3）和第二偏振分束/合束器（4）；引导保偏光纤（1）与偏振分束/合束器（2）的输入端相连，偏振分束/合束器的一个输出端直接与偏振分束/合束器（4）的一个输入端相连；偏振分束/合束器的另一个输出端与保偏光纤（3）相连，保偏光纤（3）与第二偏振分束/合束器（4）的另一个输入端相连。此装置使用到布里渊光纤传感器中时，会使经过此装置的连续光的偏振态产生随机的变化，从而可达到消除传感过程中偏振噪声的目的。本发明具有性能稳定，不易受外界环境影响、插入损耗小的优点。
Description
技术领域
本发明是一种用于消除布里渊光纤传感器中偏振噪声的无源装置，属于分布式光纤传感领域。
背景技术
布里渊光纤传感技术利用光纤本身做为信号感应介质和传输介质，可对光纤沿线所有位置的应变和温度进行传感。目前，全分布式布里渊光纤传感技术主要有布里渊光时域分析(BOTDA)技术和布里渊光时域反射(BOTDR)技术两种。它们都存在偏振噪声的问题。对BOTDA，当脉冲光和连续光偏振态相一致时，检测到的布里渊增益信号最强；当它们相垂直时，检测不到布里渊增益信号。对于BOTDR中的连续参考光与由脉冲光产生的布里渊信号光，也存在类似的问题。由于光波在单模光纤中传播时，其偏振态会不断改变，因此会导致测得的信号产生波动起伏，严重影响测量结果的精度。
目前用来消除布里渊光纤传感器中偏振噪声的方法主要有利用扰偏器进行快速扰偏，利用这一方法的具有代表性的文献如Y.Li，X.Bao，F.Ravet，and E.Ponomarev，Distributed Brillouin sensor system based on offset locking of twodistributed feedback lasers，Appl.Opt.47(2008)99-102。还有人提出了利用两个偏振控制器或偏振开关轮流输出偏振态相互垂直的光波来消除偏振态的影响，代表性文献如刘迪仁，宋牟平，章献民和陈抗生，布里渊散射谱相干检测的消偏振衰落技术，光学学报25(2005)1191-1194。以上这些方法都采用的是有源的方式，一方面由于有源器件的引入会降低系统的可靠性和增加能耗，另一方面由于这些器件需要不断变换状态，对其重复性和精度的要求很高。此外，也有人提出一种被动器件的方法，通过使用马赫曾德干涉仪的结构将两个偏振态相互垂直的脉冲光首尾相接起来消除偏振噪声的影响，如J.Yang，C.Yu，Z.Chen，J.Ng，and X.Yang，Suppression ofpolarization sensitivity in BOTDA fiber distributed sensing system，Proc.SPIE 7004(2008)700421-4，但这降低了系统的空间分辨率并且此结构需要根据脉冲光宽度的不同而进行相应的调整。还有一种方法也是基于马赫曾德干涉仪结构的方法，它通过利用两个耦合器和一段单模延时光纤来将偏振态相互垂直的两路光波组合起来，并用两个偏振控制器来调整光纤中光波的偏振态，以此来实现对偏振噪声的消除，如S.Diaz，S.Foaleng Mafang，M.Lopez-Amo，and L.Thevenaz，A High-PerformanceOptical Time-Domain Brillouin Distributed Fiber Sensor，IEEE Sensors Journal 8(2008)1268-1272。但此方法由于使用的是普通的耦合器及单模光纤，其中耦合器会使整个装置产生3dB以上的插入损耗，给检测信号造成很大的衰减。更为糟糕的是耦合器及单模光纤的偏振态极易受到外部环境的影响，使整个装置不能够稳定地工作。
发明内容
本发明的目的是提出能够不受外界环境影响，工作性能可靠，可有效消除布里渊光纤传感器中偏振噪声且插入损耗低的消除布里渊光纤传感器中偏振噪声的无源装置。
本发明的技术方案如下：一种用于消除布里渊光纤传感器中偏振噪声的无源装置，是根据光波的偏振特性及保偏光纤的光轴不易受外界环境影响等原理而制成的器件。包括一段引导保偏光纤，两个偏振分束/合束器和一段保偏延迟光纤。其中偏振分束/合束器(2)的输入端和两个输出端均为保偏光纤，第二偏振分束/合束器(4)的两个输入端均为保偏光纤。引导保偏光纤(1)与偏振分束/合束器(2)相连，偏振分束/合束器(2)的一个输出端与第二偏振分束/合束器(4)的一个输入臂直接相连。偏振分束/合束器(2)的另一个输出端与保偏光纤(3)相连。保偏光纤(3)再与第二偏振分束/合束器(4)的另一个输入端相连。
本发明所述的保偏光纤(3)的长度要大于入射光波的相干长度，引导保偏光纤(1)的慢轴与偏振分束/合束器(2)的慢轴间的夹角的大小由实际情况中第二偏振分束/合束器(4)两输入臂前光路对光波衰减的差值决定，一般约为40-50°，如45°，其大小应使从第二偏振分束/合束器(4)的两个输入臂进入到输出端的光波的功率相等。其余各保偏光纤间相连接时它们各自慢轴间的夹角均为0°或90°。
工作时，方位角与引导保偏光纤(1)慢轴或快轴方向一致的线偏振连续光波入射到引导保偏光纤(1)中。当该光波从引导保偏光纤(1)进入偏振分束/合束器(2)中时，会被偏振分束/合束器(2)分成偏振态相互正交的两路光波，它们分别进入到偏振分束/合束器(2)的两个输出臂中。其中一路光波直接进入到第二偏振分束/合束器(4)的一个输入臂并从第二偏振分束/合束器(4)的输出端输出。另一路光波首先进入保偏光纤(3)，然后再进入到第二偏振分束/合束器(4)的另一个输入臂，并由第二偏振分束/合束器(4)的输出端输出。经过此装置后的光波由偏振态相互正交的两路光波组成，且由于保偏光纤(3)的存在，这两路光波间的位相关系是随机变化的。因此由它们所组成的光波的偏振态会随机变化。当将此装置用于布里渊光纤传感器中的连续光所在光路时便会产生消除偏振噪声的作用。
本发明有益效果是：本发明提出的用于消除布里渊光纤传感器中偏振噪声的无源装置由引导保偏光纤、两个偏振分束/合束器和保偏光纤组成，整个装置用于布里渊光纤传感器中时只需保持原有状态，无需变换状态，装置的结构简约、可靠性高。光波在其中传输时可有效保证偏振态的稳定性，不易受外界环境变化的影响，工作的稳定性高。而且整个装置的插入损耗很小，不会对光波造成3dB以上的衰减。
附图说明
图1为本发明提出的用于消除布里渊光纤传感器中偏振噪声的无源装置的结构图。
图2为将本发明提出的用于消除布里渊光纤传感器中偏振噪声的无源装置应用于布里渊光纤传感器中来消除偏振噪声的一个例子的示意图。
图3为频率为10.860GHz的布里渊信号对比图。图3中A为使用了本发明提出的用于消除布里渊光纤传感器中偏振噪声的无源装置后的结果，图3中B为没有消除布里渊光纤传感器中偏振噪声的结果。
具体实施方式
本发明提出的用于消除布里渊光纤传感器中偏振噪声的无源装置的结构如图1，其用于消除布里渊光纤传感器中偏振噪声的具体实施方式如下：
1)布里渊光纤传感器中的方位角与引导保偏光纤(1)慢轴或快轴方向一致的线偏振连续光波入射到引导保偏光纤(1)中。
2)连续光波入射到偏振分束/合束器(2)中，被偏振分束/合束器(2)分为偏振态相互正交的两路光波，这两路光波分别进入到偏振分束/合束器(2)的两个输出臂中。
3)偏振分束/合束器(2)的一个输出臂中的光波直接进入到第二偏振分束/合束器(4)的一个输入臂中，并由第二偏振分束/合束器(4)的输出臂输出。
4)偏振分束/合束器(2)的另一个输出臂中的光波首先进入到保偏光纤(3)中，再经过保偏光纤(3)后进入第二偏振分束/合束器(4)的另一个输入臂，并由第二偏振分束/合束器(4)的同一个输出臂输出。
5)最终由此装置输出的光波由两个偏振态相互正交的光波组成，其偏振态会随机变化。此光波与布里渊光纤传感器中的其它光波相互作用时便可起到消除布里渊光纤传感器中偏振噪声的作用。
作为一个具体实施的例子，如图2所示。激光器(5)的工作波长λ为1550nm，线宽Δν为1MHz。根据激光器相干长度的计算公式c/nπΔν可知激光器的线宽约为64.5m，其中c＝3*108m/s为真空中的光速，n为光纤的折射率，一般取值在1.47左右。由于布里渊光纤传感器中激光器所发出光波的相干长度一般大于30m而不到150m，因此示例中使用了400m长的保偏光纤(3)，实验表明，保偏光纤(3)使用150m-500m是较好的方案。实验中使用的两个偏振分束/合束器是香港Opneti通信公司的1x2 Polarization Beam Combiner/Splitter。由于偏振分束/合束器(2)和第二偏振分束/合束器(4)所组成的两个光纤臂中光纤长度不同，它们对光波的衰减会略有不同。因此在连接引导保偏光纤(1)和偏振分束/合束器(2)的输入端时需稍微调整它们慢轴之间的夹角，以使从第二偏振分束/合束器(4)的两个输入臂进入到输出端的光波的功率相等。示例中上臂比下臂对光波的衰减小0.3dB，因此设置的夹角为46°，使得偏振分束/合束器(2)上臂分得的偏振光比下臂少0.3dB。激光器(1)发出的线偏振连续光波通过保偏耦合器(6)分成了两路，其中第一路经过光调制器(7)和脉冲信号发生器(8)调制成脉冲光，并经过光放大器(9)放大后，作为探测脉冲光经环形器(10)进入到传感光纤(11)。脉冲光在传感光纤中会产生布里渊散射光。布里渊散射光沿光纤返回后，经环形器(10)进入耦合器(12)。保偏耦合器(6)的另一路光波首先进入引导保偏光纤(1)，经引导保偏光纤(1)后此光波再进入偏振分束/合束器(2)中被偏振分束/合束器(2)分为两路。一路直接进入第二偏振分束/合束器(4)的输入臂，另一路经过保偏光纤(3)后再进入第二偏振分束/合束器(4)的另一个输入臂。第二偏振分束/合束器(4)两个输入臂中的光波一同从其输出臂输出后成为本地参考光进入到耦合器(12)。耦合器(12)输出的光波再由平衡探测器(13)接收转换为电信号后输入到信号处理器(14)中。使用本发明提出的用于消除布里渊光纤传感器中偏振噪声的无源装置和没有消除偏振噪声的布里渊信号对比图如图3所示。可见消除了偏振噪声的信号曲线基本没有波动起伏，说明本发明可有效消除布里渊光纤传感器中的偏振噪声。
Claims (9)
1.一种用于消除布里渊光纤传感器中偏振噪声的无源装置，其特征是包括引导保偏光纤(1)、偏振分束/合束器(2)、保偏光纤(3)和第二偏振分束/合束器(4)；引导保偏光纤(1)与偏振分束/合束器(2)的输入端相连，偏振分束/合束器(2)的一个输出端直接与偏振分束/合束器(4)的一个输入端相连；偏振分束/合束器(2)的另一个输出端与保偏光纤(3)相连，保偏光纤(3)与第二偏振分束/合束器(4)的另一个输入端相连。
2.根据权利要求1所述的一种用于消除布里渊光纤传感器中偏振噪声的无源装置，其特征是偏振分束/合束器(2)的输入端和两个输出端均为保偏光纤，第二偏振分束/合束器(4)的两个输入端均为保偏光纤。
3.根据权利要求1所述的一种用于消除布里渊光纤传感器中偏振噪声的无源装置，其特征是保偏光纤(3)的长度大于输入光波的相干长度。
4.根据权利要求1所述的一种用于消除布里渊光纤传感器中偏振噪声的无源装置，其特征是引导保偏光纤(1)的慢轴与偏振分束/合束器(2)输入端的慢轴间夹角大小由实际情况中偏振分束/合束器(4)两输入臂前光路对光波衰减的差值决定，应使从第二偏振分束/合束器(4)的两个输入臂进入到输出端的光波的功率相等。
5.根据权利要求1所述的一种用于消除布里渊光纤传感器中偏振噪声的无源装置，其特征是偏振分束/合束器(2)的一个输出端的慢轴和与它相连的第二偏振分束/合束器(4)的一个输入端的慢轴间夹角为0°或90°。
6.根据权利要求1所述的一种用于消除布里渊光纤传感器中偏振噪声的无源装置，其特征是偏振分束/合束器(2)的另一个输出端的慢轴和与它相连的保偏光纤(3)的慢轴间夹角为0°或90°。
7.根据权利要求1所述的一种用于消除布里渊光纤传感器中偏振噪声的无源装置，其特征是保偏光纤(3)的慢轴和与它相连的第二偏振分束/合束器(4)的另一个输入端的慢轴间夹角为0°或90°。
8.根据权利要求3所述的一种用于消除布里渊光纤传感器中偏振噪声的无源装置，其特征是保偏光纤(3)的长度为150-500m。
9.根据权利要求1或2所述的一种用于消除布里渊光纤传感器中偏振噪声的无源装置，其特征是引导保偏光纤(1)的慢轴与偏振分束/合束器(2)的慢轴间的夹角的大小为40-50°。
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Application publication date: 20111214 |