CN102519493B - 一种消除分布式单芯反馈干涉光路中背向回光的方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于光纤传感技术领域，具体为一种消除分布式单芯反馈干涉光路中背向回光的方法。本发明在偏振光路中使用了偏振分束器、法拉第旋转反射镜和光纤延迟器，形成一单芯反馈干涉光路；其中，偏振分束器的合波端与传感光纤的一端相连，传感光纤的另一端与法拉第旋转反射镜相连；光纤延迟器采用一根延迟光纤，或者采用由偏振分束器、延迟光纤及法拉第反射旋转镜构成延迟器件；其中利用偏振分束器的合波端口作为分布式传感光纤的接口，配合传感光纤的末端使用的法拉第旋转镜，消除光路中原路返回的光，提高干涉光路中的相干光成分，提高条纹清晰度。本发明特别适用于长距离线路监控，如通信干线、油气管线等的安全监控。

Description

一种消除分布式单芯反馈干涉光路中背向回光的方法

技术领域

本发明属于光纤传感技术领域，具体涉及一种消除分布式单芯反馈干涉光路中背向回光的方法。

背景技术

在科技高速发展的当代社会，光纤通信技术的发展带来了传感技术的革命，光纤传感日益为人们所关注，越来越多成为技术研发的重点，也越来越多的进入到各个重要的应用领域，其中分布式光纤传感以其监测距离远，灵敏度高，环境适应性强，特别在关系到国计民生的领域，如隧道火灾监控，光缆安全监控、油气泄漏监测等等方面得到特别的关注与应用。分布式单芯反馈干涉结构由于其仅需采用一根芯作为传感光纤，实现方便，因而成为分布式传感中的一重要技术分支。

图1是常见的一种分布式单芯反馈结构。

干涉光路由N*M（N、M为整数）耦合器3、P*Q（P、Q为整数）耦合器4、光纤延迟器5，延迟为τ，光纤（光缆）6和反馈装置2构成。3a1、3a2、…、3aN、3b1、3b2为耦合器3的端口，3a1、3a2、…、3aN是同向端口，共N个，3b1、3b2是耦合器3的另一组同向端口（共M个）中的两个端口。4a1、4a2、4b1为耦合器4的端口，4a1、4a2是耦合器2的一组同向端口（共P个）中的两个端口，4b1是耦合器4的另一组同向端口（共Q个）中的两个端口。光纤6为感应光纤。1为光纤6上的一扰动点。2为反馈装置，使沿光纤传输来的光重新进入光纤6返回到耦合器4。光源经耦合器3的端口3a1输入，经耦合器3分光后分别经端口3b1、3b2输出。在该结构中共存在四束光，其中两路光：

Ⅰ：3b1→5→4a1→4b1→6→2→6→4b1→4a2→3b2

Ⅱ：3b2→4a2→4b1→6→2→6→4b1→4a1→5→3b1

在耦合器3处重新会合，发生干涉，干涉信号分别经端口3a1、3a2、…、3aN输出。但由于光纤耦合器4的使用，当光从4b1端口返回，进入耦合器4时，由于从两个端口4a1、4a2皆有光输出，因而除了形成上述的干涉光束外，还存在两路背向回光：

Ⅲ：3b1→5→4a1→4b1→6→2→6→4b1→4a1→5→3b1；

Ⅳ：3b2→4a2→4b1→6→2→6→4b1→4a2→3b2。

这两路光由于光程的原因，并不参与干涉，仅仅成为背景光，表现为直流光，这两路的增加了背景噪声，降低了干涉条纹的清晰度。

对于背向回光，在水听器的研究中，也遇到了类似的问题。

在水听器的sagnac环结构中，为了降低延迟线的对外界噪声的敏感性，会采用如图2所采用的方式构成延迟线圈，即采用1×2耦合器8加一段光纤延迟线9，并在9的末端连接一反射镜10，以此共同实现原sagnac环中延迟线的功能。图2中，7为光纤耦合器，9为延迟光纤，11为感应光纤。但这种延迟线构成方式也引入了原Sagnac环中不存在的两路不参与干涉的背向回光。为了解决这个问题，Benjamin J. Vakoc等在“Demonstration of a folded Sagnac sensor array immune to polarization-induced signal fading”（ Applied Optics Vol. 42, No. 36，7132-7136）中提出了采用偏振分束器和法拉第旋转镜共用的结构。图3即为该文章中呈现的结构方式，偏振分束器（PBS）的合波端与延迟线圈（Delay Coil）相连，延迟线圈（Delay Coil）的另一端与法拉第旋转镜（FRM）相连，偏振分束器（PBS）的偏振分光端c和g连在Sagnac环中。分束器的工作特性为：当光从合波端口（光纤）d输入时，光被分成两个相互垂直的偏振态，分别沿着分波端口（光纤）c和g的工作轴输出，因而当从合波端输入的光仅有与分解偏振态相应的一个偏振模式时，将仅从相应的分波端口输出，另一个分波端口没有光输出。在该结构中，从端口c输入的光，由端口d输出，经FRM反射输入到端口d，由于FRM的作用，该光的偏振方向与相对于从端口d输出的光的偏振，旋转了90度，因而，光经端口g（传输偏振模式与端口c的传输偏振模式垂直）输出，而端口c并没有输出光，反之亦然，因而，这种结构通过偏振分束器和法拉第旋转反射镜的配合使用，消除了利用耦合器构成延迟线带来的背向回光问题，使得光路中仅存在两路相互干涉的光，具有低的背景光，因而提高了干涉条纹清晰度。

发明内容

本发明的目的在于提供一种消除分布式单芯反馈干涉光路中背向回光的方法。

本发明提出的消除分布式单芯反馈干涉光路中背向回光的方法，是在偏振光路中使用了偏振分束器、法拉第旋转反射镜和光纤延迟器，形成一单芯反馈干涉光路；其中，偏振分束器的合波端与传感光纤的一端相连，传感光纤的另一端与法拉第旋转反射镜相连；光纤延迟器采用一根延迟光纤，或者采用由偏振分束器、延迟光纤及法拉第反射旋转镜构成延迟器件，如图4、图5所示。该干涉光路具体包括：

一个光纤耦合器12，12a1、12a2、…、12aN、12b1、12b2为光纤耦合器12的端口， 12a1、12a2、…、12aN是光纤耦合器12的一组同向端口，共N个，12b1、12b2是光纤耦合器12的另一组同向端口（共M个）中的两个端口；

第一偏振分束器13，13a1、13a2、13b1为第一偏振分束器13的端口，端口13a1、13a2为分波端口，端口13b1为合波端口；光从端口13b1输入，被分成两个相互垂直的偏振态，分别从13a1、13a2输出；

第一法拉第旋转反射镜14，14a1为其光输入输出端口；

一传感光纤15；

一光纤延迟器20。

传感光纤15一端与第一偏振分束器13的合波端口13b1相连，传感光纤15另一端与第一法拉第旋转反射镜14相连，光纤延迟器20接在端口12b1与端口13a1之间，端口12b2与端口13a2相连。光从耦合器12的端口输入，干涉信号从光纤耦合器12的端口输出。

其中，光纤延迟器20采用第一延迟光纤16（起延迟作用）；如图4所示。

光纤延迟器20也可采用由第二偏振分束器17、第二延迟光纤18和第二法拉第反射旋转镜19构成的延迟部件；如图5所示。17a1、17a2、17b1为第二偏振分束器17的端口，端口17a1、17a2为分波端口，端口17b1为合波端口；光从端口17b1输入，被分成两个相互垂直的偏振态，分别从17a1、17a2输出；第二延迟光纤18起延迟作用；第二法拉第旋转反射镜19的光输入输出端口为19a1；  第二延迟光纤18，一端与第二偏振分束器17的合波端口17b1相连，另一端与第二法拉第旋转反射镜19相连；第二偏振分束器17的分波端口17a1、17a2分别与端口12b1和13a1相连。图4中的光纤延迟器20由于仅由一根光纤构成，因而该部分不会带来背向回光；图5中的光纤延迟器20由于使用了光纤偏振分束器和法拉第旋转反射镜共用的实现方式，因此也不会带来背向回光。

如图4所示的干涉光路中形成2条光的传输路径，分别为：

Ⅰ：端口12b1→第一延迟光纤16→端口13a1→端口13b1→传感光纤15→第一法拉第旋转反射镜14→传感光纤15→端口13b1→端口13a2→端口12b2；

Ⅱ：端口12b2→端口13a2→端口13b1→传感光纤15→第一法拉第旋转反射镜14→传感光纤15→端口13b1→端口13a1→第一延迟光纤16→端口12b1 ；

这两束光在耦合器12处会合，发生干涉；上述光路中，箭头表示光传递的方向。

图5所示的干涉光路中形成2条光的传输路径，分别为：

Ⅰ：端口12b1→端口17a1→端口17b1→第二延迟光纤18→第二法拉第旋转反射镜19→第二延迟光纤18→端口17b1→端口17a2→端口13a1→端口13b1→传感光纤15→第一法拉第旋转反射镜14→传感光纤15→端口13b1→端口13a2→端口12b2；

Ⅱ：端口12b2→端口13a2→端口13b1→传感光纤15→第一法拉第旋转反射镜14→传感光纤15→端口13b1→端口13a1→端口17a2→端口17b1→第二延迟光纤18→第二法拉第旋转反射镜19→第二延迟光纤18→端口17b1→端口17a1→端口12b1；

这两束光在耦合器12处会合，发生干涉。上述光路中，箭头表示光传递的方向。

可见，图4、图5所示的分布式单芯反馈干涉结构消除了背向回光。

该发明方法的突出优点是，消除了传统单芯反馈式传感结构中的背向回光，具有低的背景光，可获得高的条纹清晰度，有利于测量灵敏度、精度的提高。该方法保留了传统单芯反馈式传感结构中的应用优势，使用光纤通信中常用的普通光纤，即可实现传感功能。本发明特别适用于长距离线路监控，例如，可用于光纤通信干线的监控，石油、天然气管线的安全性监控等等领域。

附图说明

图1是常见的一种分布式单芯反馈结构。

图2是一种水听器的sagnac环结构，该结构是为了降低延迟线对外界噪声的敏感性。

图3是采用偏振分束器和法拉第旋转镜共用的干涉结构，以此解决光路中存在背向回光的问题。其中d为偏振分束器（PBS）的合波端口（光纤），c和g为分波端口（光纤）。

图4为本发明的消除分布式单芯反馈干涉结构中背向回光的方法图示。其中，光纤延迟器直接由光纤构成。

图5为本发明的消除分布式单芯反馈干涉结构中背向回光的方法图示。其中，光纤延迟器由偏振分束器、光纤和法拉第旋转反射镜共同构成。

图中标号：3 为N*M（N、M为整数）耦合器、4为P*Q（P、Q为整数）耦合器、5为光纤延迟器，延迟为τ，6为光纤（光缆），1为光纤6上的一扰动点，2为反馈装置。3a1、3a2、…、3aN、3b1、3b2为耦合器3的端口，3a1、3a2、…、3aN是同向端口，共N个，3b1、3b2是耦合器3的另一组同向端口（共M个）中的两个端口。4a1、4a2、4b1为耦合器4的端口，4a1、4a2是耦合器2的一组同向端口（共P个）中的两个端口，4b1是耦合器4的另一组同向端口（共Q个）中的两个端口。7为光纤耦合器，8为1×2耦合器，9为延迟光纤，10为反射镜，11为感应光纤。2为光纤耦合器，12a1、12a2、…、12aN、12b1、12b2为耦合器12的端口， 12a1、12a2、…、12aN是同向端口，共N个，12b1、12b2是耦合器12的另一组同向端口（共M个）中的两个端口；13为第一一偏振分束器，13a1、13a2、13b1为第一偏振分束器13的端口，端口13a1、13a2为分波端口，端口13b1为合波端口，从端口13b1输入的光，将分成两个相互垂直的偏振态，分别从13a1、13a2输出；14为第一一法拉第旋转反射镜，14a1为其光输入输出端口；15为传感光纤；16为第一延迟光纤；17为第二偏振分束器，17a1、17a2、17b1为偏振分束器17的端口，端口17a1、17a2为分波端口，端口17b1为合波端口，从端口17b1输入的光，将分成两个相互垂直的偏振态，分别从17a1、17a2输出，18为第二延迟光纤；19为第二法拉第旋转反射镜，19a1为其光输入输出端口，20为光纤延迟器。

具体实施方式

下面通实施例具体描述本发明。

本实施例的光路采用图4所示的结构。

光纤耦合器12使用的是3*3均分耦合器，为武汉邮电研究院生产；第一延迟光纤16是G652型康宁单模光纤绕制成的光纤环圈；第一偏振分束器13的尾纤皆为普通单模光纤，为绵阳超光生产。

传感光纤15为所要监测的光缆中的一芯单模光纤，长度约30km，其一端与第一偏振分束器13相连，另一端与法拉第旋转反射镜相连。

干涉光路的光从光纤耦合器12的端口12a1输入，干涉信号从端口12a2、12a3获得。使用的光源是电子集团总公司44研究所生产的SO3-B型超辐射二极管（SLD）。光电转换及信息处理中使用的光电转换器件为44所生产的型号为GT322C500的InGaAs光电探测器。

光纤耦合器12、第一延迟光纤延迟16、第一偏振分束器13构成的干涉单元、以及光源、光电探测等测量装置放置在监控室内，法拉第旋转反射镜则位于远离监控室的传感缆另一端。

对传感光缆进行敲击，即可观察到干涉信号输出。

测试表明，背景回光被消除，获得的条纹清晰度约为50%，而当使用图1所示结构，即将偏振分束器13用均分的2*1耦合器代替，条纹清晰度变差，约为25%，因此本发明所述的方面带来了明显的干涉改善，即，条纹清晰度明显增加。

使用图5的结构，获得的条纹清晰度亦约为50%，明显优于使用图1结构的结果。

Claims (2)

1.一种消除分布式单芯反馈干涉光路中背向回光的方法，其特征在于，在偏振光路中使用偏振分束器、法拉第旋转反射镜和光纤延迟器，传感光纤连接在偏振分束器与法拉第旋转反射镜之间，形成一单芯反馈干涉光路；该干涉光路包括：

一个光纤耦合器（12），12a1、12a2、…、12aN、12b1、12b2为光纤耦合器（12）的端口， 12a1、12a2、…、12aN是光纤耦合器（12）的一组同向端口，共N个，12b1、12b2是光纤耦合器（12）的另一组M个同向端口中的两个端口；

第一偏振分束器（13），13a1、13a2、13b1为第一偏振分束器（13）的端口，端口13a1、13a2为分波端口，端口13b1为合波端口，光从端口13b1输入，被分成两个相互垂直的偏振态，分别从13a1、13a2输出；

第一法拉第旋转反射镜（14），14a1为其光输入输出端口；

一传感光纤（15）；

一光纤延迟器（20）；

传感光纤（15）一端与第一偏振分束器（13）的合波端口13b1相连，传感光纤（15）另一端与第一法拉第旋转反射镜（14）相连，光纤延迟器（20）接在端口12b1与端口13a1之间，端口12b2与端口13a2相连；光从耦合器（12）的端口输入，干涉信号亦从光纤耦合器（12）的端口输出；

所述光纤延迟器（20）由第二偏振分束器（17）、一延迟光纤（18）和第二法拉第旋转反射镜（19）构成； 17a1、17a2、17b1为第二偏振分束器（17）的端口，端口17a1、17a2为分波端口，端口17b1为合波端口，从端口17b1输入的光，将分成两个相互垂直的偏振态，分别从17a1、17a2输出；所述延迟光纤（18）起延迟作用；第二法拉第旋转反射镜（19）的光输入输出端口为19a1；所述延迟光纤（18）的一端与第二偏振分束器（17）的合波端口17b1相连，另一端与第二法拉第旋转反射镜（19）相连；第二偏振分束器（17）的分波端口17a1、17a2分别与端口12b1和13a1相连。

2.根据权利要求1所述的消除分布式单芯反馈干涉光路中背向回光的方法，其特征在于，该干涉光路中形成2条光的传输路径，分别为：

Ⅰ：端口12b1→端口17a1→端口17b1→延迟光纤（18）→第二法拉第旋转反射镜（19）→延迟光纤（18）→端口17b1→端口17a2→端口13a1→端口13b1→传感光纤（15）→第一法拉第旋转反射镜（14）→传感光纤（15）→端口13b1→端口13a2→端口12b2；

Ⅱ：端口12b2→端口13a2→端口13b1→传感光纤（15）→第一法拉第旋转反射镜（14）→传感光纤（15）→端口13b1→端口13a1→端口17a2→端口17b1→延迟光纤（18）→第二法拉第旋转反射镜（19）→延迟光纤（18）→端口17b1→端口17a1→端口12b1；

这两束光在耦合器（12）处会合，发生干涉；上述光路表示形式中，箭头表示光传递的方向。