CN102564477A - 一种具有全保偏功能的干涉光路结构 - Google Patents

Abstract

本发明属于光纤传感技术领域，具体为一种具有全保偏功能的干涉光路结构。本发明的干涉光路包括：保偏耦合器、偏振分束器、单模光纤、法拉第旋转镜，其中，保偏耦合器的尾纤、偏振分束器的分波尾纤为保偏光纤，单模光纤连接在偏振分束器的合波尾纤和法拉第旋转镜的尾纤之间；当输入光为线偏振光，沿着保偏光纤的轴注入干涉结构，可获得两路偏振状态一致的干涉光。本发明利用偏振分束器，配合法拉第旋转镜，消除光路中背向返回的光，提高干涉光路中的相干光成分，提高条纹清晰度。本发明适用于长距离分布式光纤传感，利用光纤通信常用的单模光纤即可实现传感，避免了完全使用保偏光纤及保偏器件的全保偏光路中存在的成本高，难以推广等问题。

Description

一种具有全保偏功能的干涉光路结构

技术领域

本发明属于光纤传感技术领域，具体是一种光纤光路中包含有单模光纤的、具有全保偏功能的干涉光路结构。

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。

图1是常见的一种光纤传感结构。

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，增加了背景噪声，降低了干涉条纹的清晰度。 

上述光路表示形式中，标号代表该标号所对应的部件，箭头表示光传递的方向。

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，并在光纤延迟线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，这种结构消除了利用耦合器构成延迟线引入的不参与干涉的光路，仅存在两路相互干涉的光，但是，由于单模光纤的存在，最终相遇发生干涉时的两路光，无法具有一致的偏振态，因而仅仅是部分相干，仍存在一部分不相互干涉的光，成为背景光，减弱了条纹清晰度，影响到测试的效果。

发明内容

本发明的目的在于提供一种成本低、测试灵敏度高的具有全保偏功能的干涉光路结构。

本发明提供的干涉光路结构，是利用偏振分束器实现的一种干涉路径中包含单模光纤的具有全保偏功能的干涉结构，该结构不但可消减干涉光路的背景光，且由于光路利用单模光纤构建，这部分单模光纤可用于实现光路的延迟参数、或担当光路中的传感光纤功能，大大降低了完全采用保偏光纤及保偏器件实现全保偏结构中存在的成本过高、实际工程应用性差的问题。具体来说，本发明的具有全保偏功能的光纤光路结构，包括：保偏耦合器、偏振分束器、单模光纤、法拉第旋转镜，其中，保偏耦合器的尾纤、偏振分束器的分波尾纤为保偏光纤，单模光纤连接在偏振分束器的合波尾纤和法拉第旋转镜的尾纤之间；当输入光为线偏振光，沿着保偏光纤的轴注入干涉结构，可获得两路偏振状态一致的干涉光。其基本构成如图4所示。12为保偏耦合器，12a1、12a2、…、12aN、12b1、12b2为保偏耦合器12的端口，各端口皆为保偏光纤，12a1、12a2、…、12aN是同向端口，12b1、12b2是保偏耦合器12的另一组同向端口中的两个端口；13为第一偏振分束器，13a1、13a2、13b1为第一偏振分束器13的端口，端口13a1、13a2为分波端口且为保偏光纤，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，分别从端口13a1、13a2输出；14为第二偏振分束器，14a1、14a2、14b1为第二偏振分束器14的端口，端口14a1、14a2为分波端口且为保偏光纤，端口14b1为合波端口，，从端口14b1输入的光，将分成两个相互垂直的偏振态，分别从端口14a1、14a2输出；15为第一法拉第旋转反射镜，15a1为其光输入输出端口；16为第二法拉第旋转反射镜，16a1为其光输入输出端口；17为第一光纤，连接于端口13b1与法拉第旋转镜15之间，可以为单模光纤；18为第二光纤，连接于端口14b1与法拉第旋转镜16之间，可以为单模光纤。端口12b1与端口13a1保偏熔接（或90度熔接），端口14a1与端口13a2保偏熔接（或90度熔接），端口12b2与端口14a2保偏熔接（或90度熔接）；输入保偏耦合器12的光为线偏振光，并沿着输入端口保偏光纤的轴输入。 

本发明的干涉光路中，光的传输路径如下：设光源从端口12a1输入，输入的偏振态为垂直偏振态，用“⊥”表示，与垂直偏振态垂直的偏振态用“∥”表示，当光的偏振态不确定时用“随机”表示。 相干涉的两路光的偏振变化如下所示（以保偏熔接为例）： 

Ⅰ：12a1（⊥）→12b1（⊥）→13a1（⊥）→13b1（⊥或随机）→17（随机）→15（随机）→17（随机）→13b1（∥）→13a2（∥）→14a1（∥）→14b1（∥或随机）→18（随机）→16（随机）→14b1（⊥）→14a2（⊥）→12b2（⊥）。

Ⅱ：12a1（⊥）→12b2（⊥）→14a2（⊥）→14b1（⊥或随机）→18（随机）→16（随机）→18（随机）→14b1（∥）→14a1（∥）→13a2（∥）→13b1（∥或随机）→17（随机）→15（随机）→13b1（⊥）→13a1（⊥）→12b1（⊥）。 

上述光路表示形式中，标号代表该标号所对应的部件，箭头表示光传递的方向；括号内的符号表示光的偏振态形式。

由上可看出，这两路光最终回到保偏耦合器时的光偏振态一致，当保偏耦合器12为均分时，从其端口输出的光可完全干涉，干涉光路工作在全保偏状态。由于偏振分束器13、14与法拉第旋转镜的共同使用，消除了传统耦合器使用时存在的背向回光，因而，这种结构的干涉条纹清晰度可达100%。

本发明中，由于连接法拉第旋转反射镜的光纤可以使用单模光纤，因而特别适用于需要很长的光纤来实现干涉结构的应用中，相对于使用等长度的保偏光纤，成本大大降低，同时，在一些应用中，还可以直接使用通信上布设的单模光缆作为感应光缆进行探测。图5即为利用该结构实现的一种分布式单芯反馈干涉结构。在该结构中，连接在端口13b1和法拉第旋转反射镜15间的为具有一定时间延迟作用的单模光纤19，端口14b1与作传感用的单模光纤（光缆）20相连接，单模光纤20的末端连接法拉第旋转反射镜16。

综上所述，该发明具有以下突出特点和优点：  

1、利用保偏光纤器件的特性，在干涉光路中存在单模光纤的情况下，实现了具有全保偏功能的的光路结构。

2、具有高的干涉条纹清晰度，可获得高的测量灵敏度、精度。

3、由于单模光纤的使用，可降低干涉光路的成本，特别在组成干涉光路的单模光纤数量很大的情况下，大大降低了成本。

4、光路可以利用通信上常用的单模光缆来实现，易于该技术的推广与应用。

该发明特别适用于长距离分布式光纤传感，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为本发明的具有全保偏功能干涉光路的基本结构。

图5为利用该结构实现的一种分布式单芯反馈干涉结构。

图6为实施例，是一种分布式单芯反馈应用结构。

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。12为保偏耦合器，12a1、12a2、…、12aN、12b1、12b2为保偏耦合器12的端口，各端口皆为保偏光纤，12a1、12a2、…、12aN是同向端口，共N个，12b1、12b2是耦合器12的另一组同向端口中的两个端口；13为第一偏振分束器，13a1、13a2、13b1为偏振分束器13的端口，端口13a1、13a2为保偏光纤，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为第二偏振分束器，14a1、14a2、14b1为偏振分束器14的端口，端口14a1、14a2为保偏光纤，从端口14b1输入的光，将分成两个相互垂直的偏振态，分别从14a1、14a2输出；15为第一法拉第旋转反射镜，15a1为其光输入输出端口；16为第二法拉第旋转反射镜，16a1为其光输入输出端口；17为第一光纤，连接于端口13b1与法拉第旋转镜15之间，可以为单模光纤；18为第二光纤，连接于端口14b1与法拉第旋转镜16之间，可以为单模光纤。19为具有一定时间延迟作用的单模光纤，20为传感光纤（光缆）。21为实施例中2×2保偏光纤耦合器，21a1、21a2、21b1、21b2为其端口，其中，21a1、21a2为同向端口，21b1、21b2为同向端口；22为第一偏振分束器，22b1为合波端口，21a1、21a2为分波端口；26为单模光纤，其作用是延迟；24为第一法拉第反射旋转镜；23为第一偏振分束器，23b1为合波端口，23a1、23a2为分波端口；27为所要监测的光缆中的一芯单模光纤，该芯光纤一端与偏振分束器23的端口23b1相连，另一端与第二法拉第反射旋转镜25相连。28为保偏环形器，28a1、28a2、28a3为其端口，从28a1输入光，光从28a2输出；从28a2输入光，光从28a3输出。

具体实施方式

下面通过实施例进一步描述本发明。

本实施例如图5所示，是一分布式单芯反馈光纤传感干涉结构。图中，21为2×2保偏光纤耦合器，21a1、21a2、21b1、21b2为其端口，其中，21a1、21a2为同向端口，21b1、21b2为同向端口；22为第一偏振分束器，22b1为合波端口，21a1、21a2为分波端口；26为单模光纤，其作用是延迟；24为第一法拉第反射旋转镜；23为第一偏振分束器，23b1为合波端口，23a1、23a2为分波端口；27为所要监测的光缆中的一芯单模光纤，长度约20km，该芯光纤一端与偏振分束器23的端口23b1相连，另一端与第二法拉第反射旋转镜25相连。28为保偏环形器，28a1、28a2、28a3为其端口，从28a1输入光，光从28a2输出；从28a2输入光，光从28a3输出。.

输入光为线偏振光，从端口28a1的保偏光纤工作轴输入，干涉信号取自端口28a3。 当光缆27感应到外界扰动时，即会有相应的干涉输出，作为扰动特性的判断依据。实验表明，条纹清晰度接近100%。

该结构中的偏振分束器和保偏光纤耦合器是有绵阳超光生产，单模光纤为康宁生产，器件的保偏尾纤为熊猫型保偏光纤。提供线偏振光的是尾纤为保偏光纤的线偏振光源，由电子集团总公司44研究所生产。

Claims (2)

1.一种具有全保偏功能的干涉光路结构，其特征在于该干涉光路包括：保偏耦合器（12），第一偏振分束器（13），第二偏振分束器（14），第一法拉第旋转反射镜（15），第二法拉第旋转反射镜（16），第一光纤（17），第二光纤（18）；保偏耦合器（12）的尾纤、第一偏振分束器（13）和第二偏振分束器（14）的分波尾纤为保偏光纤，其中：

所述保偏耦合器（12）具有端口12a1、12a2、…、12aN、12b1、12b2，各端口皆为保偏光纤，其中端口12a1、12a2、…、12aN是保偏耦合器（12）的一组同向端口，端口12b1、12b2是保偏耦合器（12的另一组同向端口中的两个端口；

所述第一偏振分束器（13）具有端口13a1、13a2、13b1，其中端口13a1、13a2为分波端口且为保偏光纤，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，分别从端口13a1、13a2输出；

第二偏振分束器（14）具有端口14a1、14a2、14b1，其中端口14a1、14a2为分波端口且为保偏光纤，端口14b1为合波端口，，从端口14b1输入的光，将分成两个相互垂直的偏振态，分别从端口14a1、14a2输出；

第一法拉第旋转反射镜（15）具有光输入输出端口15a1；第二法拉第旋转反射镜（16）具有光输入输出端口16a1；第一光纤（17）连接于端口13b1与第一法拉第旋转镜（15）之间，为单模光纤；第二光纤（18）连接于端口14b1与法拉第旋转镜（16）之间，为单模光纤；

端口12b1与端口13a1保偏熔接或90度熔接，端口14a1与端口13a2保偏熔接或90度熔接，端口12b2与端口14a2保偏熔接或90度熔接；输入保偏耦合器（12）的光为线偏振光，并沿着输入端口保偏光纤的轴输入。 

2.根据权利要求1所述的具有全保偏功能的干涉光路结构，其特征在于该干涉光路中，光的传输路径如下：设光源从端口12a1输入，相干涉的两路光的偏振变化如下： 

Ⅰ：端口12a1（⊥）→端口12b1（⊥）→端口13a1（⊥）→端口13b1（⊥或随机）→第一光纤（随机）→第一法拉第旋转镜（随机）→第一光纤（随机）→端口13b1（∥）→端口13a2（∥）→端口14a1（∥）→端口14b1（∥或随机）→第二光纤（随机）→第二法拉第旋转反射镜（随机）→端口14b1（⊥）→端口14a2（⊥）→12b2（⊥）；

Ⅱ：端口12a1（⊥）→端口12b2（⊥）→端口14a2（⊥）→端口14b1（⊥或随机）→第二光纤（随机）→第二法拉第旋转反射镜（随机）→第二光纤（随机）→端口14b1（∥）→端口14a1（∥）→端口13a2（∥）→端口13b1（∥或随机）→第一光纤（随机）→第一法拉第旋转镜（随机）→端口13b1（⊥）→端口13a1（⊥）→端口12b1（⊥）；

上述光路表示形式中，箭头表示光传递的方向；括号内的符号表示光偏振态形式：“⊥”表示输入的偏振态为垂直偏振态，“∥”表示与垂直偏振态垂直的偏振态，“随机”表示光的偏振态不确定。

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