CN102608770A

CN102608770A - 一种白光干涉方法及其实现系统

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Publication number: CN102608770A
Application number: CN2012100891187A
Authority: CN
Inventors: 肖倩; 洪广伟; 贾波; 林鹏
Original assignee: Fudan University
Current assignee: Fudan University
Priority date: 2012-03-30
Filing date: 2012-03-30
Publication date: 2012-07-25

Abstract

本发明属于光纤传感技术领域，具体涉及一种白光干涉方法及其实现系统。本发明使用光纤偏振分束器替代原有的耦合器作为分光、合光器件，结合法拉第旋转器的作用，消除原白光干涉系统中的非相干光束，仅保留用于相干的两束相干光。本发明提高了系统干涉条纹的对比度和信噪比。本发明涉及的方法及系统可广泛的应用于光纤传感、光纤通信和信号处理领域。本发明不仅可以用于恶劣复杂环境中，速度、压力、声波、地震波等信号的传感，而且可以实现全光通信网中光开关、滤波器、调制器等功能，同时可以作为延迟器件广泛用于信号处理领域。

Description

一种白光干涉方法及其实现系统

技术领域

本发明属于光纤传感技术领域，具体涉及一种白光干涉方法及其实现系统。

背景技术

利用光纤无源器件构造的干涉系统，广泛的应用于传感、信号处理和光纤通信领域，是构造各种高精度测量系统的基石。90年代初，以色列科学家Levin提出全光纤干涉系统，以光无源器件来替换以往干涉系统的透镜等光学器件，具有结构紧凑、体积小巧、造价低廉、调试简便、以及抗干扰能力强等优点，尤其在测量低速方面体现出了明显的优势，代表了光测技术的发展新方向。其结构如图4所示：

传统的离散光学干涉系统一般仅存在两束等光程相干光束，相干光束在光电探测器输出形成干涉条纹。然而，在Levin提出的全光纤干涉系统中采用耦合器作为分光、合光器件，使得系统输出光束为四束光，除了两个相干光束之外，还有两个为了构造白光干涉而引入的不等程非相干光束，在探测器中一并贡献为直流分量，大大降低干涉条纹的对比度，特别是当非相干光束光强不稳定时，非相干光束光强在光电转换中容易被误认为干涉条纹，导致相位解调错误。为了解决上述问题，本发明设计一种白光干涉方法及实现系统，能够消除非相干光，提高了条纹对比度，广泛应用于传感测试系统中。

Levin提出的全光纤干涉系统，由激光器Laser、光电探测器PIN、耦合器coupler、延时光纤、准直器Collimator和待测自由面Target。光纤干涉系统中存在两条等光程相干光束和两条不等光程非相干光束。两束相干光中，第一条相干光的路线为：Laser3×3 耦合器

M

2×2 耦合器

准直器

待测自由面

准直器 3×3耦合器

PIN; 第二条相干光的路线为：Laser

3×3 耦合器

2×2 耦合器

准直器待测自由面

准直器

M3×3耦合器

PIN。

而两束非相关光中，第一条非相干光的路线为：Laser

3×3 耦合器

M

2×2 耦合器

准直器

待测自由面

准直器

M3×3耦合器

PIN; 第二条非相干光的路线为：Laser3×3 耦合器

2×2 耦合器

准直器

待测自由

准直器

3×3耦合器

PIN。这两束不等程非相干光在探测器中一并贡献为直流分量，大大降低干涉条纹的对比度，而本发明能完全消除原系统中的非相干光，提高干涉条纹对比度和系统信噪比。

发明内容

本发明的目的在于提供一种能够提高条纹对比度的白光干涉方法及其实现系统。

本发明使用光纤偏振分束器替代原有Levin干涉系统中的2×2耦合器，同时，结合法拉第旋转器的作用，使返回偏振分束器的光仅从偏振分束器的一个分波端口输出，使得到达探测器的光没有非相干光束，因而消除使用耦合器时存在的非相干光束，提高了干涉条纹的对比度。

首先具体分析光收发装置对光波偏振态的变化作用。无损耗（主要指偏振相关损耗）的线性光学元件组成的光学系统，描述双折射的琼斯矩阵都可以写作如下形式：

Figure 2012100891187100002DEST_PATH_IMAGE006

（1）

其中JXX，JYX 为偏振变换因子，一般为复数，上标*代表取共轭，而且。

在光纤中，线双折射的传输矩阵是：

（2）

其中

，

光波在两个正交偏振方向上的传播常数，z为光纤的长度（此处假定所选择坐标方向与双折射快慢轴重合）。

圆双折射的传输矩阵是：

（3）

其中

，

为右旋光、左旋光的传播常数。

当光收发装置采用法拉第旋转45°反射器连接平面镜时，反射光经过两次法拉第旋转45°反射器将偏振面旋转

。法拉第旋转45°反射器琼斯矩阵为：

平面镜的琼斯矩阵为：

（4）

此时采用矩阵

表示琼斯矩阵，则光收发的传输矩阵为：

（5）

可见此时双折射被完全抵消。

总结结论：当采用法拉第旋转反射器45°加平面反射作为光收发装置的结构时能够完全消除相位调制器中任何互易性的双折射，系统抗干扰能力强，同样，法拉第旋转反射镜作为光收发装置也具备上述特征。

所述的偏振分束器连接光收发装置的结构如图1中的虚线框所示。包括偏振分束器（如光纤偏振分束器或者离散式偏振分束器）6，A，B为偏振分束器6的分波端口，C为偏振分束器6合波端口，光纤法拉第旋转器7（旋转45°），准直器8和待测自由面9。

设偏振分束器的入射端为C，而输出的两偏振光为A(x偏振方向),B(y偏振方向),将偏振分束器的另外一端接45°法拉第旋转反射器，而待测自由面9相当于平面镜的作用。此时偏振分束器的A端口和B端可用两个不同的琼斯矩阵来表示，其中：

,

（6）

假设入射光的矢量为

，经过上述收发装置结构后到达A端和B端的反射光矢量为

和

，其中：

（7）

（8）

由此可见，当采用图1的光收发结构时，偏振光从A端入射后，经过光收发结构变为y偏振方向的光，反射光将全部从B端射出，而A端的反射光强为0，从而达到完全消除非相干光束、提高了干涉条纹对比度的目的。

本发明相应于上述干涉方法的实现系统，其结构如图1所示。它包括：光源1，第一光电探测器2，第二光电探测器3，光纤耦合器4，偏振分束器6，光纤法拉第旋转反射镜7（旋转45°），准直器8和待测自由面9。光纤耦合器4有两个端口10、11，偏振分束器6有两个（分波）端口12、13。

该实现系统的光路特征是：光源1发出的光经过光纤耦合器4分光后，端口10的光从端口12经过偏振分束器6再通过光纤法拉第旋转反射镜7到达准直器8，入射到被测靶面9，经过被测靶面9反射后，被准直器8接收，光波重新经过偏振分束器6分光后，端口13的光经过延迟线5从端口11最终进入光纤耦合器4形成顺时针方向的相干光，光的路线依次经过：光源1、光纤耦合器4、端口10、端口12、偏振分束器6、光纤法拉第旋转反射镜7、准直器8、被测靶面9、准直器8、偏振分束器6、端口13、延时光纤5、端口11、光纤耦合器4。

另一路相干经过光纤耦合器4分光后，先由端口11通过延时光纤5再从端口13进入偏振分束器6，接着经过光纤法拉第旋转反射镜7到达准直器8，入射到被测靶面9，经过被测靶面9反射后，被准直器8接收，光波重新经过偏振分束器6分光后，端口12的光从端口10最终进入光纤耦合器4形成逆时针方向的相干光。光的路线为：光源1、光纤耦合器4、端口11、延时光纤5、端口13、偏振分束器6、光纤法拉第旋转反射镜7、准直器8、被测靶面9、准直器8、偏振分束器6、端口12、端口10、光纤耦合器4。两束光在光纤耦合器4形成干涉，输出干涉信号。

在公式（7）、（8）的分析中，考虑的是偏振分束器、法拉第旋转器、反射镜之间无光纤，或光纤的偏振特性为理想的情况，即这些传输光纤不改变传输光的偏振态。在实际应用中，当使用光纤来构建传输光路，光纤的状态会对影响到传输路径上光的偏振态，为了易于获得本发明的效果，对偏振分束器、法拉第旋转器、反射结构间的传输光纤采用偏振保持光纤，即偏振分束器6的合波端C的尾纤、法拉第旋转器7的输入、输出尾纤、准直器8的尾纤以及它们之间的连接光纤（若需要的话）皆采用偏振保持光纤。

本发明所使用的光偏振分束器可以为光纤耦合式偏振分束器，或者离散式偏振分束器；使用的收发装置为光纤法拉第45°旋转器7加平面反射镜的结构，其中的平面镜结构由准直器8和待测自由面9构成。

本发明所用的激光器工作波长是

或

的半导体激光二极管或半导体发光二极管激光器，或者超辐射发光二极管激光器，或者波长

的气体激光器；所用光纤或光纤延迟线可以是单模光纤，或者是多模光纤，或者保偏光纤。

本发明采用光纤准直器与自由反射面构成相位调制系统，此处，也可以是任何本征型光纤相位调制器，比如，在弹性体上缠绕一匝或多匝光纤，利用光纤的弹光效应实现相位调制；也可以是光折射率可随外加电压信号变化的晶体，如铌酸锂晶体等；或者由透镜组构造的光收发耦合系统。本发明采用一只熔融拉锥形光纤耦合器、延时线和一个光纤偏振分束器。其中耦合器与光纤的连接、偏振分束器与光纤的连接光纤之间的连接方式是融接方式连接，光源和光纤的连接、探测器与光纤的连接采用跳线连接。

白光干涉及实现系统可广泛的应用于光纤传感、光纤通信和信号处理领域。本发明不仅可以用于恶劣复杂环境中，速度、压力、声波、地震波等信号的传感，而且可以实现全光通信网中光开关、滤波器等功能，同时可以作为延迟器件广泛用于信号处理领域。

附图说明

图1是本发明系统结构示意图，虚线框内为系统光收发装置。

图2是采用干涉结构图1时，采用正旋声波作用自由面时的输出干涉信号。

图3为Levin结构产生的干涉条纹曲线。

图4为Levin提出全光纤干涉系统。

图中标号：1是光源，2为第一光电探测器，3为第二光电探测器，4为光纤耦合器，5延迟线，6为偏振分束器，7为光纤法拉第旋转器（旋转45°），8为准直器，9为待测自由面（即被测靶面），10、11是光纤耦合器4的第一、第二端口，12、13是偏振分束器6的第三、第四端口。

具体实施方式

在本实施例中，所用的激光器为电子集团总公司44研究所生产的SO3-B型超辐射发光管（SLD）型稳定光源（1）。光纤耦合器4和光纤偏振分束器6、法拉第旋转器7、光纤准直器8为武汉邮电研究院生产的单模器件，且偏振分束器的合波端尾纤，法拉第旋转器的输入输出端尾纤、光纤准直器的尾纤皆为保偏光纤，且进行保偏熔接。光电探测器（2）（3）为44所生产的型号为GT322C500的InGaAs光电探测器。所用的光纤为美国生产的“康宁”G.652型单模光纤。延迟线采用端面镀铝膜。光源与干涉系统、干涉系统与探测器的连接方式是FC/PC跳线连接。采用图1的方式融接，连接在一起，实现的干涉曲线如图2所示。而Levin提出的系统结构，得到的干涉曲线为图3。

本发明提出的干涉系统消除了所有的非相干光，因而理论上本发明的条纹对比度为1；而Levin提出的系统结构中相干光和非相干光的成分相同，因而理论上其条纹对比度为0.5。根据干涉条纹对比度公式

进行计算（其中I为干涉条纹幅度），图2干涉条纹的对比度

，图3干涉条纹的对比度

，与各自理论值较为接近。可见本发明比Levin结构提高了一倍的条纹对比度，另外图3的干涉条纹更为清晰，可见信噪比也得到了大大的提高。

Claims

1.一种白光干涉方法，其特征在于具体步骤为：使用光纤偏振分束器替代原有Levin干涉系统中的2×2耦合器；同时，使用法拉第旋转器，使返回偏振分束器的光仅从偏振分束器的一个分波端口输出，使得到达探测器的光没有非相干光束，从而消除使用耦合器时存在的非相干光束，提高干涉条纹的对比度。

2.一种白光干涉系统，其特征在于，包括光源，第一光电探测器，第二光电探测器，光纤耦合器，偏振分束器，光纤法拉第旋转反射镜，准直器和待测自由面；其中，光纤耦合器有两个端口即第一端口、第二端口，偏振分束器有两个分波端口即第三端口、第四端口；

系统的光路是：光源发出的光经过光纤耦合器分光后，第一端口分出的光从第三端口经过偏振分束器再通过光纤法拉第旋转反射镜到达准直器，入射到被测靶面，经过被测靶面反射后，被准直器接收，光波重新经过偏振分束器分光后，第四端口的光经过延迟线从第二端口最终进入光纤耦合器形成顺时针方向的相干光，光的路线依次经过：光源、光纤耦合器、第一端口、第三端口、偏振分束器、光纤法拉第旋转反射镜、准直器、被测靶面、准直器、偏振分束器、第四端口、延时光纤、第二端口、光纤耦合器；

另一路相干经过光纤耦合器分光后，先由第二端口通过延时光纤再从第四端口进入偏振分束器，接着经过光纤法拉第旋转反射镜到达准直器，入射到被测靶面，经过被测靶面反射后，被准直器接收，光波重新经过偏振分束器分光后，第三端口的光从第一端口最终进入光纤耦合器形成逆时针方向的相干光，光的路线为：光源、光纤耦合器、第二端口、延时光纤、第四端口、偏振分束器、光纤法拉第旋转反射镜、准直器、被测靶面、准直器、偏振分束器、第三端口、第一端口、光纤耦合器；

两束光在光纤耦合器形成干涉，输出干涉信号。

3.根据权利要求1所述的白光干涉系统，其特征在于，偏振分束器的合波端C的尾纤，法拉第旋转器的输入、输出尾纤，准直器的尾纤，以及它们之间的连接光纤，采用偏振保持光纤。