CN102980599A - 一种光纤干涉光路中两臂精确配长方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种光纤干涉光路中两臂精确配长方法。该方法适用于Michelson和M-Z式干涉光路。将Michelson或M-Z式干涉光路与带有不同谱宽滤波器的光源相连，先通过CCD观察干涉条纹来初步判断并用切割的方法减小两光程差，而后由光电探测器检测两臂光路的干涉对比度，通过对比度的比较，精确判断两臂光路光程的相对长度，用研磨光路光纤尾端的方法使两臂光路的光程匹配。本发明可以使两臂光路达到微米级精确匹配，扩展了干涉光路中可使用光源的谱宽，降低了光源的相位噪声与光路中噪声对整个干涉系统的影响，可使干涉型光学传感系统的信噪比与灵敏度得到大幅提高。

Description

一种光纤干涉光路中两臂精确配长方法

技术领域

本发明涉及一种光程的匹配方法，特别是涉及一种光纤干涉光路中两臂精确配长方法。

技术背景

随着光纤技术的不断发展，越来越多的传感器，如水听器，加速度计，压力、温度传感等都使用了光纤干涉系统，需要通过改变光纤中的相位检测两束光的干涉情况，来判断所测量，都要求敏感部分的两个干涉光路要精确匹配。而目前还没有能够将两光路光程进行精确匹配的方法，只能用窄线宽的激光器来做系统光源，噪声大、系统不稳定，极大制约了这种光纤干涉系统的应用。

发明内容

为了解决技术背景中存在的问题，本发明的目的在于提供一种光纤干涉光路中两臂精确配长方法，该种方法可以使两臂光路达到微米级的精确匹配，加大了干涉光路中可使用光源的谱宽，降低了光源的相位噪声与光路中的噪声，使干涉型光学传感系统的信噪比与灵敏度得到提高。

本发明采用的技术方案的步骤如下：

1）将谱宽为α₁的滤波器的一端与宽谱光源连接，谱宽为α₁的滤波器的另一端与耦合器的第一输入端连接，将Michelson式干涉光路输入端与耦合器的输出端连接，Michelson式干涉光路输出端为第一臂光路与第二臂光路，将第一臂光路与第二臂光路的光纤尾端并排紧靠，放置于CCD的镜头正前端，聚焦并观察CCD屏幕中干涉图像，则会出现两种情况：第一种无干涉条纹，则换用谱宽为第一次谱宽一半的滤波器，如仍无条纹，第三次更换谱宽为第二次谱宽一半的滤波器，反复上述步骤直至第n次干涉条纹第一次出现，此时所用的滤波器谱宽为Δλ₀=α₁/2^n-1，n=2，3……；第二种情况为有干涉条纹，则换用两倍谱宽的滤波器，反复上述步骤直至第n次时干涉条纹第一次消失，再换用谱宽为Δλ₀=2^n-2α₁，n=2，3……的滤波器；

2）计算第一臂光路与第二臂光路的光纤最大长度差：

根据所用滤波器的谱宽Δλ₀，计算光纤最大长度差其中λ为宽谱光源中心波长，n为光纤折射率，当ΔL小于1mm，直接进行步骤5），当ΔL大于等于1mm,进行后续步骤；

3）使第一臂光路与第二臂光路的光纤长度差Δl小于1mm：

通过公式 $\mathrm{\ΔT}=\frac{\frac{{\mathrm{\λ}}^{2}n}{\mathrm{\Δ\λL}}-n\{{\mathrm{\ϵ}}_z-\frac{n^2}{2}[(P_{11}+P_{12}){\mathrm{\ϵ}}_r+P_{11}{\mathrm{\ϵ}}_z\left]\right\}}{\left(\frac{\mathrm{\δn}}{\mathrm{\δT}}\right)}$ （1）计算加热光纤长度为L时对应滤波器谱宽Δλ₀下加热的温度变化ΔT₀，其中P₁₁、P₁₂是光纤的弹光系数，ε_r是径向应变，ε_z是横向应变，n光纤折射率，为光纤折射率受温度变化影响的系数；

换用谱宽为2Δλ₀的滤波器与耦合器的第一输入端相连接，加热第一臂光路中长度为L的一段光纤，使温度变化，最高到ΔT₀，观察CCD屏幕中的图像是否有干涉条纹出现，如有干涉条纹，记录刚出现干涉条纹时的温度变化ΔT，由（1）式计算得出Δλ，而后计算光纤长度差

用切割刀切割光纤尾端的方法使光程匹配；如无干涉条纹，待第一臂光路恢复常温后换为加热第二臂光路，使温度变化，最高到ΔT₀，观察CCD屏幕中的图像在多少温度时出现干涉条纹，按上述加热第一臂光路同样的方法确定光纤长度差Δl，如大于等于1mm则用切割刀切割光纤尾端的方法使光程匹配；

4）重复步骤1）～4），直至光纤长度差Δl小于1mm；

5）撤掉CCD与滤波器，将探测器与耦合器的第二输入端连接，加热第一臂光路，记录输出功率，以下式计算对比度，

其中I_max为加热这段时间内的功率最大值，I_min为最小值，加热后若对比度提高，则记录对比度接近1时的温度变化ΔT，根据加热部分光纤长度L，由（1）式计算得出Δλ，而后计算光纤长度差研磨第二臂光路的光纤尾端并记录输出功率，当对比度接近1时光程匹配；若对比度下降，则停止加热第一臂光路，待温度降为常温时，改为加热第二臂光路，按上述方法确定光纤长度差Δl，研磨第一臂光路的光纤尾端使光程匹配。

如所需为M-Z式干涉光路时，则在M-Z式干涉光路的合束端前将M-Z式干涉光路断开，形成两条Michelson式干涉光路，分别将形成的两条Michelson式干涉光路按上述方法匹配光纤长度后在M-Z式干涉光路的断开处对接。

当光纤长度差Δl于1mm时的光纤长度精确控制并检测的方法为：将光程较长一臂的光纤尾端嵌入研磨头，研磨头上划有合适光纤安放的槽，使光纤尾端端面与槽底端齐平，用胶固定，用研磨机精细研磨较长一臂光路的光纤端面研磨头使光程减少，取出研磨头，清洗干净后记录探测器的功率，计算对比度，当对比度接近1时，第一臂光路与第二臂光路的光程精确匹配。

所述步骤1）中，在确定谱宽Δλ₀的数值时或者利用可调谱宽的滤波器调整到刚刚明显可见干涉条纹，记录或测得此时滤波器谱宽，记为Δλ₀。

本发明具有的有益效果是：

本发明可以精确的匹配两臂光路的光程，可以使两臂光路达到微米级精确匹配，极大的提高了光路所用光源的谱宽，降低了光源的相位噪声与光路中的噪声对整个干涉系统的影响，使干涉型光学传感系统的信噪比与灵敏度得到提高。

附图说明

图1是匹配两臂光路光程的光路结构示意图。

图2是Michelson式干涉光路示意图。

图3是M-Z式干涉光路示意图。

图4是用CCD采集干涉条纹示意图。

图5是探测器功率变化示意图。

图6是尾端带有研磨头的Michelson式干涉光路示意图。

图中：1、宽谱光源，2、探测器，3、耦合器，4、滤波器，5、CCD，6、研磨头。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步的说明。

Michelson或M-Z式干涉光路两臂光路的光程差要符合光源谱宽的要求，设光源的光谱宽度为Δλ，要求第一臂光路第二臂光路的最大光程差Δ为λ²/Δλ。

如图1所示，为了达到上述要求，本发明采用一种方法找干涉两臂光程差。将Michelson式干涉光路输入端与耦合器3的输出端A连接，Michelson式干涉路输出端为第一臂光路与第二臂光路，将不同谱宽的滤波器4的一端与宽谱光源1连接，滤波器4的另一端与耦合器3的第一输入端B连接。如图2所示，Michelson式干涉式光路可由分数器件与连接器件组成。例如，设最终所用宽谱光源1谱宽为20nm（可根据光路需要选择光源谱宽），波长为1550nm，则要求的最大光程差约为120μm，由于Michelson式干涉式光路为反射式，所以两臂单程的最大光程差为60μm。首先，保证Michelson干涉光路的第一臂光路与第二臂光路中分束器件尾纤长度差2毫米左右，保证干涉光路的第一臂光路与第二臂光路中连接器件的总长度差在2毫米左右，按所需光路结构连接光路，将Michelson干涉光路的输入端与50:50的耦合器3第一输出端A连接。整个光路连接完成后可知第一臂光路与第二臂光路的长度差在1cm之内，预估长度差为6mm，根据Δ＝λ²/Δλ，其中λ为所用光源波长1550nm，Δ为6mm，可计算Δλ＝0.4nm。故选用宽谱光源1连接谱宽为α₁=0.4nm的滤波器4，滤波器4另一端与耦合器的的第一输入端B连接，如图4所示，并排紧靠第一臂光路与第二臂光路的尾纤，放置于CCD 5的镜头正前端，聚焦并观察CCD 5屏幕中图像有无干涉条纹，则会出现两种情况：第一种无干涉条纹，则换用谱宽为第一次谱宽一半的滤波器4，即谱宽0.2nm，如仍无条纹第三次更换谱宽为第二次谱宽一半的滤波器4，即谱宽0.1nm。反复上述步骤直至第n次干涉条纹第一次出现，此时所用的滤波器4谱宽为Δλ₀=α₁/2^n-1（n=2，3……）；第二种情况为有干涉条纹，则换用两倍谱宽的滤波器4，即谱宽0.8nm，反复上述步骤直至第n次时干涉条纹第一次消失，再换用谱宽为Δλ₀=2^n-2α₁（n=2，3……）的滤波器4。在确定Δλ₀的数值时也可利用可调谱宽的滤波器调整到刚刚明显可见干涉条纹，记录或测得此时滤波器谱宽，记为Δλ₀。相位随温度的变化关系为

式中P₁₁、P₁₂是光纤的弹光系数，ε_r是径向应变，ε_z是横向应变，n光纤折射率，

为光纤折射率受温度变化的影响。而光程差

$\mathrm{\ΔT}=\frac{\frac{{\mathrm{\λ}}^{2}n}{\mathrm{\Δ\λL}}-n\{{\mathrm{\ϵ}}_z-\frac{n^2}{2}[(P_{11}+P_{12}){\mathrm{\ϵ}}_r+P_{11}{\mathrm{\ϵ}}_z\left]\right\}}{\left(\frac{\mathrm{\δn}}{\mathrm{\δT}}\right)}---\left(1\right)$

设当使用Δλ₀＝0.4nm时干涉条纹第一次出现，则第一臂光路与第二臂光路最大光程差为6mm，利用外径为250μm普通单模光纤的典型参数可算出

设加热光纤的长度为20米，可算出20米光纤要改变光程6mm时需将温度改变43℃。换用2Δλ₀谱宽的滤波器与耦合器3的第一输入端B相连接，加热第一臂光路，使温度缓慢变化（1℃/min），观察CCD 5屏幕中的图像是否有干涉条纹出现，出现干涉条纹，则第一臂光路的光程比第二臂光路的光程短，记录加热的光纤长度与加热时的温度变化，设加热的温度变化为35℃，根据公式（1）可计算出此时第一臂光路所改变的实际光程为约4.97mm，即第一臂光路的光程比第二臂光路的光程短4.97mm，设所用光纤纤芯的折射率为1.5，则实际的切割长度约为3.3mm。光纤两臂的光纤长度差很接近，不能用切割刀直接切割较长一臂光纤尾端使长度匹配，可以用切割刀切割第一臂光路的光纤尾端5mm，再用切割刀切割第二臂光路光纤尾端8.3mm使第一臂光路与第二臂光路长度匹配。当第一臂光路与第二臂光路光纤长度差较大时，如相差7mm，可直接用切割刀切割光纤长度较长一臂的光纤尾端。按上述方法继续改变滤波器4谱宽，设当滤波器4谱宽为3.2nm时干涉条纹消失，则前一次滤波器谱宽1.6nm来计算得第一臂光路与第二臂光路的最大光程差为1.5mm，相差的实际光纤长度差最大值小于1mm，所以采用光纤长度精确控制并实时检测的方法使光程匹配。

光纤长度精确控制并实时检测的方法为：撤掉CCD 5与滤波器4，将探测器2与耦合器3的第二输入端C连接，加热第一臂光路，功率会随第一臂光路与第二臂光路的光程差的变化而变化，功率输出趋势图如图5所示，记录输出功率，计算对比度，对比度为

其中I_max为功率最大值，I_min为功率最小值，设此时的对比度为0.3，若加热一段时间后对比度提高则第一臂光路光程较第二臂的光程短，当对比度接近1时，记录此时的温度变化，根据此时加热部分光纤长度与温度变化由（1）式计算得出Δλ，而后计算光纤长度差用研磨光纤端面的精确配长方法使光程匹配，例如设加热的光纤长度为10米，温度变化为10℃，可得光纤长度差Δl=0.45mm；若对比度下降，则第一臂光路光程较第二臂光路的光程长，停止加热第一臂光路，待温度降为常温时，改为加热第二臂光路，用上述方法计算第一臂光路与第二臂光路的光纤长度差Δl，用研磨光纤端面的精确配长方法使光程匹配。

如图6所示，用研磨光纤端面的精确配长方法如下，当光程差Δl小于1mm时，用上述方法判断第一臂光路与第二臂光路光程的相对长度，将较长一臂的光纤尾端嵌入研磨头6中，该研磨头6为在长为1cm、宽为3mm、厚为2mm的石英玻璃基片上划有宽为200μm、深60μm的槽，将光纤尾端用胶固定在槽中，并保证光纤尾端端面与槽底端齐平，用研磨机研磨较长一臂光路的光纤端面研磨头6使光程减少，通过试验得到的研磨量为5μm/min，根据所得光纤长度差Δl确定研磨时间，而后取出研磨头，清洗干净后记录探测器2的功率，计算对比度，反复上述步骤当对比度接近1时，第一臂光路与第二臂光路的光程匹配。

如图2所示，如果所需光路为Michelson式干涉光路则直接按上述方法匹配光路，在研磨头6尾端镀反射膜即可；如图3所示，如果所需光路M-Z式干涉光路，则在光路的合束端将光路断开，即图中虚线处，形成两Michelson式干涉光路，分别将两Michelson式干涉光路按上述方法匹配光程后将两光路在M-Z式干涉光路的断开处对接。

Claims (4)

1.一种光纤干涉光路中两臂精确配长方法，其特征在于该方法的步骤如下：

1）将谱宽为α₁的滤波器（4）的一端与宽谱光源（1）连接，谱宽为α₁的滤波器（4）的另一端与耦合器（3）的第一输入端（B）连接，将Michelson式干涉光路输入端与耦合器（3）的输出端（A）连接，Michelson式干涉光路输出端为第一臂光路与第二臂光路，将第一臂光路与第二臂光路的光纤尾端并排紧靠，放置于CCD（5）的镜头正前端，聚焦并观察CCD（5）屏幕中干涉图像，则会出现两种情况：第一种无干涉条纹，则换用谱宽为第一次谱宽一半的滤波器（4），如仍无条纹，第三次更换谱宽为第二次谱宽一半的滤波器（4），反复上述步骤直至第n次干涉条纹第一次出现，此时所用的滤波器（4）谱宽为Δλ₀=α₁/2^n-1，n=2，3……；第二种情况为有干涉条纹，则换用两倍谱宽的滤波器（4），反复上述步骤直至第n次时干涉条纹第一次消失，再换用谱宽为Δλ₀=2^n-2α₁，n=2，3……的滤波器（4）；

2）计算第一臂光路与第二臂光路的光纤最大长度差：

根据所用滤波器（4）的谱宽Δλ₀，计算光纤最大长度差

其中λ为宽谱光源中心波长，n为光纤折射率，当ΔL小于1mm，直接进行步骤5），当ΔL大于等于1mm,进行后续步骤；

3）使第一臂光路与第二臂光路的光纤长度差Δl小于1mm：通过公式 $\mathrm{\ΔT}=\frac{\frac{{\mathrm{\λ}}^{2}n}{\mathrm{\Δ\λL}}-n\{{\mathrm{\ϵ}}_z-\frac{n^2}{2}[(P_{11}+P_{12}){\mathrm{\ϵ}}_r+P_{11}{\mathrm{\ϵ}}_z\left]\right\}}{\left(\frac{\mathrm{\δn}}{\mathrm{\δT}}\right)}$ （1）计算加热光纤长度为L时对应滤波器谱宽Δλ₀下加热的温度变化ΔT₀，其中P₁₁、P₁₂是光纤的弹光系数，ε_r是径向应变，ε_z是横向应变，n光纤折射率，

为光纤折射率受温度变化影响的系数；

换用谱宽为2Δλ₀的滤波器（4）与耦合器（3）的第一输入端（B）

相连接，加热第一臂光路中长度为L的一段光纤，使温度变化，最高到ΔT₀，观察CCD（5）屏幕中的图像是否有干涉条纹出现，如有干涉条纹，记录刚出现干涉条纹时的温度变化ΔT，由（1）式计算得出Δλ，而后计算光纤长度差

用切割刀切割光纤尾端的方法使光程匹配；如无干涉条纹，待第一臂光路恢复常温后换为加热第二臂光路，使温度变化，最高到ΔT₀，观察CCD（5）屏幕中的图像在多少温度时出现干涉条纹，按上述加热第一臂光路同样的方法确定光纤长度差Δl，如大于等于1mm则用切割刀切割光纤尾端的方法使光程匹配；

4）重复步骤1）～4），直至光纤长度差Δl小于1mm；

5）撤掉CCD（5）与滤波器（4），将探测器（2）与耦合器（3）的第二输入端（C）连接，加热第一臂光路，记录输出功率，以下式计算对比度，

其中I_max为加热这段时间内的功率最大值，I_min为最小值，加热后若对比度提高，则记录对比度接近1时的温度变化ΔT，根据加热部分光纤长度L，由（1）式计算得出Δλ，而后计算光纤长度差

研磨第二臂光路的光纤尾端并记录输出功率，当对比度接近1时光程匹配；若对比度下降，则停止加热第一臂光路，待温度降为常温时，改为加热第二臂光路，按上述方法确定光纤长度差Δl，研磨第一臂光路的光纤尾端使光程匹配。

2.根据权利要求1所述的一种光纤干涉光路中两臂精确配长方法，其特征在于：如所需为M-Z式干涉光路时，则在M-Z式干涉光路的合束端前将M-Z式干涉光路断开，形成两条Michelson式干涉光路，分别将形成的两条Michelson式干涉光路按上述方法匹配光纤长度后在M-Z式干涉光路的断开处对接。

3.根据权利要求1所述的一种光纤干涉光路中两臂精确配长方法，其特征在于：当光纤长度差Δl小于1mm时的光纤长度精确控制并检测的方法为：将光程较长一臂的光纤尾端嵌入研磨头，研磨头上划有合适光纤安放的槽，使光纤尾端端面与槽底端齐平，用胶固定，用研磨机精细研磨较长一臂光路的光纤端面研磨头（6）使光程减少，取出研磨头，清洗干净后记录探测器（2）的功率，计算对比度，当对比度接近1时，第一臂光路与第二臂光路的光程精确匹配。

4.根据权利要求1所述的一种光纤干涉光路中两臂精确配长方法，其特征在于：所述步骤1）中，在确定谱宽Δλ₀的数值时或者利用可调谱宽的滤波器调整到刚刚明显可见干涉条纹，记录或测得此时滤波器谱宽，记为Δλ₀。

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