CN103412371B - 一种可同时对多路光信号进行偏振态变换的法拉第旋转镜 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种可同时对多路光信号进行偏振态变换的法拉第旋转镜，包括光纤阵列、准直透镜、法拉第旋转器、反射透镜和磁环，其中光纤阵列由构成阵列结构的多根单模光纤共同组成，且它们共同的光输出端面与竖直平面呈α的夹角；准直透镜用于将来自光纤阵列的多路光转换为多路准直光束并相交于其后焦面上；法拉第旋转器用于将多路准直光束的偏振状态各自旋转一定角度，然后入射到反射透镜处并原路返回，由此完成多路光信号偏振态转换过程。通过本发明，以高效率、低成本和便于操控的方式实现对多路光信号偏振态的转换，并尤其适用于干涉型光纤传感器之类传感系统的用途。

Description

一种可同时对多路光信号进行偏振态变换的法拉第旋转镜

技术领域

本发明属于光纤传感技术领域，更具体地，涉及一种可同时对多路光信号进行偏振态变换的法拉第旋转镜。

背景技术

近年来，传感器正朝着灵敏、精确、适应性强以及小巧和智能化的方向发展。在这一过程中，光纤传感器倍受青睐。光纤传感器主要由光纤以及光探测器组成，其基本工作原理是来自光源的光经过单模光纤，当在传输过程中受到外部扰动（如振动，压力，温度，电场，磁场或声波振动等）时，导致光的光学性质（如强度，波长，频率，相位，偏振态等）发生变化，这些光学性质发生变化的信号光被送入光探测器，经解调后获得被测参数。然而，由于光纤并不完善（例如，光纤芯子的椭圆变形，光纤内部的残余应力，光纤弯曲等），使得光纤中两个模式并不简并，纵向相位常数略有不同，从而导致两个正交的偏振状态模式在传输过程中产生附加的相位差，这就是单模光纤中的双折射现象。双折射现象将引起单模光纤中光信号的偏振状态随传输距离而发生变化，进而导致传感误差。

为避免上述问题，现有技术中提出了在光纤传感系统中引入法拉第旋转镜的方案，以此来消除光信号因光纤的双折射引起的偏振态的变化。例如，CN102944918A中公开了一种法拉第旋转镜结构，其中通过对来自光纤的单路光信号执行准直处理，然后在确定磁场下使光的偏振状态旋转一定角度并且从反射式透镜前焦点输入，由此可实现对光信号偏振态的转换过程。然而，进一步的研究表明，上述现有技术仅能实现单路光信号的偏振态的转换，其利用率低，成本昂贵，并存在适用性有限等不足。事实上，对于传感器的实际运用而言，更多情况下是多通道传输光输入或者单通道传输光输入后分束为多通道传输光：以干涉型光纤传感器为例，激光通过耦合透镜进入单模光纤后被光纤耦合器分为强度相等的两束，分别进入参考臂和传感臂中传输；两干涉臂中传播的光线经各自光纤尾端的反射镜反射后重新返回光纤，当干涉仪两个臂间的光程差小于光源的相干长度时，两束相干光在光束耦合器的另一输出端将发生干涉；所输出的干涉信号进入光电探测器，配合相关软件可以测量微位移、折射率、压力、磁场强弱、应力变力等。换而言之，在上述应用情况下，现有技术的法拉第旋转镜结构无法有效地同时实现对多路光进行偏振态的变换功能。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种可同时对多路光信号进行偏振态变换的法拉第旋转镜，其目的在于通过对其关键组件的结构及其设置方式进行设计，相应可以高效率、低成本和便于操控的方式实现对多路光信号偏振态的转换，并尤其适用于干涉型光纤传感器之类传感系统。

按照本发明的一个方面，提供了一种可同时对多路光信号进行偏振态变换的法拉第旋转镜，其特征在于，该法拉第旋转镜依次包括光纤阵列、准直透镜、法拉第旋转器和反射透镜，其中：

所述光纤阵列由排列在玻璃毛细管中央槽中并构成阵列结构的多根单模光纤组成，且它们共同的光输出端面与竖直方向呈α的夹角；

所述准直透镜与光纤阵列配套设置，它的光接收端面与竖直方向呈的夹角且满足表达式其中n_f表示光纤阵列的纤芯折射率，n_c表示准直透镜的折射率，以此方式将来自光纤阵列的多路光转换为多路准直光束并相交于准直透镜自身的后焦面上；

所述法拉第旋转器上套设有磁环，用于将来自准直透镜的多路准直光束的偏振状态各自旋转一定角度，然后入射到反射透镜处，这多路光束经反射透镜执行反射后原路返回，再次依次经过法拉第旋转器和准直透镜最后从光纤阵列的各通道输入，由此完成对多路光信号偏振态变换过程。

作为进一步优选地，所述反射透镜优选为后端面镀有反射膜的C-Lens、后端面镀有反射膜的G-Lens，或者后端面镀有反射膜的非球面透镜。

作为进一步优选地，所述法拉第旋转器对多路光束偏振状态所旋转的角度被设定为45度。

作为进一步优选地，所述中央槽的剖面呈方形。

作为进一步优选地，所述光纤阵列由2N+1根单模光纤共同组成，且N为1，2，3…的自然数。

按照本发明的另一方面，提供了上述法拉第旋转镜在多通道光纤传感系统中，特别是干涉型光纤传感系统中的应用。

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，主要具备以下的技术优点：

1、通过改用光纤阵列并重新设置光纤阵列及准直透镜的结构相对位置，可以在实现多通道光路传输的同时，有效执行对这多路光的偏振态同步转换的操作，相应避免了同一系统中多个法拉第旋转镜的使用，提高了器件利用率，并能显著降低成本；

2、按照本发明的整个器件结构紧凑、便于操控，并具备易于加工和稳定性高等特点，在使用过程中完全不需光路调试即可直接进行机械装配，从而可提高产品的生产效率，适合于大批量的生产，并尤其适用于干涉型光纤传感器之类传感系统的用途。

附图说明

图1是按照本发明的可同时对多路光信号进行偏振态变换的法拉第旋转镜的主体结构示意图；

图2是按照本发明的阵列光纤的结构示意图；

图3是多路光信号通过图1中所示法拉第旋转镜各元件时的光偏振状态变化示意图；

图4a是按照本发明的多通道准直光路的子午截面示意图；

图4b是按照本发明的多通道准直光路的弧矢面截面示意图；

图5是多路光信号入射到本发明的准直透镜前端面时的位置示意图；

图6是多路光信号经过本发明的准直透镜后输出时的多束准直光束夹角示意图；

图7是本发明中的反射透镜的光路示意图；

在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或结构，其中：

111-光纤阵列  112-准直透镜  113-法拉第旋转器  114-反射透镜115-磁环

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

图1是按照本发明的可同时对多路光信号进行偏振态变换的法拉第旋转镜的主体结构示意图。如图1中所示，按照本发明的法拉第旋转镜沿着光的传输方向依次光纤阵列111、准直透镜112、法拉第旋转器113和反射透镜114，其中光纤阵列111如图2中所示，是由排列在玻璃毛细管中央槽中并构成阵列结构的多根单模光纤所组成的光学元件，其光输出端面与竖直平面呈α的夹角，设置于准直透镜112的前焦面上，所述中央槽用于容纳多根单模光纤，其剖面形状优选被设置为方形。准直透镜112选为C-Lens，其光接收端面与竖直平面呈的夹角且满足以下表达式其中n_f表示光纤阵列的纤芯折射率，n_c表示准直透镜的折射率，以此方式将来自光纤阵列111的多路光转换为多路准直光束，并且这多路准直光束相交于准直透镜112的后焦面上。法拉第旋转器113上套设有磁环115，当上述多路准直光束经过该法拉第旋转器113时，在固定不变的磁场作用下，这多路准直光束的偏振状态各自旋转一定角度ψ（在图3中是以45°为例），然后入射到反射透镜114处。反射透镜114选为后端面镀有反射膜的C-Lens，其前焦面设置于准直透镜112的后焦面上，后端面镀有高反射膜，且反射面设置于该反射式透镜114的后焦面，其用于对上述多路光束执行反射后使其原路返回，然后再次依次经过法拉第旋转器113和准直透镜112，最后从光纤阵列111对应的各通道输出，由于法拉第效应的旋光方向决定于外加磁场方向，与光的传播方向无关，此时光的偏振状态相应会旋转2ψ（即在此例中为90°），由此完成多路光信号偏振态的转换过程，具体过程可参考图3中所示。

下面将参照图4a和4b来进一步具体解释按照本发明的光纤阵列111与准直透镜112之间的设置关系。如图4a中所示，在准直透镜112的后焦面上，准直光束的高度r和角度θ分别可表示如下：

其中，α表示光纤阵列111的光输出端面与竖直平面之间的夹角，φ为准直透镜112的光接收端面也即前端面与竖直平面之间的夹角，n_f表示光纤阵列111的纤芯折射率，n_c表示准直透镜112的折射率，L表示准直透镜112的长度，f表示准直透镜112的焦距且R为准直透镜112的后端面的球面半径，d表示光纤阵列111的光输出端面与准直透镜112前端面之间的水平距离。

从上式可以看出，当光纤阵列的角度α和准直透镜的角度满足的关系式时，可将各准直光束的离轴消除，保证各准直光束与轴线交于准直透镜的后焦点上。

举例而言，比如选择C-Lens材料为SF11，它的折射率n_c=1.7447，SMF-28光纤的纤芯折射率为n_f=1.4682，通常取光纤阵列的角度为8°，计算得到C-Lens角度为5°，这样不会影响准直器的回波损耗，各准直光束与轴线交于准直透镜的后焦点上。

此外，在2N+1（2N）（N=1，2，3…）光纤阵列中，各光纤（2N+1光纤阵列中的中心光纤除外）的轴线与准直透镜的轴线不重合，使得输出的多束准直光束分别向透镜轴线两边偏移，如图5和图6中所示。例如，图5中，r′为裸光纤的半径125/2=62.5μm，h为图4a中的光纤阵列输出光信号投射到准直透镜前端面的离轴距离，图6中，各准直光束偏角的垂直分量θ为图4a中的θ，水平分量β由离轴距离2Nr′（2Nr′-r′）引起：

$\left|\mathrm{\β}\right|=\frac{2N{r}^{\′}}{f}\left(\frac{2N{r}^{\′}-r^{\′}}{f}\right)$

从上式可以看出，各通道准直光束交叉于一点，且交叉点位于准直透镜后焦面与子午面的交线上，其交叉角为：

$\mathrm{\φ}=2\arctan (\cos \mathrm{\θ}\·\tan \mathrm{\β})=\left|2\mathrm{\β}\right|=\frac{{4\mathrm{Nr}}^{\′}}{f}\left(\frac{{4\mathrm{Nr}}^{\′}-{2r}^{\′}}{f}\right)$

如图7所示，光线从准直透镜后焦点即反射式透镜的前焦点入射，反射平面位于后焦面，即2f光学系统，根据矩阵光学计算得出反射式透镜的传输矩阵为

根据上述传输矩阵，反射光线与入射光线的关系如下：

r₂=-r₁

θ₂=-θ₁

其中r₁和θ₁分别是反射式透镜前焦面处入射的光线的高度和角度，r₂和θ₂分别是反射回到反射式透镜前焦面处的光线的高度和角度。

从上式可以说明，反射光必然与入射光平行，如果光线入射在透镜轴线上，则反射光线将与入射光线完全重合（如图7所示，r₁=r₂=0），因此各通道反射光束均可以原路返回到光纤阵列。

综上所述，在上述计算推导的基础上，本发明所提出的法拉第旋转镜通过改用光纤阵列，并重新设置光纤阵列及准直透镜的结构和相对位置，能够在实现多通道光路传输的同时，有效执行对多路光的偏振态同步变换的操作，相应避免了同一系统中多个法拉第旋转镜的使用，提高了器件利用率，并能显著降低成本，因而尤其适用于干涉型光纤传感器之类传感系统的特定用途。此外，在实际运用中还可保证多束准直光束的交叉点位于准直透镜的后焦点上（即反射式透镜的前焦点上），不论入射角度如何改变，反射光线均可按照原光路返回到光纤阵列，从而实现多合一的光信号偏振态的变换。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种可同时对多路光信号进行偏振态变换的法拉第旋转镜，其特征在于，该法拉第旋转镜用于干涉型光纤传感系统，并依次包括光纤阵列(111)、准直透镜(112)、法拉第旋转器(113)和反射透镜(114)，其中：

所述光纤阵列(111)由排列在玻璃毛细管中央槽中并构成阵列结构的多根单模光纤组成，且它们共同的光输出端面与竖直方向呈α的夹角；此外，所述中央槽用于容纳这多根单模光纤，并且该中央槽的剖面形状被设置为方形；

所述准直透镜(112)与上述光纤阵列(111)配套设置，它的光接收端面与竖直方向呈的夹角且满足表达式其中n_f表示所述光纤阵列的纤芯折射率，n_c表示所述准直透镜的折射率；以此方式，将来自所述光纤阵列(111)的多路光转换为多路准直光束，并且这多路准直光束相交于所述准直透镜(112)自身的后焦面上；

所述法拉第旋转器(113)上套设有磁环(115)，用于将来自所述准直透镜(112)的多路准直光束的偏振状态各自旋转一定角度，然后入射到所述反射透镜(114)处，这多路光束经所述反射透镜(114)执行反射后原路返回，再次依次经过所述法拉第旋转器(113)和所述准直透镜(112)最后从所述光纤阵列(111)的各通道输入，由此在整个干涉型光纤传感系统中仅需使用一个法拉第旋转镜的情况下，即可完成对多路光信号偏振态的同步转换过程。

2.如权利要求1所述的法拉第旋转镜，其特征在于，所述反射透镜(114)为后端面镀有反射膜的C-Lens、后端面镀有反射膜的G-Lens，或者后端面镀有反射膜的非球面透镜。

3.如权利要求1或2所述的法拉第旋转镜，其特征在于，所述法拉第旋转器(113)对多路光束偏振状态所旋转的角度被设定为45度。

4.如权利要求3所述的法拉第旋转镜，其特征在于，所述光纤阵列(111)由2N+1根单模光纤共同组成，且N为自然数。