CN106154570B - 扫描式保偏全光纤法布里-珀罗干涉仪装置及系统 - Google Patents

扫描式保偏全光纤法布里-珀罗干涉仪装置及系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种扫描式保偏全光纤法布里‑珀罗干涉仪装置，采用全光纤链路，提高了效率；在切割光纤中间接入挤压式偏振控制器，实现了对法布里‑珀罗干涉仪偏振态的补偿。本发明中，反射光都被限制在光纤内，减少了插损。光纤两端固定或整体缠绕在压电陶瓷柱上，通过调节压电陶瓷的驱动电压，实现了腔长的调谐，从而实现了对法布里‑珀罗干涉仪的扫描。法布里‑珀罗干涉仪封装于铜柱中，再将整体封装于半导体致冷器温控中，减小了温度对法布里‑珀罗干涉仪的影响，提高了其稳定性。另外，本发明还提供了一种扫描式保偏全光纤法布里‑珀罗干涉系统，以检测扫描式保偏全光纤法布里‑珀罗干涉仪的透过率。

Description

扫描式保偏全光纤法布里-珀罗干涉仪装置及系统
技术领域
本发明涉及光纤元器件领域，尤其涉及一种扫描式保偏全光纤法布里-珀罗干涉仪装置及系统。
背景技术
光纤法布里-珀罗干涉仪以其滤波特性出色、结构简单、体积小、成本较低和适合于批量生产等优点，已广泛应用于光纤传感、光学滤波、光纤激光器和激光脉宽测量。
法布里-珀罗干涉仪的制作方法有镀膜法、紫外曝光法、熔接法、腐蚀法和激光加热法。镀膜法是在一段两端高度平整的光纤端面上镀一层或多层反射膜，然后将此光纤的两端分别和端面平整的单模光纤熔接在一起，形成本征型法布里-珀罗干涉仪。紫外曝光法利用了光纤的光敏性，在光敏光纤中选定两个不同的位置，利用紫外光对其进行曝光，曝光处和之间的光纤形成干涉腔。熔接法是在两段光纤的中间熔接不同种类的光纤，纤芯的折射率不同造成了熔接处折射率的突变，从而形成反射，典型的可将空心光子晶体光纤和空心光子带隙光纤作为谐振腔。腐蚀法，利用氢氟酸在光纤端面腐蚀出一个凹槽，将凹槽所在的空气腔作为谐振腔体，制作法布里-珀罗干涉仪。激光加热法则是利用激光的高能热效应在光纤上烧蚀出空气谐振腔。其中，本发明提供的干涉仪采用了镀膜法。
本发明提出了一种扫描式保偏全光纤法布里-珀罗干涉仪，提高了法布里-珀罗干涉仪的效率及稳定性。
发明内容
(一)要解决的技术问题
本发明的目的是将法布里-珀罗干涉仪实现扫描、保偏的功能，同时提高其效率及稳定性。
(二)技术方案
本发明公开了一种扫描式保偏全光纤法布里-珀罗干涉仪装置，包括第一光纤、第二光纤、第三光纤、压电陶瓷和挤压式偏振控制器；
所述第二光纤置于第一光纤和第三光纤的端面中间；
所述第二光纤固定在所述压电陶瓷上；
所述挤压式偏振控制器用于实现对所述干涉仪的偏振态的补偿；
上述方案中，所述的第二光纤固定在所述压电陶瓷上是指第二光纤两端固定或者整体缠绕在压电陶瓷。
上述方案中，所述第二光纤为单模光纤，其两端镀有高反膜，其长度能够调节。
上述方案中，所述第一光纤、第三光纤为保偏光纤，其端面镀有增透膜。
上述方案中，所述第二光纤与第一光纤、第三光纤对准。
上述方案中，所述扫描式保偏全光纤法布里-珀罗干涉仪装置还包括铜柱，用于封装所述扫描式保偏全光纤法布里-珀罗干涉仪。
上述方案中，所述扫描式保偏全光纤法布里-珀罗干涉仪装置还包括温控，用于封装所述铜柱和扫描式保偏全光纤法布里-珀罗干涉仪整体。
本发明还公开了一种扫描式保偏全光纤法布里-珀罗干涉系统，包括上述方案中的扫描式保偏全光纤法布里-珀罗干涉仪装置。
优选地，所述扫描式保偏全光纤法布里-珀罗干涉系统还包括：第一探测器、第二探测器、第三探测器、环形器、偏振光分束器和控制器；
所述环形器的输出端的第一端口与扫描式保偏全光纤法布里-珀罗干涉仪连接，其第二端口与第三探测器的输出端连接；
所述扫描式保偏全光纤法布里-珀罗干涉仪的输入端分别和第一探测器和第二探测器连接；
所述第二探测器的输入端与控制器的输入端连接，控制器的输出端和扫描式保偏全光纤法布里-珀罗干涉仪连接，实现闭环控制；
所述偏振光分束器的输入端与所述扫描式保偏全光纤法布里-珀罗干涉仪的输入端连接；
(三)有益效果
本发明与传统光纤法布里-珀罗干涉仪相比具有以下主要优点：
1.将镀有高反膜的光纤与镀有增透膜的光纤对准，保证高的耦合效率。相比于空间光的法布里-珀罗干涉仪，全光纤的法布里-珀罗干涉仪将光束约束在光纤中，从而提高其效率。
2.镀有高反膜的光纤两端固定在压电陶瓷上或者将其缠绕在压电陶瓷上，通过调节压电陶瓷电压，实现腔长的调谐，从而实现对法布里-珀罗干涉仪的扫描。
3.接入挤压式偏振控制器，实现了法布里-珀罗干涉仪的偏振态可调，可达到保偏目的。将法布里-珀罗干涉仪、控制器和探测器连接，可以对法布里-珀罗干涉仪的偏振态实时监测、调控，实现对法布里-珀罗干涉仪的闭环控制。
4.将法布里-珀罗干涉仪置于铜柱中，再将整体置于半导体致冷器温控中，消除或尽量减小了温度漂移对扫描式全光纤法布里-珀罗干涉仪的影响，提高了法布里-珀罗干涉仪的稳定性。
附图说明
图1为本发明实施例提供的一种扫描式保偏全光纤法布里-珀罗干涉仪装置内部结构示意图。
图2为本发明实施例提供的又一种扫描式保偏全光纤法布里-珀罗干涉仪装置内部结构示意图。
图3为本发明实施例提供的一种扫描式保偏全光纤法布里-珀罗干涉系统的结构示意图。
图4为本发明实施例提供的一种扫描式保偏全光纤法布里-珀罗干涉仪的透射谱和反射谱。
图5a至图5c为本发明实施例提供的一种扫描式保偏全光纤法布里-珀罗干涉仪在不同偏振态下的透过率曲线。
具体实施方式
本发明公开了一种扫描式保偏全光纤法布里-珀罗干涉仪装置，包括第一光纤、第二光纤、第三光纤、压电陶瓷和挤压式偏振控制器；
所述第二光纤置于第一光纤和第三光纤的端面中间；
所述第二光纤固定在所述压电陶瓷上；
所述挤压式偏振控制器用于实现对所述干涉仪的偏振态的补偿；
上述方案中，所述的第二光纤固定在所述压电陶瓷上是指第二光纤两端固定或者整体缠绕在压电陶瓷。
上述方案中，所述第二光纤为单模光纤，其两端镀有高反膜，其长度能够调节。
上述方案中，所述第一光纤、第三光纤为保偏光纤，其端面镀有增透膜。
上述方案中，所述第二光纤与第一光纤、第三光纤对准。
上述方案中，所述扫描式保偏全光纤法布里-珀罗干涉仪装置还包括铜柱，用于封装所述扫描式保偏全光纤法布里-珀罗干涉仪。
上述方案中，所述扫描式保偏全光纤法布里-珀罗干涉仪装置还包括温控，用于封装所述铜柱和扫描式保偏全光纤法布里-珀罗干涉仪整体。
本发明还公开了一种扫描式保偏全光纤法布里-珀罗干涉系统，包括上述方案中的扫描式保偏全光纤法布里-珀罗干涉仪装置。
优选地，所述扫描式保偏全光纤法布里-珀罗干涉系统还包括：第一探测器、第二探测器、第三探测器、环形器、偏振光分束器和控制器；
所述环形器的输出端的第一端口与扫描式保偏全光纤法布里-珀罗干涉仪连接，其第二端口与第三探测器的输出端连接；
所述扫描式保偏全光纤法布里-珀罗干涉仪的输入端分别和第一探测器和第二探测器连接；
所述第二探测器的输入端与控制器的输入端连接，控制器的输出端和扫描式保偏全光纤法布里-珀罗干涉仪连接，实现闭环控制；
所述偏振光分束器的输入端与所述扫描式保偏全光纤法布里-珀罗干涉仪的输入端连接。
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明作进一步的详细说明。
下面结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明的保护范围。
图1为本发明实施例提供的一种扫描式保偏全光纤法布里-珀罗干涉仪装置内部结构示意图，包括：第一光纤a、第二光纤b、第三光纤c、挤压式偏振控制器d、温控e及压电陶瓷和铜柱。
所述第二光纤b置于第一光纤a和第三光纤c的端面中间；
所述第二光纤b固定在所述压电陶瓷上；
所述挤压式偏振控制器d用于实现对所述干涉仪的偏振态的补偿；
所述铜柱，用于封装所述扫描式保偏全光纤法布里-珀罗干涉仪。
所述温控e，用于封装所述铜柱和扫描式保偏全光纤法布里-珀罗干涉仪整体。
所述的第一光纤a，第三光纤c的端面镀有增透膜，以防止第一光纤a和第二光纤b以及第二光纤b和第三光纤c间二次干涉腔的形成。
所述的第二光纤b两端镀有光学高反膜，从而在第二光纤b中形成干涉腔。第二光纤b可长可短，对应的法布里-珀罗干涉仪的腔长不一样，因此各自有不同的自由光谱区宽度。图1提供的实施例是将第二光纤b绕在了压电陶瓷上，在其径向或轴向施加驱动信号，压电陶瓷筒的直径随驱动信号变化，故缠绕在其上的光纤随之伸缩，可实现对法布里-珀罗干涉仪的扫描。
图2提供的实施例是将第二光纤b两端固定在压电陶瓷上，在其轴向施加驱动信号，压电陶瓷的长度随驱动信号变化，其上的光纤随之伸缩，可实现对法布里-珀罗干涉仪的扫描。进一步的，所述的第二光纤b中间接偏振控制器，通过调节偏振控制器，可以实现对法布里-珀罗干涉仪3偏振态的补偿。
进一步的，为了消除或尽量减小温度漂移对扫描式全光纤法布里-珀罗干涉仪3的影响，将其封装在铜柱中，并将整体封装于半导体致冷器温控箱e中，提高法布里-珀罗干涉仪3的稳定性。
优选地，所述的偏振控制器d为挤压式偏振控制器，通过调节挤压式偏振控制器的旋钮，可以实现对法布里-珀罗干涉仪的偏振态的补偿。
图3为本发明实例施提供的一种扫描式保偏全光纤法布里-珀罗干涉系统的结构示意图，包括：环形器1、法布里-珀罗干涉仪2、偏振光分束器3、第一探测器4、第二探测器5、控制器6，第三探测器7，其中：
环形器1的输出端的第一端口A和扫描式全光纤法布里-珀罗干涉仪2的输入端连接，扫描式全光纤法布里-珀罗干涉仪2的输出端和偏振光分束器3的输入端连接，以获得两束正交的线偏振光，分别和第一探测器4和第二探测器5连接，实现对法布里-珀罗干涉仪2的偏振态实时监测；第二探测器5的输出端和控制器6的输入端连接，控制器6的输出端和法布里-珀罗干涉仪2连接，从而实现对法布里-珀罗干涉仪2的闭环控制；环形器1的输出端的第二端口B和第三探测器7连接，探测法布里-珀罗干涉仪的反射信号。
图4为本发明实施例提供的一种扫描式保偏全光纤法布里-珀罗干涉仪的透射谱和反射谱。本发明通过调谐法布里-珀罗干涉仪的腔长获得法布里-珀罗干涉仪的频率响应函数。在FSR固定的情况下，标准具的透过率函数和反射率函数呈周期性。对于脉冲光，透过率T(υ)是激光出射光谱ILaser(υ)和FPI透过率函数h(υ)的卷积，即同理，脉冲激光经FPI干涉仪的反射谱可表示为：图4中，驱动电压的变化范围为0V到12.84V，自由谱间隔FSR为4.02GHz。
图5a至图5c为本发明实施例提供的一种扫描式保偏全光纤法布里-珀罗干涉仪在不同偏振态下的透过率曲线。光在入射到光纤F-P干涉仪上面将在两个高反射膜之间产生多光束干涉。假设E0为入射光电矢量的复振幅，它们在高反射膜内的入射角为θ，高反射膜间距为d，假定折射率为n，因而相邻两反射或透射光之间的光程差为δ＝2nd cosθ，相应的位相差为φ＝4πnd cosθ/λ。通过推导可得F-P干涉仪的透射光强It与入射光强I0的比值，即F-P干涉仪的透过率函数为：
式中：Tp＝[1-A/(1-Re)]2为F-P干涉仪的峰值透过率，A为F-P干涉仪反射膜的吸收损耗；R为表面膜层反射率。
根据上式，在F-P干涉仪端面建立的直角坐标系中(如图5a至图5c所示的直角坐标系)，偏振光平行于x轴入射时的折射率nx不同，与光平行于y轴入射时的折射率ny不等(nk≠ny)，导致了位相差的不等(δx≠δy)，相位差的不等最终产生透过率中心的偏置。任意方向的偏振光都写成是x轴和y轴上的光的矢量和。其中，图5a为光以30°入射时，对应的法布里-珀罗干涉仪的透过率曲线为不对称双峰。通过调节偏振控制器，当光以45°入射时，对应的法布里-珀罗干涉仪的透过率如图5b所示，其透过率曲线为对称的双峰。图5c为光平行于x轴入射时，对应的法布里-珀罗干涉仪的透过率曲线，其透过率曲线为标准单峰。由图5a至图5c可以看出，由控制器6提供的反馈，并对偏振控制器进行调节，可以使法布里-珀罗干涉仪的透过率发生改变，从而可以实现法布里-珀罗干涉仪保偏的目的。
以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种扫描式保偏全光纤法布里-珀罗干涉仪装置，其特征在于，包括第一光纤、第二光纤、第三光纤、压电陶瓷和挤压式偏振控制器；
所述第二光纤置于第一光纤和第三光纤的端面中间，所述第二光纤的两端镀有高反膜，所述第一光纤和第三光纤的端面均镀有增透膜；
所述挤压式偏振控制器用于实现对所述干涉仪的偏振态的补偿；
其特征在于，所述第二光纤固定在所述压电陶瓷上。
2.根据权利要求1所述的扫描式保偏全光纤法布里-珀罗干涉仪装置，其特征在于，所述的第二光纤固定在所述压电陶瓷上是指第二光纤两端固定或者整体缠绕在压电陶瓷。
3.根据权利要求1所述的扫描式保偏全光纤法布里-珀罗干涉仪装置，其特征在于，所述第二光纤为单模光纤，其长度能够调节。
4.根据权利要求1所述的扫描式保偏全光纤法布里-珀罗干涉仪装置，其特征在于，所述第一光纤、第三光纤为保偏光纤。
5.根据权利要求1所述的扫描式保偏全光纤法布里-珀罗干涉仪装置，其特征在于，所述第二光纤与第一光纤、第三光纤对准。
6.根据权利要求1所述的扫描式保偏全光纤法布里-珀罗干涉仪装置，其特征在于，所述扫描式保偏全光纤法布里-珀罗干涉仪装置还包括铜柱，用于封装所述扫描式保偏全光纤法布里-珀罗干涉仪。
7.根据权利要求6所述的扫描式保偏全光纤法布里-珀罗干涉仪装置，其特征在于，所述扫描式保偏全光纤法布里-珀罗干涉仪装置还包括温控，用于封装所述铜柱和扫描式保偏全光纤法布里-珀罗干涉仪整体。
8.一种扫描式保偏全光纤法布里-珀罗干涉系统，其特征在于，包括权利要求1至7中任意一项所述的扫描式保偏全光纤法布里-珀罗干涉仪装置。
9.根据权利要求8所述的扫描式保偏全光纤法布里-珀罗干涉系统，其特征在于，所述系统还包括第一探测器、第二探测器、第三探测器、环形器、偏振光分束器和控制器；
所述环形器的输出端的第一端口与扫描式保偏全光纤法布里-珀罗干涉仪连接，其第二端口与第三探测器的输出端连接；
所述扫描式保偏全光纤法布里-珀罗干涉仪的输入端分别和第一探测器和第二探测器连接；
所述第二探测器的输入端与控制器的输入端连接，控制器的输出端和扫描式保偏全光纤法布里-珀罗干涉仪连接，实现闭环控制；
所述偏振光分束器的输入端与所述扫描式保偏全光纤法布里-珀罗干涉仪的输入端连接。
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