CN108254085A - 一种基于铌酸锂材料的大光程差新型波长解调装置及方法 - Google Patents

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贺静
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Abstract

本发明公开了一种基于铌酸锂材料的大光程差新型波长解调装置,包括可调谐激光器、第一光纤耦合器、第二光纤耦合器和光功率计,所述可调谐激光器与第一光纤耦合器的输入端通过光纤连接,所述第一光耦合器输出端分别连接参考臂和信号臂,所述参考臂和信号臂的另一端与第二光纤耦合器的输入端连接,所述第二光纤耦合器通过光纤连接光功率计。本发明还提供了一种基于铌酸锂材料的大光程差新型波长解调方法,包括步骤:可调谐激光器产生激光,传送至第一光纤耦合器的输入端,经过第一光纤耦合器分成振幅和相位相同的两束激光,通过信号臂和参考臂后输入至第二光纤耦合器,第二光纤耦合器输出的激光传送至光功率计。本发明提高了波长解调精度。

Description

一种基于铌酸锂材料的大光程差新型波长解调装置及方法
技术领域
[0001] 本发明涉及光纤光栅干涉解调技术领域,尤其涉及一种基于铌酸锂材料的大光程 差新型波长解调装置及方法。
背景技术
[0002] 目前光纤光栅传感技术凭借不易受外界干扰、稳定性好的优势应用于许多领域, 光纤光栅传感技术是利用当外界具有不同的温度时,光束在光纤光栅中能反射回不同的波 长信息,从而建立温度变化与波长变化之间的数学关系。在光纤光栅测温时,由波长变化信 息反推出温度信息。因此,如何精确地测量波长变化成为现在关键技术之一。
[0003] 传统的光纤光栅波长解调方法有光谱仪检测法、匹配滤波法、边缘滤波法、可调谐 滤波法和非平衡M-Z干涉解调法。通常用光谱仪检测法测量波长是最简单也是最精确的方 式,但是高精度的光谱仪造价昂贵,在实际生活中并不能普遍应用;匹配滤波法响应速度较 低,不适用实时测量;边缘滤波法和可调谐滤波法的测量分辨率不高;传统的非平衡M-Z型 干涉解调法使用铌酸锂材料做波导,上下臂长差非常小,且调制电压对改变光程差效果受 限,从而导致解调精度变低。非平衡M-Z型干涉解调法的原理是将反射回来的波长分两路分 别经光波导合成,将反射回的波长变化转换为合成波的相位差信息,由此计算出波长信息, 该方法具有高的分辨率,监测灵敏度较高,并且制作成本相对不高。因此为了提高解调精 度,如何增加臂长差成为了关键所在,本发明提出了一种解决此问题的有效装置及方法。
发明内容
[0004] 本发明针对现有技术存在的不足和缺陷,提供一种基于铌酸锂材料的大光程差新 型波长解调装置及方法,提高了光波长解调精度,同时降低了成本。
[0005] 为实现所述目的,本发明所采用的技术方案是: 一种基于铌酸锂材料的大光程差新型波长解调装置,包括可调谐激光器、第一光纤耦 合器、第二光纤耦合器和光功率计,所述可调谐激光器与第一光纤耦合器的输入端通过光 纤连接,所述第一光耦合器输出端分别连接参考臂和信号臂的一端,所述参考臂和信号臂 的另一端与第二光纤耦合器的输入端连接,所述第二光纤耦合器通过光纤连接光功率计; 所述第一光親合器为I X 2的光纤親合器,所述第二光纤親合器为2 X 1的光纤親合器;所述 第一光親合器和第二光纤親合器的分光比均为50% : 50%。
[0006] 进一步地,所述可调谐激光器,用于产生不同波长的激光; 所述第一光纤耦合器,用于将接收到的激光分成两束振幅和相位均相同的激光; 所述第二光纤耦合器,用于将通过信号臂和参考臂的激光合为一束激光,并传送至光 功率计;所述光功率计,用于测量接收到的激光的输出光强; 进一步地,所述信号臂为直线型,其臂长为LI;所述参考臂为90°角对应的弧形臂,其臂 长为L2。
[0007] 进一步地,所述信号臂的臂长Ll为
Figure CN108254085AD00041
,所述参考臂的臂长为
Figure CN108254085AD00042
,其中,R 为曲率半径。
[0008] 进一步地,所述信号臂和参考臂布设于矩形的衬板上,所述信号臂和参考臂采用 铌酸锂材料制成,信号臂和参考臂底部处在同一水平线,信号臂和参考臂的截面均为半圆 形。
[0009] 基于一种基于铌酸锂材料的大光程差新型波长解调装置的一种基于铌酸锂材料 的大光程差新型波长解调方法,包括以下步骤: 1) 可调谐激光器产生一束激光,所述激光的波长为λ,激光的光场为E,
Figure CN108254085AD00051
其中,2Εο为振幅,ω〇为角频率; 2) 通过光纤将激光传送至第一光纤耦合器的输入端; 3) 激光经过第一光纤耦合器分成振幅和相位均相同的两束激光,两束激光的光场均为 Ε/2;通过信号臂输出第一束激光,第一束激光的光场为Ei:
Figure CN108254085AD00052
其中,約为第一束激光的相位; 通过参考臂输出第二束激光,第二束激光的光场为E2:
Figure CN108254085AD00053
其中,終为第二束激光的相位; 4) 第一束激光和第二束激光通过信号臂和参考臂后输入至第二光纤耦合器,第二光纤 親合器将两束激光親合为新的激光输出;输出的新的激光的光场为E总; 5) 第二光纤耦合器输出的激光传送至光功率计,光功率计测得激光的输出光强为I。
[0010] 进一步地,所述第一束激光和第二束激光在信号臂和参考臂中传输的臂长差为Δ L:
Figure CN108254085AD00054
所述第一束激光和第二束激光在信号臂和参考臂中传输的光程差为S:
Figure CN108254085AD00055
其中,ne为铌酸锂的e光折射率; 所述第一束激光与第二束激光的相位差为
Figure CN108254085AD00056
[0011] 进一步地,所述第二光纤親合器输出的新的激光的光场为£:总为:
Figure CN108254085AD00057
其中:
Figure CN108254085AD00058
为新的激光的振幅。
[0012] 进一步地,所述光功率计测得激光的输出光强I与新的激光的振幅呈以下关系:
Figure CN108254085AD00059
将公式⑷、(5)、⑹代入公式⑻可得:
Figure CN108254085AD00061
由公式⑼中可知,激光的输出光强I与激光的波长λ的关系,由测得的激光的输出光强 I,即可求得激光的波长λ。
[0013] 本发明的有益效果是: 1.本发明一种基于铌酸锂材料的大光程差新型波长解调装置及方法,设计的臂长差增 大,信号臂采用角度为90°的弧形路径,相对于传统的非平衡M-Z干涉解调结构采用上下臂 对称的结构,当光束在输入端分成两路振幅相同、相位一致的光束在上下两臂中传播,在输 出端发生干涉时大幅度增加相位差,从而使解调范围变小,解调精度增大。
[00Μ] 2.本发明一种基于铌酸锂材料的大光程差新型波长解调装置及方法,无需在信号 臂和参考臂两臂之间加金属电极,无需增加调制电压,传统的非平衡M-Z干涉解调结构是在 垂直于光传播方向上增加方向相反、大小相等的调制电压,以增加相位差,但是由于调制电 压对铌酸锂折射率的改变量很小,对相位差影响很小,所以本发明不再采用增加调制电压, 选择增加臂长差来影响相位差,从而提高解调精度,其制作工艺更加简单。
[0015] 3.本发明的成本低,铌酸锂是常见化合物,是适用于光波导、光学器件、光学应用 的重要材料,常温常压下性能稳定,广泛应用于很多领域;同时该晶体原材料丰富,很容易 获取,生产成本很低,制作工艺简单,该装置尺寸小,易于携带及测量。
附图说明
[0016] 图1是本发明一种基于铌酸锂材料的大光程差新型波长解调装置的结构示意图。
[0017] 图2是本发明一种基于铌酸锂材料的大光程差新型波长解调装置的衬板内信号臂 和参考臂的结构示意图。
[0018] 图3是本发明一种基于铌酸锂材料的大光程差新型波长解调装置的图2的左视图。
[0019] 图4是本发明一种基于铌酸锂材料的大光程差新型波长解调方法的光束走向示意 图。
[0020] 图5是本发明一种基于铌酸锂材料的大光程差新型波长解调方法的不同臂长差对 应的波长λ-输出光强I曲线图。
[0021] 图6是本发明一种基于铌酸锂材料的大光程差新型波长解调方法的波长-输出光 强关系曲线图。
[0022] 图7是本发明一种基于铌酸锂材料的大光程差新型波长解调方法的曲率半径为 Icm时波长-输出光强的仿真结果图。
[0023] 图中标号为:1为可调谐激光器,2为第一光纤耦合器,3为信号臂,4为衬板,5为第 二光纤耦合器,6为光功率计,7为参考臂。
具体实施方式
[0024] 下面结合附图及具体实施方式对本发明作进一步详细描述: 实施例1:如图1〜图3所示,一种基于铌酸锂材料的大光程差新型波长解调装置,包括 可调谐激光器1、第一光纤耦合器2、第二光纤耦合器5和光功率计6,所述可调谐激光器1与 第一光纤耦合器2的输入端通过光纤连接,所述第一光耦合器输出端分别连接参考臂7和信 号臂3的一端,所述参考臂7和信号臂3的另一端与第二光纤耦合器5的输入端连接,所述第 二光纤耦合器5通过光纤连接光功率计6;所述第一光耦合器为I X 2的光纤耦合器,所述第 二光纤親合器5为2 X 1的光纤親合器;所述第一光親合器和第二光纤親合器5的分光比均为 50%:50%。
[0025] 所述可调谐激光器1,用于产生不同波长的激光;所述第一光纤耦合器2,用于将接 收到的激光分成两束振幅和相位均相同的激光;所述第二光纤耦合器5,用于将通过信号臂 3和参考臂7的激光合为一束激光,并传送至光功率计6;所述光功率计6,用于测量接收到的 激光的输出光强;所述信号臂3为直线型,其臂长为LI;所述参考臂7为90°角对应的弧形臂, 其臂长为L2。所述信号臂3的臂长Ll为
Figure CN108254085AD00071
所述参考臂7的臂长为
Figure CN108254085AD00072
,其中,R为曲 率半径。所述信号臂3和参考臂7布设于矩形的衬板4上,所述信号臂3和参考臂7采用铌酸锂 材料制成,信号臂3和参考臂7底部处在同一水平线,信号臂3和参考臂7的截面均为半圆形。
[0026] 作为一种可实施的方式,采用的可调谐激光器1发出的光波长在1520nm〜1570nm 范围内;采用的矩形衬板5的长度为1.5cm,宽度为lcm,厚度为5mm;信号臂3和参考臂7的半 径为3mm。
[0027] 该装置工作原理是:激光光束经I X 2的第一光纤耦合器2分成振幅相同、相位一致 的两路光束,经过信号臂3和参考臂7的传播会产生相位差,在2X1的第二光纤耦合器5相互 干涉,由光功率计6测量输出光强,由输出光强和波长的关系反推出激光的波长信息。
[0028] 实施例2:基于一种基于铌酸锂材料的大光程差新型波长解调装置的一种基于铌 酸锂材料的大光程差新型波长解调方法,包括以下步骤: 1) 可调谐激光器产生一束激光,所述激光的波长为λ,激光的光场为E, E = 2Eocos (ω〇t) (I) 其中,2Eo为振幅,ωο为角频率; 2) 通过光纤将激光传送至第一光纤耦合器的输入端; 3) 激光经过第一光纤耦合器分成振幅和相位均相同的两束激光,两束激光的光场均为 Ε/2;通过信号臂3输出第一束激光,第一束激光的光场为E1:
Figure CN108254085AD00073
其中,奶为第一束激光的相位; 通过参考臂7输出第二束激光,第二束激光的光场为E2:
Figure CN108254085AD00074
其中,%为第二束激光的相位; 4) 第一束激光和第二束激光通过信号臂3和参考臂7后输入至第二光纤耦合器5,第二 光纤親合器5将两束激光親合为新的激光输出;输出的新的激光的光场为E总; 5) 第二光纤耦合器5输出的激光传送至光功率计6,光功率计6测得激光的输出光强为 Io
[0029] 所述第一束激光和第二束激光在信号臂3和参考臂7中传输的臂长差为Δ L: A L = Li-L2 (4) 所述第一束激光和第二束激光在信号臂3和参考臂7中传输的光程差为δ: δ = ηθ (L1-L2) (5) 其中,ne为铌酸锂的e光折射率; 所述第一束激光与第二束激光的相位差为
Figure CN108254085AD00081
[0030] 所述第二光纤親合器5输出的新的激光的光场为£:总为:
Figure CN108254085AD00082
其中,
Figure CN108254085AD00083
为新的激光的振幅。
[0031] 所述光功率计测得激光的输出光强I与新的激光的振幅呈以下关系:
Figure CN108254085AD00084
将公式⑷、(5)、⑹代入公式⑻可得:
Figure CN108254085AD00085
由公式⑼中可知,激光的输出光强I与激光波长λ的关系,由测得的激光的输出光强I, 即可求得激光的波长λ。如图6所示为不同输出光强I与激光波长λ的关系图;如图4所示为激 光在信号臂和参考臂的传输光线示意图。
[0032] 对于公式(9),设k = 23ine3AL,其中加〜为常数,臂长差AL为未知量,所以k值只与 臂长差A L有关,得到:
Figure CN108254085AD00086
对函数
Figure CN108254085AD00087
的性质进行分析,在波长λ趋于零的时候:
Figure CN108254085AD00088
·逐渐趋于无穷,该函数呈非 周期余弦型变化;当波长λ趋于无穷的时候
Figure CN108254085AD00089
逐渐趋于零,该函数会逐渐趋于1;由于测量 波长一般处在纳米范围,实际应用中主要研究非周期余弦型变化范围,于是对
Figure CN108254085AD000810
求导 研究其变化规律,导数为
Figure CN108254085AD000811
,对其分析可知在该曲线的一个单调范围内,当k值变 大,在波长λ—定的情况下,该求导值的绝对值变大,表示该曲线斜率的绝对值变大,从而变 化程度增大;因此在同一个单调范围内,k = 23ine3 AL值变大,曲线倾斜程度增大;当臂长差 A L增大时,k = 2Jine Δ L的值就会变大,在同一单调范围内,曲线的倾斜程度变大;在波长λ-输出光强I的关系图形中,变化相同光强的前提下,曲线倾斜程度大的波长变化范围小,解 调精度高。通过分析输出光强I与臂长差A L的关系,可知臂长差Δ L增大,输出光强I与波长 λ的关系曲线变化程度越明显,在已知输出光强I变化的前提下,波长λ变化范围会变小,解 调精度升尚;因此,增加臂长差△ L是提尚解调精度的关键。
[0033] 对于激光输入端光场的振幅可以设定,此处设置Eo=I,铌酸锂的e光折射率已知, 1^ = 2. 132,设置不同的臂长差AL来观察其对结果的影响,将公式(9)带入数学软件 mathematica中仿真得到图5所示:为不同臂长差波长AL时,对应的波长λ-输出光强I的曲 线图;其中,实线是指臂长差A L = O . Imm时的波长-输出光强曲线,虚线是指臂长差Δ L = 0.2mm时的波长-输出光强曲线,由图可知,臂长差AL越大,曲线越密集,单调区间内曲线的 倾斜程度越大,由此得到的结果与发明内容中对输出光强I的公式定性分析得到的结论一 致。
[0034] 设置曲率半径R= lcm,则臂长差
Figure CN108254085AD00091
,将该臂长差AL的值带入公式 (9),并在mathematica中仿真,结果如图7所示:可以看到曲线变得更加密集,在单调范围 内,曲线的倾斜程度大大增加,由于在波长λ-输出光强I的关系图形中已知,对于相同的光 功率变化量,臂长差大的其波长变化量减小,因此本发明波长解调装置大大提高了解调精 度。
[0035] 以上所述之实施例,只是本发明的较佳实施例而已,并非限制本发明的实施范围, 故凡依本发明专利范围所述的构造、特征及原理所做的等效变化或修饰,均应包括于本发 明申请专利范围内。

Claims (9)

1. 一种基于铌酸锂材料的大光程差新型波长解调装置,其特征在于,包括可调谐激光 器、第一光纤耦合器、第二光纤耦合器和光功率计,所述可调谐激光器与第一光纤耦合器的 输入端通过光纤连接,所述第一光耦合器输出端分别连接参考臂和信号臂的一端,所述参 考臂和信号臂的另一端与第二光纤耦合器的输入端连接,所述第二光纤耦合器通过光纤连 接光功率计;所述第一光親合器为I X 2的光纤親合器,所述第二光纤親合器为2 X 1的光纤 親合器;所述第一光親合器和第二光纤親合器的分光比均为50% : 50%。
2. 根据权利要求1所述的一种基于铌酸锂材料的大光程差新型波长解调装置,其特征 在于, 所述可调谐激光器,用于产生不同波长的激光; 所述第一光纤耦合器,用于将接收到的激光分成两束振幅和相位均相同的激光; 所述第二光纤耦合器,用于将通过信号臂和参考臂的激光合为一束激光,并传送至光 功率计; 所述光功率计,用于测量接收到的激光的输出光强。
3. 根据权利要求1所述的一种基于铌酸锂材料的大光程差新型波长解调装置,其特征 在于,所述信号臂为直线型,其臂长为Ll;所述参考臂为90°角对应的弧形臂,其臂长为L2。
4. 根据权利要求2所述的一种基于铌酸锂材料的大光程差新型波长解调装置,其特征 在于,所述信号臂的臂长Ll为
Figure CN108254085AC00021
所述参考臂的臂长为
Figure CN108254085AC00022
其中,R为曲率半径。
5. 根据权利要求1所述的一种基于铌酸锂材料的大光程差新型波长解调装置,其特征 在于,所述信号臂和参考臂布设于矩形的衬板上,所述信号臂和参考臂采用铌酸锂材料制 成,信号臂和参考臂底部处在同一水平线,信号臂和参考臂的截面均为半圆形。
6. 基于权利要求1-5所述的任一种基于铌酸锂材料的大光程差新型波长解调装置的一 种基于铌酸锂材料的大光程差新型波长解调方法,其特征在于,包括以下步骤: 1) 可调谐激光器产生一束激光,所述激光的波长为λ,激光的光场为E,
Figure CN108254085AC00023
(1) 其中,2Εο为振幅,ω〇为角频率; 2) 通过光纤将激光传送至第一光纤耦合器的输入端; 3) 激光经过第一光纤耦合器分成振幅和相位均相同的两束激光,两束激光的光场均为 Ε/2; 通过信号臂输出第一束激光,第一束激光的光场为E1:
Figure CN108254085AC00024
(2) 其中,外为第一束激光的相位; 通过参考臂输出第二束激光,第二束激光的光场为E2:
Figure CN108254085AC00025
C3) 其中,@为第二束激光的相位; 4) 第一束激光和第二束激光通过信号臂和参考臂后输入至第二光纤耦合器,第二光纤 親合器将两束激光親合为新的激光输出;输出的新的激光的光场为E总; 5) 第二光纤耦合器输出的激光传送至光功率计,光功率计测得输出光的光强为I。
7. 根据权利要求6所述的一种基于铌酸锂材料的大光程差新型波长解调方法,其特征 在于,所述第一束激光和第二束激光在信号臂和参考臂中传输的臂长差为A L:
Figure CN108254085AC00031
所述第一束激光和第二束激光在信号臂和参考臂中传输的光程差为S:
Figure CN108254085AC00032
其中,ne为铌酸锂的e光折射率; 所述第一束激光与第二束激光的相位差为
Figure CN108254085AC00033
(6)〇
8. 根据权利要求6所述的一种基于铌酸锂材料的大光程差新型波长解调方法,其特征 在于,所述第二光纤親合器输出的新的激光的光场为£!总为:
Figure CN108254085AC00034
其中:
Figure CN108254085AC00035
为新的激光的振幅。
9. 根据权利要求6所述的一种基于铌酸锂材料的大光程差新型波长解调方法,其特征 在于,所述光功率计测得激光的输出光强I与新的激光的振幅呈以下关系:
Figure CN108254085AC00036
将公式⑷、(5)、⑹代入公式⑻可得:
Figure CN108254085AC00037
C9) 由公式(9)中可知,输出光的光强I与激光的波长λ的关系,由测得的激光的输出光强I, 即可求得激光的波长λ。
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