CN111121838A - 一种倾斜光栅分束的双芯光纤Michelson干涉仪 - Google Patents
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Abstract
本发明提供的是一种倾斜光栅分束的双芯光纤Michelson干涉仪。其特征是：它由光源3、单模光纤4、偏振控制器5、光纤环形器6、光探测器7、双芯光纤1以及双芯光纤上的45度倾斜光栅8‑1/8‑2和反射光栅9‑1/9‑2组成。所述组成中，激光由单模光纤4引出，输入双芯光纤1的第一纤芯1‑1。光束被第一纤芯上的45度倾斜光栅8‑1分成两束，其中一束透射过45度倾斜光栅继续在第一纤芯中传输，另一束被第二纤芯1‑2上的45度倾斜光栅反射至第二纤芯1‑2传输。两束光在不同纤芯中传输至反射光栅9‑1/9‑2，被反射光栅反射，在第一纤芯中合束干涉输出，最终被探测。本发明可用于折射率、弯曲等物理量的传感。
Description
(一)技术领域
本发明涉及的是一种倾斜光栅分束的双芯光纤Michelson干涉仪，可用于折射率、弯曲等物理量的监测与测量，属于光纤传感器件技术领域。
(二)背景技术
光纤Michelson干涉仪在光纤传感领域具有广泛的应用。普通的光纤Michelson干涉仪是由两根独立的光纤构成。通常光源发出的光经过一个3dB光纤耦合器后，被分成两束，分别耦合到两个独立的光纤臂中，经过光纤各自的反射端后原路返回，再次经过3dB光纤耦合器合束，实现干涉。这种分立光纤的干涉仪由于两个光束在不同光纤中传输，两臂之间的光程差受环境振动、温度等因素的影响大，导致光纤干涉仪传感器信号解调的不稳定。
集成于同一根光纤中的Michelson干涉仪不但极大地缩小了干涉仪的体积，使得系统更加简化、紧凑，还具有很好的稳定性，避免了各个可动部件之间由于装配、固定和调整带来的变化和不一致。并且两个干涉臂处于同一根光纤中，环境温度对两臂的影响近似相同，因此能够实现两臂光程的自动补偿。专利CN100406841C提出一种基于单模双芯光纤的Michelson干涉仪，该干涉仪是通过单模光纤与双芯光纤焊接并拉锥的方式将光束耦合进两个纤芯当中，形成两个干涉臂。这种拉锥耦合分束方式需要将光纤拉细，这影响了光纤的机械强度，并且拉锥耦合区的分光比受外界环境的影响大，导致干涉信号的不稳定。
(三)发明内容
本发明的目的在于提供一种倾斜光栅分束的双芯光纤Michelson干涉仪。
本发明的目的是这样实现的：
一种倾斜光栅分束的双芯光纤Michelson干涉仪。它由光源3、单模光纤4、偏振控制器5、光纤环形器6、光探测器7、双芯光纤1以及双芯光纤上的45度倾斜光栅8-1/8-2和反射光栅9-1/9-2组成。所述组成中，激光由单模光纤4引出，经过偏振控制器5、光纤环形器6后，输入双芯光纤1的第一纤芯1-1。光束被第一纤芯上的45度倾斜光栅8-1分成两束，其中一束透射过45度倾斜光栅继续在第一纤芯中传输，另一束被第二纤芯1-2上的45度倾斜光栅反射至第二纤芯1-2传输。两束光在不同纤芯中传输至反射光栅9-1/9-2，被反射光栅反射，原路径反向传输，在第一纤芯中合束干涉，并经过光纤环形器传输至光探测器7检测。
所述的45度倾斜光栅平行分布于双芯光纤的两个纤芯上的同一位置。
所述的45度倾斜光栅可以是等周期的布拉格倾斜光栅，也可以是啁啾倾斜光栅。啁啾的倾斜光栅能实现更宽谱的光束分束。
所述的反射光栅可以是布拉格反射光栅，还可以是啁啾反射光栅。啁啾反射光栅能实现宽谱的光反射。
所述的双芯光纤的尾端有斜8度角，消除双芯光纤的端面反射。
所述的双芯光纤上的反射光栅可以被平整的双芯光纤端面取代，平整的双芯光纤端面上镀有反射膜。
本发明的优势在于：(1)器件集成于1根光纤，体积小，集成度高；(2)采用45度倾斜光栅分束，光纤无需拉锥，分光比稳定，器件机械强度高。
(四)附图说明
图1是双芯光纤的端面结构示意图，(a)为偏双芯光纤，(b)为对称双芯光纤。
图2是倾斜光栅分束的双芯光纤Michelson干涉仪的系统图。
图3(a)、(b)所示的是两个干涉臂光束各自所走过的路径。
图4是端面镀有反射膜的双芯光纤Michelson干涉仪。
图5是45度倾斜光栅为啁啾倾斜光栅，反射光栅为啁啾反射光栅的结构示意图。
图6是双芯光纤上反射光栅的制备方法示意图。
图7是制得反射光栅的结构示意图。
图8是45度倾斜光栅的制备方法示意图。
图9是制得反射光栅和45度倾斜光栅的结构示意图。
(五)具体实施方式
下面结合具体的附图和实施例来进一步阐述本发明。
首先结合附图并举例详细说明本发明的原理。
本发明采用的光纤是双芯光纤，这类双芯光纤是指在同一根光纤内有两个纤芯波导，能够独立传光，纤芯之间不发生能量耦合。可以是如图1(a)所示的偏双芯光纤1。该光纤的一个纤芯1-1位于光纤中心，目的是为了和标准单模光纤能够通过简单的对芯熔接连接，另一个纤芯1-2位于光纤的表面，其消逝场暴露于外界环境中，能高效地感知外界环境，从而适用于各种物理量传感。双芯光纤也可以是如图1(b)所示的对称双芯光纤2，这种双芯光纤的纤芯2-1/2-2均在光纤内部，抗外界环境温度和折射率变化因素的影响，可以用于弯曲传感。下面的实施例将以偏双芯光纤1为例，进行具体的说明，但不代表本专利被保护的范围受限于此。
实施例1：
如图2所示的是基于倾斜光栅分束的双芯光纤Michelson干涉仪的系统图，标准单模光纤4将光束从光源3引出，经过偏振控制器5调整传输光束的偏振态后经过环形器6输入偏双芯光纤1的中间芯1-1。经过第一45度倾斜光栅8-1，光束被分成两束，一束透过第一45度倾斜光栅8-1继续在中间芯1-1中传输，另一束被第一45度倾斜光栅8-1反射至偏芯1-2，又被偏芯上的第二倾斜光栅8-2反射，在偏芯1-2中传输。两束光在传输一段距离后被各自纤芯上的反射光栅9-1/9-2反射，两光束原路返回，在中间芯1-1汇合干涉，在经由标准单模光纤4、光纤环形器6输入光探测器7检测。偏双芯光纤1尾端端面有8度的斜角10，用于消除端面反射光。
如图3(a)、(b)所示的是两个干涉臂光束各自所走过的路径。在整个干涉仪系统中，有：
其中I1，I2分别为中间芯1-1和偏芯1-2各自反射回单模光纤的光束强度，Iout表示两光束干涉后的输出强度，
为两束光在传输过程中由光程差带来的附加相位差。
其中λ表示波长，L表示45度倾斜光栅到反射光栅的距离，n1、n2分别表示两个纤芯内传输模式的有效折射率，n0表示偏双芯光纤包层折射率，d表示两个纤芯的间距。
I1＝(1-R1)2R2I0 (3)
I2＝α2R1 4R2I0 (4)
其中I0表示输入光强，R1、R2分别表示45度倾斜光栅和反射光栅的反射率，α表示光束经过45度倾斜光栅反射后，从包层耦合到另一个45度倾斜光栅的效率。
当外界环境的折射率发生变化的时候，偏芯1-2中的光束传输的有效折射率发生改变，由公式(2)就可以知道两干涉臂间的相位差发生变化，进而由公式(1)可知输出光强Iout发生变化。因此，本实施例可用于光纤所处环境的折射率传感。
实施例2：
如图4所示，实施例1中的反射光栅9-1/9-2可被镀有反射膜的光纤端面13代替，优选地，双芯光纤端面的反射膜的材质为金，厚度为1微米。这样的金膜结构能将到达金膜的光几乎百分之百地反射，减少了光束的透射损耗。
实施例3：，
如图5所示，本实施例的双芯光纤干涉仪系统的结构和实施例1中的相同，只是将实施例1中均匀的45度倾斜光栅8-1/8-2更换为啁啾倾斜光栅14-1/14-2，均匀反射光栅9-1/9-2更换为啁啾光栅15-1/15-2。目的是为了解决均匀光栅带宽太窄的问题。
实施例4：下面举例说明实施例1中光栅的制备方法。
步骤1：如图6所示，首先制备均匀的反射光栅。调整偏双芯光纤1的纤芯方向，使得两个纤芯1-1/1-2所在的平面与光栅掩膜版16的平面平行，在准分子激光器输出的紫外光17的照射下，制备出均匀的反射光栅9-1/9-2，如图7所示。
步骤2：如图8所示，制备45度倾斜光栅。仍旧保持光纤两个纤芯1-1/1-2所在平面与光栅掩膜版16的平面平行，旋转光栅掩膜版16，使得光纤的轴向与光栅掩膜版光栅16的方向夹角调整为45度，在准分子激光器输出的紫外光17的照射下，制备出45度倾斜光栅8-1/8-2，如图9所示。值得注意的是，如果两个纤芯所在平面与掩膜版的平面不平行，将会影响光束经过45度倾斜光栅反射后，从包层耦合到另一个45度倾斜光栅的效率α。
Claims (6)
1.一种倾斜光栅分束的双芯光纤Michelson干涉仪。其特征是：它由光源3、单模光纤4、偏振控制器5、光纤环形器6、光探测器7、双芯光纤1以及双芯光纤上的45度倾斜光栅8-1/8-2和反射光栅9-1/9-2组成。所述组成中，激光由单模光纤4引出，经过偏振控制器5、光纤环形器6后，输入双芯光纤1的第一纤芯1-1。光束被第一纤芯上的45度倾斜光栅8-1分成两束，其中一束透射过45度倾斜光栅继续在第一纤芯中传输，另一束被第二纤芯1-2上的45度倾斜光栅反射至第二纤芯1-2传输。两束光在不同纤芯中传输至反射光栅9-1/9-2，被反射光栅反射，原路径反向传输，在第一纤芯中合束干涉，并经过光纤环形器传输至光探测器7检测。
2.根据权利要求1所述的一种倾斜光栅分束的双芯光纤Michelson干涉仪。其特征是：所述的45度倾斜光栅平行分布于双芯光纤的两个纤芯上的同一位置。
3.根据权利要求1、2所述的一种倾斜光栅分束的双芯光纤Michelson干涉仪。其特征是：所述的45度倾斜光栅可以是等周期的布拉格倾斜光栅，也可以是啁啾倾斜光栅。
4.根据权利要求1所述的一种倾斜光栅分束的双芯光纤Michelson干涉仪。其特征是：所述的反射光栅可以是布拉格反射光栅，也可以是啁啾反射光栅。
5.根据权利要求1所述的一种倾斜光栅分束的双芯光纤Michelson干涉仪。其特征是：所述的双芯光纤的尾端有8度角，消除双芯光纤的端面反射。
6.根据权利要求1所述的一种倾斜光栅分束的双芯光纤Michelson干涉仪。其特征是：双芯光纤上的反射光栅可以被平整的双芯光纤端面取代，平整的双芯光纤端面上镀有反射膜。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| WD01 | Invention patent application deemed withdrawn after publication | ||
| WD01 | Invention patent application deemed withdrawn after publication |
Application publication date: 20200508 |