CN111141317A - 基于三芯光纤的并行Michelson集成式干涉仪 - Google Patents
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Abstract
本发明提供的是一种基于三芯光纤的并行Michelson集成式干涉仪。其特征是：它由光源4、单模光纤5、光纤环行器6、光探测器7‑1/7‑2、三芯光纤扇入‑扇出器件8、三芯光纤1以及三芯光纤上的倾斜光栅1‑4/1‑5/1‑6和反射端面1‑7组成。所述系统中光束由单模光纤引出，经过光纤环形器和三芯光纤扇入‑扇出器件后，输入三芯光纤的第一纤芯。经过三个45倾斜光栅和反射端面的作用，三芯光纤的两个纤芯通道可构成三光束干涉仪和双光束干涉仪。本发明可用于折射率测量、弯曲测量等传感应用领域。
Description
(一)技术领域
本发明涉及的是一种基于三芯光纤的并行Michelson集成式干涉仪，属于光纤集成器件技术领域。
(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。
文献提出一种基于三芯光纤的集成式Michelson干涉仪，用于高灵敏度的矢量弯曲传感器。(ZHANG,Shaoxian,et al.Highly sensitive vector curvature sensor basedon a triple-core fiber interferometer.OSA Continuum,2019,2.6:1953-1963.)同样的，三芯光纤采用的分束方法为拉锥耦合，影响光纤的机械强度，稳定性较差。
(三)发明内容
本发明的目的在于提供一种基于三芯光纤的并行Michelson集成式干涉仪。
本发明的目的是这样实现的：
一种基于三芯光纤的并行Michelson集成式干涉仪。它由光源4、单模光纤5、光纤环行器6、光探测器7-1/7-2、三芯光纤扇入-扇出器件8、三芯光纤1以及三芯光纤上的倾斜光栅1-4/1-5/1-6和反射端面1-7组成。所述系统中光束由单模光纤5从光源4引出，经过光纤环形器6和三芯光纤扇入-扇出器件8后，输入三芯光纤的第一纤芯1-1。三芯光纤1上的45度倾斜光栅起到分束的作用，反射端面1-7起到反射光束的作用。光束在三个45度倾斜光栅和反射端面的作用下反向传输，最终通过三芯光纤扇入-扇出器件的第一通道8-1和第二通道8-2输出，由光探测器7-1/7-2接收。
其中，光探测器7-1接收到的光强为三光束干涉，三光束的路径分别为：
(1)第一纤芯1-1→透过第一45度倾斜光栅1-4→端面1-7反射→透过第一45度倾斜光栅1-4→扇入-扇出器件第一通道8-1。
(2)第一纤芯1-1→被第一45度倾斜光栅1-4反射→被第二45度倾斜光栅1-5反射到第二纤芯1-2传输→端面1-7反射→原路返回至扇入-扇出器件第一通道8-1。
(3)第一纤芯1-1→被第一45度倾斜光栅1-4反射→透过第二45度倾斜光栅1-5→被第三45度倾斜光栅1-6反射到第三纤芯1-3传输→端面1-7反射→原路返回至扇入-扇出器件第一通道8-1。
光探测器7-2接收到的光强为双光束干涉，双光束的路径分别为：
(1)第一纤芯1-1→被第一45度倾斜光栅1-4反射→被第二45度倾斜光栅1-5反射到第二纤芯1-2传输→端面1-7反射→透过第二45度倾斜光栅1-5→扇入-扇出器件第二通道8-2。
(2)第一纤芯1-1→被第一45度倾斜光栅1-4反射→透过第二45度倾斜光栅1-5→被第三45度倾斜光栅1-6反射到第三纤芯1-3传输→端面1-7反射→被第三45度倾斜光栅1-6反射→被第二45度倾斜光栅1-5反射→扇入-扇出器件第二通道8-2。
所述的三芯光纤从端面结构看，三个纤芯分布于同一直线上。
所述的45度倾斜光栅平行分布于三芯光纤的三个纤芯上的同一位置。
所述的光纤反射端面镀有金属反射膜。
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。
所述的三芯光纤扇入-扇出器件8的三个通道8-1/8-2/8-3能和三芯光纤的三个纤芯1-1/1-2/1-3分别独立连接。
与在先技术相比，本发明具备以下的显著优势：
(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，光栅刻写完成后可再涂覆光纤，保证器件机械强度。
(3)将双光束干涉和三光束干涉集成于同一根光纤中，可做多物理量传感器使用。
(四)附图说明
图1所示的是三芯光纤的端面结构示意图，该光纤有三个共面分布的纤芯。
图2所示的是三芯光纤上45度倾斜光栅的方向和相对位置示意图，三个倾斜光栅的倾斜方向相同，在光纤上所处的位置相同。
图3所示的是图2中所示的45度倾斜光栅的制备方法示意图。
图4所示的是基于三芯光纤的并行Michelson集成式干涉仪的系统图。其中标注的器件或结构分别为：三芯光纤1、光源4、单模光纤5、光纤环形器6、光探测器7-1/7-2、三芯光纤扇入-扇出器件8、扇入-扇出器件的三个通道8-1/8-2/8-3、45度倾斜光栅1-4/1-5/1-6、反射端面1-7、三芯光纤的三个纤芯1-1/1-2/1-3。
图5所示的分别是三光束干涉仪的三光束所经过的光程路径。
图6所示的分别是双光束干涉仪的两束光所经过的光程路径。
图7所示的是基于啁啾倾斜光栅分束的三芯光纤的并行Michelson集成式干涉仪的结构。
(五)具体实施方式
下面结合具体的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三芯光纤1，光纤的端面如图1所示。三芯光纤的三个纤芯1-1/1-2/1-3位于同一个平面，在三个纤芯上的相同位置、相同方向的刻写有45度的倾斜光栅1-4/1-5/1-6，如图2所示。
优选地，采用相位掩膜版的方法制备倾斜光栅，如图3所示。
首先需要旋转三芯光纤1的轴，使光纤的三个纤芯所在的平面与相位掩膜版2平行；其次旋转相位掩膜版2，使相位掩膜版2与三芯光纤1间的夹角为45度(如图3(a)所示)；最后在紫外光束3的曝光下，刻写方向一致的45度倾斜光栅(如图3(b)所示)。
实施例1：
如图4所示的是基于三芯光纤的并行Michelson集成式干涉仪的系统图。其中，光束由单模光纤5从光源4引出，经过光纤环形器6和三芯光纤扇入-扇出器件8后，输入三芯光纤1的第一纤芯1-1。三芯光纤1上的三个45度倾斜光栅1-4/1-5/1-6起到分束的作用，使入射到光栅上的光束部分被反射，部分被透射。反射端面1-7起到反射光束的作用，通常可以是在平整的光纤端面镀上一层金属膜，优选地，金属膜可以是金膜。光束在三个45度倾斜光栅和反射端面的作用下反向传输，最终通过三芯光纤扇入-扇出器件的第一通道8-1和第二通道8-2输出，由光探测器7-1/7-2接收。
如图5所示的分别是第一纤芯1-1反向输出的三光束干涉仪中的三个光束所走过的路径，则有：
其中I1，I2、I3分别为三个纤芯各自反射回单模光纤的光束强度，Iout表示三光束干涉后的输出强度，
为三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度倾斜光栅到光纤端面的距离，n1、n2、n3分别表示三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 (5)
I2＝α2R1 4R2I0 (6)
I3＝α2R1 4(1-R1)2R2I0 (7)
其中I0表示输入光强，R1、R2分别表示45度倾斜光栅和光纤端面的反射率，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。
如图6所示的分别是第二纤芯1-2反向输出的双光束干涉仪中的两光束所走过的路径，则有：
其中，Iout2表示第二纤芯反向输出双光束强度，
I4、I5分别为：
I4＝α2R1 3(1-R1)R2I0 (10)
I5＝αR1 2(1-R1)R2I0 (11)
实施例2：
如图7所示，本实施例的三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1-4/1-5/1-6更换为啁啾倾斜光栅1-8/1-9/1-10，目的是为了使倾斜光栅分束的带宽更宽。
Claims (5)
1.一种基于三芯光纤的并行Michelson集成式干涉仪。其特征是：它由光源4、单模光纤5、光纤环行器6、光探测器7-1/7-2、三芯光纤扇入-扇出器件8、三芯光纤1以及三芯光纤上的倾斜光栅1-4/1-5/1-6和反射端面1-7组成。所述系统中光束由单模光纤引出，经过光纤环形器和三芯光纤扇入-扇出器件后，输入三芯光纤的第一纤芯。三芯光纤上的45度倾斜光栅起到分束的作用，反射端面起到反射光束的作用。光束在三个45度倾斜光栅和反射端面的作用下反向传输，最终通过三芯光纤扇入-扇出器件的第一通道8-1和第二通道8-2输出，由光探测器接收。
其中，光探测器7-1接收到的光强为三光束干涉，三光束的路径分别为：
(1)第一纤芯1-1→透过第一45度倾斜光栅1-4→端面1-7反射→透过第一45度倾斜光栅→扇入-扇出器件第一通道。
(2)第一纤芯1-1→被第一45度倾斜光栅1-4反射→被第二45度倾斜光栅1-5反射到第二纤芯1-2传输→端面1-7反射→原路返回至扇入-扇出器件第一通道8-1。
(3)第一纤芯1-1→被第一45度倾斜光栅1-4反射→透过第二45度倾斜光栅1-5→被第三45度倾斜光栅1-6反射到第三纤芯1-3传输→端面1-7反射→原路返回至扇入-扇出器件第一通道8-1。
光探测器7-2接收到的光强为双光束干涉，双光束的路径分别为：
(1)第一纤芯1-1→被第一45度倾斜光栅1-4反射→被第二45度倾斜光栅1-5反射到第二纤芯1-2传输→端面1-7反射→透过第二45度倾斜光栅1-5→扇入-扇出器件第二通道8-2。
(2)第一纤芯1-1→被第一45度倾斜光栅1-4反射→透过第二45度倾斜光栅1-5→被第三45度倾斜光栅1-6反射到第三纤芯1-3传输→端面1-7反射→被第三45度倾斜光栅1-6反射→被第二45度倾斜光栅1-5反射→扇入-扇出器件第二通道8-2。
2.根据权利要求1所述的一种基于三芯光纤的并行Michelson集成式干涉仪。其特征是：所述的三芯光纤从端面结构看，三个纤芯分布于同一直线上。
3.根据权利要求1所述的一种基于三芯光纤的并行Michelson集成式干涉仪。其特征是：所述的45度倾斜光栅平行分布于三芯光纤的三个纤芯上的同一位置。
4.根据权利要求1所述的一种基于三芯光纤的并行Michelson集成式干涉仪。其特征是：所述的光纤反射端面镀有金属反射膜。
5.根据权利要求1、2所述的一种基于三芯光纤的并行Michelson集成式干涉仪。其特征是：所述的45度倾斜光栅可以是等周期的倾斜光栅，也可以是啁啾倾斜光栅。
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Legal Events
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| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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Application publication date: 20200512 Assignee: Guilin Qixing District Fiber Optic New Technology Development Center Assignor: GUILIN University OF ELECTRONIC TECHNOLOGY Contract record no.: X2023980045912 Denomination of invention: Parallel Michelson Integrated Interferometer Based on Three Core Fiber Granted publication date: 20220325 License type: Common License Record date: 20231108 |
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