CN114935306B - 一种基于多芯光纤芯间锁相的高稳定干涉装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于多芯光纤芯间锁相的高稳定干涉装置，包括：激光器、第一保偏耦合器、扇入端、多芯光纤、扇出端、偏振态调整装置和光锁相环；其中，激光器、第一保偏耦合器、扇入端、多芯光纤和扇出端沿光路传输方向依次连接；偏振态调整装置连接于光锁相环和扇出端之间，或偏振态调整装置连接于光锁相环和扇入端之间；多芯光纤作为本振光和信号光的传输信道的同时，也起到对两束光的相对扰动噪声的初步抑制的作用；光锁相环对本振光和信号光的扰动噪声进行进一步动态消除。本发明能够实现长距离光纤链路的稳定传输，且在相干光干涉测量方面，获得高的测量精度。

Description

一种基于多芯光纤芯间锁相的高稳定干涉装置

技术领域

本发明涉及相干光测量技术领域，更具体的说是涉及一种基于多芯光纤芯间锁相的高稳定干涉装置。

背景技术

低损耗光纤和高相干激光的发明极大地推动了现代光学测量技术的发展。得益于其在短波长、高相干等方面的优异特性，光纤与激光技术在测量精度、灵敏度等关键性能指标上实现了突破性的进展。早期的光纤测量方式主要基于直接探测的信号解调方式，其系统结构简单，但易受到强度扰动和背景噪声的干扰。在此基础上，利用激光的高相干特性，基于相干解调的相干光测量技术逐渐成为了备受关注的发展方向。其通过探测光和本振光(LO)之间的干涉过程，可以有效提取探测光中所包含的相位信息，并通过其所对应的物理机制获得所测量外接信息。由于相干解调过程中本振光所引入的相干增益，能够使得接收信噪比得到明显提升，从而可实现针对微弱光信号的高灵敏接收，使得相干光测量技术逐渐成为光学测量领域的重要发展方向。根据其测量时光纤路径的差异，衍生出了各种不同的干涉结构，如迈克尔逊干涉、马赫曾德尔干涉、萨格纳克干涉、法布里珀罗干涉结构等。

同时,光纤的抗腐蚀，抗电磁辐射，以及无源特性等优势，能够支持光纤延伸至人力、电力不可及的恶劣环境下进行测量。并且光纤传输光功率损耗小，同时相比于空间光传输受环境影响较小，更为稳定，支持本振光和信号光在其中长距离传输。然而，为了满足远程应用的高精度测量需求，干涉结构中光纤长度增长，干涉结构的不稳定性带来的测量精度下降和难以稳定测量的问题突现。以光相位相干测量为例，这种不稳定性，一方面将造成作为“基准”的本振信号或参考信号发生未知偏移，可靠度下降；另一方面它将以相位噪声的形式混杂在待解调的有效相位中，造成解调误差增大。

为了解决光纤干涉结构的这种相对不稳定性问题，基于共路双向传输的萨格纳克干涉结构，集成法布里珀罗腔等长光纤干涉的替代结构被相继提出，可在一定程度上减弱扰动影响。但是前者不可避免的引入了瑞利干涉问题，影响测量精度；后者则需要对法布里珀罗腔进行额外的电学控制，额外增加了结构的复杂度，导致环境适应性下降。

近年来，为进一步提升光纤通信的容量，具有多个独立纤芯的多芯光纤逐步进入人们的视野，但是，由于多芯光纤自身结构上的不完备性，和长距离传输过程中的扰动噪声积累，使得芯与芯之间的残余抖动依然十分可观，直接制约了干涉结构的稳定性和测量精度。

因此，如何提供一种稳定性高、测量精度高的基于多芯光纤的芯间锁相的高稳定干涉装置是本领域技术人员亟需解决的问题。

发明内容

有鉴于此，本发明提供了一种基于多芯光纤芯间锁相的高稳定干涉装置，能够实现长距离光纤链路的稳定传输，且测量精度高。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种基于多芯光纤芯间锁相的高稳定干涉装置，包括：激光器、第一保偏耦合器、扇入端、多芯光纤、扇出端、偏振态调整装置和光锁相环；其中，所述激光器、所述第一保偏耦合器、所述扇入端、所述多芯光纤和所述扇出端沿光路传输方向依次连接；所述偏振态调整装置连接于所述光锁相环和所述扇出端之间，或所述偏振态调整装置连接于所述光锁相环和所述扇入端之间；

所述第一保偏耦合器用于将所述激光器发出的光源分束为本振光和信号光，所述本振光经所述扇入端的一个端口进入所述多芯光纤的一个纤芯，并经所述扇出端的一个端口输出；所述信号光经所述扇入端的其他一个或多个端口进入所述多芯光纤的其他一个或多个纤芯，并经所述扇出端的其他一个或多个端口输出；

所述光锁相环用于对经所述偏振态调整装置进行偏振态调整之后的本振光和信号光的扰动噪声进行动态消除。

进一步的，所述偏振态调整装置包括第一偏振态调整装置和第二偏振态调整装置；传输所述本振光的纤芯通过法兰连接进入所述第一偏振态调整装置；传输所述信号光的所有纤芯通过法兰连接进入所述第二偏振态调整装置。

进一步的，所述光锁相环包括：光纤拉伸器、第二保偏耦合器、平衡光电探测器和环路滤波器；所述光纤拉伸器的一个光纤端口与所述第二偏振态调整装置的输出端口连接；所述光纤拉伸器的另一个光纤端口和所述第一偏振态调整装置的输出端口分别与所述第二保偏耦合器的两个输入端连接；所述第二保偏耦合器的输出端与所述平衡光电探测器的输入端连接；所述平衡光电探测器的输出端与所述环路滤波器的输入端连接；所述环路滤波器的输出端与所述光纤拉伸器的控制信号输入端连接。

进一步的，所述第二保偏耦合器用于将经所述第一偏振态调整装置后的所述本振光和依次经所述第二偏振态调整装置和所述光纤拉伸器后的所述信号光进行混合；所述平衡光电探测器用于对混合后的所述本振光和所述信号光进行相干探测，完成光信号到电信号的转换，并消除共模噪声；所述环路滤波器用于将转换后的电信号进行处理，并利用处理后的电信号驱动所述光纤拉伸器产生受控伸缩，对扰动噪声进行实时补偿。

进一步的，所述偏振态调整装置连接于所述光锁相环和所述扇出端之间时，所述偏振态调整装置采用偏振跟踪器。

进一步的，所述偏振态调整装置连接于所述光锁相环和所述扇入端之间时，所述偏振态调整装置采用偏振分束器。

进一步的，所述偏振态调整装置连接于所述光锁相环和所述扇入端之间时，所述扇出端中传输所述本振光的一个端口连接一个法拉第旋转镜，所述扇出端中传输所述信号光的所有端口连接一个法拉第旋转镜。

进一步的，所述多芯光纤具有七个纤芯，其中用于传输所述本振光的纤芯位于正中央，用于传输所述信号光的纤芯围绕传输所述本振光的纤芯设置。

经由上述的技术方案可知，与现有技术相比，本发明公开提供了一种基于多芯光纤芯间锁相的高稳定干涉装置，一方面，本发明采用多芯光纤，利用其空分复用特性，使得本振光和信号光在同一根光纤中进行同步传输，这种同步传输保证了两束光在传输过程中经历了基本相同的路径，因此，其由于环境扰动引入的噪声和抖动从原本的差模噪声转化为了共模噪声，在相干探测中可以采用平衡接收实现对其的抑制，因此多芯光纤作为本振光和信号光的传输信道的同时，也起到对两束光的相对扰动噪声的初步抑制的作用；同时，能够实现长距离光纤链路传输甚至强环境扰动条件下，仍可稳定相干测量的效果；除此之外，多芯光纤还可保证多个稳定的共参考的干涉结构同时工作，为多参量同时测量，以及芯间相关的参量测量等提供可能。另一方面，本发明采用光锁相环对本振光和信号光的扰动噪声进行进一步动态消除。整体而言，本发明能够实现长距离光纤链路的稳定传输，在相干光干涉测量方面，可以获得高的测量精度。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。

图1为本发明提供的实施例一的结构示意图；

图2为本发明提供的实施例二的结构示意图；

图3为本发明提供的多芯光纤的结构示意图。

具体实施方式

下面将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。基于本发明中的实施例，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，都属于本发明保护的范围。

实施例一：

如图1所示，实施例一为多芯马赫增得干涉系统，具体公开了一种基于多芯光纤芯间锁相的高稳定干涉装置，包括：激光器1、第一保偏耦合器2、扇入端3、多芯光纤5、扇出端4、偏振态调整装置6和光锁相环；其中，激光器1、第一保偏耦合器2、扇入端3、多芯光纤5和扇出端4沿光路传输方向依次连接；偏振态调整装置6连接于光锁相环和扇出端4之间；

第一保偏耦合器2用于将激光器1发出的光源分束为本振光和信号光，本振光经扇入端3的一个端口进入多芯光纤5的一个纤芯，并经扇出端4的一个端口输出；信号光经扇入端3的其他一个或多个端口进入多芯光纤5的其他一个或多个纤芯，并经扇出端4的其他一个或多个端口输出；

光锁相环用于对经偏振态调整装置6进行偏振态调整之后的本振光和信号光的扰动噪声进行动态消除。

具体的，如图3所示，多芯光纤5具有七个纤芯，其中用于传输本振光的纤芯位于正中央，用于传输信号光的纤芯围绕传输本振光的纤芯设置。图3中的纤芯1用于传输本振光，纤芯2-7用于传输信号光。

对应的，扇入端3具有7个端口，分别编号为1-7，扇入端3的端口1与多芯光纤的纤芯1的一端连接，扇入端3的端口2-7分别与纤芯2-7的一端一一对应连接。

同理，扇出端4也具有7个端口，分别编号为1-7，扇出端4的端口1与多芯光纤的纤芯1的另一端连接，扇出端4的端口2-7分别与纤芯2-7的另一端一一对应连接。

在一个具体实施例中，偏振态调整装置6包括第一偏振态调整装置和第二偏振态调整装置；传输本振光的纤芯通过法兰连接进入第一偏振态调整装置；传输信号光的所有纤芯通过法兰连接进入第二偏振态调整装置。

即，第一偏振态调整装置与扇出端4的端口1连接，第二偏振态调整装置与扇出端4的端口2-7连接。

本实施例中，偏振态调整装置6采用偏振跟踪器。

在一个具体实施例中，光锁相环包括：光纤拉伸器7、第二保偏耦合器8、平衡光电探测器9和环路滤波器10；光纤拉伸器7的一个光纤端口与第二偏振态调整装置8的输出端口连接；光纤拉伸器7的另一个光纤端口和第一偏振态调整装置8的输出端口分别与第二保偏耦合器8的两个输入端连接；第二保偏耦合器8的输出端与平衡光电探测器9的输入端连接；平衡光电探测器9的输出端与环路滤波器10的输入端连接；环路滤波器10的输出端与光纤拉伸器7的控制信号输入端连接。

第二保偏耦合器8用于将经第一偏振态调整装置后的本振光和依次经第二偏振态调整装置和光纤拉伸器7后的信号光进行混合；平衡光电探测器9用于对混合后的本振光和信号光进行相干探测，完成光信号到电信号的转换，并消除共模噪声；环路滤波器10用于将转换后的电信号进行处理，并利用处理后的电信号驱动光纤拉伸器7产生受控伸缩，对扰动噪声进行实时补偿。

下面结合图1，对上述所涉及到的各个器件功能进行进一步说明。

激光器1(图1中的Laser)，用于作为光源同时提供本振光和信号光。

第一保偏耦合器2(图1中的与激光器连接的50：50PMC)，用于将激光器输出的激光按照功率比50：50分成两束，分别作为本振光和信号光。

扇入端3(图1中的Fan-in)，用于将七芯光纤的输入光分别耦合进入各个纤芯进行传输。

扇出端4(图1中的Fan-out)，用于将七芯光纤各个纤芯的光分别耦合进入不同的光纤进行输出，各端口标号与七芯光纤一一对应。

七芯光纤5(图1中的7-core fiber)，用于作为本振光和信号光的传输信道(也可在传感器中作为敏感元件)。

偏振跟踪器6(图1中的PT)，用于本振光和信号光的偏振态对齐，保证光的干涉正常进行；

光纤拉伸器7(图1中的FS)，用于在驱动信号作用下改变光纤长度，以此对来自于激光器、环境扰动等多种来源的相位噪声进行实时的补偿，从而获得芯间锁相稳定的干涉结构。

第二保偏耦合器8(图1中与PT和FS连接的50：50PMC)，用于将信号光与本振光进行混合之后送入BPD中完成相干探测。

平衡光电探测器9(图1中的BPD)，用于相干探测中完成干涉拍频，完成光信号到电信号的转换，并且消除相对强度噪声(RIN)等共模噪声；

环路滤波器10(图1中的LF)，用于将相干探测输出信号进行积分、放大、滤波处理得到FS的驱动信号。

上述各器件间的连接关系为：

平衡光电探测器9与环路滤波器10之间属于电连接，在电路板上完成；除此之外，其他各器件之间均为光连接，采用法兰进行连接。具体来讲，激光器1的输出信号传输至第一保偏耦合器2的输入端，被分成功率相等的两束光进行输出，这两束光分别作为信号光和本振光。第一保偏耦合器2输出的本振光与扇入端3的端口1通过法兰连接，进入多芯光纤5的中心纤芯(纤芯1)进行传播，并且通过扇出端4的端口1输出，之后通过法兰连接进入偏振跟踪器6进行偏振态调整。

第一保偏耦合器2输出的信号光与扇入端3的端口2(和/或者3，4，5，6，7)通过法兰连接，进入多芯光纤5的离心纤芯(即纤芯2，和/或者3，4，5，6，7)进行传播，并且通过扇出端4的端口2(和/或者3，4，5，6，7)输出，之后通过法兰连接进入偏振跟踪器6进行偏振态调整，和本振光不同的是，信号光在完成偏振态调整之后要通过偏振跟踪器6的输出端口与光纤拉伸器7相连，完成扰动噪声消除。在此之后，本振光和信号光通过法兰连接进入第二保偏耦合器8的两个输入端，在第二保偏耦合器8的输出端输出进入平衡光电探测器9完成相干探测。平衡光电探测器9输出的电信号沿电路板走线流入环路滤波器10。经过环路滤波器10的信号处理之后，它的输出通过射频接口连接至光纤拉伸器7的控制信号输入端，使得光纤拉伸器7产生受控伸缩，完成扰动补偿。

本发明实施例的工作原理为：

首先，没有进行稳定化工作的零差相干探测干涉系统的输出光电流的表达式如下：

上式中，r表示平衡光电探测器的响应度；P_s表示信号光抵达平衡光电探测器时的光功率；P_R表示本振光抵达平衡光电探测器时的光功率。

其中，输出正弦信号的相位部分第一项

表示干涉系统的需要完成获取和恢复的待解调信号，第二项

表示由于激光器相位噪声在信号光与本振光光程失配下得到的拍频噪声，第三项

是光纤传输过程中由于温度变化、振动等环境扰动变化引入的激光相对扰动噪声。后两项是不期望出现的噪声，混杂在第一项中，将造成干涉的不稳定以及相干探测结果的准确性严重恶化。

本发明干涉系统通过采用七芯光纤5对后两项进行初步抑制。一方面，信号光与本振光在其中传输，天然地保证了光程的匹配；另一方面，信号光与本振光经历相同的环境扰动，通过平衡光电探测器9即可有效消除。在此基础上，针对残余的噪声，由基于光纤拉伸器7的光锁相环进行实时的补偿。这个光锁相环由光纤拉伸器7、第二保偏耦合器8、平衡光电探测器9和环路滤波器10共同构成，在环路滤波器10的输出信号的驱动下，光纤拉伸器7产生受控伸缩，使得缠绕其上的光纤随之伸缩，产生于残余噪声等大反相的补偿相位

实现对激光器和环境变化造成的扰动噪声的动态消除，消除过程如下式所示：

上式中，

表示

在多芯光纤的初步抑制作用之后的残余噪声；

表示

在多芯光纤的初步抑制作用之后的残余噪声。

最终，经本发明干涉系统的稳定化处理，仅有效信号得到保留，保证了相干探测的正常进行：

通过精密的锁相控制，即使是强的外界扰动，本发明干涉装置都能够实现实时动态补偿，保证稳定的干涉和正常的相干探测的进行。

实施例二

如图2所示，实施例二为多芯迈克尔逊干涉系统，与实施例一的区别在于：偏振态调整装置6连接于光锁相环和扇入端3之间；且偏振态调整装置6采用偏振分束器(图2中的PBS)。

扇出端4中传输本振光的一个端口(即端口1)连接一个法拉第旋转镜(即图2中的FRM)，扇出端中传输信号光的所有端口(即端口2-7)再连接一个法拉第旋转镜(FRM)。其他器件的选用和连接关系与实施例一相同，且工作原理与实施例一相同。

同理，可根据上述原理延伸出萨格纳克型干涉系统和法布里珀罗干涉系统等多种多样的多芯干涉系统。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的装置而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (6)

1.一种基于多芯光纤芯间锁相的高稳定干涉装置，其特征在于，包括：激光器、第一保偏耦合器、扇入端、多芯光纤、扇出端、偏振态调整装置和光锁相环；其中，所述激光器、所述第一保偏耦合器、所述扇入端、所述多芯光纤和所述扇出端沿光路传输方向依次连接；所述偏振态调整装置连接于所述光锁相环和所述扇出端之间，或所述偏振态调整装置连接于所述光锁相环和所述扇入端之间；

所述第一保偏耦合器用于将所述激光器发出的光源分束为本振光和信号光，所述本振光经所述扇入端的一个端口进入所述多芯光纤的一个纤芯，并经所述扇出端的一个端口输出；所述信号光经所述扇入端的其他一个或多个端口进入所述多芯光纤的其他一个或多个纤芯，并经所述扇出端的其他一个或多个端口输出；

所述多芯光纤具有七个纤芯，其中用于传输所述本振光的纤芯位于正中央，用于传输所述信号光的纤芯围绕传输所述本振光的纤芯设置；

所述光锁相环用于对经所述偏振态调整装置进行偏振态调整之后的本振光和信号光的扰动噪声进行动态消除；

所述偏振态调整装置包括第一偏振态调整装置和第二偏振态调整装置；所述光锁相环包括：光纤拉伸器、第二保偏耦合器、平衡光电探测器和环路滤波器；所述光纤拉伸器的一个光纤端口与所述第二偏振态调整装置的输出端口连接；所述光纤拉伸器的另一个光纤端口和所述第一偏振态调整装置的输出端口分别与所述第二保偏耦合器的两个输入端连接；所述第二保偏耦合器的输出端与所述平衡光电探测器的输入端连接；所述平衡光电探测器的输出端与所述环路滤波器的输入端连接；所述环路滤波器的输出端与所述光纤拉伸器的控制信号输入端连接。

2.根据权利要求1所述的一种基于多芯光纤芯间锁相的高稳定干涉装置，其特征在于，传输所述本振光的纤芯通过法兰连接进入所述第一偏振态调整装置；传输所述信号光的所有纤芯通过法兰连接进入所述第二偏振态调整装置。

3.根据权利要求1所述的一种基于多芯光纤芯间锁相的高稳定干涉装置，其特征在于，所述第二保偏耦合器用于将经所述第一偏振态调整装置后的所述本振光和依次经所述第二偏振态调整装置和所述光纤拉伸器后的所述信号光进行混合；所述平衡光电探测器用于对混合后的所述本振光和所述信号光进行相干探测，完成光信号到电信号的转换，并消除共模噪声；所述环路滤波器用于将转换后的电信号进行处理，并利用处理后的电信号驱动所述光纤拉伸器产生受控伸缩，对扰动噪声进行实时补偿。

4.根据权利要求1所述的一种基于多芯光纤芯间锁相的高稳定干涉装置，其特征在于，所述偏振态调整装置连接于所述光锁相环和所述扇出端之间时，所述偏振态调整装置采用偏振跟踪器。

5.根据权利要求1所述的一种基于多芯光纤芯间锁相的高稳定干涉装置，其特征在于，所述偏振态调整装置连接于所述光锁相环和所述扇入端之间时，所述偏振态调整装置采用偏振分束器。

6.根据权利要求1或5所述的一种基于多芯光纤芯间锁相的高稳定干涉装置，其特征在于，所述偏振态调整装置连接于所述光锁相环和所述扇入端之间时，所述扇出端中传输所述本振光的一个端口连接一个法拉第旋转镜，所述扇出端中传输所述信号光的所有端口连接一个法拉第旋转镜。

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