CN1203338C - 光纤微分干涉仪 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种光纤微分干涉仪，它由光源、光纤耦合器、探测器、信号处理器、传感器和调制器组成，光纤耦合器采用3×3光纤耦合器，使其输入、输出两测的端子交叉地互相连接形成两个光纤回路，在两个光纤回路上分别设置传感器和调制器，而中间的两个端子分别连接光源和探测器。本发明使干涉光束同光路、同向传输，仅使用一个3×3光纤耦合器，结构简单；抗干扰能力强，特别是对缓变的干扰信号几乎不敏感；可采用短相干长度的光源，如发光二极管；测量参数广泛，如电磁量、机械量、热能量等；是微分干扰仪，它的测量动态范围大。

Description

光纤微分干涉仪

技术领域

本发明述及一种光纤微分干涉仪，特别是一种基于3×3光纤耦合器实现的光纤的光纤微分干涉仪。

背景技术

马赫—泽德尔、迈克尔逊、法布里—珀罗和塞格奈克干涉仪是目前使用最普遍的四种光纤干涉仪。它们测量精度高，并具有各自的特点，因此，已成功地应用在许多的光纤传感器及光纤器件中，如声、压力、位移、电流、电压、陀螺等传感器，光纤开关，光纤滤波器等。马赫—泽德尔、迈克尔逊光纤干涉仪是双光束干涉仪，并均有两个光纤臂组成，一个为传感臂，另一个为参考臂。由于参考臂的出现，当参考臂的光纤受到外界信号干扰时，就会引起干涉仪的干扰噪声。另外，两个臂的光纤长度应尽量保持相等，如果出现不平衡的情况，那么会出现一个由相位噪声转变的强度噪声，这将影响信号的测量精度。法布里—珀罗光纤干涉仪是多束干涉仪，它可以使用光纤、空气及其他介质作为谐振腔。对于由光纤形成的谐振腔，当要求低精细度的谐振腔时，可以直接用抛光的光纤端面作为反射面，由于它的反射率仅有4％，所以效率较低；对于高精细度的谐振腔，则需要在光纤上镀薄膜层以便提高反射率，但不仅镀均匀的膜层困难，而且光纤腔与输入一输出光纤连接时，也是较困难的。以上三种干涉仪都要求激光器作为光源，即要求光源有较长的相干长度。相比而言，塞格奈克光纤干涉仪它的优点更明显，它可以使用短相干长度光源(如LED)，并用两个反向传输的光束在相同光路中传输产生干涉，所以对一些互易的干扰量能够消除或减少。但是，它仪能测量非互易量，如法拉第效应、塞格奈克效应等；另外，由于两束相反的光经过一个耦合器所走的路径是不相同，所以这种最简单的塞格奈克光纤干涉仪不是相同光路的干涉仪，如果要实现相同的光路传输，还需要再加入一个耦合器，这样也增加了系统的复杂性；另外，由于反向传输光束干涉，所以对光路的偏振态也较敏感。

发明内容

本发明的目的是在于提供一种光纤微分干涉仪，使其干涉光束具有同向、同光路的特点，克服上述已有光纤干涉仪存在的问题，结构简单，抗干扰能力强

为了达到上述目的，本发明采用以下技术方案：

一种光纤微分干涉仪，由光源、光纤耦合器、探测器、信号处理器、传感器和调制器组成，其特征在于光纤耦合器采用3×3光纤耦合器，使其输入、输出两测的端子交叉地互相连接形成两个光纤回路，在两个光纤回路上分别设置传感器和调制器，而中间的两个端子分别连接光源和探测器。

上述的两个光纤回路的光程差小于光源的相干长度。

上述的3×3光纤耦合器中的光纤排列结构为三个光并列方式排列的耦合结构。

上述的光纤微分干涉仪以如下参数决定实现多光束干涉或双光束干涉：3×3光纤耦合器相邻光纤的耦合系数K1、3×3光纤耦合器的熔锥的长度L、3×3光纤耦合器的附加损耗tc、两个光纤回路的光纤损耗系数t_L1和t_L2；若要实现双光束干涉，则要满足下式要求：

${\left((\frac{1}{2}+\frac{1}{2}\cos \left(\sqrt{2}{k}_{1}L\right))t_c\right)}^4{\left(t_{L1}{t}_{L2}\right)}^2<0.1$

上述的光源采用发光二极管或激光器。

为了说明本发明的工作原理及其分析，可参见附图。图1示出本发明的结构原理。

本发明由光源1、探测器5、3×3光纤耦合器2、传感器3、调制器9及信号处理器6组成。光源1通过光纤10与3×3光纤耦合器2连接，3×3光纤耦合器2输出端的两个侧端端子D、F，交叉地连接到输入端的两个侧端端子C、A上，即端子D连接端子C，端子F连接端子A，而中间的输入和输出端子B、E分别作为光源1和探测器5的输入和输出端子。它的工作原理可以分析如下：从短相干长度光源发出的一束光线，进入3×3光纤耦合器2的端子B，然后被耦合器2分成三束光，从端子D、E、F射出，这三束光可以定义为1、3、2光束。光束1所经过的路径为端子D→传感器3→光纤回路7→端子C→端子F→调制器9→光纤回路4→端子A→端子E；光束2所经过的路径为端子F→调制器9→光纤回路4→端子A→端子D→传感器3→光纤回路7→端子C→端子E；而光束3则直接进入光电探测器5，并通过电导线8与信号处理器6连接。因为干涉信号只能发生在两个光束的光程差小于光源的相干长度的情况下，而光束1和光束2所经过的是相同光路(只是经过的时间有先后的问题)，所以，光束1和光束2在输出端子E能产生干涉信号。相反，由于所设置的光纤回路7和光纤回路4的光路差大于光源的相干长度，所以，经过端子D→传感器3→光纤回路7→端子C→端子E的光束和经过端子F→调制器9→光纤回路4→端子A→端子E的光束不能在输出端子E产生干涉。这样光束1和光束2的干涉效果就能在两个回路中传感或检测许多被测的参量。

本光纤微分干涉仪中采用的3×3光纤耦合器2的光纤排列结构为三根光纤并行排列的耦合结构，如图2所示。根据耦合理论，设光纤F2与F1、光纤F2与F3的耦合系数为k₁，光纤F1和F3的耦合系数为k₂，β是光纤的传播系数。由于熔锥的长度L较短，可以认为k₁和k₂为常数。在k₂＜＜k₁的条件下，可以忽略光纤F1与F3的耦合系数k₂，让φ₀＝βL，那么，并行的3×3光纤耦合器的传输矩阵为：

$\left[\begin{array}{c}{E}_1\\ E_2\\ E_3\end{array}\right]\left(z\right)=T\left[\begin{array}{c}{E}_1\\ E_2\\ E_3\end{array}\right]\left(0\right)$

${T=t}_c{e}^{j{\mathrm{\&phi;}}_0}\left[\begin{array}{ccc}\frac{1}{2}(1+\cos \left(\sqrt{2}{k}_{1}L\right))& j\frac{1}{\sqrt{2}}\sin \left(\sqrt{2}{k}_{1}L\right)& \frac{1}{2}(\cos \left(\sqrt{2}{k}_{1}L\right)-1)\\ j\frac{1}{\sqrt{2}}\sin \left(\sqrt{2}{k}_{1}L\right)& \cos \left(\sqrt{2}{k}_{1}L\right)& j\frac{1}{\sqrt{2}}\sin \left(\sqrt{2}{k}_{1}L\right)\\ \frac{1}{2}(\cos \left(\sqrt{2}{k}_{1}L\right)-1)& j\frac{1}{\sqrt{2}}\sin \left(\sqrt{2}{k}_{1}L\right)& \frac{1}{2}(1+\cos \left(\sqrt{2}{k}_{1}L\right))\end{array}\right]----\left(1\right)$

式中E_i(z)和E₀(z)(i＝1，2，3)为3×3光纤耦合器的输出和输入光的电场幅值，t_c是耦合器的附加损耗。式中(3，1)和(1，3)元素不为零是由于光纤F1和F3之间有少量的能量通过光纤F2被传递。

通过对图1光束1和光束2两束光的分析我们知道，它们不仅仅在光路中传输一次，还可以按以上分析的路径进行多次循环，这样就形成了多光束干涉。对(n+1)和n次循环的光路而言，它们的干涉光强比为：

$I_{n+1}/I_n={\left((\frac{1}{2}+\frac{1}{2}\cos \left(\sqrt{2}{k}_{1}L\right))t_c\right)}^4{\left(t_{L1}{t}_{L2}\right)}^2----\left(2\right)$

式中t_L1和t_L2分别为光纤回路7和光纤回路4的光纤损耗系数。如果式(2)中I_n+1/I_n＜＜1，一般取小于0.1即可，那么干涉仪中的高次循环光可以忽略。故仅剩下光束1和光束2的干涉，即相当于n＝1的双光束干涉。由此可得变化的干涉信号强度为：

$I_{\mathrm{ac}}=I_0\&CenterDot;C_1\&CenterDot;\cos [{\mathrm{\&tau;}}_2\frac{{\mathrm{d\&phi;}}_s(t-{\mathrm{\&tau;}}_1)}{\mathrm{dt}}-{\mathrm{\&tau;}}_1\frac{{\mathrm{d\&phi;}}_m(t-{\mathrm{\&tau;}}_2)}{\mathrm{dt}}]----\left(3\right)$

$C_1=\frac{1}{2}{I}_0{\sin }^4\left(\sqrt{2}{k}_{1}L\right)\&CenterDot;{[(\frac{1}{2}+\frac{1}{2}\cos \left(\sqrt{2}{k}_{1}L\right)t_c)}^2{\left(t_{L1}{t}_{L2}\right)}^2$

式中I₀为光源的出射光强，τ₁和τ₂分别为光纤回路7和光纤回路4的光纤延迟时间，φ_s(t)和φ_m(t)分别为传感函数和调制函数。对上面的信号积分，即可得到干涉仪的输出电压信号与被测信号的比例关系：

                V_ac∝I₀C₁·φ_s(t)                       (4)

由此，探测器输出的电信号经过放大、滤波、积分等一系列的信号处理，可通过式(4)求得被测的信号。而式(3)则表示了一个微分干涉的形式，所以称之为微分干涉仪。

本发明与已有技术相比较，具有如下显而易见的突出特点和显著优点：本发明的光纤耦合器采用3×3光纤耦合器，使其输入、输出两侧的端子交叉地相互连接，而中间的两个端子分别连接光源和探测器，这就使干涉光束同光路、同向传输，克服已有技术中存在的问题。本发明仅使用一个3×3光纤耦合器，结构简单；抗干扰能力强，特别是对缓变得干扰信号几乎不敏感；可采用短相干长度的光源，如发光二极管；测量参数广泛，如电磁量、机械量、热能量等；是微分干扰仪，它的测量动态范围大。

附图说明

图1是本发明的一个实施例的结构示意图。

图2是图1示例中3×3光纤耦合器的光纤排列结构示意图。

图3是图1示例实现电压传感器的测试曲线图。

具体实施方式

本发明的一个优选实施例是：本光纤微分干涉仪的结构原理如图1所示，由光源1、光纤耦合器、探测器5、信号处理器6、传感器3和调制器9组成。光纤耦合器采用3×3光纤耦合器2，使其输入、输出两测的端子A、C、D、F交叉地互相连接形成两个光纤回路4，7，而中间的两个端子B、E分别由光纤10连接光源1和探测器5，探测器5由电导线8连接信号处理器6。本光纤微分干涉仪为实现电压传感器用，光源1采用1310nm的发光二极管，3×3光纤耦合器2的分光比为34∶31∶33，光纤回路7和光纤回路4的光纤长度分别为50m和550m。传感器3采用压电陶瓷筒(PZT)，并放在光纤回路7中，被测的电压为交流50Hz的交流电压，调制器9也采用压电陶瓷筒(PZT)，放在光纤回路4中，调制电压的频率为17.5KHz的正旋信号。参见图2，3×3光纤耦合器2的光纤排列结构为三条光纤F1、F2、F3并列排列，相邻光纤的中心距为光纤直径d。当调制电压为9V时。系统由最大灵敏度，在此条件下，测得的输出电压信号如图3所示。图3中横轴Vi为传感器3上施加的被测电压值，纵轴Vo为电压传感器3的输出电压值；图3中方点为实验测试的数据，直线为根据实验测试点拟合的线性直线。由图3可看出在15-130V的被测电压范围内有良好的线性度(测量的范围还可扩大)。因此，说明本发明的微分干涉仪是正确的，利用它可以实现电压的测量。

Claims (5)

1.一种光纤微分干涉仪，由光源(1)、光纤耦合器、探测器(5)、信号处理器(6)、传感器(3)和调制器(9)组成，其特征在于光纤耦合器采用3×3光纤耦合器(2)，使其输入、输出两测的端子(A、C、D、F)交叉地互相连接形成两个光纤回路(4，7)，在两个光纤回路(4，7)上分别设置传感器(3)和调制器(9)，而中间的两个端子(B、E)分别连接光源(1)和探测器(5)。

2.根据权利要求1所述的一种光纤微分干涉仪，其特征在于两个光纤回路(4、7)的光程差小于光源(1)的相干长度。

3.根据权利要求1所述的一种光纤微分干涉仪，其特征在于3×3光纤耦合器(2)中的光纤排列结构为三个光并列方式排列的耦合结构。

4.根据权利要求1所述的一种光纤微分干涉仪，其特征在于如下参数决定实现多光束干涉或双光束干涉：3×3光纤耦合器(2)相邻光纤的耦合系数K1、3×3光纤耦合器(2)的熔锥的长度L、3×3光纤耦合器(2)的附加损耗tc、两个光纤回路(4、7)的光纤损耗系数t_L1和t_L2；若要实现双光束干涉，则要满足下式要求：

${\left((\frac{1}{2}+\frac{1}{2}\cos \left(\sqrt{2}{k}_{1}L\right))t_c\right)}^4{\left(t_{L1}{t}_{L2}\right)}^2<0.1$

5.根据权利要求1所述的一种光纤微分干涉仪，其特征在于光源(1)采用发光二极管或激光器。