CN208780218U - 一种非平衡光纤m-z干涉仪与其调节平台 - Google Patents

一种非平衡光纤m-z干涉仪与其调节平台 Download PDF

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Abstract

本实用新型为一种非平衡光纤M‑Z干涉仪与其调节平台，所述干涉仪包括分光调相装置、3dB光纤耦合器和臂长差调节件各一。臂长差调节件为两个光纤准直器分别插在套管两端并与之固接，调节两个光纤准直器相对端面的间距，即可调节该臂的长度。调节平台有三个光学微调架，分别固定套管和2个准直器，微调架调节二个准直器相对端面的间距，精确调节臂长差。干涉仪的臂长差调节件安装于调节平台，输入端、调制端和输出端分别连接宽谱光源、信号发生器、光探测器和示波器。用微调架精确调节二准直器端面间距，得等臂长点，继续调节达设计臂长差。本实用新型精确控制M‑Z干涉仪的臂长差达微米量级，制作方法易掌握，大大降低M‑Z干涉仪的成本。

Description

一种非平衡光纤M-Z干涉仪与其调节平台
技术领域
本实用新型涉及一种非平衡光纤M－Z干涉仪的结构和制作技术，具体涉及一种非平衡光纤M-Z干涉仪与其调节平台。
背景技术
波长调制型光纤传感器的波长解调方法有：边缘滤波法、F-P滤波法、匹配光栅法、波长扫描法等等，这些方法的波长分辨率约为0.1pm，要达到更高的分辨率，必须采用干涉式解调法。
干涉式解调法所需设备中必不可少的是非平衡光纤马赫-曾德(Mach-Zehnder)干涉仪，简称为非平衡光纤M-Z干涉仪。它与普通Mach-Zehnder干涉仪的区别在于：干涉仪的两臂长度不同，存在一定的长度差。臂长差的存在使得从干涉仪始端分开的两个光束到达干涉仪末端的时刻不同，即有一定的时间差。这样，在干涉仪末端进行干涉的两束光为分别来自同一光源的不同时刻的光。
M-Z干涉仪的光强输出为：
I＝A{1+Kcos[φ(λ)+φ(0)]} (1)
式中，A为干涉后光强的直流分量，K为干涉因子，φ(0)为干涉仪固有相位差，φ(λ)为干涉仪两臂的相位差：
φ(λ)＝2πnd/λB (2)
式中n为光纤折射率，d为两臂长度差，λB为光波长。
当光波长ΔλB发生微小变化ΔλB时,相应的相位变化量为
从上式可以看出：当输入干涉仪的波长发生变化时，会引起非平衡光纤干涉仪内相位差的变化，根据公式(1)可知，干涉仪的输出光强也会发生变化。且非平衡光纤干涉仪的臂长差越大，相位变化量也变大。但是，当臂长差大于光源的相干长度时，不能形成稳定的干涉效果。
光相干长度与光源的谱线宽之间的关系如下式所示
式中λ0为光中心波长，Δλ为谱线宽，对于一般的布拉格光纤光栅(FBG)，它的反射波长宽度(FWHM)约为0.2nm，假设中心波长为1550nm，则由式(4)可计算出相干长度约为12mm。
因此制作非平衡光纤Mach-Zehnder干涉仪时，必须准确控制臂长差，这是决定非平衡光纤Mach-Zehnder干涉仪是否成功的关键。
目前，非平衡光纤Mach-Zehnder干涉仪的制作方法有两种：
一种方法是预先计算出各光器件用于连接的尾纤长度，切割后用光纤熔解机进行熔接。虽然计算的长度是精确的，但是光纤的切割与熔解过程中都可能造成偏差，光纤长度难以保证精确，因此用该方法制作的非平衡光纤Mach-Zehnder干涉仪的臂长差的精度只能达到在几毫米左右，无法进一步精确控制，并且光纤熔接后长度不可调节，实用性差。
另一种方法是在Mach-Zehnder干涉仪的一臂上串入可调光纤延迟线，实现对光程的调节，从而达到需要的光程差。这种方法可以精确控制臂长差，但是考虑到光纤延迟线的体积与成本，该方法的实用性也不高。
实用新型内容
本实用新型的目的是提供一种非平衡光纤M-Z干涉仪，包括一个分光调相装置、一个3dB光纤耦合器和一个臂长差调节件，分光调相装置为Y波导或由一个分光3dB光纤耦合器及一个光纤相位调制器组成。分出两光束，其一直接与3dB光纤耦合器的一个输入端连接，构成M-Z干涉仪的一臂，另一经臂长差调节件连接3dB光纤耦合器的另一输入端，构成M-Z干涉仪的另一臂。3dB光纤耦合器的输出端为本M-Z干涉仪的输出端。所述臂长差调节件为两个光纤准直器分别插在套管两端并与套管固定连接，调节两个光纤准直器相对端面的间距，即可调节该臂的长度，干涉仪的臂长差可精确控制。
本实用新型的另一目的是提供一种非平衡光纤M-Z干涉仪的调节平台，包含有三个光学微调架，其中一个为套管支架，其上安装可上下移动的套管夹具，另外两个为准直器支架，位于套管支架两侧，可上下移动的水平调节架上安装可控制水平位移量的准直器夹具，该夹具上的调节旋钮精确调节水平位移量，即调节二个准直器相对端面的间距，从而精确调节臂长差。
本实用新型设计的一种非平衡光纤M-Z干涉仪包括一个分光调相装置、一个3dB光纤耦合器和一个臂长差调节件。3dB光纤耦合器对输入光合光，其输出光纤为本M-Z干涉仪的输出端。
所述分光调相装置为一个集成光学器件Y波导或者由一个分光3dB光纤耦合器及一个光纤相位调制器组成。
当分光调相装置为Y波导，Y波导的输入光纤为本M-Z干涉仪的输入端，Y波导对输入光进行分光与相位调制。Y波导的一根输出光纤直接与3dB光纤耦合器的一根输入光纤连接，构成M-Z干涉仪的一臂，Y波导的另一输出光纤经臂长差调节件连接3dB光纤耦合器的另一输入光纤，构成M-Z干涉仪的另一臂。
当分光调相装置为一个前3dB光纤耦合器及光纤相位调制器时，前3dB光纤耦合器的输入光纤为本M-Z干涉仪的输入端，对输入光进行分光，前3dB光纤耦合器的一根输出光纤经光纤相位调制器连接3dB光纤耦合器的一根输入光纤，构成M-Z干涉仪的一臂，光纤相位调制器对此路光信号进行相位调制；前3dB光纤耦合器的另一根输出光纤经臂长差调节件连接3dB光纤耦合器的另一输入光纤，构成本M-Z干涉仪的另一臂。3dB光纤耦合器对输入光合光，其输出光纤为本M-Z干涉仪的输出端。
所述臂长差调节件包括两个光纤准直器及与其相匹配的套管，两个光纤准直器分别插在该套管两端并与套管固定连接，两个光纤准直器的中心线与套管的中心线相重合，所述套管内径等于光纤准直器外径，二者固定连接。两个光纤准直器之间的距离属于该臂长度的一部分，故调节两个光纤准直器相对端面的间距，即可调节该臂的长度。
所述两个光纤准直器相同。
所述套管为金属套管，臂长差调节件调节后确定的臂长差不易受振动和温度影响，稳定性和可靠性高。
所述光纤准直器外壳与金属套管焊接固定。
所述两个光纤准直器相对端面的间距为3mm～30mm，为臂长差调节件的有效调节范围。
所述两个光纤准直器插入套管的部分占光纤准直器全长的1/3至2/3。
本实用新型设计的一种非平衡光纤M-Z干涉仪的调节平台包括三个光学微调架，其中一个光学微调架为套管支架，其支柱上安装可上下移动的套管夹具，套管夹具夹持的套管中心线为水平；另外两个光学微调架为准直器支架，位于套管支架两侧，均包括准直器夹具和水平调节架，准直器支架的竖柱上安装可上下移动的水平调节架，水平调节架上安装可水平移动的准直器夹具，准直器夹具与水平调节架一端的调节旋钮连接，调节旋钮转动角度决定准直器夹具水平位移距离，故可精确调节准直器夹具的水平位移。
两个光纤准直器的前端分别插入套管支架上的套管两端，两个准直器支架上的准直器夹具分别夹持一个光纤准直器的尾端，用水平调节架的调节旋钮调节准直器夹具的水平移动，即调节两准直器相对端面的间距。
所述光学微调架的调节精度等于或高于10微米。
本实用新型设计的一种非平衡光纤M-Z干涉仪制作时使用上述本实用新型设计的一种非平衡光纤M-Z干涉仪的调节平台调节两个准直器相对的端面间距。待调节的非平衡光纤M-Z干涉仪的臂长差调节件安装于所述调节平台，套管支架上的套管夹具夹持套管，两个光纤准直器的前端分别插入该套管两端，两个准直器支架上的准直器夹具分别夹持一个光纤准直器的尾端，调节三个光学微调架上套管夹具和2个准直器夹具的高度，使套管和两个光纤准直器中心线重合且处于水平；
截取M-Z干涉仪两臂光纤，按干涉仪结构熔接相关部件的光纤。
之后连接仪器，前3dB光纤耦合器的输入光纤连接宽谱光源，光纤相位调制器的调制端经信号线连接信号发生器。3dB光纤耦合器的输出光纤，即干涉仪的输出端，经光纤接入光探测器，所得电信号经信号线接入示波器。
开启宽谱光源、信号发生器和光探测器，并进行调节。
调节2个准直器支架上水平调节架的调节旋钮，调节准直器夹具在水平调节架上的位置，即调节2个准直器端面的间距，至示波器上出现稳定的与信号发生器的周期信号同频的周期曲线，此时干涉仪的二臂长相等。继续调节2个光纤准直器相对端面的间距，增或减此臂长度，达到设计的臂长差。光纤准直器外壳和套管固定连接，得到精确控制臂长差的非平衡光纤M-Z干涉仪。
与现有技术相比，本实用新型一种非平衡光纤M-Z干涉仪的优点是：1、臂长差可精确控制到微米级；2、成本显著降低，只需要2个光纤准直器和套管构成的臂长差调节件，总价低于400元人民币，而手动光纤延迟线价格在1000元人民币以上，电动光纤延迟线为4000元人民币以上；3、臂长差调节范围最大可达30mm，若等臂长点正好处于2个准直器端面间距的中点，也可以实现0～15mm的臂长差精确控制，已经完全满足光纤布拉格光栅FBG(FiberBragg Grating)波长解调的需要；如果需要更大的臂长差，可以采用工作距离更长的光纤准直器，只是成本会相应提高；4、与采用光纤延迟线的非平衡光纤M-Z干涉仪相比，二者的臂长差控制精度相近，都在数十微米之内，但本实用新型干涉仪的成本降低数倍至十倍，此外，本实用新型的干涉仪的体积缩小，重量减轻。
与现有技术相比，本实用新型一种非平衡光纤M-Z干涉仪的调节平台的优点是：1、可精确控制非平衡光纤M-Z干涉仪的臂长差，基于寻找宽谱光源的稳定干涉图像，非常精确地找到干涉仪的等臂长点，再通过光学微调架的微米量级的调节精度，即实现对M-Z干涉仪臂长差的微米级控制；2、调节平台结构简单，制作方法易掌握，只要完成光纤熔接就能成功制作出高精度非平衡光纤M-Z干涉仪，大大降低非平衡光纤M-Z干涉仪的成本。
附图说明
图1为本非平衡光纤M-Z干涉仪实施例1的结构示意图；
图2为图1中的臂长差调节件剖面示意图；
图3为本非平衡光纤M-Z干涉仪实施例2的结构示意图；
图4为本非平衡光纤M-Z干涉仪的调节平台实施例结构示意图；
图5为本非平衡光纤M-Z干涉仪的调增平台实施例使用时M-Z干涉仪与调节仪器的连接示意图。
图中标号：
1、Y波导，2、臂长差调节件，21、光纤准直器，22、套管，3、3dB光纤耦合器，4、前3dB光纤耦合器，5、光纤相位调制器，6、准直器支架，61、准直器夹具，62、水平调节架，63、调节旋钮，7、套管支架，71、套管夹具，8、宽谱光源，9、信号发生器，10、光探测器，11、示波器。
具体实施方式
以下结合实施例和附图对本实用新型进一步详细说明。
非平衡光纤M-Z干涉仪实施例1
本非平衡光纤M-Z干涉仪实施例1如图1所示，包括一个集成光学器件Y波导作为分光调相装置、一个3dB光纤耦合器和一个臂长差调节件。Y波导的输入光纤为本M-Z干涉仪的输入端，Y波导对输入光进行分光与相位调制。Y波导的一根输出光纤直接与3dB光纤耦合器的一个输入光纤连接，构成M-Z干涉仪的一臂，Y波导的另一输出光纤经臂长差调节件连接3dB光纤耦合器的另一输入光纤，构成M-Z干涉仪的另一臂。3dB光纤耦合器对输入光合光，其输出光纤为本M-Z干涉仪的输出端。
本例臂长差调节件如图2所示，包括两个相同的光纤准直器及与其相匹配的套管，本例套管为金属套管。两个光纤准直器分别插在该套管两端，插入套管的部分占光纤准直器全长的1/3至2/3，光纤准直器外壳与套管焊接固定，两个光纤准直器的中心线与套管的中心线相重合，本例套管内径等于光纤准直器外径，二者固定连接。两个光纤准直器之间的距离为3mm～30mm属于该臂长度的一部分，故调节两个光纤准直器相对端面的间距，即可调节该臂的长度。
非平衡光纤M-Z干涉仪实施例2
本非平衡光纤M-Z干涉仪实施例2如图3所示，1个前3dB光纤耦合器和光纤相位调制器作为分光调相装置，还有与实施例1相同的3dB光纤耦合器和臂长差调节件各一个。
前3dB光纤耦合器的输入光纤为本M-Z干涉仪的输入端，对输入光进行分光，前3dB光纤耦合器的一根输出光纤经光纤相位调制器连接3dB光纤耦合器的一根输入光纤，构成M-Z干涉仪的一臂，光纤相位调制器对此路光信号进行相位调制；前3dB光纤耦合器的另一根输出光纤经臂长差调节件连接3dB光纤耦合器的另一输入光纤，构成本M-Z干涉仪的另一臂。3dB光纤耦合器对输入光合光，其输出光纤为本M-Z干涉仪的输出端。
本例的前3dB光纤耦合器与3dB光纤耦合器的结构和规格相同。
本例中所用的光纤相位调制器为PZT光纤相位调制器，PZT压电陶瓷具有的压电特性，使得陶瓷在加载电压时会产生相应的位移形变。将需要调制的光纤缠绕数圈在筒状压电陶瓷上，压电陶瓷的位移形变造成缠绕其上的光纤产生长度变化，实现相位调制。光纤缠绕的圈数与半波电压由压电陶瓷的驱动电压与标称位移两个参数确定。例如，对于一个驱动电压150V，径向标称移位10μm(对应外周期长变化为3.14*10＝31.4μm)的筒状压电陶瓷，在5V电压驱动下，光纤缠绕一圈约产生1μm的长度变化。如果光波长为1.55μm，若光纤缠绕1圈，对应的半波电压约为3.9V。
本例的臂长差调节件与实施例1相同。
非平衡光纤M-Z干涉仪的调节平台实施例
本非平衡光纤M-Z干涉仪的调节平台如图4所示，包括三个光学微调架，其中一个光学微调架为套管支架，其支柱上安装可上下移动的套管夹具，套管夹具夹持的套管中心线为水平；另外两个光学微调架为准直器支架，位于套管支架两侧，均包括准直器夹具和水平调节架，准直器支架的竖柱上安装可上下移动的水平调节架，水平调节架上安装可水平移动的准直器夹具，准直器夹具与水平调节架一端的调节旋钮连接，调节旋钮转动角度决定准直器夹具水平位移距离，故可精确调节准直器夹具的水平位移。
本例光学微调架的调节精度等于10微米。
本非平衡光纤M-Z干涉仪的调节平台实施例使用时待调节的非平衡光纤M-Z干涉仪如上述实施例1。臂长差调节件安装于上述调节平台实施例，套管支架上的套管夹具夹持套管，两个光纤准直器的前端分别插入该套管两端，两个准直器支架上的准直器夹具分别夹持一个光纤准直器的尾端，调节三个光学微调架上套管夹具和2个准直器夹具的高度，使套管和两个光纤准直器中心线重合且处于水平；
对Y波导的输出光纤、3dB光纤耦合器的输入光纤、光纤准直器的尾端光纤进行截取。一一熔接Y波导、3dB光纤耦合器和臂长差调节件的两个光纤准直器的尾端的相应光纤。
Y波导的输入光纤连接宽谱光源，Y波导的调制端经信号线连接信号发生器。3dB光纤耦合器的输出光纤，即干涉仪的输出光纤接入光探测器，所得电信号经信号线接入示波器。
M-Z干涉仪与调节仪器的连接如图5所示。
开启宽谱光源、信号发生器和光探测器并进行调节。
调节2个准直器支架上水平调节架的调节旋钮，调节准直器夹具在水平调节架上的位置，即调节2个准直器端面的间距，至示波器上出现稳定的与信号发生器的周期信号同频的周期曲线，此时干涉仪的二臂长相等。继续调节水平调节架的调节旋钮，即调节2个光纤准直器相对端面的间距，增或减此臂长度，达到设计的臂长差。光纤准直器外壳和套管焊接固定，得到精确控制臂长差的非平衡光纤M-Z干涉仪。
上述实施例，仅为对本实用新型的目的、技术方案和有益效果进一步详细说明的具体个例，本实用新型并非限定于此。凡在本实用新型的公开的范围之内所做的任何修改、等同替换、改进等，均包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种非平衡光纤M-Z干涉仪，包括一个分光调相装置、一个3dB光纤耦合器和一个臂长差调节件；3dB光纤耦合器对输入光合光，其输出光纤为本M-Z干涉仪的输出端；所述分光调相装置为一个集成光学器件Y波导或者由一个分光3dB光纤耦合器及一个光纤相位调制器组成；
当分光调相装置为Y波导，Y波导的输入光纤为本M-Z干涉仪的输入端，Y波导对输入光进行分光与相位调制；Y波导的一根输出光纤直接与3dB光纤耦合器的一个输入光纤连接，构成M-Z干涉仪的一臂，Y波导的另一输出光纤经臂长差调节件连接3dB光纤耦合器的另一输入光纤，构成M-Z干涉仪的另一臂；
当分光调相装置为一个前3dB光纤耦合器及光纤相位调制器，前3dB光纤耦合器的输入光纤为本M-Z干涉仪的输入端，对输入光进行分光，前3dB光纤耦合器的一根输出光纤经光纤相位调制器连接3dB光纤耦合器的一根输入光纤，构成M-Z干涉仪的一臂，光纤相位调制器对此路光信号进行相位调制；前3dB光纤耦合器的另一根输出光纤经臂长差调节件连接3dB光纤耦合器的另一输入光纤，构成本M-Z干涉仪的另一臂；
其特征在于：
所述臂长差调节件包括两个光纤准直器及与其相匹配的套管，两个光纤准直器分别插在该套管两端并与套管固定连接，两个光纤准直器的中心线与套管的中心线相重合，所述套管内径等于光纤准直器外径，二者固定连接。
2.根据权利要求1所述的非平衡光纤M-Z干涉仪，其特征在于：
所述两个光纤准直器相同。
3.根据权利要求1所述的非平衡光纤M-Z干涉仪，其特征在于：
所述套管为金属套管，所述光纤准直器外壳与金属套管焊接固定。
4.根据权利要求1所述的非平衡光纤M-Z干涉仪，其特征在于：
所述两个光纤准直器相对端的间距为3mm～30mm。
5.根据权利要求1所述的非平衡光纤M-Z干涉仪，其特征在于：
所述两个光纤准直器插入套管的部分占光纤准直器全长的1/3至2/3。
6.根据权利要求1至5中任一项所述的非平衡光纤M-Z干涉仪的调节平台，其特征在于：
包括三个光学微调架，其中一个光学微调架为套管支架，其支柱上安装可上下移动的套管夹具，套管夹具夹持的套管中心线为水平；另外两个光学微调架为准直器支架，位于套管支架两侧，均包括准直器夹具和水平调节架，准直器支架的竖柱上安装可上下移动的水平调节架，水平调节架上安装可水平移动的准直器夹具，准直器夹具与水平调节架一端的调节钮相连接，调节旋钮转动角度决定准直器夹具水平位移距离。
7.根据权利要求6所述的非平衡光纤M-Z干涉仪的调节平台，其特征在于：
所述光学微调架的调节精度等于或高于10微米。
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CN109163749B (zh) * 2018-09-30 2024-03-01 中国电子科技集团公司第三十四研究所 一种非平衡光纤m-z干涉仪、其调节平台和制作方法

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