多模光纖幹涉方法及其測試系統的製作方法

2023-05-30 17:37:31 1

專利名稱：多模光纖幹涉方法及其測試系統的製作方法
技術領域：
本發明涉及光纖幹涉方法及其測試系統。
背景技術：
光纖幹涉系統在光纖傳感和通信領域具有廣泛的應用前景，目前系統的構成主要採用單模光纖結構實現幹涉方法，這些方法都無法解決偏振態對系統穩定性造成的影響。多模光纖幹涉系統由於不存在偏振態對系統穩定性造成的影響，所以具有研究學術價值和產品開發的市場前景。多模光纖幹涉方法與單模光纖幹涉方法完全不同。光的幹涉方法主要有雙光束幹涉和多光束幹涉，麥可遜幹涉儀、馬赫-曾得爾幹涉儀、Sagnac幹涉儀屬於雙光束幹涉系統，菲索幹涉儀屬於多光束幹涉。但是該類幹涉系統均不能實現較大位移量的測量，限制了光纖幹涉系統在光纖傳感和通信領域的應用。

發明內容
多模光纖的傳輸滿足麥克斯韋方程組和多模光纖邊界條件，只有滿足本徵方程的傳播常數對應的模式才能形成傳播模式，在多模光纖中傳播。假定第i個傳播模式的傳播常數為βi，n個傳播模式按照其大小遞增排列，即有β1＜β2＜.....βi-1＜βi＜βn(1)多模光纖的折射率分布為階要躍分布，滿足下面關係式 式中，a是多模光纖纖芯半徑，ρ以是多模光纖纖芯為坐標原點的徑向坐標。
所有的傳播常數βi滿足下面的本徵方程，[Jm(k)kJm(k)+KmKm][Jm(k)kJm(k)+n22Kmn12Km]=[2mi(n1-n2)k22]2----(3)]]>上式中，k2=n12k02-i2,]]>2=i2-n22k02,]]>k0＝2π/λ，λ為真空中的傳輸波長。
對於給定的多模光纖參數(多模光纖半徑α，芯層折射率n1，包層折射率n2)和工作波長λ，可計算出傳播常數βi。利用式(3)，通過編程計算，可得到多模光纖的傳播常數βi。
對於相干涉空間距離為Δl的多模光纖幹涉系統來說，對於不同的傳播常數βi來說，形成的幹涉相位為i，i＝βi·Δl(4)定義平均傳播常數β，=1ni=1ni----(5)]]>對應於平均傳播常數β形成的平均相位可表示為＝β·Δl (6)不同模式(傳播常數βi)相對於平均相位的相位差可表示為Δi，Δi＝i- (7)幹涉信號I(t)可表示為不同模式形成的幹涉信號Ii(t)的疊加，即 式(8)中，I0為傳播模式的平均功率，假定不同傳播模式的功率分布相同。利用式(7)(8)，不同模式的幹涉信號可表示為Ii(t)Ii(t)＝I0[cos(Δi)cos()-sin(Δi)sin()](9)利用式(9)，式(8)可改寫為 在Δi為小信號的情況下，sin(Δi)＝Δi(11)結合式(5)(6)(7)，在滿足Δi為小信號的條件下(即式(11)成立的條件下)，式(10)中右邊第二項為零。所以式(10)可改寫為
通過上面的理論分析可以看出，幹涉信號的幅度將受到多模傳播模式的影響，但幹涉相位在引入平均傳播常數和平均相位的情況下，不受傳播模式的影響。利用式(12)，將實現多模光纖幹涉系統的測試功能。需要指出的是，式(12)成立的前提條件是式(11)成立，即在模式傳播常數差異引起的相位差為小信號的情況下，多模光纖幹涉系統通過相位解調，能夠實現對空間距離Δl的準確測試。
利用式(4)、(6)，式(7)可以改寫為Δi＝(βi-β)·Δl (13)根據式(13)，有兩種方法可以實現Δi為小信號，即減小不同模式與平均模式間的傳播常數差異和減小相干光束的空間距離。下面，就多模光纖的傳播常數差異進行理論計算，分析其特點。
利用式(3)，假設多模光纖的結構參數為α＝25μm，n1＝1.46，n2＝1.48。可得到計算結果為計算出不同傳播常數總數為227，根據式(5)，平均傳播常數β＝7049147.101，最大傳播常數為βmax＝7097950.8565，最小傳播常數為βmin＝7002651.0565，所有傳播模式與平均傳播常數的最大差異Δβmax＝48803.7555。
從上面的計算結果可以看出，最大傳播常數βmax和最小傳播常數βmin與平均傳播常數β的差別小於模式傳播常數的1％。根據式(12)，假設βi-β＝βmax，並將計算結果代入，在Δi≤0.3弧度條件下，可得到多模光纖幹涉系統最大空間幹涉距離Δlmax，lmax=0.3max=6.14710-6----(14)]]>式(14)說明，如果採用傳統的雙光束幹涉方法，多模光纖幹涉系統的測試量程不會超過5個波長，多模光纖幹涉系統實現大位移(超過1mm)測量功能是不現實的，這也是多模光纖在幹涉式位移測量工程中很少採用的原因。要將多模光纖幹涉系統應用於大量程測試領域，必須採用新的幹涉系統結構。多模光纖幹涉系統是一種能夠實現多模光纖幹涉方法的結構，系統的工作原理與傳統的幹涉結構不同，它將測試位移動態分段，始終保持幹涉信號在小的位移測量範圍內，通過信號處理，最終能夠實現對大位移量的測試功能。從理論上分析，該類系統的最大測試量程沒有理論極限。現階段的實驗表明，該系統的最大測試位移在100mm左右。
能夠實現多模光纖幹涉方法的光路結構全多模光纖幹涉方法的實現有多種光路結構，其核心是光路結構能夠實現白光動態幹涉，即在沒有動態測試信號的狀況下，相干涉光的光程差為零，動態測試信號存在的情況下，幹涉光束對應的光程差Δl(t)保持動態(與時間密切相關)，假設測試對象的位移特性為S(t)，幹涉光路系統實現的光程差為Δl(t)＝S(t)-S(t-τ) (15)上式中，τ為光路系統形成的相干信號延時。在τ為小量的條件下，利用中值定理，式(15)可改寫為Δl(t)＝S(t)-S(t-τ)＝S′(t)·τ (16)從上式可以看出，不論測試信號特點怎樣，總可以選定延時τ，使得式(14)成立，這就是全多模光纖幹涉系統工作原理的核心。
利用多模光纖耦合器、多模光纖和多模光纖準直器等無源器件和固體雷射器、光電探測器和放大電路等有源器件，構成了能夠實現前面原理分析的多模光纖幹涉系統，具體光路結構如下1、利用單只多模光纖耦合器實現的幹涉光路結構。
如圖1所示該系統的光路如下光源(1)之後是多模光纖耦荷器(2)，光被耦合器分光後，埠(7)的光經過多模光纖延遲線(3)後經過擾動源(4)順時針傳輸到埠(8)；埠(8)的光先通過擾動源(4)後通過多模光纖延遲線(3)反時針傳輸到埠(7)。兩光束在3×3多模光纖耦合器(2)中形成攜帶有擾動源物理特徵的光信號，該信號被探測器(5)、(6)接收。通過反演幹涉信號，由公式(16)獲得擾動源(4)的物理特性。
如圖2所示穩定的光源(1)發出的光經過多模光纖耦合器(2)，被分光後，埠(7)的光經過多模光纖延遲線(3)後經過擾動源(4)順時針傳輸到埠(8)；埠(8)的光先通過擾動源(4)後通過多模光纖延遲線(3)反時針傳輸到埠(7)。兩光束在3×3多模光纖耦合器(2)中形成攜帶有擾動源物理特徵的光信號，被探測器(5)、(6)接收。通過反演幹涉信號，最終獲得擾動源(14)的物理特性。
2、利用反饋迴路實現的幹涉光路結構如圖3所示穩定光源(1)發出的光經過跳線FC/PC連接，進入2×2多模光纖耦合器(2)，被分光後，從耦合器的埠(7)的光經過多模光纖延遲線(3)後經過擾動源(4)順時針傳輸到埠(8)，埠(8)的光先通過擾動源(4)後通過多模光纖延遲線(3)逆時針傳輸到埠(7)。兩光束在多模光纖耦合器(2)中形成攜帶有擾動源物理特徵的光信號，被探測器(6)接收。通過反演幹涉信號，由公式(16)最終獲得擾動源(4)的物理特性。
與圖3類似，圖4隻是去掉了多模光纖耦合器(4)和探測信號輸出埠(11)。
與圖3類似，圖5隻是去掉了多模光纖耦合器(9)和探測信號輸出埠(10)。
與圖3類似，圖6隻是去掉了多模光纖耦合器(1)和探測信號輸出埠(12)。
連接耦合器(2)的(6)、(8)埠的多模光纖和多模光纖耦合器(9)可以去掉，組成單環路工作幹涉系統，探測器(10)直接與埠(8)連接，系統的工作性能不受影響，只是探測信號輸出埠(10)、(11)探測到的幹涉信號初始相位發生改變。
將圖7所示的耦合器(2)改為2×2多模光纖耦合器，探測信號輸出埠(10)和耦合器(9)以及埠(6)(8)不存在，(11)(12)幹涉信號輸出埠。
3、用兩隻多模光纖耦合器實現的幹涉光路如圖9所示雷射器(1)發出的光經3×3耦合器(2)，通過埠(7)的光由埠(9)進入2×2多模光纖耦合器(3)；通過埠(6)的光經過多模光纖延遲線(11)由埠(8)進入2×2多模光纖耦合器(3)，經過多模光纖準直器(10)後，被測試對象(14)反射，反射光依次經過2×2耦合器(3)、3×3耦合器(2)，在3×3耦合器(2)的(12)、(13)端輸出幹涉信號。
系統的光源是超寬光譜光源，在1310nm中心波長條件下工作，一般光譜的寬度在10nm以上，雷射器是超輻射發光二極體。
多模光纖規格是外徑um/芯徑um是下述任一種125/50，125/62.5，125/80，125/100等大芯徑多模光纖為好。


圖1是單只多模光纖耦合器實現的幹涉光路圖之一。
圖2是單只多模光纖耦合器實現的幹涉光路圖之二。
圖3是反饋迴路實現的幹涉光路圖之一。
圖4是反饋迴路實現的幹涉光路圖之二。
圖5是反饋迴路實現的幹涉光路圖之三。
圖6是反饋迴路實現的幹涉光路圖之四。
圖7是反饋迴路實現的幹涉光路圖之五。
圖8是反饋迴路實現的幹涉光路圖之六。
圖9是兩隻多模光纖耦合器實現的幹涉光路圖。
圖10是本發明實施例結果圖。
具體實施例方式
實施例採用如圖9所示的結構，多模光纖(規格為外徑125微米，芯徑50微米)和光纖耦合器為武漢郵電研究院提供。探測器為銦鉀砷(InGaAs)光電探測器，光源為超輻射發光管(SLD)構造的光源，中心工作波長為1.31um，這兩種器件為電子集團總公司第44研究所提供。實驗結果如圖10所示。
權利要求
1.多模光纖幹涉方法，其特徵是利用不同傳輸模式間的傳播常數差異形成的等效幹涉光程差大於光源系統的相干長度時，不同模式間的幹涉效應將不被探測器所檢測，模式間的幹涉現象將被系統消除，多模光纖幹涉系統通過相位調解，通過下式實現對空間距離的準確測試
2.根據權利要求1所述的多模光纖幹涉方法的測試系統，其特徵是測試系統的光路是下述中的任一種(1)利用單只多模光纖耦合器實現的幹涉光路；(2)利用反饋迴路實現的幹涉光路；(3)利用兩隻多模光纖耦合器實現的幹涉光路；系統的光源是超寬光譜光源，1310nm中心波長，雷射器是超輻射發光二極體。
3.根據權利要求2所述的多模光纖幹涉方法的測試系統，其特徵是多模光纖的外徑um/芯徑um是下述任一種125/50，125/62.5，125/80，125/100。
全文摘要
一種新的多模光纖幹涉方法，該方法的特點是利用了多模光纖幹涉系統對偏振態不敏感這一優點，構造全多模光纖幹涉系統，該幹涉方法光源的相干長度小於不同傳輸模式形成的等效光程差，在此前提下，不同模式間形成的幹涉效應將消失。使得幹涉系統具有穩定性高、抗幹擾能力強等優點。利用該方法構件的系統在振動測試、應變測試、語音信號提取、聲納探測和衝擊波測試等諸多領域具有廣泛的應用前景。
文檔編號G01D5/26GK1558185SQ20041001604
公開日2004年12月29日 申請日期2004年2月3日 優先權日2004年2月3日
發明者賈波, 章驊, 吳東方, 洪廣偉, 賈 波 申請人:復旦大學