一種光纖幹涉儀π/2相位偏置的實現方法
2023-05-23 22:10:21
專利名稱：一種光纖幹涉儀π/2相位偏置的實現方法
技術領域：
本發明屬於光纖傳感和測量技術領域，具體涉及一種光纖幹涉儀π/2相位偏置的實現方法。
背景技術：
光纖傳感器是以光纖作為功能材料的傳感器，它是雷射技術和光纖通信技術發展的產物。近年來，由於半導體雷射器和低損耗光纖的出現，使光纖傳感技術得到迅猛發展。
光傳感器的基本原理包含多種調製技術，其中有強度調製、頻率調製、波長調製、偏振調製和相位調製，其中相位調製，即幹涉型的光傳感器，因其具有極高的靈敏度和很高精度，在光傳感領域中佔有重要的地位。
傳統的光幹涉結構是以自由空間做光路，幹涉儀體積大，易受空氣、環境、溫度、聲波即振動的影響，穩定性差，調整困難，測量準確度低，因而使用受到限制。
幹涉型光纖系統以光纖做光路，減少了幹涉儀的長臂安裝和校準等困難，容易實現小型化，並且由於光纖器件和光纖的獨特性，易於使用更加多樣的、靈活的方法增加幹涉光路對測量參數的響應靈敏度。
光纖幹涉系統中，輸出信號是幹涉光路間相位差Δφ的函數，是一個隆起的餘弦函數P(Δφ)＝A1+B1cosΔφ(A1、B1為常數)，其中Δφ＝Δφs+φ0，Δφs是由測量對象產生的相位差，φ0是由系統結構產生的相位偏置。若系統相位偏置為0，即φ0＝0，Δφs＝0時，P(Δφ)取最大值，此時系統響應斜率為0，處在最不靈敏的工作點。為了獲得高靈敏度，必須需給系統提供一個不為零的偏置相位。當相位偏置量為π/2時，系統可得輸出P(Δφs)＝A2+B2sinΔφs(A2、B2為常數)，此時，系統具有最大線性工作範圍。
在類似圖1所示的幹涉結構中，相干涉的光路徑相同、傳輸方向相反，即，從光分路器5的埠2輸出的光傳輸至埠3的光與從埠3輸出回到埠2的光，在分路器5相遇後，發生幹涉。系統工作在零相位點上。圖中11為幹涉單元，它的常用結構類似11a、11b，其中，12是光纖環路，13是分路器，15是反饋裝置。
為了給系統施加不為零的相位偏置，在光路中引入相位調製器6，從電極8給給相位調製器6施加一定特性的電信號，直接或間接得到所需的相位偏置。或者，如圖2所示，使用均分的3×3光分路器16，獲得相位偏移。前一種方法必須施加電信號，增加了系統的複雜性。後一種方案，由於3×3分路器16自身帶來的相位差，在幹涉信號輸出端18、19雖然可獲得非零的偏置相位，但是，偏置相位僅為
系統並未工作在
處，無法獲得最大線性工作範圍。雖然該結構，可以通過埠18、19這兩端輸出信號相減獲得等效
的相位偏置，但是需要兩路輸出光插損一致性很好，而且還需要電路的處理，增加了系統實現的難度。
發明內容
本發明的目的在於提出一種結構簡單，實現方便的光纖幹涉儀π/2相位偏置的實現方法。
本發明提出的光纖幹涉儀π/2相位偏置的實現方法，是通過3×3光纖分路器的分光比的合理選擇以及光路結構，用純光路的方法實現π/2(正或負)的相位偏置，從而獲得最大的線性量程。本發明方法的具體步驟如下 在光纖幹涉系統中，採用特殊分光比的3×3分路器23，該分路器的分光比為20％∶40％∶40％，即輸出埠的光強佔總輸出光的比例分別為20％、40％、40％。設24#、25#、26#、27#、28#、29#分別是該分路器的輸入輸出埠。則具體輸入輸出關係如下表所示
當分別以埠24、25、26為光輸入，相應的輸出分光比例為20％的埠分別是埠27、28、29，反之亦然。
系統的連接方式如圖3所示，光輸入埠為埠24，埠27與光幹涉單元11的一個埠9相連，埠29與光幹涉單元11的另一個埠10相連。該連接方式的特點是，構成幹涉路徑的3×3分路器的兩個埠，其中一個為，當以幹涉光路的光輸入端為3×3分路器輸入時，分光比例為「20％」的埠，另一個埠為任一分光比例為「40％」的埠；直接獲得π/2相位偏置的幹涉光信號輸出埠為，當以幹涉光路中所採用前面所述的「40％」的埠為3×3分路器輸入時，分光比例為「20％」的埠。設輸入光波振幅為a(0)，則從三個埠27、28、29輸出的光振幅為 相應的光強I27(z)、I28(z)、I29(z)為 其中k為分路器的耦合係數，z為耦合長度。設幹涉路徑7引入的幹涉相位差為
從埠26輸出的光強
可以表示為
當分光比為20％∶40％∶40％時，(符號於耦合長度z有關)，可得光強隨
變化的部分為，
即從埠26輸出的光相位偏置為π/2，系統可獲得最大工作線性範圍。
值得指出的是，使用這種方法在幹涉系統的實現過程中需注意分路器的連接方式。如果連接方式如圖4，光源從埠25輸入，埠27與光幹涉單元11的埠9相連，埠29與光幹涉單元11的埠10相連。這種連接方式的特徵是，構成幹涉路徑的3×3分路器的兩個埠為，當以幹涉光路的光輸入端為3×3分路器輸入時，分光比例為40％的兩埠。從連接光輸入之外的兩個3×3分路器輸出埠輸出的光幹涉信號之間的相位偏置差為π/2。此時，埠24、26輸出的光強
分別為
易見，不論kz取何值，都不能可到π/2的相位偏置。當分路器分光比為20％∶40％∶40％的分路器時，光強隨
變化的部分分別為
此時，這兩個輸出端的相位差為π/2。
本發明的突出特點是，系統使用光無源器件實現了幹涉系統的π/2相位偏置，使幹涉系統獲得最大線性工作範圍。由於系統避免了在光路上引入電光器件，保證了幹涉系統完全無源的特性，結構簡單，易於實現。同時，由於π/2相位偏置信號直接可從光輸出端獲得，系統可以不必在特殊電路系統的配合下，即可直接用傳統的測試儀器、設備進行測量。
本發明中使用的是特殊分光比的3×3分路器，分光比為20％∶40％∶40％，該分路器可以是用光纖通過一定的工藝，如熔融拉錐，製作的，也可以是由其它波導結構獲得的。
本發明不僅適用於類似圖1所示的幹涉光路徑相同、傳輸方向相反的幹涉系統，諸如Sagnac環、單芯反饋式等幹涉結構，也可為M-Z光纖幹涉結構提供相位偏置，當兩臂平衡時，在特定的輸出埠直接獲得相位偏置為π/2的光幹涉輸出。連接方式如圖5所示，系統設置2個分路器23、38，38是與分路器23分光特性相同的分路器，即，分光比為20％∶40％∶40％的分路器，設30、31、32、33、34、35分別是其光埠。當分別以埠33、34、35為光輸入，相應的輸出分光比例為20％的埠分別是30、31、32；分別以埠30、31、32為光輸入，相應的輸出分光比例為20％的埠分別是33、34、35。取幹涉系統的光輸入為埠24，則其中的一條幹涉臂是由該埠相應的分光比例20％的埠27構成，埠27與另一3×3分路器38的埠33相連，埠25與埠29相連，則當兩幹涉臂36、37平衡時，從埠30(埠33相對應的分光比例為20％的埠)輸出的幹涉光信號相位偏置為π/2。
圖1是用電信號通過相位調製器來實現π/2相位偏置的光纖幹涉系統。
圖2是用均分的3×3光分路器獲得非零的相位偏置。
圖3是用特殊分光比20％∶40％∶40％的分路器實現π/2相位偏置的方法。
圖4是用3×3分路器連成幹涉結構的另一種方法。這種方式中，從某一個光輸出埠不能直接獲得π/2相位偏置，但存在光幹涉信號相位差為π/2的兩個輸出埠。
圖5是M-Z幹涉結構獲得π/2相位偏置的連接方式。在這種結構中，兩幹涉臂36、37平衡時，埠30輸出的光信號相位偏置為π/2。
圖6是3×3光纖耦合器橫截面結構示意圖。
圖7是實施例中採用的光路連接圖，其中，44是相位調製器，串接在光路中，以檢測相位偏置。
圖8是實施例中光電探測裝置輸出的波形。此時，通過相位調製器給系統施加正弦擾動A1為波峰42到最小值的幅度，A2為波谷43到最大值的幅度。
圖中標號5是2×2分路器，1、2、3、4是2×2分路器5的光輸入輸出埠。6是相位調製器，8是給相位調製器施加電信號的電極，7是幹涉路徑，11是幹涉單元，它的常用結構類似11a、11b，其中，12是光纖環路，13是分路器，14是光纖，15是反饋裝置，可以是反射鏡或法拉第反射鏡等等。9、10是幹涉單元11的連接埠。16是均分的3×3光分路器，17、18、19、20、21、22分別是分路器16的光輸入輸出埠。23是分光比為20％∶40％∶40％的分路器，24、25、26、27、28、29分別是分路器23的輸入輸出埠。38是分光比為20％∶40％∶40％的分路器，30、31、32、33、34、35分別是分路器38的輸入輸出埠。39、40、41分別是3根光纖經熔融拉錐後的橫截面，這三根光纖的橫截面形成三角形結構。42為波峰，43波谷，44是相位調製器。
具體實施例方式 用本發明方法構造一相位偏置為π/2的Sagnac幹涉儀，結構如圖7所示。分路器23的埠24連接光源，光源為電子集團總公司44研究所生產的SO3-B型超輻射發光管(SLD)型穩定光源。3×3分路器23是上海康闊製造的熔融拉錐型單模光纖光纖耦合器，分光比為20％∶40％∶40％。耦合器的橫截面如圖6所示，三根光纖經熔融拉錐後形成三角形結構，39、40、41分別是它們橫截面。光纖環12是由光纖繞制而成，光纖為美國「康寧」生產的G652型單模光纖。光電探測裝置連接在耦合器的埠26，是44所生產、型號為GT322C500的InGaAs光電探測器，44是串聯在光路中的相位調製器，用來檢測系統的相位偏置。當通過相位調製器44給光路施加正弦信號，當正弦信號的幅度達到一定的幅值時，測量經光電轉換後輸出的電信號，觀察到如圖8所示的波形，當波峰42與波谷43幾乎位於同一水平位置時，幅度A1與A2的比值近似1，可以認為該系統的相位偏置為π/2。
權利要求
1.一種光纖幹涉儀π/2相位偏置的實現方法，其特徵在於採用不均分的3×3分路器(23)，以產生相位偏置，該分路器(23)輸出埠的光強佔總輸出光的比例分別為20％、40％、40％，設該分路器的輸出埠依次為24#、25#、26#、27#、28#、29#，則各埠輸入輸出關係如下表所示
2.根據權利要求1所述的實現方法，其特徵在於在相干涉的光路徑相同，傳輸方向相反的幹涉光路結構中，所述的3×3分路器採用如下連接方式
光輸入埠為埠24，埠27與光幹涉單元11的一個埠9相連，埠29與光幹涉單元11的另一個埠10相連；構成幹涉路徑的3×3分路器的兩個埠，其中一個為分光比例為「20％」的埠，當以幹涉光路的光輸入端為3×3分路器輸入時，另一個埠為任一分光比例為「40％」的埠；直接獲得π/2相位偏置的幹涉光信號輸出埠為分光比例為「20％」的埠，當以幹涉光路中所採用所述的「40％」的埠為3×3分路器輸入時。
3.根據權利要求1所述的實現方法，其特徵在於在相干涉的光路徑相同，傳輸方向相反的幹涉光路結構中，所述的3×3分路器採用如下連接方式
光源從埠25輸入，埠27與光幹涉單元11的埠9相連，埠29與光幹涉單元11的埠10相連；構成幹涉路徑的3×3分路器的兩個埠為分光比例為40％的兩埠，當以幹涉光路的光輸入端為3×3分路器輸入時；從連接光輸入之外的兩個3×3分路器輸出埠輸出的光幹涉信號之間的相位偏置差為π/2。
4.根據權利要求1所述的實現方法，其特徵在於在M-Z型幹涉光路結構中，再採用一個與所述分路器(23)分光特徵性相同的另一分路器(38)，設30、31、32、33、34、35分別是其光埠；當分別以埠33、34、35為光輸入，相應的輸出分光比例為20％的埠分別是30、31、32；分別以埠30、31、32為光輸入，相應的輸出分光比例為20％的埠分別是33、34、35；取幹涉系統的光輸入為埠24，則其中的一條幹涉臂是由該埠相應的分光比例20％的埠27構成，埠27與另一3×3分路器38的埠33相連，埠25與埠29相連，則當兩幹涉臂36、37平衡時，從埠30輸出的幹涉光信號相位偏置為π/2。
全文摘要
本發明屬於光纖傳感和測量技術領域，具體為一種光纖幹涉儀π/2相位偏置的實現方法。本發明是通過在幹涉光路結構中設置一個特殊的3×3光纖分路器，產生相位偏置，該分路器的輸出埠的光強佔總輸出光的百分比分別是20％、40％、40％，通過適當的光路連接即可獲得π/2的相位偏置。本發明用純光路的方法實現π/2(正或負)的相位偏置，獲得高的測量靈敏度和線性段量程。本發明不僅適用於幹涉光路徑相同、傳輸方向相反的幹涉系統，諸如Sagnac環、單芯反饋式等幹涉結構，也可為M-Z光纖幹涉結構提供相位偏置。
文檔編號G01D5/26GK101608930SQ20091005455
公開日2009年12月23日 申請日期2009年7月9日 優先權日2009年7月9日
發明者波 賈, 倩 肖 申請人:復旦大學