专利名称：构建光纤线反馈延迟的方法及其构造的全光纤白光干涉系统的制作方法
技术领域：
本发明属光纤技术领域，具体涉及一种构建光纤线反馈延迟的方法及其构造的全光纤白光干涉系统。
背景技术：
光纤延迟线的主要功能是实现光信号延时，已经广泛的应用在光纤传感、光纤通信、信号处理领域。有时系统的偏振态需要控制，比如各种干涉系统中而大量的延迟光纤引起偏振态却呈随机变化。利用光纤延迟线构造的全光纤干涉系统中，与传统干涉仪相比，不需要离散的透镜、棱镜等光学元件，而且由于体积小、质量轻、灵敏度高、抗电磁干扰等优点而得到广泛应用，但是由于全光纤干涉系统引入了大量的光纤延迟线，限制其应用的一重要因素是交叉感染的问题，比如，测量应变的同时受到温度，偏振态的影响，测量振动的同时，光纤受到弹性波弹光效应的影响等。大多情况下，人们都采用减少延迟线长度、和外部屏蔽措施来减小交叉感染效应，然而延时减小导致灵敏度下降，而且造成干涉系统安装复杂，质量变重。交叉干扰非常严重，采取的主要措施一般局限外面延迟线方向考虑，而很少从光路结构上进行本质的屏蔽。
发明内容
本发明的目的在于提出一种可克服光纤的偏振态变化干扰的构建光纤线反馈延迟的方法，并由此构造全光纤白光干涉系统，以消除光纤延迟线引入的交叉干扰。
本发明利用光反馈回路技术构造广泛应用在光纤传感、光纤通信和信号处理领域的光纤延迟线；利用此光纤延迟线和光纤耦合器、光源、探测器等构造全光纤干涉系统。
本发明提出的构建光纤线反馈延迟的方法，是在延迟光纤一端设置光反馈装置，形成光反馈闭合环路结构，该光使光波两次通过光纤延迟线。反馈装置可以采用在光纤端面镀膜形成的平面镜，也可以采用法拉第旋转反射镜，或者光纤反射镜。
本发明的原理如下光纤通过长度为L的光纤，产生的时延为t为t=neffLC---(1)]]>其中neff为光纤的有效折射率，而C为光在真空的光速。在光纤中，通常假定neff＝1.5，所以1Km光纤产生的时延为5μs。
如果采用光反馈装置，使得光波到达延迟线末端时折回，那么实际在光纤物理长度不变的情况下，取得了两倍的时延效果。此时延时τ为τ=2nneffLC---(2)]]>下面讨论光反馈装置对光波偏振态的变化作用。
于无损耗(主要指偏振相关损耗)的线性光学元件组成的光学系统，描述双折射的琼斯矩阵都可以写作如下形式J=JXX-JYX*JYXJXX*---(3)]]>其中上标*代表取共轭，而且|JXX|2+|JYX|2＝1当光波反馈装置采用法拉第旋转反射镜，将偏振面旋转90°，此时法拉第旋转发射镜的传输矩阵为MF=01-10---(4)]]>此时采用矩阵J表示琼斯矩阵，则反馈光路的传输矩阵为JF=JTMFJ=JXXJYX-JYX*JXX*01-10JXX-JYX*JYXJXX*01-10---(5)]]>可见此时双折射被完全抵消。
当使用光纤端面镀膜形成反射面或平面镜，假定完全反射(有损耗时只是变化过程乘一个系数)，对应的琼斯矩阵为MM=1001---(6)]]>当存在线双折射时，此反馈光路的传输矩阵JFL为JFL=JlTMMJl=e-Jδl00eJδl1001e-jδl00eJδl=e-j2δl00ej2δl---(7)]]>可见，此时线双折射没有被抵消，而是出现了倍增。
当存在圆双折射时
JFC=JcTMMJc=cosθ-sinθsinθcosθ1001cosθsinθ-sinθcosθ=1001---(8)]]>此时具有互易性圆双折射被完全抵消。
当采用光纤反射镜时，只是式(6)的对角元素一个变为负号。计算过程同上。
总结结论当采用镀膜等不改变偏振面的反射形式的光反馈装置或光纤反射镜连接在光纤相位调制器末端时，此时不仅光纤相位调制出现倍增效果，相位灵敏度可以提高一倍，而且能够有效的抵消圆双折射对光路的影响，虽然线双折射出现倍增，但一般情况下，对干涉影响很�。医峁辜虻ィ奖闶迪郑坏辈捎梅ɡ谛瓷渚底魑夥蠢∽爸檬保芄煌耆辔坏髦破髦腥魏位ヒ仔缘乃凵洌低晨垢扇拍芰η�。结构与前者相比稍显复杂。
利用光反馈回路延迟技术应用于全光纤干涉系统，实现双倍延迟，可以消除光纤延迟线引入的相位调制性质的干扰，避免信号的交叉感染。
由光反馈装置构建的全光纤干涉系统，由光源1，光电探测器2、3，光纤耦合器4、5、6，光反馈装置7，准直器8经光路连接组成，其中，光源1发出的光经过耦合器4分光后，端口10的光经过耦合器5分光到达准直器8，入射到被测靶面9，经过9反射后，被准直器8接收，光波重新经过耦合器5分光后，端口13的光到达耦合器6分光经过耦合器6再经过延时14，被光反馈装置7反射，重新耦合到耦合器6中，分光后到达端口11，形成顺时针方向的光，光的路线为光源1、耦合器4、端口10、端口12、耦合器5、准直器8、待测自由面9、准直器8、耦合器5、端口13、耦合器6、光纤延迟线14、光反馈装置7、耦合器6、端口11、耦合器4；端口11的光经过耦合器6分光，经过延时14，被反馈装置7反射，重新耦合到耦合器6分光，到达耦合器5的端口13，分光后经过准直器8，入射到被测靶面9，反射，被准直器8接收，光波重新经过耦合器5分光后，端口12的光到达耦合器4的端口10，形成逆时针方向的光，光的路线为光源1、耦合器4、端口11、耦合器6、光纤延迟线14、光反馈装置7、耦合器6、端口13、耦合器5、准直器8、待测自由面9、准直器8、耦合器5、端口12、端口10、耦合器4；两束光在耦合器4形成干涉，输出干涉信号。
反馈环路方法构建的全光纤白光干涉系统，采用光纤准直器与自由反射面构成相位调制系统，此处，也可以是任何本征型光纤相位调制器，比如，在弹性体上缠绕一匝或多匝光纤，利用光纤的弹光效应实现相位调制；也可以是光折射率可随外加电压信号变化的晶体，如铌酸锂晶体等。
反馈环路方法构建的全光纤自光干涉系统，其中所用光纤或光纤延迟线是单模光纤。
反馈环路方法构建的全光纤白光干涉系统，系统采用三只或四只光纤耦合器，利用了带光反馈转置的延迟线。
反馈环路方法构建的全光纤白光干涉系统，耦合器采用锥形耦合器。
反馈环路方法构建的全光纤白光干涉系统，其中所用的激光器工作波长是1.31μm或1.55μm的半导体激光二极管或半导体发光二极管激光器，或者超辐射发光二极管激光器，或者DFB激光器，或者波长850μm的短波长激光器。
反馈环路方法构建的全光纤白光干涉系统，耦合器与光纤的连接、光纤之间的连接方式是融接方式连接，光源和光纤的连接、探测器与光纤的连接采用跳线连接。
将光纤延迟线构造全光纤速度干涉仪时，如图1。构造的全光纤干涉系统中，假设光纤延迟线相位变化函数为n(t)，那么瞬时针，逆时针方向传播的光相位分别为Φcw＝s(t)+n(t)+βL (9)Φccw＝s(t+2τ)+n(t)+βL(10)实际相位差为Δφ＝Φccw-Φcw＝s(t+2τ)-s(t) (11)可见此过程中延迟线引入相位干扰被完全抵消。所以将上述延迟线反馈环路方法应用于全光纤干涉系统时，不仅可以解决随机干扰引起的偏振态变化问题，而且能够可以防止光纤延迟线引入的交叉感染。
图1是本发明结构示意图。粗线框为反馈环路延迟线结构。
图2为当采用图1所示干涉结构时(使用粗实线部分)，由正旋声波作用自由面时的输出干涉信号。
图3为未采取反馈装置时(使用图1虚线部分)，测得的输出干涉信号波形。
1是光源，2、3是光电探测器，4、5、6是光纤耦合器，7是光反馈装置，8是准直器，9待测自由面，10、11、是光纤耦合器4的两个端口，12、13是光纤耦合器5的端口。14是光纤延迟线。
具体实施例方式
在本实施例中，所用的激光器为电子集团总公司44研究所生产的SO3-B型超辐射发光管(SLD)型稳定光源(1)。光纤耦合器为武汉邮电研究院生产的单模光纤耦合器。光电探测器(2)(3)为44所生产的型号为GT322C500的InGaAs光电探测器。所用的光纤为美国生产的“康宁”G.652型单模光纤。延迟线采用端面镀铝膜形成光反馈回路，采用图1粗线框部分。光源与干涉系统、干涉系统与探测器的连接方式是FC/PC跳线连接。采用图1的方式融接，连接在一起，实现的干涉曲线如图3所示。
同时，如果相位调制器不加反馈装置，延时部分采用图1虚线框部分。在相同信号激励自由面的情况下，得到的干涉曲线为图3。
可见，采用反馈环路延迟线技术的白光干涉系统所得干涉曲线图2与未采用的白光干涉系统所得干涉曲线图3相比，前者获得了干涉条纹数比后者多一倍，表现为条纹更加密集，而且提高了信噪比。
权利要求
1.一利构建光纤线反馈延迟的方法，其特征是在光纤的末端设置光反馈装置，形成光反馈回路，使得光波两次通过光纤延迟线。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于所述的光反馈装置采用在光纤端面镀膜形成的平面镜，或者是法拉第旋转反射镜，或者光纤反射镜。
3.一种全光纤白光干涉系统，其特征是由光源(1)，光电探测器(2)、(3)，光纤耦合器(4)、(5)、(6)，光反馈装置(7)，准直器(8)经光路连接组成，其中，光源(1)发出的光经过耦合器(4)分光后，端口(10)的光经过耦合器(5)分光到达准直器(8)，入射到被测靶面(9)，经过(9)反射后，被准直器(8)接收，光波重新经过耦合器(5)分光后，端口(13)的光到达耦合器(6)分光经过耦合器(6)再经过延时(14)，被光反馈装置(7)反射，重新耦合到耦合器(6)中，分光后到达端口(11)，形成顺时针方向的光，光的路线为光源(1)、耦合器(4)、端口(10)、端口(12)、耦合器(5)、准直器(8)、待测自由面(9)、准直器(8)、耦合器(5)、端口(13)、耦合器(6)、光纤延迟线(14)、光反馈装置(7)、耦合器(6)、端口(11)、耦合器(4)；端口(11)的光经过耦合器(6)分光，经过延时(14)，被光反馈装置(7)反射，重新耦合到耦合器(6)分光，到达耦合器(5)的端口(13)，分光后经过准直器(8)，入射到被测靶面(9)，反射，被准直器(8)接收，光波重新经过耦合器(5)分光后，端口(12)的光到达耦合器(4)的端口(10)，形成逆时针方向的光，光的路线为光源(1)、耦合器(4)、端口(11)、耦合器(6)、光纤延迟线(14)、光反馈装置(7)、耦合器(6)、端口(13)、耦合器(5)、准直器(8)、待测自由面(9)、准直器(8)、耦合器(5)、端口(12)、端口(10)、耦合器(4)；两束光在耦合器(4)形成干涉，输出干涉信号。
4.根据权利要求3所述的全光纤白光干涉系统，其特征是耦合器采用锥形耦合器。
5.根据权利要求3所述的全光纤白光干涉系统，其特征是所用的激光器工作波长是1.31μm或1.55μm的半导体激光二极管或半导体发光二极管激光器，或者超辐射发光二极管激光器，或者波长850μm的短波长激光器。
6.根据权利要求3所述的全光纤白光干涉系统，其特征是所用光纤或光纤延迟线是单模光纤。
7.根据权利要求3所述的全光纤白光干涉系统，其特征是耦合器与光纤的连接、光纤之间的连接方式是融接方式连接，光源和光纤的连接、探测器与光纤的连接采用跳线连接。
全文摘要
本发明属光纤技术领域，具体涉及一种构建光纤线反馈环路延迟线的方法及其构造的全光纤白光干涉系统。现有延迟线和干涉系统存在偏振态控制和信号的交叉干扰问题。本发明采用反馈装置构造反馈环延时的方法，使得光纤延迟线的偏振态变化得到补偿，同时构造的白光系统中能够避免信号的交叉感染。此延迟方法和白光干涉系统广泛的应用于光纤传感、光纤通信和信号处理领域。本发明不仅可以用于恶劣复杂环境中，速度、压力、声波、地震波等信号的传感，而且可以实现全光通信网中光开关、滤波器等功能，同时可以作为延迟器件广泛用于信号处理领域。
文档编号G01B9/02GK1648700SQ20041009348
公开日2005年8月3日 申请日期2005年4月5日 优先权日2005年4月5日
发明者洪广伟, 贾波 申请人:复旦大学
专业数控铣床产品供应商
20年生产经验，实力工厂，精工品质，质量有保障
