专利名称：一种全光纤干涉系统的制作方法
技术领域：
本发明是双程利用光纤延迟线建立的全光纤干涉系统及其干涉方法。
背景技术：
光的干涉已广泛应用于测试和通信领域，传统的光干涉方法依赖于激光的相干长度和复杂的光路构造(往往采用棱镜、透镜和分束器)和调试，其结构主要有麦克尔逊、马赫增德尔和法布里-珀罗、Sagnac干涉环。其中Sagnac干涉环结构能够采用宽光谱光源工作(即白光干涉原理)，特点是结构简单，对外界温度变化不敏感，在光纤通信和光纤传感领域被采用。目前的白光干涉系统，多数利用Sagnac干涉环结构。但是，Sagnac干涉环结构存在明显缺陷，主要表现在光纤系统的传感区域与光纤延迟线区域不能隔离，传感区域测试的物理量受到光纤延迟线区域感知的物理量的影响，并且系统利用光纤单程实现时间延迟，使得系统的灵敏度不够高，因此在实际应用中受到很大局限。
发明内容
本发明的目的是提出一种结构简单、灵敏度高的全光纤干涉系统。
本发明提出的全光纤干涉系统，由光源、两个光纤耦合器、传感光纤、光纤延迟线、传输光纤和电光探测器经光路连接组成，其结构如图1所示。光路连接具体如下光源1之后是一个光纤耦合器2，光纤耦合器2分别连接传感光纤3和传输光纤7，传感光纤3和传输光纤7再分别与另一个光纤耦合器4连接，光纤耦合器4再与光纤延迟线5连接，然后与光纤反射镜6连接；光纤耦合器2的两个输出与光电探测器8、9连接；光源1发出的光通过光纤耦合器2后形成两组干涉光束一路光通过传感光纤3、光纤耦合器4和光纤延迟线5，被光纤反光镜6反射后，再次通过光纤延迟线5和光纤耦合器4，然后经过传感光纤7到达光纤耦合器2；一种光通过传输光纤7、光纤耦合器4和光纤延迟线5，被光纤反射镜6反射后，再次通过光纤延迟线5和光纤耦合器4，然后经过传感光纤3到达光纤耦合器2；这两路相干光束分别被光电探测器8和9接收。
本发明中，由光源1发出的光被光纤耦合器分束后，形成2路相干光束，一路光先通过传感光纤7然后两次通过光纤延迟线5，从另外一传输光纤回到光纤耦合器，一路光先通过传输光纤后两次通过光纤延迟线5，从传感光纤回到光纤耦合器。这两路光线形成顺时针和逆时针传输的两路光，在光纤延迟线存在的情况下，两光束通过扰动源的时间不同，对应的扰动信号也不相同，延迟时间可表示为τ=2neffLC---(1)]]>C是真空中的光速，L是延迟光纤长度，neff是光纤的等效折射率。
扰动源对应两束光形成的光程(折射率ns与几何长度Ls的乘积)，可表示A(t)和A(t-τ)，A(t)＝ns(t)Ls(t) (2)A(t-τ)＝ns(t-τ)Ls(t-τ) (3)由于去掉扰动源的影响，两光束通过的传输光程完全相等，所以，两光束形成的光程差ΔL可表示为ΔL＝A(t)-A(t-τ) (4)对于光纤振动测试系统，扰动源对应于振动位移，即A(t)～S(t)，光通过扰动源的折射率不随时间变化，所以式(4)可表示为ΔL＝ns[S(t)-S(t-τ)] (5)利用中值定理，上式可改写为ΔL＝nsS′(t-τ/2)τ(6)上式对应于干涉光的相位(t)为 λ为干涉光波长。
在光通信领域调制系统中，扰动源对应于晶体折射率n(t)，即A(t)～n(t)，光通过扰动源时，传输光的几何距离保持不变，所以式(4)可表示为ΔL＝Ls[n(t)-n(t-τ)](8)调制信号m(t)与折射率n(t)的关系可表示为n(t)＝f[m(t)](9)
利用中值定理，(8)上式可改写为ΔL＝Lsf′[m(t)]τ (10)上式对应于干涉光的相位(t)为 运用3×3光纤耦合器的干涉特性，在探测信号输出端，干涉信号可分别表示为I1(t)＝I0cos[(t)+0] (12)I2(t)＝I0cos[(t)-0] (13)I3(t)＝I0cosφ(t) (14)在分光比为1的3×3光纤耦合器中，0＝120度；如果耦合器的分光比不为1，初始相位0≠120度。(12)(13)式中的干涉信号最大幅度不在相等。上面两式中，I0入射光的强度，0为干涉信号的初始相位，在振动测试系统和语音信号传输系统中，(t)为(7)式所示；在光纤通信领域的光调制和光开关应用中，(t)为(11)式所示。由于初始相位不一样，两干涉信号将出现一路光强度为0，而另一路光强度不为0的情况，即全光纤干涉系统显现出对光的开关功能。
根据(7)和(11)式，可以看出，干涉相位大小与光纤时间τ成正比，即与光纤延迟线长度成正比。根据这个特点，对于小的扰动信号，可以增加光纤延迟线长度来达到增加调制幅度的效果；对于大的调制信号，可以采用减小光纤延迟线长度的方法，降低对信号采集系统频率带宽的要求。可根据具体情况调整调制相位弧度，是本发明的一个显著特点。
本发明的全光纤干涉系统，光纤耦合器与光纤的连接、光纤之间的连接方式是融接方式，光源与干涉系统的连接方式采用FC/PC跳线连接方式，干涉系统与探测器的连接方式也是FC/PC跳线连接方式。
本发明的传感光纤3所在位置感应的扰动源可以是使传感光纤的光程随时间发生改变的装置，因此，可以是振动装置，例如喇叭、声波、振动平台、桥梁机械等产生的振动等；或者光通过时，光纤折射率可随外加电压信号变化的晶体，如铌酸锂晶体等本发明系统的光纤耦合器可以是锥型光纤耦合器。
本发明的光纤耦合器的光功率是均分的，即3×3光纤耦合器光功率分光比是1∶1∶1，1×2光纤耦合器光功率分光比是1∶1。
单模光纤、多模光纤均适用于本发明系统。
稳定光源可以是下述中的任一种工作波长是0.63μm，0.85μm，1.31μm或1.55μm的半导体激光二极管(LD)；半导体发光二极管(LED)激光器；超辐射发光二极管(SLD)激光器等。
本发明的突出优点是改变了以往Sagnac干涉环无法将光纤延迟线与感应光纤分离，从而克服系统测试受到外界环境干扰严重的缺点；同时双倍利用了光纤延迟线，降低了系统的成本，同时提高了系统的灵敏度，对小信号的测试特别有益。同时，系统兼容了白光干涉系统的优点，即克服了光干涉必须依赖于激光(窄光谱)光源的缺陷，不仅能应用于激光的干涉，还能应用于宽光谱光源的干涉。同时，该干涉方法还能实现对电信号的激光外调制，也能实现对光强度的可调整分布和光开关功能，将被应用于光信号的外调制和全光路由交换网络；系统对扰动源的测试灵敏度，可方便的调整，能够适用于强扰动源的测试，也能适用于弱扰动源的测试；系统不受扰动源频率的限制，频率仅与光电探测器的响应有关，光路系统不存在频率响应问题。本发明能够得到两路具有固定相位差的干涉信号，将提高系统的灵敏度和精度。本发明的干涉系统，结构简单，调试方便，灵敏度和精度高。它不仅可用于光纤传感领域，还可应用于光纤通讯领域。
图1是本发明系统结构示意图。其中，光纤耦合器2采用3×3光纤耦合器。
图2是本发明系统的结构示意图之二。其中，光纤耦合器2采用2×2光纤耦合器。
图3是利用本发明实现的全光纤干涉系统在音频信号测试中的干涉信号波形。中基，上面的曲线对应公式(12)，下面的曲线对应公式(13)。
图中标号1为光源，2为光纤耦合器，3为传感光纤，4为光纤耦合器，5为光纤延迟线，6为光纤反射镜，7为传输光纤，8为光电探测器，9为光电探测器。
具体实施例方式
实施例在本实施例中，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2、4为单模光纤耦合器。其中光纤耦合器2为3×3型的，光纤耦合器4采用1×2型的。光电探测器8、9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”G652型单模光纤。测试对象是普通半导体收音机播放的音乐。系统结构如图1所示，用融接方式连接耦合器、光纤、光纤延迟线。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。
稳定光源发出的光经过跳线FC/PC连接，进入3×3光纤耦合器2，被分光后，一路光先通过传感光纤3，通过1×2光纤耦合器4和光纤光纤延迟线3，被反射镜面6反射后，再次通过光纤延迟线5和光纤耦合器4，从传输光纤7回到光纤耦合器2的另一端；另外一路光经过传输光纤7，通过1×2光纤耦合器4和光纤光纤延迟线3，被反射镜面6反射后，再次通过光纤延迟线5和光纤耦合器4，从传感光纤3回到光纤耦合器2的一端。两路光通过光纤耦合器2干涉后产生的干涉信号被光电探测系统8、9检测。通过反演干涉信号，由公式12、13最终获得传感光纤3捕获的测试对象物理特性。用该系统测试结果见图3所示，该干涉曲线由公式(12)、(13)描述，表示对音频信号的测试结果。
另一个实施例的系统结构如图2所示。其中，光纤耦合器2采用2×2型的，光纤耦合器4采用1×2型的。其余同实施例1。在图2所示的结构中，稳定的光源1发出的光经过2×2光纤耦合器2，被分光后，一路光先通过传感光纤3，通过1×2光纤耦合器4和光纤光纤延迟线3，被反射镜面6反射后，再次通过光纤延迟线5和光纤耦合器4，从传输光纤7回到光纤耦合器2的另一端；另外一路光经过传输光纤7，通过1×2光纤耦合器4和光纤光纤延迟线3，被反射镜面6反射后，再次通过光纤延迟线5和光纤耦合器4，从传感光纤3回到光纤耦合器2的一端。两路光通过光纤耦合器2干涉后产生的干涉信号被光电探测系统8检测。通过反演干涉信号，由公式14最终获得传感光纤3捕获的测试对象物理特性。
权利要求
1.一种全光纤干涉系统，其特征是由光源、两个光纤耦合器、传感光纤、光纤延迟线、传输光纤和电光探测器经光路连接组成，光路连接具体如下光源(1)之后是一个光纤耦合器(2)，光纤耦合器(2)分别连接传感光纤(3)和传输光纤(7)，传感光纤(3)和传输光纤(7)再分别与另一个光纤耦合器(4)连接，光纤耦合器(4)再与光纤延迟线(5)连接，然后与光纤反射镜(6)连接；光纤耦合器(2)的两个输出与光电探测器(8)、(9)连接；光源(1)发出的光通过光纤耦合器(2)后形成两组干涉光束一路光通过传感光纤(3)、光纤耦合器(4)和光纤延迟线(5)，被光纤反光镜(6)反射后，再次通过光纤延迟线(5)和光纤耦合器(4)，然后经过传输光纤(7)到达光纤耦合器(2)；一路光通过传输光纤(7)、光纤耦合器(4)和光纤延迟线(5)，被光纤反射镜(6)反射后，再次通过光纤延迟线(5)和光纤耦合器(4)，然后经过传感光纤(3)到达光纤耦合器(2)；这两路相干光束分别被光电探测器(8)和(9)接收。
2.根据权利要求1所述的全光纤干涉系统，其特征是光纤耦合器与光纤的连接、光纤之间的连接方式采用融接方式，光源和光纤的连接、探测器与光纤的连接采用跳线方式。
3.根据权利要求1所述的全光纤干涉系统，其特征在于所述传感光纤(3)感应的扰动源测试对象是振动装置，或者是光纤折射率可随外加电压信号变化的晶体，或者是冲击波探测装置。
4.根据权利要求1所述的全光纤干涉系统，其特征在于所述光纤耦合器是锥型光纤耦合器，耦合器是单模，或者是多模。
5.根据权利要求4所述的全光纤干涉系统，其特征在于所述光纤耦合器的光功率是均分的。
6.根据权利要求1所述的全光纤干涉系统，其特征在于所述光纤或光纤延迟线是单模光纤，或者是多模光纤。
7.根据权利要求1所述的全光纤干涉系统，其特征在于光纤耦合器(2)为3×3或者2×2光纤耦合器。
8.根据权利要求1所述的全光纤干涉系统，其特征在于所述的光源(1)为工作波长是0.63μm、0.85μm、1.31μm或1.55μm的半导体激光二极管，或者是半导体发光二极管激光器，或者是超辐射发光二极管激光器。
9.一种根据权利要求1所述全光纤干涉系统的全光纤干涉方法，其特征在于由光源(1)发出的光被光纤耦合器分束后，形成2路相干光束，一路光先通过感应光纤然后两次通过光纤延迟线(5)，从另外一传输光纤回到光纤耦合器，一路光先通过传输光纤后两次通过光纤延迟线(5)，从传感光纤回到光纤耦合器，这两路光线形成顺时针和逆时针传输的两路光，这两组相干光束在耦合器(2)中形成携带有扰动源物理特征的光信号，被信号探测器接收，通过反演干涉信号，由公式(12)、(13)、(14)获得传感光纤(3)测试的物理量I1(t)＝I0cos[(t)+0] (12)I2(t)＝I0cos[(t)-0] (13)I3(t)＝I0cosφ(t) (14)其中，I0入射光的强度，0为干涉信号的初始相位；当在扰动测试系统语音信号传输系统中时，φ(t)为 当在光纤通信领域的光调制或光开关中时，φ(t)为 其中，ns为干涉光折射率，Ls为干涉光程长度，λ为干涉光波长，τ为两束光通过扰动源时的延迟时间，S(t)为光纤扰动位移，m(t)为调制信号，f[m(t)]＝n(t)为调制信号m(t)与晶体折射率n(t)的关系函数。
全文摘要
本发明是一种新结构的全光纤干涉系统及其干涉方法。系统由光源、2个光纤耦合器、传感光纤、传输光纤、光纤延迟线、反射镜等经光路连接组成。光源发出的光经光纤耦合器分光后形成顺时针和逆时针传输的两路光，两路光经干涉后的信号被探测器检测，经过反演干涉信号，获得测试对象的物理特性。本发明不仅能应用于单模光纤，也能适用于多模光纤。根据本发明方法获得的干涉系统能够实现对振动特性的测试、外加电信号的调制和实现光开关功能。可广泛应用于振动测试和通信领域，也能应用于声纳探测和语音信号的传输领域。本发明系统结构简单，调试方便，灵敏度和精度均获得满意效果。
文档编号G01B9/02GK1588144SQ20041005402
公开日2005年3月2日 申请日期2004年8月26日 优先权日2004年8月26日
发明者贾波, 章骅, 唐璜, 洪广伟, 吴东方 申请人:复旦大学
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