專利名稱：一種全光纖干涉系統(tǒng)的制作方法
技術領域：
本發(fā)明是雙程利用光纖延遲線建立的全光纖干涉系統(tǒng)及其干涉方法。
背景技術：
光的干涉已廣泛應用于測試和通信領域，傳統(tǒng)的光干涉方法依賴于激光的相干長度和復雜的光路構造(往往采用棱鏡、透鏡和分束器)和調試，其結構主要有麥克爾遜、馬赫增德爾和法布里-珀羅、Sagnac干涉環(huán)。其中Sagnac干涉環(huán)結構能夠采用寬光譜光源工作(即白光干涉原理)，特點是結構簡單，對外界溫度變化不敏感，在光纖通信和光纖傳感領域被采用。目前的白光干涉系統(tǒng)，多數(shù)利用Sagnac干涉環(huán)結構。但是，Sagnac干涉環(huán)結構存在明顯缺陷，主要表現(xiàn)在光纖系統(tǒng)的傳感區(qū)域與光纖延遲線區(qū)域不能隔離，傳感區(qū)域測試的物理量受到光纖延遲線區(qū)域感知的物理量的影響，并且系統(tǒng)利用光纖單程實現(xiàn)時間延遲，使得系統(tǒng)的靈敏度不夠高，因此在實際應用中受到很大局限。

發(fā)明內容
本發(fā)明的目的是提出一種結構簡單、靈敏度高的全光纖干涉系統(tǒng)。
本發(fā)明提出的全光纖干涉系統(tǒng)，由光源、兩個光纖耦合器、傳感光纖、光纖延遲線、傳輸光纖和電光探測器經光路連接組成，其結構如圖1所示。光路連接具體如下光源1之后是一個光纖耦合器2，光纖耦合器2分別連接傳感光纖3和傳輸光纖7，傳感光纖3和傳輸光纖7再分別與另一個光纖耦合器4連接，光纖耦合器4再與光纖延遲線5連接，然后與光纖反射鏡6連接；光纖耦合器2的兩個輸出與光電探測器8、9連接；光源1發(fā)出的光通過光纖耦合器2后形成兩組干涉光束一路光通過傳感光纖3、光纖耦合器4和光纖延遲線5，被光纖反光鏡6反射后，再次通過光纖延遲線5和光纖耦合器4，然后經過傳感光纖7到達光纖耦合器2；一種光通過傳輸光纖7、光纖耦合器4和光纖延遲線5，被光纖反射鏡6反射后，再次通過光纖延遲線5和光纖耦合器4，然后經過傳感光纖3到達光纖耦合器2；這兩路相干光束分別被光電探測器8和9接收。
本發(fā)明中，由光源1發(fā)出的光被光纖耦合器分束后，形成2路相干光束，一路光先通過傳感光纖7然后兩次通過光纖延遲線5，從另外一傳輸光纖回到光纖耦合器，一路光先通過傳輸光纖后兩次通過光纖延遲線5，從傳感光纖回到光纖耦合器。這兩路光線形成順時針和逆時針傳輸?shù)膬陕饭猓诠饫w延遲線存在的情況下，兩光束通過擾動源的時間不同，對應的擾動信號也不相同，延遲時間可表示為τ=2neffLC---(1)]]>C是真空中的光速，L是延遲光纖長度，neff是光纖的等效折射率。
擾動源對應兩束光形成的光程(折射率ns與幾何長度Ls的乘積)，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)由于去掉擾動源的影響，兩光束通過的傳輸光程完全相等，所以，兩光束形成的光程差ΔL可表示為ΔL＝A(t)-A(t-τ) (4)對于光纖振動測試系統(tǒng)，擾動源對應于振動位移，即A(t)～S(t)，光通過擾動源的折射率不隨時間變化，所以式(4)可表示為ΔL＝ns[S(t)-S(t-τ)] (5)利用中值定理，上式可改寫為ΔL＝nsS′(t-τ/2)τ(6)上式對應于干涉光的相位(t)為 λ為干涉光波長。
在光通信領域調制系統(tǒng)中，擾動源對應于晶體折射率n(t)，即A(t)～n(t)，光通過擾動源時，傳輸光的幾何距離保持不變，所以式(4)可表示為ΔL＝Ls[n(t)-n(t-τ)](8)調制信號m(t)與折射率n(t)的關系可表示為n(t)＝f[m(t)](9)
利用中值定理，(8)上式可改寫為ΔL＝Lsf′[m(t)]τ (10)上式對應于干涉光的相位(t)為 運用3×3光纖耦合器的干涉特性，在探測信號輸出端，干涉信號可分別表示為I1(t)＝I0cos[(t)+0] (12)I2(t)＝I0cos[(t)-0] (13)I3(t)＝I0cosφ(t) (14)在分光比為1的3×3光纖耦合器中，0＝120度；如果耦合器的分光比不為1，初始相位0≠120度。(12)(13)式中的干涉信號最大幅度不在相等。上面兩式中，I0入射光的強度，0為干涉信號的初始相位，在振動測試系統(tǒng)和語音信號傳輸系統(tǒng)中，(t)為(7)式所示；在光纖通信領域的光調制和光開關應用中，(t)為(11)式所示。由于初始相位不一樣，兩干涉信號將出現(xiàn)一路光強度為0，而另一路光強度不為0的情況，即全光纖干涉系統(tǒng)顯現(xiàn)出對光的開關功能。
根據(jù)(7)和(11)式，可以看出，干涉相位大小與光纖時間τ成正比，即與光纖延遲線長度成正比。根據(jù)這個特點，對于小的擾動信號，可以增加光纖延遲線長度來達到增加調制幅度的效果；對于大的調制信號，可以采用減小光纖延遲線長度的方法，降低對信號采集系統(tǒng)頻率帶寬的要求。可根據(jù)具體情況調整調制相位弧度，是本發(fā)明的一個顯著特點。
本發(fā)明的全光纖干涉系統(tǒng)，光纖耦合器與光纖的連接、光纖之間的連接方式是融接方式，光源與干涉系統(tǒng)的連接方式采用FC/PC跳線連接方式，干涉系統(tǒng)與探測器的連接方式也是FC/PC跳線連接方式。
本發(fā)明的傳感光纖3所在位置感應的擾動源可以是使傳感光纖的光程隨時間發(fā)生改變的裝置，因此，可以是振動裝置，例如喇叭、聲波、振動平臺、橋梁機械等產生的振動等；或者光通過時，光纖折射率可隨外加電壓信號變化的晶體，如鈮酸鋰晶體等本發(fā)明系統(tǒng)的光纖耦合器可以是錐型光纖耦合器。
本發(fā)明的光纖耦合器的光功率是均分的，即3×3光纖耦合器光功率分光比是1∶1∶1，1×2光纖耦合器光功率分光比是1∶1。
單模光纖、多模光纖均適用于本發(fā)明系統(tǒng)。
穩(wěn)定光源可以是下述中的任一種工作波長是0.63μm，0.85μm，1.31μm或1.55μm的半導體激光二極管(LD)；半導體發(fā)光二極管(LED)激光器；超輻射發(fā)光二極管(SLD)激光器等。
本發(fā)明的突出優(yōu)點是改變了以往Sagnac干涉環(huán)無法將光纖延遲線與感應光纖分離，從而克服系統(tǒng)測試受到外界環(huán)境干擾嚴重的缺點；同時雙倍利用了光纖延遲線，降低了系統(tǒng)的成本，同時提高了系統(tǒng)的靈敏度，對小信號的測試特別有益。同時，系統(tǒng)兼容了白光干涉系統(tǒng)的優(yōu)點，即克服了光干涉必須依賴于激光(窄光譜)光源的缺陷，不僅能應用于激光的干涉，還能應用于寬光譜光源的干涉。同時，該干涉方法還能實現(xiàn)對電信號的激光外調制，也能實現(xiàn)對光強度的可調整分布和光開關功能，將被應用于光信號的外調制和全光路由交換網絡；系統(tǒng)對擾動源的測試靈敏度，可方便的調整，能夠適用于強擾動源的測試，也能適用于弱擾動源的測試；系統(tǒng)不受擾動源頻率的限制，頻率僅與光電探測器的響應有關，光路系統(tǒng)不存在頻率響應問題。本發(fā)明能夠得到兩路具有固定相位差的干涉信號，將提高系統(tǒng)的靈敏度和精度。本發(fā)明的干涉系統(tǒng)，結構簡單，調試方便，靈敏度和精度高。它不僅可用于光纖傳感領域，還可應用于光纖通訊領域。


圖1是本發(fā)明系統(tǒng)結構示意圖。其中，光纖耦合器2采用3×3光纖耦合器。
圖2是本發(fā)明系統(tǒng)的結構示意圖之二。其中，光纖耦合器2采用2×2光纖耦合器。
圖3是利用本發(fā)明實現(xiàn)的全光纖干涉系統(tǒng)在音頻信號測試中的干涉信號波形。中基，上面的曲線對應公式(12)，下面的曲線對應公式(13)。
圖中標號1為光源，2為光纖耦合器，3為傳感光纖，4為光纖耦合器，5為光纖延遲線，6為光纖反射鏡，7為傳輸光纖，8為光電探測器，9為光電探測器。
具體實施例方式
實施例在本實施例中，所用的激光器為電子集團總公司44研究所生產的SO3-B型超輻射發(fā)光管(SLD)型穩(wěn)定光源1。光纖耦合器2、4為單模光纖耦合器。其中光纖耦合器2為3×3型的，光纖耦合器4采用1×2型的。光電探測器8、9為44所生產的型號為GT322C500的InGaAs光電探測器。所用的光纖為美國生產的“康寧”G652型單模光纖。測試對象是普通半導體收音機播放的音樂。系統(tǒng)結構如圖1所示，用融接方式連接耦合器、光纖、光纖延遲線。光源與干涉系統(tǒng)、干涉系統(tǒng)與探測器的連接方式是FC/PC跳線連接。
穩(wěn)定光源發(fā)出的光經過跳線FC/PC連接，進入3×3光纖耦合器2，被分光后，一路光先通過傳感光纖3，通過1×2光纖耦合器4和光纖光纖延遲線3，被反射鏡面6反射后，再次通過光纖延遲線5和光纖耦合器4，從傳輸光纖7回到光纖耦合器2的另一端；另外一路光經過傳輸光纖7，通過1×2光纖耦合器4和光纖光纖延遲線3，被反射鏡面6反射后，再次通過光纖延遲線5和光纖耦合器4，從傳感光纖3回到光纖耦合器2的一端。兩路光通過光纖耦合器2干涉后產生的干涉信號被光電探測系統(tǒng)8、9檢測。通過反演干涉信號，由公式12、13最終獲得傳感光纖3捕獲的測試對象物理特性。用該系統(tǒng)測試結果見圖3所示，該干涉曲線由公式(12)、(13)描述，表示對音頻信號的測試結果。
另一個實施例的系統(tǒng)結構如圖2所示。其中，光纖耦合器2采用2×2型的，光纖耦合器4采用1×2型的。其余同實施例1。在圖2所示的結構中，穩(wěn)定的光源1發(fā)出的光經過2×2光纖耦合器2，被分光后，一路光先通過傳感光纖3，通過1×2光纖耦合器4和光纖光纖延遲線3，被反射鏡面6反射后，再次通過光纖延遲線5和光纖耦合器4，從傳輸光纖7回到光纖耦合器2的另一端；另外一路光經過傳輸光纖7，通過1×2光纖耦合器4和光纖光纖延遲線3，被反射鏡面6反射后，再次通過光纖延遲線5和光纖耦合器4，從傳感光纖3回到光纖耦合器2的一端。兩路光通過光纖耦合器2干涉后產生的干涉信號被光電探測系統(tǒng)8檢測。通過反演干涉信號，由公式14最終獲得傳感光纖3捕獲的測試對象物理特性。
權利要求
1.一種全光纖干涉系統(tǒng)，其特征是由光源、兩個光纖耦合器、傳感光纖、光纖延遲線、傳輸光纖和電光探測器經光路連接組成，光路連接具體如下光源(1)之后是一個光纖耦合器(2)，光纖耦合器(2)分別連接傳感光纖(3)和傳輸光纖(7)，傳感光纖(3)和傳輸光纖(7)再分別與另一個光纖耦合器(4)連接，光纖耦合器(4)再與光纖延遲線(5)連接，然后與光纖反射鏡(6)連接；光纖耦合器(2)的兩個輸出與光電探測器(8)、(9)連接；光源(1)發(fā)出的光通過光纖耦合器(2)后形成兩組干涉光束一路光通過傳感光纖(3)、光纖耦合器(4)和光纖延遲線(5)，被光纖反光鏡(6)反射后，再次通過光纖延遲線(5)和光纖耦合器(4)，然后經過傳輸光纖(7)到達光纖耦合器(2)；一路光通過傳輸光纖(7)、光纖耦合器(4)和光纖延遲線(5)，被光纖反射鏡(6)反射后，再次通過光纖延遲線(5)和光纖耦合器(4)，然后經過傳感光纖(3)到達光纖耦合器(2)；這兩路相干光束分別被光電探測器(8)和(9)接收。
2.根據(jù)權利要求1所述的全光纖干涉系統(tǒng)，其特征是光纖耦合器與光纖的連接、光纖之間的連接方式采用融接方式，光源和光纖的連接、探測器與光纖的連接采用跳線方式。
3.根據(jù)權利要求1所述的全光纖干涉系統(tǒng)，其特征在于所述傳感光纖(3)感應的擾動源測試對象是振動裝置，或者是光纖折射率可隨外加電壓信號變化的晶體，或者是沖擊波探測裝置。
4.根據(jù)權利要求1所述的全光纖干涉系統(tǒng)，其特征在于所述光纖耦合器是錐型光纖耦合器，耦合器是單模，或者是多模。
5.根據(jù)權利要求4所述的全光纖干涉系統(tǒng)，其特征在于所述光纖耦合器的光功率是均分的。
6.根據(jù)權利要求1所述的全光纖干涉系統(tǒng)，其特征在于所述光纖或光纖延遲線是單模光纖，或者是多模光纖。
7.根據(jù)權利要求1所述的全光纖干涉系統(tǒng)，其特征在于光纖耦合器(2)為3×3或者2×2光纖耦合器。
8.根據(jù)權利要求1所述的全光纖干涉系統(tǒng)，其特征在于所述的光源(1)為工作波長是0.63μm、0.85μm、1.31μm或1.55μm的半導體激光二極管，或者是半導體發(fā)光二極管激光器，或者是超輻射發(fā)光二極管激光器。
9.一種根據(jù)權利要求1所述全光纖干涉系統(tǒng)的全光纖干涉方法，其特征在于由光源(1)發(fā)出的光被光纖耦合器分束后，形成2路相干光束，一路光先通過感應光纖然后兩次通過光纖延遲線(5)，從另外一傳輸光纖回到光纖耦合器，一路光先通過傳輸光纖后兩次通過光纖延遲線(5)，從傳感光纖回到光纖耦合器，這兩路光線形成順時針和逆時針傳輸?shù)膬陕饭?，這兩組相干光束在耦合器(2)中形成攜帶有擾動源物理特征的光信號，被信號探測器接收，通過反演干涉信號，由公式(12)、(13)、(14)獲得傳感光纖(3)測試的物理量I1(t)＝I0cos[(t)+0] (12)I2(t)＝I0cos[(t)-0] (13)I3(t)＝I0cosφ(t) (14)其中，I0入射光的強度，0為干涉信號的初始相位；當在擾動測試系統(tǒng)語音信號傳輸系統(tǒng)中時，φ(t)為 當在光纖通信領域的光調制或光開關中時，φ(t)為 其中，ns為干涉光折射率，Ls為干涉光程長度，λ為干涉光波長，τ為兩束光通過擾動源時的延遲時間，S(t)為光纖擾動位移，m(t)為調制信號，f[m(t)]＝n(t)為調制信號m(t)與晶體折射率n(t)的關系函數(shù)。
全文摘要
本發(fā)明是一種新結構的全光纖干涉系統(tǒng)及其干涉方法。系統(tǒng)由光源、2個光纖耦合器、傳感光纖、傳輸光纖、光纖延遲線、反射鏡等經光路連接組成。光源發(fā)出的光經光纖耦合器分光后形成順時針和逆時針傳輸?shù)膬陕饭猓瑑陕饭饨浉缮婧蟮男盘柋惶綔y器檢測，經過反演干涉信號，獲得測試對象的物理特性。本發(fā)明不僅能應用于單模光纖，也能適用于多模光纖。根據(jù)本發(fā)明方法獲得的干涉系統(tǒng)能夠實現(xiàn)對振動特性的測試、外加電信號的調制和實現(xiàn)光開關功能?？蓮V泛應用于振動測試和通信領域，也能應用于聲納探測和語音信號的傳輸領域。本發(fā)明系統(tǒng)結構簡單，調試方便，靈敏度和精度均獲得滿意效果。
文檔編號G01B9/02GK1588144SQ20041005402
公開日2005年3月2日 申請日期2004年8月26日 優(yōu)先權日2004年8月26日
發(fā)明者賈波, 章驊, 唐璜, 洪廣偉, 吳東方 申請人:復旦大學