專利名稱：一種具有全保偏功能的干涉光路結(jié)構(gòu)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于光纖傳感技術(shù)領(lǐng)域，具體是一種光纖光路中包含有單模光纖的、具有全保偏功能的干涉光路結(jié)構(gòu)。
背景技術(shù)：
在科技高速發(fā)展的當(dāng)代社會(huì)，光纖通信技術(shù)的發(fā)展帶來(lái)了傳感技術(shù)的革命，光纖傳感日益為人們所關(guān)注，越來(lái)越多成為技術(shù)研發(fā)的重點(diǎn)，也越來(lái)越多的進(jìn)入到各個(gè)重要的應(yīng)用領(lǐng)域，其中分布式光纖傳感以其監(jiān)測(cè)距離遠(yuǎn)，靈敏度高，環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)，特別在關(guān)系到國(guó)計(jì)民生的領(lǐng)域，如隧道火災(zāi)監(jiān)控，光纜安全監(jiān)控、油氣泄漏監(jiān)測(cè)等等方面得到特別的關(guān)注與應(yīng)用。圖1是常見的一種光纖傳感結(jié)構(gòu)。干涉光路由N*M (N、M為整數(shù))耦合器3、P*Q (P、Q為整數(shù))耦合器4、光纖延遲器 5，延遲為τ，光纖(光纜)6和反饋裝置2構(gòu)成。3al、3a2、…、3aN、3bl、3l32為耦合器3的端口，3a 1、3a2、…、3aN是同向端口，共N個(gè)，3b 1、3b2是耦合器3的另一組同向端口(共M個(gè)) 中的兩個(gè)端口。4al、4a2、4bl為耦合器4的端口，4al、4a2是耦合器2的一組同向端口(共 P個(gè))中的兩個(gè)端口，4bl是耦合器4的另一組同向端口(共Q個(gè))中的兩個(gè)端口。光纖6為感應(yīng)光纖。1為光纖6上的一擾動(dòng)點(diǎn)。2為反饋裝置，使沿光纖傳輸來(lái)的光重新進(jìn)入光纖6 返回到耦合器4。光源經(jīng)耦合器3的端口 3al輸入，經(jīng)耦合器3分光后分別經(jīng)端口 3bl、3lD2 輸出。在該結(jié)構(gòu)中共存在四束光，其中兩路光
I:3bl — 5 — 4al — 4bl — 6 — 2 — 6 — 4bl — 4a2 — 3b2
II:3b2 — 4a2 — 4bl — 6 — 2 — 6 — 4bl — 4al — 5 — 3b 1
在耦合器3處重新會(huì)合，發(fā)生干涉，干涉信號(hào)分別經(jīng)端口 3al、3a2、…、3aN輸出。但由于光纖耦合器4的使用，當(dāng)光從4bl端口返回，進(jìn)入耦合器4時(shí)，由于從兩個(gè)端口 4al、4a2 皆有光輸出，因而除了形成上述的干涉光束外，還存在兩路背向回光
III:3bl — 5 — 4al — 4bl — 6 — 2 — 6 — 4bl — 4al — 5 — 3bl
IV:3b2 — 4a2 — 4bl — 6 — 2 — 6 — 4bl — 4a2 — 3b2
這兩路光由于光程的原因，并不參與干涉，僅僅成為背景光，表現(xiàn)為直流光，增加了背景噪聲，降低了干涉條紋的清晰度。上述光路表示形式中，標(biāo)號(hào)代表該標(biāo)號(hào)所對(duì)應(yīng)的部件，箭頭表示光傳遞的方向。在水聽器的sagnac環(huán)結(jié)構(gòu)中，為了降低延遲線的對(duì)外界噪聲的敏感性，會(huì)采用如圖2所采用的方式構(gòu)成延遲線圈，即采用1 X 2耦合器8加一段光纖延遲線9，并在光纖延遲線9的末端連接一反射鏡10，以此共同實(shí)現(xiàn)原sagnac環(huán)中延遲線的功能。圖2中，7為光纖耦合器，9為延遲光纖，11為感應(yīng)光纖。但這種延遲線構(gòu)成方式也引入了原Mgnac環(huán)中不存在的兩路不參與干涉的背向回光。為了解決這個(gè)問題，Benjamin J. Vakoc等在 "Demonstration of a folded Sagnac sensor array immune to polarization-induced signal fading”( Applied Optics Vol. 42，No. 36，7132-7136)中提出了采用偏振分束器和法拉第旋轉(zhuǎn)鏡共用的結(jié)構(gòu)。圖3即為該文章中呈現(xiàn)的結(jié)構(gòu)方式，偏振分束器(PBS)的合波端與延遲線圈(Delay Coil)相連，延遲線圈(Delay Coil)的另一端與法拉第旋轉(zhuǎn)鏡 (FRM)相連，偏振分束器(PBS)的偏振分光端c和g連在Mgnac環(huán)中。分束器的工作特性為當(dāng)光從合波端口(光纖)d輸入時(shí)，光被分成兩個(gè)相互垂直的偏振態(tài)，分別沿著分波端口 (光纖)c和g的工作軸輸出，因而當(dāng)從合波端輸入的光僅有與分解偏振態(tài)相應(yīng)的一個(gè)偏振模式時(shí)，將僅從相應(yīng)的分波端口輸出，另一個(gè)分波端口沒有光輸出。在該結(jié)構(gòu)中，從端口 c輸入的光，由端口 d輸出，經(jīng)FRM反射輸入到端口 d，由于FRM的作用，該光的偏振方向與相對(duì)于從端口 d輸出的光的偏振，旋轉(zhuǎn)了 90度，因而，光經(jīng)端口 g (傳輸偏振模式與端口 c的傳輸偏振模式垂直)輸出，而端口 c并沒有輸出光，反之亦然，因而，這種結(jié)構(gòu)消除了利用耦合器構(gòu)成延遲線引入的不參與干涉的光路，僅存在兩路相互干涉的光，但是，由于單模光纖的存在，最終相遇發(fā)生干涉時(shí)的兩路光，無(wú)法具有一致的偏振態(tài)，因而僅僅是部分相干，仍存在一部分不相互干涉的光，成為背景光，減弱了條紋清晰度，影響到測(cè)試的效果。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種成本低、測(cè)試靈敏度高的具有全保偏功能的干涉光路結(jié)構(gòu)。本發(fā)明提供的干涉光路結(jié)構(gòu)，是利用偏振分束器實(shí)現(xiàn)的一種干涉路徑中包含單模光纖的具有全保偏功能的干涉結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)不但可消減干涉光路的背景光，且由于光路利用單模光纖構(gòu)建，這部分單模光纖可用于實(shí)現(xiàn)光路的延遲參數(shù)、或擔(dān)當(dāng)光路中的傳感光纖功能，大大降低了完全采用保偏光纖及保偏器件實(shí)現(xiàn)全保偏結(jié)構(gòu)中存在的成本過高、實(shí)際工程應(yīng)用性差的問題。具體來(lái)說(shuō)，本發(fā)明的具有全保偏功能的光纖光路結(jié)構(gòu)，包括保偏耦合器、偏振分束器、單模光纖、法拉第旋轉(zhuǎn)鏡，其中，保偏耦合器的尾纖、偏振分束器的分波尾纖為保偏光纖，單模光纖連接在偏振分束器的合波尾纖和法拉第旋轉(zhuǎn)鏡的尾纖之間；當(dāng)輸入光為線偏振光，沿著保偏光纖的軸注入干涉結(jié)構(gòu)，可獲得兩路偏振狀態(tài)一致的干涉光。 其基本構(gòu)成如圖4所示。12為保偏耦合器，lhl、12a2、-U2aNU2blU2b2為保偏耦合器 12的端口，各端口皆為保偏光纖，1加1、12a2、…、12aN是同向端口，12b 1、12 是保偏耦合器12的另一組同向端口中的兩個(gè)端口 ；13為第一偏振分束器，13al、13a2、i;3bl為第一偏振分束器13的端口，端口 13al、13a2為分波端口且為保偏光纖，端口 13bl為合波端口，從端口 13bl輸入的光，將分成兩個(gè)相互垂直的偏振態(tài)，分別從端口 13al、13a2輸出；14為第二偏振分束器，Hal、14a2、14bl為第二偏振分束器14的端口，端口 Hal、14a2為分波端口且為保偏光纖，端口 14bl為合波端口，，從端口 14bl輸入的光，將分成兩個(gè)相互垂直的偏振態(tài)，分別從端口 Hal、14a2輸出；15為第一法拉第旋轉(zhuǎn)反射鏡，15al為其光輸入輸出端口 ； 16為第二法拉第旋轉(zhuǎn)反射鏡，16al為其光輸入輸出端口 ；17為第一光纖，連接于端口 13bl 與法拉第旋轉(zhuǎn)鏡15之間，可以為單模光纖；18為第二光纖，連接于端口 14bl與法拉第旋轉(zhuǎn)鏡16之間，可以為單模光纖。端口 12bl與端口 13al保偏熔接(或90度熔接)，端口 14al 與端口 13a2保偏熔接(或90度熔接)，端口 12 與端口 14a2保偏熔接(或90度熔接)；輸入保偏耦合器12的光為線偏振光，并沿著輸入端口保偏光纖的軸輸入。本發(fā)明的干涉光路中，光的傳輸路徑如下設(shè)光源從端口 12al輸入，輸入的偏振態(tài)為垂直偏振態(tài)，用“丄”表示，與垂直偏振態(tài)垂直的偏振態(tài)用“ Il ”表示，當(dāng)光的偏振態(tài)不確定時(shí)用“隨機(jī)”表示。相干涉的兩路光的偏振變化如下所示(以保偏熔接為例)
I :12al (丄)一12bl (丄)一13al (丄)一13bl (丄或隨機(jī))一17 (隨機(jī))一15 (隨機(jī))一17 (隨機(jī))一13bl (//)— 13a2 (//)— 14al (//)— 14bl (//或隨機(jī))一18 (隨機(jī)) —16 (隨機(jī))一14bl (丄)一14a2 (丄)一12b2 (丄)。II :12al (丄)—12b2 (丄)—14a2 (丄)—14bl (丄或隨機(jī))—18 (隨機(jī))—16 (隨機(jī))一18 (隨機(jī))一14bl (//)— 14al (//)— 13a2 (//)— 13bl (//或隨機(jī))一17 (隨機(jī))一15 (隨機(jī))一13bl (丄)一13al (丄)一12bl (丄)。上述光路表示形式中，標(biāo)號(hào)代表該標(biāo)號(hào)所對(duì)應(yīng)的部件，箭頭表示光傳遞的方向；括號(hào)內(nèi)的符號(hào)表示光的偏振態(tài)形式。由上可看出，這兩路光最終回到保偏耦合器時(shí)的光偏振態(tài)一致，當(dāng)保偏耦合器12 為均分時(shí)，從其端口輸出的光可完全干涉，干涉光路工作在全保偏狀態(tài)。由于偏振分束器 13、14與法拉第旋轉(zhuǎn)鏡的共同使用，消除了傳統(tǒng)耦合器使用時(shí)存在的背向回光，因而，這種結(jié)構(gòu)的干涉條紋清晰度可達(dá)100%。本發(fā)明中，由于連接法拉第旋轉(zhuǎn)反射鏡的光纖可以使用單模光纖，因而特別適用于需要很長(zhǎng)的光纖來(lái)實(shí)現(xiàn)干涉結(jié)構(gòu)的應(yīng)用中，相對(duì)于使用等長(zhǎng)度的保偏光纖，成本大大降低，同時(shí)，在一些應(yīng)用中，還可以直接使用通信上布設(shè)的單模光纜作為感應(yīng)光纜進(jìn)行探測(cè)。 圖5即為利用該結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)的一種分布式單芯反饋干涉結(jié)構(gòu)。在該結(jié)構(gòu)中，連接在端口 13bl 和法拉第旋轉(zhuǎn)反射鏡15間的為具有一定時(shí)間延遲作用的單模光纖19，端口 14bl與作傳感用的單模光纖(光纜)20相連接，單模光纖20的末端連接法拉第旋轉(zhuǎn)反射鏡16。綜上所述，該發(fā)明具有以下突出特點(diǎn)和優(yōu)點(diǎn)
1、利用保偏光纖器件的特性，在干涉光路中存在單模光纖的情況下，實(shí)現(xiàn)了具有全保偏功能的的光路結(jié)構(gòu)。2、具有高的干涉條紋清晰度，可獲得高的測(cè)量靈敏度、精度。3、由于單模光纖的使用，可降低干涉光路的成本，特別在組成干涉光路的單模光纖數(shù)量很大的情況下，大大降低了成本。4、光路可以利用通信上常用的單模光纜來(lái)實(shí)現(xiàn)，易于該技術(shù)的推廣與應(yīng)用。該發(fā)明特別適用于長(zhǎng)距離分布式光纖傳感，例如，可用于光纖通信干線的監(jiān)控，石油、天然氣管線的安全性監(jiān)控等領(lǐng)域。


圖1是常見的一種分布式單芯反饋結(jié)構(gòu)。圖2是一種水聽器的sagnac環(huán)結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)是為了降低延遲線對(duì)外界噪聲的敏感性。圖3是采用偏振分束器和法拉第旋轉(zhuǎn)鏡共用的干涉結(jié)構(gòu)，以此解決光路中存在背向回光的問題。其中d為偏振分束器(PBS)的合波端口(光纖)，c和g為分波端口(光纖)。圖4為本發(fā)明的具有全保偏功能干涉光路的基本結(jié)構(gòu)。圖5為利用該結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)的一種分布式單芯反饋干涉結(jié)構(gòu)。圖6為實(shí)施例，是一種分布式單芯反饋應(yīng)用結(jié)構(gòu)。圖中標(biāo)號(hào)3為N*M (N、M為整數(shù))耦合器，4為P*Q (P、Q為整數(shù))耦合器，5為光纖延遲器，延遲為τ，6為光纖(光纜)，1為光纖6上的一擾動(dòng)點(diǎn)，2為反饋裝置。3al、 3a2、…、3aN、3bl、3b2 為耦合器 3 的端口，3al、3a2、...、3aN 是同向端口，共 N 個(gè)，3bl、!3b2 是耦合器3的另一組同向端口(共M個(gè))中的兩個(gè)端口。4al、4a2、4bl為耦合器4的端口， 4aU4a2是耦合器2的一組同向端口(共P個(gè))中的兩個(gè)端口，4bl是耦合器4的另一組同向端口(共Q個(gè))中的兩個(gè)端口。7為光纖耦合器，8為1 X 2耦合器，9為延遲光纖，10為反射鏡，11為感應(yīng)光纖。12為保偏耦合器，1^ι1、12ει2、···、12ειΝ、1^1、12 32為保偏耦合器12的端口，各端口皆為保偏光纖，12al、12a2、…、12aN是同向端口，共N個(gè)，12bl、12b2是耦合器 12的另一組同向端口中的兩個(gè)端口 ； 13為第一偏振分束器，13al、13a2U3bl為偏振分束器 13的端口，端口 13al、13a2為保偏光纖，從端口 13bl輸入的光，將分成兩個(gè)相互垂直的偏振態(tài)，分別從13al、13a2輸出；14為第二偏振分束器，Hal、14a2、14bl為偏振分束器14的端口，端口 Hal、14a2為保偏光纖，從端口 14bl輸入的光，將分成兩個(gè)相互垂直的偏振態(tài)，分別從14al、14a2輸出；15為第一法拉第旋轉(zhuǎn)反射鏡，15al為其光輸入輸出端口 ；16為第二法拉第旋轉(zhuǎn)反射鏡，16al為其光輸入輸出端口 ； 17為第一光纖，連接于端口 13bl與法拉第旋轉(zhuǎn)鏡15之間，可以為單模光纖；18為第二光纖，連接于端口 14bl與法拉第旋轉(zhuǎn)鏡16之間，可以為單模光纖。19為具有一定時(shí)間延遲作用的單模光纖，20為傳感光纖(光纜)。21 為實(shí)施例中2X2保偏光纖耦合器，21al、21a2、21bl、21l32為其端口，其中，21al、21a2為同向端口，21bl、21l32為同向端口 ；22為第一偏振分束器，22b 1為合波端口，21aU21a2為分波端口 ；26為單模光纖，其作用是延遲；24為第一法拉第反射旋轉(zhuǎn)鏡；23為第一偏振分束器， 23bl為合波端口，23aU23a2為分波端口 ；27為所要監(jiān)測(cè)的光纜中的一芯單模光纖，該芯光纖一端與偏振分束器23的端口 23bl相連，另一端與第二法拉第反射旋轉(zhuǎn)鏡25相連。28為保偏環(huán)形器，28alJ8a2、28a3為其端口，從^al輸入光，光從輸出；從輸入光， 光從輸出。
具體實(shí)施例方式下面通過實(shí)施例進(jìn)一步描述本發(fā)明。本實(shí)施例如圖5所示，是一分布式單芯反饋光纖傳感干涉結(jié)構(gòu)。圖中，21為2 X 2保偏光纖耦合器，21al、21a2、21bl、21l32為其端口，其中，21al、21a2為同向端口，21bl、21l32 為同向端口 ；22為第一偏振分束器，22bl為合波端口，21al、21a2為分波端口 J6為單模光纖，其作用是延遲；對(duì)為第一法拉第反射旋轉(zhuǎn)鏡；23為第一偏振分束器，2北1為合波端口， 23aU23a2為分波端口 ；27為所要監(jiān)測(cè)的光纜中的一芯單模光纖，長(zhǎng)度約20km，該芯光纖一端與偏振分束器23的端口 23bl相連，另一端與第二法拉第反射旋轉(zhuǎn)鏡25相連。觀為保偏環(huán)形器，28alJ8a2、28a3為其端口，從^al輸入光，光從輸出；從輸入光，光從 28a3輸出。·
輸入光為線偏振光，從端口 ^al的保偏光纖工作軸輸入，干涉信號(hào)取自端口 ^a3。當(dāng)光纜27感應(yīng)到外界擾動(dòng)時(shí)，即會(huì)有相應(yīng)的干涉輸出，作為擾動(dòng)特性的判斷依據(jù)。實(shí)驗(yàn)表明， 條紋清晰度接近100%。該結(jié)構(gòu)中的偏振分束器和保偏光纖耦合器是有綿陽(yáng)超光生產(chǎn)，單模光纖為康寧生產(chǎn)，器件的保偏尾纖為熊貓型保偏光纖。提供線偏振光的是尾纖為保偏光纖的線偏振光源， 由電子集團(tuán)總公司44研究所生產(chǎn)。
權(quán)利要求
1.一種具有全保偏功能的干涉光路結(jié)構(gòu)，其特征在于該干涉光路包括保偏耦合器 (12)，第一偏振分束器(13)，第二偏振分束器(14)，第一法拉第旋轉(zhuǎn)反射鏡(15)，第二法拉第旋轉(zhuǎn)反射鏡(16)，第一光纖(17)，第二光纖(18);保偏耦合器(12)的尾纖、第一偏振分束器(13)和第二偏振分束器(14)的分波尾纖為保偏光纖，其中所述保偏耦合器(12)具有端口 12alU2a2,…、12aN、1沘1、121^2，各端口皆為保偏光纖，其中端口 12alU2a2,…、12aN是保偏耦合器(12)的一組同向端口，端口 12blU2b2 ^ 保偏耦合器(12的另一組同向端口中的兩個(gè)端口 ；所述第一偏振分束器(13)具有端口 13al、13a2、i;3bl，其中端口 13al、13a2為分波端口且為保偏光纖，端口 13bl為合波端口，從端口 13bl輸入的光，將分成兩個(gè)相互垂直的偏振態(tài)，分別從端口 13al、13a2輸出；第二偏振分束器(14)具有端口 Hal、14a2、14bl，其中端口 Hal、14a2為分波端口且為保偏光纖，端口 14bl為合波端口，，從端口 14bl輸入的光，將分成兩個(gè)相互垂直的偏振態(tài)， 分別從端口 Hal、14a2輸出；第一法拉第旋轉(zhuǎn)反射鏡(15)具有光輸入輸出端口 15al ；第二法拉第旋轉(zhuǎn)反射鏡(16) 具有光輸入輸出端口 16al ；第一光纖(17)連接于端口 13bl與第一法拉第旋轉(zhuǎn)鏡(15)之間，為單模光纖；第二光纖(18)連接于端口 14bl與法拉第旋轉(zhuǎn)鏡(16)之間，為單模光纖；端口 12bl與端口 13al保偏熔接或90度熔接，端口 14al與端口 13a2保偏熔接或90 度熔接，端口 12 與端口 14a2保偏熔接或90度熔接；輸入保偏耦合器(12)的光為線偏振光，并沿著輸入端口保偏光纖的軸輸入。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的具有全保偏功能的干涉光路結(jié)構(gòu)，其特征在于該干涉光路中，光的傳輸路徑如下設(shè)光源從端口 12al輸入，相干涉的兩路光的偏振變化如下I端口 12al (丄)一端口 12bl (丄)一端口 13al (丄)一端口 13bl (丄或隨機(jī))一第一光纖(隨機(jī))一第一法拉第旋轉(zhuǎn)鏡(隨機(jī))一第一光纖(隨機(jī))一端口 13bl (//)—端口 13a2 (//)—端口 14al (//)—端口 14bl (//或隨機(jī))一第二光纖(隨機(jī))一第二法拉第旋轉(zhuǎn)反射鏡(隨機(jī))一端口 14bl (丄)一端口 Ha2 (丄)一12b2 (丄)；II端口 12al (丄)一端口 12 (丄)一端口 14a2 (丄)一端口 14bl (丄或隨機(jī))一第二光纖(隨機(jī))一第二法拉第旋轉(zhuǎn)反射鏡(隨機(jī))一第二光纖(隨機(jī))一端口 14bl (//)—端口 14al (//)—端口 13a2 (//)—端口 13bl (//或隨機(jī))一第一光纖(隨機(jī))一第一法拉第旋轉(zhuǎn)鏡(隨機(jī))一端口 13bl (丄)一端口 13al (丄)一端口 12bl (丄)；上述光路表示形式中，箭頭表示光傳遞的方向；括號(hào)內(nèi)的符號(hào)表示光偏振態(tài)形式 “丄”表示輸入的偏振態(tài)為垂直偏振態(tài)，“ Il ”表示與垂直偏振態(tài)垂直的偏振態(tài)，“隨機(jī)”表示光的偏振態(tài)不確定。
全文摘要
本發(fā)明屬于光纖傳感技術(shù)領(lǐng)域，具體為一種具有全保偏功能的干涉光路結(jié)構(gòu)。本發(fā)明的干涉光路包括保偏耦合器、偏振分束器、單模光纖、法拉第旋轉(zhuǎn)鏡，其中，保偏耦合器的尾纖、偏振分束器的分波尾纖為保偏光纖，單模光纖連接在偏振分束器的合波尾纖和法拉第旋轉(zhuǎn)鏡的尾纖之間；當(dāng)輸入光為線偏振光，沿著保偏光纖的軸注入干涉結(jié)構(gòu)，可獲得兩路偏振狀態(tài)一致的干涉光。本發(fā)明利用偏振分束器，配合法拉第旋轉(zhuǎn)鏡，消除光路中背向返回的光，提高干涉光路中的相干光成分，提高條紋清晰度。本發(fā)明適用于長(zhǎng)距離分布式光纖傳感，利用光纖通信常用的單模光纖即可實(shí)現(xiàn)傳感，避免了完全使用保偏光纖及保偏器件的全保偏光路中存在的成本高，難以推廣等問題。
文檔編號(hào)G01D5/26GK102564477SQ201110440840
公開日2012年7月11日 申請(qǐng)日期2011年12月26日 優(yōu)先權(quán)日2011年12月26日
發(fā)明者洪廣偉, 章驊, 肖倩, 賈波 申請(qǐng)人:復(fù)旦大學(xué)