專利名稱：一種反饋環(huán)路形成的全光纖干涉方法及其測試系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明是利用光纖反饋回路建立全光纖干涉的方法及其測試系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
光的干涉已廣泛應(yīng)用于測試和通信領(lǐng)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(gòu)造(往往采用棱鏡、透鏡和分束器)和調(diào)試，其結(jié)構(gòu)主要有麥克爾遜、馬赫增德爾和法布里-珀羅。隨著光纖技術(shù)的發(fā)展和光電器件的成熟，光纖干涉技術(shù)在上個世紀得到了發(fā)展，但其結(jié)構(gòu)和工作原理與傳統(tǒng)的激光干涉方法沒有區(qū)別。由于傳統(tǒng)的干涉方法能夠得到的干涉信號存在的相位差一般由系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)決定，特別是利用光纖耦合器構(gòu)造的干涉系統(tǒng)，輸出信號的相位差由耦合器的參數(shù)決定。為了得到準確的測試物理參數(shù)，希望能夠得到90度相位差的兩路信號，通過交替使用兩路信號，充分保障系統(tǒng)的靈敏度。不改變系統(tǒng)光纖耦合器的參數(shù)，通過外加光信號強度的改變，改變初始信號的相位差，這種全光纖干涉系統(tǒng)還很少。全光纖白光干涉方法在上個世紀九十年代末出現(xiàn)，其結(jié)構(gòu)主要依賴于多只(兩只或兩只以上)光纖耦合器組合成干涉光路，并主要應(yīng)用于光纖傳感領(lǐng)域，輸出信號的初始相位差完全確定于耦合器的參數(shù)，不能隨便改變，給測試帶來了一定的困難。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種方便、簡潔的利用反饋環(huán)路形成的全光纖干涉方法及其測試系統(tǒng)。
根據(jù)本發(fā)明方法可提供一種能廣泛應(yīng)用于光纖傳感和光纖通信的系統(tǒng)，系統(tǒng)采用一只光纖耦合器實現(xiàn)白光干涉方法，該系統(tǒng)不僅能夠應(yīng)用于光纖傳感領(lǐng)域，還能應(yīng)用于光纖通信領(lǐng)域。
本發(fā)明由反饋環(huán)路形成的全光纖干涉方法，由光源發(fā)出的光被耦合器分束后，一路光先通過光纖延遲線構(gòu)成的反饋回路，再次通過光纖耦合器，到達信號探測端口被反射回耦合器輸出端；另一路光先通過信號探測端口，被反射后，通過光纖耦合器，由反饋回路進入耦合器的輸出端口，相干光線形成順時針和逆時針傳輸?shù)膬陕饭?，在光纖延遲線存在的情況下，兩光束通過擾動源的時間不同，對應(yīng)的擾動信號也不相同，延遲時間可表示為
τ=neffLC...........(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；擾動源對兩束光形成的光程即折射率ns與幾何長度Ls的乘積，可表示為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)①對于光纖振動測試系統(tǒng)，擾動源對應(yīng)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(yīng)于干涉光的相位(t)為 ②或者在光通信領(lǐng)域調(diào)制系統(tǒng)中，擾動源對應(yīng)于晶體折射率，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(diào)制信號m(t)與折射率n(t)的關(guān)系可表示為n(t)＝f[m(t)] (9)利用中值定理，上式可改寫為ΔL＝Lsf′[m(t)]τ (10)
上式對應(yīng)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，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(lǐng)域的光調(diào)制和光開關(guān)應(yīng)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(guān)功能。
如果再加入另一反饋環(huán)路，在上面的分析基礎(chǔ)上，相干涉光將形成另外兩干涉光路，只是其干涉強度比上面的干涉光弱，光功率為上面分析干涉光功率的1/9。最后形成的干涉條紋表達式與(12)(13)(14)相同，只是初始相位0不再是120度，其大小與兩部分相干光形成的干涉光功率大小關(guān)系密切相關(guān)。
以圖1中的結(jié)構(gòu)為例，穩(wěn)定光源(13)發(fā)出的光經(jīng)過跳線FC/PC連接，先進入1×2光纖耦合器(1)，然后通過3×3光纖耦合器(2)，形成了兩對干涉光束。
一對干涉光束由下面兩光束形成光束I一路光先被測試對象(14)反射后，被光纖耦合器(2)分束，先后通過端口(7)、光纖延遲線(3)、光纖耦合器(4)和端口(5)進入光纖耦合器(2)；光束II另外一路光先通過端口(5)、光纖耦合器(4)、光纖延遲線(3)和端口(7)進入光纖耦合器(2)，被測試對象(14)反射后進入光纖耦合器(2)。這兩光束在測試對象處于靜止狀態(tài)時，通過的光程完全相等，形成系統(tǒng)的干涉光束。
另一對干涉光束由下面兩光束形成光束I一路光先被測試對象(14)反射后，被光纖耦合器(2)分束，先后通過端口(7)、光纖延遲線(3)、光纖耦合器(4)和端口(5)進入光纖耦合器(2)，被分束后，從端口8通過光纖耦合器(9)和端口(6)進入光纖耦合器(2)；光束II另外一路光先通過端口(5)、光纖耦合器(4)、光纖延遲線(3)和端口(7)進入光纖耦合器(2)，被分束后，通過端口(6)、光纖耦合器(9)和端口(8)再次進入光纖耦合器(2)，分束后的光被測試對象(14)反射后進入光纖耦合器(2)。這兩光束在測試對象處于靜止狀態(tài)時，通過的光程完全相等，形成系統(tǒng)的干涉光束。由于光纖耦合器的存在，使得干涉光的能量與前一對干涉光束相比，為其大小的1/6。
兩對干涉光束在3×3光纖耦合器(2)中形成攜帶有擾動源物理特征的光信號，被探測器(10)、(11)和(12)接收。通過反演干涉信號，最終獲得擾動源(14)的物理特性。其表達式分別對應(yīng)公式(12)(13)和(14)。
圖2、3、4與圖1所示結(jié)構(gòu)相比，其工作原理與方法一樣，通過減少一只光纖耦合器，使得干涉光束能量增加一倍。只是探測信號也減少了一路。干涉信號表達式分別對應(yīng)公式(13)和(14)、(12)和(14)、(12)和(13)。
圖5與圖1相比，只形成了單反饋工作光路，形成了一對干涉光束，其工作原理與前面對圖1所示系統(tǒng)前一對干涉光束的分析一樣。干涉信號表達式對應(yīng)于公式(12)、(13)和(14)。
圖6與圖5相比，2×2光纖耦合器代替了3×3光纖耦合器，工作原理與圖5所示的系統(tǒng)一樣。形成的干涉信號功率增加了3/2。只有兩路干涉信號輸出，其表達式一路與公式(14)所示一樣，另一路干涉信號與之反向。
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(diào)制幅度的效果；對于大的調(diào)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(diào)整調(diào)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連接，光源與干涉系統(tǒng)的連接方式FC/PC跳線連接，干涉系統(tǒng)與探測器的連接方式也是FC/PC跳線連接。
本發(fā)明的擾動源是使傳輸光的光程隨時間發(fā)生改變的裝置，因此，可以是振動裝置，例如喇叭、振動平臺、橋梁機械等產(chǎn)生的振動等；或者光通過時，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)的光纖耦合器是錐型光纖耦合器。
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∶1，2×2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)明方法用光纖耦合器和光纖反饋回路構(gòu)造干涉光路實現(xiàn)白光干涉(寬光譜光源干涉)方法，不僅能夠應(yīng)用于光纖傳感領(lǐng)域，還能廣泛應(yīng)用于光纖通信領(lǐng)域。通過反饋回路的光強度控制，能夠?qū)崿F(xiàn)系統(tǒng)輸出干涉信號的相位差。本發(fā)明可的應(yīng)用領(lǐng)域，具體表現(xiàn)為振動(沖擊波)測試，微應(yīng)變測試，語音信號傳輸，激光外調(diào)制，光開關(guān)，光路邏輯編碼等功能。所以，不論從本發(fā)明的結(jié)構(gòu)和應(yīng)用范圍來看，該方法與以往任何光纖干涉方法均不相同。
本發(fā)明方法改變了以往光干涉必須依賴于激光(窄光譜)光源的缺陷，不僅能應(yīng)用于激光的干涉，還能應(yīng)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(diào)制，也能實現(xiàn)對光強度的可調(diào)整分布和光開關(guān)功能，將被應(yīng)用于光信號的外調(diào)制和全光路由交換網(wǎng)絡(luò)；系統(tǒng)對擾動源的測試靈敏度，可方便的調(diào)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(yīng)有關(guān)，光路系統(tǒng)不存在頻率響應(yīng)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)明所述的干涉系統(tǒng)，結(jié)構(gòu)簡單，調(diào)試方便，靈敏度和精度高。


圖1是本發(fā)明系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖。1是1×2光纖耦合器，2是3×3光纖耦合器，3是光纖延遲線，4是1×2光纖耦合器，5、6是光纖的輸出端口，7、8是光纖的輸入端口，9是1×2光纖耦合器，10、11、12是光電探測器，13是激光光源、14是測試對象。
圖2是本發(fā)明系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖之二。1是1×2光纖耦合器，2是3×3光纖耦合器，3是光纖延遲線，5、6是光纖的輸出端口，7、8是光纖的輸入端口，9是1×2光纖耦合器，10、12是光電探測器，13是激光光源、14是測試對象。
圖3是本發(fā)明系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖之三。1是1×2光纖耦合器，2是3×3光纖耦合器，3是光纖延遲線，4是1×2光纖耦合器，5、6是光纖的輸出端口，7、8是光纖的輸入端口，11、12是光電探測器，13是激光光源、14是測試對象。
圖4是本發(fā)明系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖之四。1是1×2光纖耦合器，2是3×3光纖耦合器，3是光纖延遲線，4是1×2光纖耦合器，5、6是光纖的輸出端口，7、8是光纖的輸入端口，9是1×2光纖耦合器，10、11是光電探測器，13是激光光源、14是測試對象。
圖5是本發(fā)明系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖五。1是1×2光纖耦合器，2是3×3光纖耦合器，3是光纖延遲線，4是1×2光纖耦合器，5、6是光纖的輸出端口，7、8是光纖的輸入端口，10、11、12是光電探測器，13是激光光源、14是測試對象。
圖6是本發(fā)明系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖。1是1×2光纖耦合器，2是2×2光纖耦合器，3是光纖延遲線，4是1×2光纖耦合器，5是光纖耦合器的輸出端口，7是光纖的輸入端口，11、12是光電探測器，13是激光光源、14是測試對象。
圖7是利用本發(fā)明方法實現(xiàn)的全光纖干涉系統(tǒng)在振動測試中的干涉信號波形圖，對應(yīng)公式(12)。
圖8是利用本發(fā)明方法實現(xiàn)的全光纖干涉系統(tǒng)在振動測試中的干涉信號波形圖之二，對應(yīng)公式(13)。
圖9是利用本發(fā)明方法實現(xiàn)的全光纖干涉系統(tǒng)在振動測試中的干涉信號波形圖之三，對應(yīng)公式(14)。
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(chǎn)的SO3-B型超輻射發(fā)光管(SLD)型穩(wěn)定光源(3)。光纖耦合器(1)(2)(4)(9)為武漢郵電研究院生產(chǎn)的單模光纖耦合器。光電探測器(10)(11)(12)為44所生產(chǎn)的型號為GT322C500的InGaAs光電探測器。所用的光纖為美國生產(chǎn)的“康寧”G652型單模光纖。測試對象(14)是北戴河科新測振儀器公司生產(chǎn)的DZT-10永磁振動臺。按圖1方式用融接方式連接藕荷器、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。用該系統(tǒng)測試結(jié)果見圖7、8、9，該干涉曲線由公式(12)、(13)、(14)描述，表示對振動源的測試結(jié)果。
權(quán)利要求
1.一種反饋環(huán)路形成的全光纖干涉方法，其特征是由光源發(fā)出的光被耦合器分束后，一路光先通過光纖延遲線構(gòu)成的反饋回路，再次通過光纖耦合器，到達信號探測端口被反射回耦合器輸出端；另一路光先通過信號探測端口，被反射后，通過光纖耦合器，由反饋回路進入耦合器的輸出端口，相干光線形成順時針和逆時針傳輸?shù)膬陕饭?，在光纖延遲線存在的情況下，兩光束通過擾動源的時間不同，對應(yīng)的擾動信號也不相同，延遲時間可表示為τ=neffLC............(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；擾動源對兩束光形成的光程即折射率ns與幾何長度Ls的乘積，可表示為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)①對于光纖振動測試系統(tǒng)，擾動源對應(yīng)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(yīng)于干涉光的相位(t)為 ②或者在光通信領(lǐng)域調(diào)制系統(tǒng)中，擾動源對應(yīng)于晶體折射率，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(diào)制信號m(t)與折射率n(t)的關(guān)系可表示為n(t)＝f[m(t)] (9)利用中值定理，上式可改寫為ΔL＝Lsf′[m(t)]τ (10)上式對應(yīng)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)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的反饋環(huán)路形成的全光纖干涉方法的測試系統(tǒng)，其特征是該系統(tǒng)的光路如下光源(13)之后是光纖耦合器(1)，光通過光纖耦合器(1)(2)后，形成兩組干涉光束，具體如下；(1)相干光束一的形成一路光從端口(5)經(jīng)過光纖耦合器(4)和光纖延遲線(3)組成的光纖反饋環(huán)路，順時針傳輸?shù)蕉丝?7)，再次進入光纖耦合器(2)，通過擾動源(14)反射回光纖耦合器(2)；另一路光先通過擾動源(14)，被反射回光纖耦合器(2)，從端口(7)通過光纖延遲線(3)和光纖耦合器(4)組成的反饋環(huán)路，逆時針從端口(5)進入光纖耦合器(2)；(2)相干光束二的形成一路光從端口(6)經(jīng)過光纖耦合器(9)順時針傳輸?shù)蕉丝?8)，再次進入光纖耦合器(2)，從端口(5)通過光纖耦合器(4)與光纖延遲線(3)相成的反饋環(huán)路進入端口(7)，經(jīng)過光纖耦合器(2)，通過擾動源(14)反射回光纖耦合器(2)；另一路光先通過擾動源(14)，被反射回光纖耦合器(2)，從端口(8)經(jīng)過光纖耦合器(9)順時針到達端口(6)，再次進入光纖耦合器(2)后，從端口(7)通過光纖延遲線(3)和光纖耦合器(4)組成的反饋環(huán)路，逆時針從端口(5)進入光纖耦合器(2)；上面兩組相干光束在3×3光纖耦合器(2)中形成攜帶有擾動源物理特征的光信號，該信號被探測器(10)(11)(12)接收，通過反演干涉信號，由公式(12)(13)(14)獲得擾動源(14)的物理特性。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的反饋環(huán)路形成的全光纖干涉方法的測試系統(tǒng)，其特征是提取干涉信號的光纖耦合器和與其相聯(lián)接的探測器各減少一個。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的反饋環(huán)路形成的全光纖干涉方法的測試系統(tǒng)，其特征是連接耦合器(2)的(6)(8)端口的光纖和光纖耦合器(9)可以去掉，組成單環(huán)路工作干涉系統(tǒng)，探測器(10)直接與端口(8)連接，系統(tǒng)的工作性能不受影響。
5.根據(jù)權(quán)利要求2所述的反饋環(huán)路形成的全光纖干涉方法的測試系統(tǒng)，其特征是耦合器(2)為2×2光纖耦合器。
6.根據(jù)權(quán)利要求2所述的反饋環(huán)路形成的全光纖干涉方法的測試系統(tǒng)，其特征是耦合器與光纖的連接、光纖之間的連接方式是融接方式連接，光源和光纖的連接、探測器與光纖的連接采用跳線連接。
7.根據(jù)權(quán)利要求2所述的反饋環(huán)路形成的全光纖干涉方法的測試系統(tǒng)，其特征是擾動源是振動裝置，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。
8.根據(jù)權(quán)利要求2所述的反饋環(huán)路形成的全光纖干涉方法的測試系統(tǒng)，其特征是光纖耦合器是錐型光纖耦合器。
9.根據(jù)權(quán)利要求5所述的反饋環(huán)路形成的全光纖干涉方法的測試系統(tǒng)，其特征是光纖耦合器的光功率是均分。
10.根據(jù)權(quán)利要求2所述的反饋環(huán)路形成的全光纖干涉方法的測試系統(tǒng)，其特征是所用光纖或光纖延遲線可以是單模光纖，或者是多模光纖。
11.根據(jù)權(quán)利要求1-5所述的反饋環(huán)路形成的全光纖干涉方法的測試系統(tǒng)，其特征是所用的激光器工作波長是1.31μm或1.55μm的半導體激光二極管或半導體發(fā)光二極管激光器，或者超輻射發(fā)光二極管激光器。
全文摘要
本發(fā)明是一種新穎的全光纖干涉方法及其系統(tǒng)?，F(xiàn)有的技術(shù)的光干涉一般依賴窄光譜光源。本發(fā)明利用反饋環(huán)路形成的全光纖干涉方法獲得的干涉系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)對振動特性的測試、外加電信號的調(diào)制和實現(xiàn)光開關(guān)功能。該方法的突出優(yōu)點是改變了以往光干涉必須依賴于激光(窄光譜)光源的缺陷，不僅能應(yīng)用于激光的干涉，還能應(yīng)用于寬光譜光源的干涉；系統(tǒng)對擾動源的測試靈敏度，可方便的調(diào)整，該方法也能用于光譜特性的測試。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(yīng)有關(guān)，光路系統(tǒng)不存在頻率響應(yīng)問題。本發(fā)明能夠得到三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)明所述的干涉系統(tǒng)，結(jié)構(gòu)簡單，調(diào)試方便，靈敏度和精度均獲得滿意效果。
文檔編號H01S5/00GK1488963SQ03150468
公開日2004年4月14日 申請日期2003年8月21日 優(yōu)先權(quán)日2003年8月21日
發(fā)明者賈波, 章驊, 賈 波 申請人:復旦大學