CN102853920A

CN102853920A - 一种高灵敏度马赫曾德干涉***

Info

Publication number: CN102853920A
Application number: CN2012103764291A
Authority: CN
Inventors: 鲁平; 张亮; 刘德明
Original assignee: Huazhong University of Science and Technology
Current assignee: Huazhong University of Science and Technology
Priority date: 2012-09-29
Filing date: 2012-09-29
Publication date: 2013-01-02
Anticipated expiration: 2032-09-29
Also published as: CN102853920B

Abstract

本发明公开了一种高灵敏度马赫曾德干涉***，其特征在于，宽谱光源通过光纤连接环形器的第一端口，环形器的第二端口通过光纤连接声光调制器一端，信号发生器连接声光调制器提供脉冲信号，声光调制器另外一端通过光纤连接第一光纤耦合器输入端，第一光纤耦合器的两个输出光纤连接传感光纤环、参考光纤环，并加入第一偏振控制器，环形器的第三端口连接光谱分析仪，通过输出光谱测量两个光纤环所对应的相位差；所述传感光纤环、参考光纤环分别为第二、第三耦合器输入输出端连接组成，所述传感光纤环和参考光纤环长度相等。本发明利用光纤环内光多次振荡，累积光纤相位变化，使测量灵敏度大大提高。另外，能够实现波分复用。

Description

一种高灵敏度马赫曾德干涉***

技术领域

本发明涉及一种高灵敏度马赫曾德干涉***。

背景技术

马赫曾德干涉仪广泛地用于光纤传感、光纤通信中。

常用的马赫曾德干涉仪两臂光程差有强度和光谱两种解调方法，强度解调的灵敏度很高，但对光源的单色性、频率稳定性、功率稳定性有较大的要求，同时测量结果会受光的偏振态的影响，在实用化过程中需要克服稳定性的问题。

光谱解调的灵敏度不高，但解调方式简单，光源使用普通的宽谱光源即可，对光源的功率稳定性要求不高。干涉光谱的获取方法主要有两种，一种是直接用光谱仪测量干涉谱；另外一种是在宽谱光源输出端加一个FP精细波长扫描的装置，接收端使用功率探头探测功率变化，通过输出波形变化获取。第一种方法得到干涉谱较第二种方便直接，但是在光谱仪扫描波长的较长时间内，干涉谱会发生漂移，这会降低测量精度。第二种方法具有成本低，响应快，但是由于控制FP腔长的PZT的非线性特性，需要使用标准具和FBG进行波长定标。

在获取到光谱之后，可以通过检测峰峰间距或者单个峰的位置来实现光程差的解调，但由于干涉谱是正弦型函数，因此峰值定位存在很大的误差。对于单个峰，通过峰值波长和其对应的级次来测量光程差虽然有很高灵敏度，但是级次的测量容易产生误差，因此这两种方法精度仍不高。北京理工大学的江毅教授提出了基于傅里叶变换的解调方法，这种方法具有精度高的优点。但这种方法需要较复杂的信号处理过程。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种高灵敏度马赫曾德干涉***，用于光纤传感。

本发明的高灵敏度马赫曾德干涉***包括宽谱光源，光纤环形器，声光调制器，信号发生器，第一、第二、第三光纤耦合器，第一偏振控制器，光谱分析仪。

所述宽谱光源通过光纤连接环形器的第一端口，环形器的第二端口通过光纤连接声光调制器一端，信号发生器连接声光调制器提供脉冲信号，声光调制器另外一端通过光纤连接第一光纤耦合器输入端，第一光纤耦合器的两个输出光纤连接传感光纤环、参考光纤环，并加入第一偏振控制器，环形器的第三端口连接光谱分析仪，通过输出光谱测量两个光纤环所对应的相位差；所述传感光纤环、参考光纤环分别为第二、第三耦合器输入输出端连接组成，所述传感光纤环和参考光纤环长度相等。

所述第一光纤耦合器的耦合比为1:1；所述第二、第三耦合器的分光比相同，均分别为1:99～1:9，且所述传感光纤环内的两端口之间的***损耗均对应高耦合比。

所述高灵敏度马赫曾德干涉***还包括第二偏振控制器、第三偏振控制器，所述传感光纤和参考光纤均分别加入第二、第三偏振控制器。

所述信号发生器提供的脉冲信号是占空比、周期可调的。

所述的高灵敏度马赫曾德干涉***还包括两个带宽波长均相等的第一波分复用器、第二波分复用器，所述第一、第二波分复用器的公共端分别通过光纤连接所述第一光纤耦合器、第三光纤耦合器，所述第一、第二波分复用器的复用端相对，复用端中两两相同信道之间分别加入所述传感光纤环。由于不同光纤环处在不同信道，最后通过在输出光谱上不同的波段独立进行解调，实现传感光纤环的波分复用。

所述的马赫曾德干涉原理为：宽谱光经过AOM强度上调制成脉冲光，输入第一光纤耦合器后，会沿着顺时针和逆时针两个方向传输。顺时针传输的光脉冲在通过第二、第三光纤耦合器时会由于耦合到光纤环腔中形成两个脉冲序列；由于两个光纤环长度相等，第二、第三光纤耦合器耦合比相等，两个脉冲序列在时间上是重叠的，并且每两个时间上对应的脉冲功率相等。同样，逆时针光也会产生两个时间上重叠的脉冲序列。这四个脉冲序列最后通过AOM二次强度调制经过环形器到达光谱仪。

从第一光纤耦合器输出的顺时针的脉冲光在传感光纤环内振荡会形成一组光脉冲序列，脉冲功率按照光纤环单圈损耗衰减；而直接通过第二光纤耦合器的脉冲功率比脉冲序列的第一个光脉冲（简称1阶脉冲）要高很多，然后这个功率较高的脉冲经过第三光纤耦合器，同样形成一组光脉冲序列，这两个脉冲序列的m阶脉冲在时间上重叠，而且均是在对应的环内振荡m次而形成；最后两个脉冲序列同时到达第一光纤耦合器输入端，AOM刚好处在下一个脉冲产生状态，即光通状态，刚好让两个m阶脉冲通过AOM最终进入光谱仪，那么在光谱仪上将会测得这两个脉冲干涉所得的光谱。

同样逆时针传播的脉冲也会最终得到两个m阶脉冲干涉得到的光谱。而且由于光路相同，所得的干涉光谱与顺时针得到的一致。这两个m阶脉冲的相位差为1阶脉冲相位差的m倍。

因此，传感光纤环长度l₁与干涉光谱之间的关系可以表示为：

nm (l_{1} - l_{2}) = \frac{λ_{1} λ_{2}}{λ_{1} - λ_{2}} - - - (1)

这里，l₁、l₂分别为传感光纤环和参考光纤环的长度，l₁≈l₂，n为光纤纤芯的有效折射率，λ₁和λ₂分别为干涉谱两个相邻的峰值波长或者谷值波长。通过公式（1）便可以通过干涉谱解调出传感光纤相位变化。

本发明的有益效果在于：

1、本发明与传统的双光路马赫曾德干涉仪相比，利用光纤环内光多次振荡，累积光纤相位变化，使测量灵敏度大大提高；

2、本发明可以通过使用波分复用器件，实现波分复用。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本发明的技术方案作进一步具体说明。

图1为本发明的高灵敏度马赫曾德干涉***结构图；

图2为本发明的传感部分光纤环腔的结构图；

图3给出了传感光纤环复用的示意图；

具体实施方式

图1给出了高灵敏度马赫曾德干涉***结构图，宽谱光源1输出光通过光纤环形器2的第一端口，光纤环形器2的第二端口连接声光调制器3，光纤环形器2的第三端口连接光谱仪4。信号发生器5连接声光调制器3并提供占空比周期可调的脉冲信号。声光调制器3另一端接入第一光纤耦合器6，第一光纤耦合器的耦合比为1:1。第一光纤耦合器6的两输出端与两光纤环腔通过熔接方式串联。在第二、第三光纤耦合器连接的光纤上加入第一偏振控制器9，两个光纤环腔分别由第二、第三光纤耦合器7、8输入输出端熔接并加入第二、第三偏振控制器10、11组成。

图1中，信号源5的发出的脉冲信号的要求为脉冲宽度小于光纤环内光传输一圈的时间，周期大小为这里l₁为传感光纤环长度，l₃为第一光纤耦合器输出尾纤以及两个光纤环尾纤总长度和，l₄为AOM到第一光纤耦合器的光纤长度，c为真空中光速，m为整数。

图1中第一偏振控制器9用来消除由于光纤双折射造成的两个方向脉冲的干涉。第二、第三偏振控制器10、11用来调整两个环所对应的m阶脉冲，使输出干涉谱的对比度达到最大。

图2给出了传感部分光纤环腔结构图，光纤环腔是由两个分光比均为1:99到1:9之间的第二、第三光纤耦合器7、8组成，具体连接方法相同，如图2中光纤耦合器两个输入端为A、B，两个输出端为C、D，AC和BD为直通臂，接入环内的BD两端的***损耗对应高耦合比，例如0.1dB（99%）、0.5dB（90%）。

图3给出了传感光纤环复用的示意图，第一、第二波分复用器12、13分别是两个带宽波长均相等的波分复用器WDM，第一、第二波分复用器12、13的公共端分别通过光纤连接第一光纤耦合器6、第三光纤耦合器8，第一、第二波分复用器12、13的复用端相对，复用端中，两两相同信道之间各加入一个图2所述的光纤环。且不同信道的各个传感光纤环的长度与参考光纤环长度相等，传感光纤环之外的接入光纤长度14也分别相等，这样就实现多个光纤环的复用。对于顺时针传播的光，不同波长通过12进入不同信道，经过不同参考光纤环最后又通过13汇合到一根光纤中。对于逆时针传播的光，不同波长通过13进入不同信道，经过不同参考光纤环最后又通过12汇合到一根光纤中。光谱仪中观察到的不同信道对应的波长就对应不同传感光纤环的相位信息。

最后所应说明的是，以上具体实施方式仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims

1.一种高灵敏度马赫曾德干涉***，其特征在于，包括宽谱光源，光纤环形器，声光调制器，信号发生器，第一、第二、第三光纤耦合器，第一偏振控制器，光谱分析仪；

2.根据权利要求1所述的高灵敏度马赫曾德干涉***，其特征在于，所述第一光纤耦合器的耦合比为1:1；所述第二、第三耦合器的分光比相同，均分别为1:99～1:9，且所述传感光纤环内的两端口之间的***损耗均对应高耦合比。

3.根据权利要求2所述的高灵敏度马赫曾德干涉***，其特征在于，还包括第二偏振控制器、第三偏振控制器，所述传感光纤和参考光纤均分别加入第二、第三偏振控制器。

4.根据权利要求1-3之一所述的高灵敏度马赫曾德干涉***，其特征在于，所述信号发生器提供的脉冲信号是占空比、周期可调的。

5.根据权利要求4所述的高灵敏度马赫曾德干涉***，其特征在于，还包括两个带宽波长均相等的第一波分复用器、第二波分复用器，所述第一、第二波分复用器的公共端分别通过光纤连接所述第一光纤耦合器、第三光纤耦合器，所述第一、第二波分复用器的复用端相对，复用端中两两相同信道之间分别加入所述传感光纤环。