CN103344925A - 慢光萨格奈克非互易干涉型光纤磁场传感器 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种慢光萨格奈克非互易干涉型光纤磁场传感器，属于测试技术领域。它包括宽带光源、光纤耦合器、光纤起偏器、非互易相位调制器、保偏传输光缆、磁光光子晶体磁场传感头、光电探测器及信号处理单元。利用一维磁光光子晶体慢光介质很高的磁场灵敏度和圆偏振光相位干涉原理，构成了慢光萨格奈克非互易干涉型光纤磁场传感器。本发明具有灵敏度高，可靠性好的优点。

Description

慢光萨格奈克非互易干涉型光纤磁场传感器
技术领域
本发明涉及一种新型的光纤磁场传感器，具体的说，是一种利用一维磁光光子晶体很高的磁场灵敏度来测量磁场的萨格奈克非互易干涉型光纤磁场传感器。 
背景技术
    磁场探测应用于许多重要领域，例如在电磁兼容、电力工程、电机工程等领域都需要监测与磁信号有关的物理量。 
法拉第磁光效应是指当施加外加磁场时，介质内传输的线偏振光的偏振方向会旋转一个角度，其大小与磁场强度成正比。法拉第效应目前被广泛用于光通信领域，如光隔离器、光环形器等。利用法拉第磁光效应的磁场传感器分为偏振型和干涉型两种，偏振型直接测量偏振光在磁场中的角度变化来得到磁场强度（见专利US6404190，US6370288等）。但是由于该角度很小，直接测量灵敏度和精度都不高。干涉型是将偏振角度的变化转变成相位的变化，可提高检测的灵敏度。萨格奈克干涉仪的两干涉光路完全相同，仅对非互易的磁光效应敏感，因此非常适用于磁场/电流传感器。1996年，James N. Blake首先提出了干涉型磁场/电流传感器的设想（专利号：US5644397）。目前用于磁场传感的材料为磁光系数较大的块状磁光晶体和磁光玻璃，但灵敏度仍有限。本发明针对已有技术存在的不足，提出一种基于一维磁光光子晶体慢光效应的磁场传感器，可大大提高磁场传感的灵敏度，传感器采用萨格奈克相位干涉***，保证了***的稳定性。 
发明内容
本发明的目的在于针对已有技术的不足，提供了一种慢光萨格奈克非互易干涉型光纤磁场传感器，大大提高传感器的灵敏度，同时保证了***的稳定性。 
为了达到上述目的，本发明的构思是： 
本发明主要由宽带光源、光隔离器、3dB单模光纤耦合器、光纤起偏器、非互易相位调制器、保偏传输光缆、磁光光子晶体磁场传感头、光电探测器及信号处理单元组成。光源发出的光通过光隔离器后，进入光纤耦合器，由光纤起偏器起偏为线偏振光，通过一个45°焊接点，将入射光分成两路正交的偏振光，非互易相位调制器对两路偏振光施加不同的相位调制后，经保偏传输光缆的两个主轴传至磁光光子晶体磁场传感头。磁场传感头由四分之一波片、磁光光子晶体和金属反射镜组成。由反射镜反射回的信号经过保偏传输光缆后，在起偏器上两束偏振光发生干涉：
Figure 2013102805157100002DEST_PATH_IMAGE001
其中，
Figure 579083DEST_PATH_IMAGE002
。
对于一维磁光光子晶体，传播常数
Figure 2013102805157100002DEST_PATH_IMAGE003
有较大的色散，导致在某些波长上，干涉仪的输出光强对外加磁场的灵敏度远大于相同大小的块状磁光介质（如附图5所示）。光强由光纤耦合器的另一个端口输出，光电探测器将光信号转变为电信号后进行信号处理。 
根据以上构思，本发明的技术方案如下：
一种慢光萨格奈克非互易干涉型光纤磁场传感器，包括宽带光源、光隔离器、3dB单模光纤耦合器、光纤起偏器、非互易相位调制器、保偏传输光缆、磁光光子晶体磁场传感头、光电探测器及信号处理单元。其特征在于所述光源通过光隔离器后与所述3dB单模光纤耦合器的一个正向输入端口相连，所述3dB单模光纤耦合器的一个正向输出端口与光纤起偏器的一个端口连接，光纤起偏器的另一端口与非互易相位调制器的一端45°焊接相连，非互易相位调制器的另一端与保偏传输光缆的一端连接，保偏传输光缆的另一端与磁光光子晶体磁场传感头相连，所述磁场传感头由一个四分之一波片经一个磁光光子晶体连接反射镜构成。所述光纤耦合器的一个反向输出端口连接到光电探测器，光电探测器与信号处理单元相连。
上述慢光萨格奈克非互易干涉型全光纤磁场传感器还可加入一个偏振分/合波器和一个第二光电探测器。宽带光源通过光隔离器后与所述光纤耦合器的一个正向输入端口相连，光纤耦合器的一个正向输出端口与所述偏振分/合波器的一个正向输入端口相连，偏振分/合波器的输出端口与非互易相位调制器的一端45°焊接相连，非互易相位调制器的另一端与保偏传输光缆的一端连接，保偏传输光缆的另一端与磁光光子晶体磁场传感头相连。光纤耦合器的一个反向输出端口连接到第一光电探测器，偏振分/合波器的一个反向输出端口连接到所述第二光电探测器，两探测器的信号同时送入信号处理单元处理。 
本发明和现有技术相比具有的突出实质性特点和显著技术进步是： 
1.本发明采用一维磁光光子晶体作为磁场敏感介质，其灵敏度明显优于块状磁光晶体或玻璃。
2.本发明采用圆偏振光相位干涉原理，并利用萨格奈克非互易干涉光路，保证了***的稳定性。 
附图说明
图1 是本发明一个实施例的结构框图 
图2 是本发明另一个实施例的结构框图
图3 是本发明中磁光光子晶体一个实施例的示意图。
图4 是本发明中非互易相位调制器的结构框图 
图5 是相同长度的磁光光子晶体和块状磁光晶体在相同磁场强度下，干涉仪的输出功率谱比较。
具体实施方式
本发明的优选实施例结合附图详述如下 
实施例一：参见图1。本慢光萨格奈克非互易干涉型全光纤磁场传感器包括宽带光源1、光隔离器2、3dB单模光纤耦合器3、光纤起偏器4、非互易相位调制器6、保偏传输光缆7、磁光光子晶体磁场传感头13、光电探测器11和信号处理单元12。所述宽带光源1通过光隔离器2后接入3dB单模光纤耦合器3,3dB单模光纤耦合器3的一个输出端与光纤起偏器4一端相连，光纤起偏器4的另一端与非互易相位调制器6的输入保偏光纤成45°焊接5，非互易相位调制器6的输出通过保偏传输光缆7接入磁光光子晶体传感头13；所述磁光光子晶体传感头13由一个四分之一波片8经一个磁光光子晶体9连接一个反射镜10构成；所述3dB单模光纤耦合器3的另一端口经过光电探测器11连接到信号处理单元12。工作原理是：光波从宽带光源1输出，通过光隔离器2后，经过光纤耦合器3后进入光纤起偏器4，光纤起偏器4的另一端与非互易相位调制器6的输入保偏光纤成45°焊接，两路线偏振光沿保偏传输光缆7的两主轴方向传播经过磁光光子晶体磁场传感头的四分之一波片8后，分别变为左旋和右旋圆偏振光，经过磁光光子晶体9的调制和反射镜10的反射后，左旋圆偏振光和右旋圆偏振光相互交换，两路反射圆偏振光经过四分之一波片8后，又变回两路线偏振光，经保偏传输光缆7传输到光纤起偏器4发生干涉。干涉信号经光纤耦合器3与光电探测器11连接，将光信号变成电信号，最后由信号处理单元12输出。
实施例二：本实施例是实施例一中两个关键器件的具体描述，参见图3和图4。所述磁光光子晶体9是由磁光介质或磁光介质与费磁光介质间隔的周期性排列构成的，所述非互易相位调制器6是由两个光纤四分之一波片17、18之间连接一个法拉第旋转器19构成。 
实施例三：参见图2。本慢光萨格奈克非互易干涉型全光纤磁场传感器包括宽带光源1、光隔离器2、3dB单模光纤耦合器3、偏振分（合）波器14、非互易相位调制器6、保偏传输光缆7、磁光光子晶体磁场传感头13、第一、第二两个光电探测器15、16和信号处理单元12。本实施例是在实施例一的基础上，用一个偏振分/合波器14代替光纤起偏器4，并加上一个第二光电探测器16。两路反射回的线偏振光在偏振分/合波器14的两个反向输出端口形成两路互补的干涉信号，分别由第一光电探测器15和第二光电探测器16进行检测，并同时送入信号处理单元12进行处理，由此构成的磁场传感器可用于直流磁场的测量。 

Claims (6)

1.  一种慢光萨格奈克非互易干涉型光纤磁场传感器，包括：宽带光源（1）、光隔离器（2）、3dB单模光纤耦合器（3）、光纤起偏器（4）、非互易相位调制器（6）、保偏传输光缆（7）、磁光光子晶体磁场传感头（13）、光电探测器（11）和信号处理单元（12）；其特征在于所述宽带光源（1）通过光隔离器（2）后接入3dB单模光纤耦合器（3），3dB单模光纤耦合器（3）的一个输出端与光纤起偏器（4）一端相连，光纤起偏器（4）的另一端与非互易相位调制器（6）的输入保偏光纤成45°焊接（5），非互易相位调制器（6）的输出通过保偏传输光缆（7）接入磁光光子晶体磁场传感头（13）；所述磁光光子晶体磁场传感头（13）由一个四分之一波片（8）经一个磁光光子晶体（9）连接一个反射镜（10）构成；所述3dB单模光纤耦合器（3）的另一端口经过光电探测器（11）连接到信号处理单元（12）。
2.   根据权利要求1所述的慢光萨格奈克非互易干涉型光纤磁场传感器，其特征在于所述磁光光子晶体（9）是由磁光介质或磁光介质和非磁光介质间隔的周期性排列构成的。
3.   根据权利要求1所述的慢光萨格奈克非互易干涉型光纤磁场传感器，其特征在于所述非互易相位调制器（6）是由两个光纤四分之一波片（17、18）之间连接一个法拉第旋转器（19）构成。
4.  一种慢光萨格奈克非互易干涉型光纤磁场传感器，包括宽带光源（1）、光隔离器（2）、3dB单模光纤耦合器（3）、偏振分/合波器（14）、非互易相位调制器（6）、保偏传输光缆（7）、磁光光子晶体磁场传感头（13）、第一、第二两个光电探测器（15、16）和信号处理单元（12），其特征在于所述宽带光源（1）通过光隔离器（2）后与3dB单模光纤耦合器（3）相连，3dB单模光纤耦合器（3）的一个正向端口与所述偏振分/合/波器（14）相连后，偏振分/合/波器（14）的另一端与非互易相位调制器（6）的输入保偏光纤成45°焊接（5），非互易相位调制器（6）的输出通过保偏传输光缆（7）进入磁光光子晶体磁场传感头（13）；所述磁光光子晶体磁场传感头（13）由一个四分之一波片（8）经一个磁光光子晶体（9）连接一个反射镜（10）构成；所述3dB单模光纤耦合器（3）的另一端口连接到第一光电探测器（15），偏振分/合波器（10）的另一端口连接到第二光电探测器（16），第一、第二两个探测器（15、16）的信号同时送入信号处理单元（12）进行处理。
5.  根据权利要求4所述的慢光萨格奈克非互易干涉型光纤磁场传感器，其特征在于所述磁光光子晶体（9）是由磁光介质或磁光介质和非磁光介质间隔的周期性排列构成的。
6.  根据权利要求4所述的慢光萨格奈克非互易干涉型光纤磁场传感器，其特征在于所述非互易相位调制器（6）是由两个光纤四分之一波片（17、18）之间连接一个法拉第旋转器（19）构成。
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