CN105953724A - 一种双通道可调马赫-曾德干涉仪 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种双通道可调马赫‑曾德干涉仪，包括第一光纤耦合器、第二光纤耦合器、连接第一耦合器和第二耦合器的第一单模光纤和第二单模光纤、光隔离器，所述第一单模光纤和第二单模光纤构成所述干涉仪的两干涉臂，所述第一单模光纤上设置有电动光纤延迟线，第二单模光纤上设置有偏振控制器，所述光隔离器连接所述第二光纤耦合器。

Description

一种双通道可调马赫-曾德干涉仪

技术领域

本发明涉及光纤通信技术领域，具体涉及一种双通道可调M-Z干涉仪。

背景技术

相对于传统的光纤光栅准分布式传感技术，长距离分布式光纤传感技术能够对环境参数进行连续测量。基于布里渊散射分布式传感技术的优势在于能够同时测量温度和应变，又具有空间分辨率高、精度高和测量距离远等优势，因此应用前景更为广泛。

基于光纤布里渊散射分布式传感技术主要有布里渊光时域反射(BOTDR)和布里渊光时域分析(BOTDA)两种结构。BOTDA传感技术是在传感光纤的两端分别注入相对传播的脉冲泵浦光和连续探测信号光，来增强布里渊散射。建立在受激布里渊散射基础上的BOTDA，具有信号强度高和良好的空间分辨率的特点，但是由于需要在传感光纤两端输入相对传输光，导致其结构复杂，增加了工程应用难度和故障率；并且由于BOTDA***中存在非本地效应，限制了其测量精度和传感距离的提高。

基于BOTDR的分布式光纤传感测试技术能够实现高的空间分辨率、长距离监控及单端测量。作为BOTDR***的关键技术之一，对微弱的布里渊散射信号进行检测主要有直接检测技术和相干检测两种方法。其中相干检测技术包括基于声光移频的相干检测技术、基于电光调制器的BOTDR相干检测技术及BOTDR微波外差检测技术。

直接检测技术是通过各种光学滤波方法提取布里渊散射光信号，常用的方法有F-P干涉仪及M-Z干涉仪(Mach-Zehnder Interferometer，MZI)。由于F-P干涉仪的自由光谱范围窄，因此调节范围有限并且测量精度不高；而马赫-曾德干涉仪具有***损耗小、结构简单、性价比高等特点，可以有效抑制地分离并提取自发布里渊散射光信号。而由于单通道M-Z干涉仪的消光比较低，很难将背向散射光中的自发布里渊散射光和瑞利散射光理想分离。残余的瑞利散射光将会使得对自发布里渊散射光的测量产生误差，从而影响整个光纤传感***的性能。

因此，需要一种能够分离提取传感光纤的背向散射光中的自发布里渊散射光装置。

发明内容

本发明的目的一方面在于提供一种双通道可调马赫-曾德干涉仪，包括第一光纤耦合器、第二光纤耦合器、连接第一耦合器和第二耦合器的第一单模光纤和第二单模光纤、光隔离器，所述第一单模光纤和第二单模光纤构成所述干涉仪的两干涉臂，所述第一单模光纤上设置有电动光纤延迟线，第二单模光纤上设置有偏振控制器，所述光隔离器连接所述第二光纤耦合器。

优选地，所述电动光纤延迟线的调节范围为0-330ps，最小步进间隔为0.05ps。

优选地，所述第一光纤耦合器、第二光纤耦合器为3dB耦合器。

本发明的目的另一方面在于提供一种包括如权利要求1所述的双通道可调马赫-曾德干涉仪的BOTDR***，包括：激光器、声光调制器、脉冲信号发生器、掺铒光纤放大器、第一光环形器、光纤布拉格光栅、第二光环形器、传感光纤、第一光隔离器、双通道马赫-曾德干涉仪、光电探测器、放大电路和示波器，其中，所述激光器、声光调制器、掺铒光纤放大器、第一光环形器、第二光环形器、传感光纤、第一光隔离器依次连接，脉冲信号发生器连接声光调制器，光纤布拉格光栅连接第一光环形器，双通道马赫-曾德干涉仪的输入端连接第二光环形器，输出端依次连接光电探测器、放大电路和示波器。

优选地，所述激光器为波长1550nm的DFB激光器。

优选地，所述传感光纤为长度为4.8km的普通单模光纤。

应当理解，前述大体的描述和后续详尽的描述均为示例性说明和解释，并不应当用作对本发明所要求保护内容的限制。

附图说明

参考随附的附图，本发明更多的目的、功能和优点将通过本发明实施方式的如下描述得以阐明，其中：

图1为单通道马赫-曾德干涉仪的结构示意图。

图2为根据本发明的双通道可调马赫-曾德干涉仪的结构示意图。

图3为不同延时时间的双通道可调马赫-曾德干涉仪输出光谱。

图4为基于双通道马赫-曾德干涉仪的BOTDR***结构图。

图5为传感光纤背向散射光光谱图。

图6为背向散射光经双通道M-Z干涉仪滤波后的光谱图。

具体实施方式

图1为单通道马赫-曾德干涉仪的结构示意图。单通道全光纤马赫-曾德干涉仪100的结构如图1所示，包括：第一光纤耦合器C₁、第二光纤耦合器C₂，以及连接第一耦合器和第二耦合器的第一单模光纤和第二单模光纤，其中第一单模光纤和第二单模光纤构成干涉仪100的两干涉臂，通常称其中一个为参考臂，另一个为信号臂。光场为E₁、E₂的入射光分别从第一耦合器C₁端口1、2注入到马赫-曾德干涉仪100中，经C₁分光后在长度为L₁和L₂的的第一单模光纤和第二单模光纤中传输，由于两干涉臂的光学长度不等，两束光传输至第二耦合器C₂处就形成了一定的相位差产生干涉并经过第二耦合器C₂的端口3、4输出，形成光场为E₃和E₄的干涉光。干涉光是具有规律的梳状透射谱，故又称为马赫-曾德干涉仪梳状滤波器。

整个单通道M-Z干涉仪的整体传输矩阵M_MZ为：

M_MZ＝M(C₁)*J_F*M(C₂) (1)

其中M(C₁)、M(C₂)分别为耦合器C₁、C₂的传输矩阵，J_F为干涉臂的传输矩阵。

当两个光纤耦合器C₁、C₂都为标准3dB耦合器时，其传输矩阵如公式：

$\begin{array}{c}M\left(C_1\right)=M\left(C_2\right)\\ =2^{-1/2}\left[\begin{array}{cc}1& \exp (-i\mathrm{\π}/2)\\ \exp (-i\mathrm{\π}/2)& 1\end{array}\right]\end{array}---\left(2\right)$

当输入光场E_in只有E₁时，即E₂＝0且组成干涉仪两臂的光纤为同种材料的光纤时，可以得到干涉仪输出端口的传输函数为：

代表两干涉臂的传输相位差，λ是输入光的波长。可进一步推导出马赫-曾德干涉仪输出透射谱中相邻两峰值波长间的波长间隔Δλ为：

$\mathrm{\Δ}\mathrm{\λ}=\frac{{\mathrm{\λ}}^2}{n\mathrm{\Δ}L}=\frac{{\mathrm{\λ}}^2}{n\left|L_1-L_2\right|}---\left(4\right)$

单通道M-Z干涉仪的消光比较低，很难将背向散射光中的自发布里渊散射光和瑞利散射光理想分离。残余的瑞利散射光将会使得对自发布里渊散射光的测量产生误差，从而影响整个光纤传感***的性能。

图2为根据本发明的双通道可调马赫-曾德干涉仪，所述双通道可调马赫-曾德干涉仪200包括：第一光纤耦合器201、第二光纤耦合器202，连接第一耦合器201和第二耦合器202的第一单模光纤203和第二单模光纤204和光隔离器205，其中第一单模光纤和第二单模光纤构成干涉仪200的两干涉臂，其中第一单模光纤203上设置有电动光纤延迟线206，第二单模光纤204上设置有偏振控制器207，如图2所示。电动光纤延迟线206延迟时间调节范围大，具有精细调节的功能。将电动光纤延迟线代替传统的压电陶瓷构造双通道M-Z干涉仪中的信号臂，用于改变M-Z干涉仪其中一臂的延迟时间t，从而导致M-Z干涉仪两臂之间产生了延迟时间差Δt，等效于两臂长度差ΔL发生了改变。而传统的双通道M-Z干涉仪需要将其中一臂在压电陶瓷上缠绕多圈或者直接粘贴在压电陶瓷上，且需要抗拉光纤。偏振控制器207(polarization controller，PC)用于调节干涉仪其中一臂的偏振态，使得M-Z干涉仪获得较高的消光比并提高其稳定性。

当马赫-曾德干涉仪两臂的长度差ΔL满足如下关系时

ΔL＝c/(2nυ_B) (5)

c是真空中的光速，n是介质的折射率，υ_B是布里渊频移。可以从被测光纤的背向散射光中，将自发布里渊散射和瑞利散射分离。而干涉仪的两臂延迟时间t与两臂长度差ΔL的关系如下：

$\frac{tc}{n}=\mathrm{\Δ}L---\left(6\right)$

由公式(5)和(6)可得：

$t=\frac{1}{2{\mathrm{\υ}}_B}---\left(7\right)$

通过改变干涉仪其中一臂的延迟时间，使得干涉仪两臂间的延迟时间t与布里渊频移υ_B满足公式(7)的关系时，能够实现将自发布里渊散射光和瑞利散射光信号的分离。

将C波段宽带光源(ASE)接入如图2所示的双通道可调M-Z干涉仪的输入端。调节光纤延迟线206的延迟时间，并记录其输出光谱图(光谱仪的最小分辨率为0.02nm)。图3中自上而下分别为延时时间设置在150ps、160ps、170ps、180ps及190ps时，干涉仪输出的光谱。由图3可知，随着干涉仪其中一臂的延迟时间不断增加，即相当于两臂长度差ΔL不断增大时，输出光谱相邻峰值波长间隔逐渐减小，由0.62nm变化到0.15nm，而干涉仪的消光比也逐渐降低，由24dB降低至16dB。由于干涉仪中使用的可调电动光纤延迟线的调节范围为0～330ps，最小步进间隔为0.05ps，因此可以实现大范围及高精度的滤波调节功能。

根据本发明的基于双通道马赫-曾德干涉仪用于BOTDR***由下述具体实施例进行详述。

首先搭建如图4的光路结构，图4为基于双通道马赫-曾德干涉仪的BOTDR***结构图。基于双通道马赫-曾德干涉仪的BOTDR***400包括：激光器401、声光调制器402、脉冲信号发生器403、掺铒光纤放大器404、第一光环形器405、光纤布拉格光栅406、第二光环形器407、传感光纤408、第一光隔离器409、双通道马赫-曾德干涉仪200、光电探测器410、放大电路411和示波器412。其中，激光器401、声光调制器402、掺铒光纤放大器404、第一光环形器405、第二光环形器407、传感光纤408、第一光隔离器409依次连接，脉冲信号发生器403连接声光调制器402，光纤布拉格光栅406连接第一光环形器405。双通道马赫-曾德干涉仪200的输入端连接第二光环形器405，输出端依次连接光电探测器410、放大电路411和示波器412。

首先，波长1550nm DFB激光器401发出的连续光，声光调制器(AOM)402将波长1550nmDFB激光器发出的连续光调制成相应脉宽及重复频率的脉冲光，例如宽度为100ns(对应的空间分辨率为10m)重复频率为20kHz的脉冲光，脉冲信号发生器403设置成具有特定的脉冲宽度和重复频率电脉冲信号，作用于声光调制器高频驱动器402。脉冲光通过掺铒光纤放大器(EDFA)404进行放大。放大后的脉冲信号通过一个由第一环形器405和反射波长为1550nm的光纤布拉格光栅(FBG)406组成的滤波器，该滤波器能够将经过EDFA放大产生的大部分自发辐射光噪声滤除，从而抑制对布里渊散射信号的干扰。滤除大部分自发辐射噪声后，经滤波后的脉冲光信号通过第二光环形器407的端口2，注入到传感光纤。传感光纤为长度为4.8km的普通单模光纤。为了排除传感光纤末端产生反射光的干扰，在传感光纤的末端连接了第一光隔离器409。第二光环形器407连接双通道马赫-曾德干涉仪200的第一光纤耦合器201(如图2所示)。脉冲信号光在传感光纤中传输会产生背向散射光，这些背向散射光经第二光环形器407的端口3进入双通道马赫-曾德干涉仪。背向散射光进入双通道马赫-曾德干涉仪以后，通过调节电动光纤延迟线的延迟时间，等效于改变M-Z干涉仪两臂之间的光程差，使自发布里渊散射光从瑞利散射光中分离并提取出来。再经过光电探测器410将其转换成电信号。其输出的电信号较弱，经放大电路411放大后，通过示波器413进行信号显示，得到布里渊散射功率的时域信号波形。

为了消除瑞利散光的干扰，将背向散射光经第二光环形器407的端口3入射到双通马赫-曾德干涉仪200。调节M-Z干涉仪中电动光纤延迟线的延迟时间，观察光谱仪的输出光谱。如图6所示，经M-Z干涉仪滤波以后，布里渊散射光的波长为1550.16nm，光强为-48.24dBm；瑞利散射光波长为1550.03nm，光强为-58.36dBm。经过滤波以后，布里渊散射光的光强比瑞利散射光强高约10dB。对比通过M-Z干涉仪前后的光谱图5和图6，瑞利散射的光强由滤波前的-34.5dBm降低到滤波后的-58.36dBm，M-Z干涉仪对瑞利散射光的抑制为23.86dB，有效地抑制了背向散射光中的瑞利散射光，将布里渊散射光从背向散射光中分离出来，用于后续的信号处理。

当EDFA的泵浦电流为240mA时，第二光环形器407的端口3输出背向散射光光谱如图5所示，可见中间的瑞利散光峰值波长为1550.03nm，光强为-34.5dBm；其右侧的布里渊斯托克斯光峰值波长为1550.16nm，光强为-45.3dBm，两者的波长差为0.09nm，瑞利散射光强度相对布里渊斯托克斯光强度高约11dB。

本发明设计了基于电动光纤延迟线的双通道可调马赫-曾德干涉仪，通过改变干涉仪中的可调电动光纤延迟线的延迟时间,调谐滤波谱的周期，用于分离提取传感光纤的背向散射光中的自发布里渊散射光。由于传统的双通道M-Z干涉仪需要将其中一臂在压电陶瓷上缠绕多圈或者直接粘贴在压电陶瓷上，且需要抗拉光纤。使用电动光纤延迟线代替传统的压电陶瓷构造双通道M-Z干涉仪中的信号臂，具有延迟时间调节范围大，精细调节等功能。

相对于BOTDR相干检测技术，该马赫-曾德干涉仪具有结构简单、低成本等特点。本发明用C波段宽带光源对其进行了消光比及可调性测试，实验结果表明该干涉仪能够实现大范围高精度可调节滤波功能。使用其对5km的普通单模光纤中的背向散射光进行了滤波，获得了对瑞利散射光抑制超过20dB的效果。结果表明，该结构M-Z干涉仪不仅可以实现对自发布里渊散射光信号的提取，并用于后续的检测处理而且能够实现大范围高精度可调节滤波功能，对瑞利散射光的抑制超过20dB，可以有效地将背向散射光中的布里渊散射光信号分离提取出来。

结合这里披露的本发明的说明和实践，本发明的其他实施例对于本领域技术人员都是易于想到和理解的。说明和实施例仅被认为是示例性的，本发明的真正范围和主旨均由权利要求所限定。

Claims (6)

1.一种双通道可调马赫-曾德干涉仪，包括第一光纤耦合器、第二光纤耦合器、连接第一耦合器和第二耦合器的第一单模光纤和第二单模光纤、光隔离器，所述第一单模光纤和第二单模光纤构成所述干涉仪的两干涉臂，所述第一单模光纤上设置有电动光纤延迟线，第二单模光纤上设置有偏振控制器，所述光隔离器连接所述第二光纤耦合器。

2.如权利要求1所述的干涉仪，其中所述电动光纤延迟线的调节范围为0-330ps，最小步进间隔为0.05ps。

3.如权利要求1所述的干涉仪，其中所述第一光纤耦合器、第二光纤耦合器为3dB耦合器。

4.一种包括如权利要求1所述的双通道可调马赫-曾德干涉仪的BOTDR***，包括：激光器、声光调制器、脉冲信号发生器、掺铒光纤放大器、第一光环形器、光纤布拉格光栅、第二光环形器、传感光纤、第一光隔离器、双通道马赫-曾德干涉仪、光电探测器、放大电路和示波器，

其中，所述激光器、声光调制器、掺铒光纤放大器、第一光环形器、第二光环形器、传感光纤、第一光隔离器依次连接，脉冲信号发生器连接声光调制器，光纤布拉格光栅连接第一光环形器，双通道马赫-曾德干涉仪的输入端连接第二光环形器，输出端依次连接光电探测器、放大电路和示波器。

5.如权利要求4所述的干涉仪，其中所述激光器为波长1550nm的DFB激光器。

6.如权利要求1所述的干涉仪，其中所述传感光纤为长度为4.8km的普通单模光纤。