CN112740086A - 干涉型光纤传感器 - Google Patents

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Abstract

一种干涉型光纤传感器包括：限定光路的光纤，该光路被配置为经由其中使光纤能暴露于修改第一光波的刺激的环境传播第一光波，并且传播第二光波，并将第一光波与第二光波组合以产生包含关于刺激的信息的干涉信号，其中，传播第一光波和第二光波中的任一者或二者的光纤包括空心芯光纤，该空心芯光纤被配置为通过反谐振光引导效应来传播一个光波或多个光波。

Description

干涉型光纤传感器
技术领域
本发明涉及干涉型光纤传感器。
背景技术
基于光纤的一类光学传感器是光纤干涉仪或干涉型光纤传感器。在干涉仪中，可以是例如旋转、移动、压力、温度或应变的感兴趣参数(被测变量)被编码在感测光信号或波中，其通过将所期望的被测变量转换为该波的相位延迟或频移来进行。感测光波与参考光波相组合，以获得其强度与被测变量成某个比例的干涉信号。因此，可以从干涉信号推断出被测变量的大小或变化。光纤干涉仪是将感测波和参考波中的一者或二者在光纤(波导)中运送的干涉仪。示例包括光纤迈克尔逊(Michelson)干涉仪和光纤马赫曾德尔(Mach-Zehnder)干涉仪，其中感测波经历被测变量(扰动相位和/或频率)而参考波经历的程度较小或者根本没有。其它示例包括基于光纤环路的干涉仪，其中感测波和参考波在相反的方向上通过光纤环路传播，因此以对于两个反向传播的波相反地(差异地)发生频率扰动的相位的方式经历被测变量。这类光纤环路型干涉仪包括诸如干涉型光纤陀螺仪(IFOG)和谐振型光纤陀螺仪(RFOG)之类的利用萨格纳克(Sagnac)效应的光纤环路型干涉仪，在该光纤环路型干涉仪中，光纤环路的角旋转包括被测变量，并且光纤本身既充当换能器又充当波导。
包括基于光纤的设备的干涉仪的共同特征是，根据从受干扰的感测光波和参考光波检测到的相位或频率差来推断感测到的参数。最终干涉信号中包括由除了被测变量之外的因素在任一波中引起的任何相位或频率扰动，从而产生了不能轻易与被测变量的效应区分开的杂散效应(spurious effect)。除了这种不希望的相位和频率缺陷之外，光纤干涉仪还受到来自尚未横过感测波和参考波的预期路径的光波的干涉效应，并因此具有错误的干涉相位。例如，来自光路中所包括的诸如光纤耦合器之类的部件的小反射形成可以产生杂散干涉信号的其它光波，从而限制了干涉仪的性能。类似地，将以不同的干涉延迟在光纤中传播的任何更高阶空间模态的干涉都可产生所谓的多径干涉，从而降低传感器的精度和稳定性。
常规地，使用实心单模石英光纤来实现光纤干涉仪。这是一种发达的光纤类型，可商购获得，其有益的特性包括低损耗和高模态纯度，这使得干涉仪能够具有与信号损耗和多路径干涉关联的减小的误差。然而，光纤中引导的光模式必定在光纤的玻璃芯内大量传播，使得由实心芯制成的干涉仪受到经由玻璃介质中的不希望的环境效应(诸如热-光效应和法拉第效应)以及光学模场与它在其中传播的玻璃之间的非线性光学相互作用所引起的误差。
为了抑制与热-光效应相关联的误差，已建议使用空心芯光子带隙光纤(HCPBF)来运送感测光波[1，2]。HCPBF具有被由包层包围的中央填充空气的空心芯，该包层由许多毛细管的紧密堆积阵列形成，这些毛细管具有为包层赋予光子晶体特性的周期性。空心芯意味着在传播的光模式与包层的玻璃结构之间只有少量的重叠，从而与实心芯光纤相比，使非线性相互作用的趋势降低。US 7,911,620[1]描述了一种用HCPBF感测光纤实现的IFOG，其具有降低的热相位灵敏度和超温性能的相应改善。US 7,180,598[2]类似地描述了使用HCPBF作为IFOG感测线圈，并断言由于热相位常数低而减小了环境误差并抑制了与随机热相位误差和克尔(Kerr)效应相关的噪声和不稳定性机理。然而，虽然HCPBF在衰减热和非线性光学效应方面提供了一些益处，但这种光纤类型遭遇了光纤干涉仪所不期望的效应，包括高阶模耦合和波长相关衰减，其可以引入在实心芯光纤传感器中不存在的其它杂散信号。US 7,751,055[8]描述了在RFOG中使用空心芯光纤的其它示例，该RFOG结合了其中保持了循环光束的偏振状态的再循环器设备。
因此，在光纤干涉仪的设计上有改进以实现增强性能的余地。
发明内容
在所附权利要求书中阐述了一些方面和实施例。
根据本文中描述的某些实施例的第一方面，提供了一种干涉型光纤传感器，该干涉型光纤传感器包括：限定光路的光纤，该光路被配置为经由使光纤能够暴露于修改第一光波的刺激的环境传播第一光波，并且传播第二光波，并将第一光波与第二光波组合以产生包含关于该刺激的信息的干涉信号，其中，传播第一光波和第二光波中的任一者或二者的光纤包括空心芯光纤，其被配置为通过反谐振光引导效应来传播一个所述多个该光波。
根据本文中描述的某些实施例的第二方面，提供了一种感测刺激的方法，该方法包括：在光纤中传播一个波长处的光的第一光波和该波长处的第二光波；使传播第一光波的光纤暴露于修改第一光波的刺激；组合第一光波与第二光波，使得该波干涉；以及检测组合的第一光波和第二光波以获得包含关于刺激的信息的干涉信号；其中，第一光波和第二光波中的任一者或二者在空心芯光纤中传播，其被配置为通过反谐振光引导效应在该波长处传播光。
在所附的独立权利要求和从属权利要求中阐述了某些实施例的这些方面和其它方面。将理解的是，从属权利要求的特征可以彼此组合，并且独立权利要求的特征可以以除了权利要求中明确阐述的那些之外的组合来组合。此外，本文描述的方法不限于诸如以下阐述的特定实施例，而是包括并料想到本文呈现的特征的任何适当组合。例如，可以按照本文描述的方法提供适当地包括以下描述的各种特征中的任一个或多个的装置和方法。
附图说明
为了更好地理解本发明并且例如参照附图来示出可以如何实践本发明，在附图中：
图1示出了空心芯光子带隙光纤的示例的剖视图；
图2A、图2B、图2C和图2D示出了适于用在本公开的实施例中的反谐振空心芯光纤示例的剖视图；
图3示出了两个反谐振空心芯光纤与空心芯光子带隙光纤和实心芯偏振保持光纤相比的h参数随光纤环路直径变化的曲线图以及这三个空心芯光纤的截面图像；
图4A和图4B分别示出了反谐振空心芯光纤和空心芯光子带隙光纤的在温度变化期间的有效h参数随时间变化的曲线图；
图5示出了两个反谐振空心芯光纤的拍长随光纤环路直径的变化的曲线图；
图6示出了根据实施例的示例性光纤迈克尔逊干涉仪的示意图；
图7示出了根据实施例的被配置用于光学相干层析成像的示例性光纤干涉仪的示意图；
图8示出了根据实施例的示例性光纤马赫曾德尔干涉仪的示意图；
图9示出了根据实施例的示例性光纤环形镜型的光纤干涉仪的示意图；
图10示出了根据实施例的示例干涉光纤陀螺仪的示意图；以及
图11示出了根据实施例的示例性谐振光纤陀螺仪的示意图。
具体实施方式
本文讨论/描述了某些示例和实施例的方面和特征。某些示例和实施例的某些方面和特征可以被常规地实现，并且为了简洁起见，没有详细地讨论/描述这些方面和特征。因此，将理解的是，可以按照用于实现这样的方面和特征的任何常规技术来实现没有详细描述的本文讨论的装置和方法的方面和特征。
本公开提出了空心芯反谐振光纤(ARF)在光纤干涉仪中的使用。发明人已经发现，与在光纤技术领域中的关于偏振保持的普遍接受的知识相反，ARF在保持线性偏振传播的光场的偏振状态方面表现出优异的性能。这使得它们非常适于用在光纤干涉仪中，这是一个令人惊讶的结果，因为标准ARF设计缺少通常被理解是良好偏振保持性能所必需的特征。这些光纤还具有可用于高效准确的干涉测量操作的一系列其它特性。
传播光波的偏振状态的管理是应该考虑的干涉仪的重要设计参数，并且可以是确定整体传感器精度和稳定性的关键因素。确实，干涉型传感器由于其在传感器性能和行为方面的突出作用，经常被按其偏振管理架构进行分类。为了使所期望的干涉信号最大化，到达干涉仪检测器处的感测光波和参考光波应该具有相同的偏振状态。为了实现此，应该在构成传感器的整个光路中仔细管理在传感器中传播的光的偏振状态。对于精度较低的光纤干涉仪，一种常见的设计策略是采用生成感测波和参考波的非偏振光源以及没有偏振相关部件和光纤的用于波传播的光路。在这种情形下，干涉信号表示由各独立的偏振状态引起的受干涉强度项的总和。然而，为了确保在检测器处稳定的干涉对比，该方法有效地对偏振相关损耗和光路中各元件的双折射率提出了要求，这些参数对于标准的光纤和部件而言可能是难以控制的。
因此，用于更高精度干涉仪的优选方法是沿着光路采用偏振光源和/或偏振元件，由此确保***检测器处的至少一种偏振状态的最大干涉对比。这样的传感器需要用偏振保持(PM)光纤来分离偏振模，并相对于分布在整个光路中的偏振和/或双折射分量保持其对准。然而，光纤内的偏振模的这种分离产生了另外的传感器误差源，因为PM光纤中的小缺陷会造成沿着光路长度分布的偏振模之间有不希望的耦合。通过PM光纤的“h参数”(保持参数)来描述这种耦合的大小以及因此的传感器中许多偏振状态相关误差的大小。h参数是被定义为光功率的分数的量，该光功率在通过光纤的每米传播长度的偏振模之间耦合。较低h参数指示较少的耦合量和对应的更好偏振保持，这样可提供更好的干涉仪性能。
常规上用于光纤干涉仪的实心芯光纤可以被格式化为PM光纤。光纤的实心玻璃芯中的双折射率(两个正交偏振模所经历的有效折射率n的差值Δn)将基本引导光模式分成其正交偏振分量，这些偏振分量接着以不同的速度传播。为了在光芯中产生双折射，这些光纤要么使用光纤包层中的应力构件以经由应力-光效应产生双折射，要么使用不对称的纤芯几何形状产生直接的空间(形式)双折射。在光纤的横向截面结构中的两个正交轴线之间引入不对称性(诸如，用椭圆形包层取代圆形包层)，其目的是形成本征双折射，其大小大于可能因沿着光纤的扰动引入的任何其它双折射，并确保在一个偏振轴线上射入到光纤中的光保留在该轴线上，而使进入正交轴线的泄漏最少。这些特征在分离偏振模方面最有效，并且高性能的PM实心芯光纤通常被指定为具有小于1×10-5m-1(10ppm/m)的h参数值。然而，将结构特征引入光纤截面中以产生双折射还可以产生传播光功率的衰减的不期望的增加以及光纤的模态特性的劣化，并且还可以约束光纤的其它设计参数。此外，在实心芯光纤中，需要大小相对大的双折射来克服偏振模之间的随机耦合，该随机耦合是由于沿着光纤长度的随机几何或热扰动而发生的。实心芯PM光纤的双折射通常在Δn≈1×10-4至1×10-3的范围内。双折射经常反过来被表示为“拍长”，其被定义为光纤的长度LB，在该长度LB上两种线性偏振模相对于彼此延迟了单个波长λ，使得LB＝λ/Δn。运送1550nm波长的光的实心芯PM光纤会需要低至2至4mm的拍长，以便实现低于1×10-5m-1的h参数值，其为许多传感器应用所需的极限。因此，可能难以制造用于光纤干涉仪的实心芯PM光纤。除此之外，还有诸如在这些光纤的实心玻璃芯中引起的非线性相互作用和反向散射之类的其它缺点。
实心芯光纤的替代方式是空心芯光纤，在空心芯光纤中，光引导芯包括被包层包围的中央空隙(通常填充有空气，而且可替代地填充有其它气体或真空)，所述包层包括沿着光纤长度延伸的纵向毛细管的结构化布置。与实心芯光纤相比，因不存在玻璃芯，在玻璃中传播的引导光波的比例降低。因此，光波经历减弱的非线性效应，这表明空心芯光纤可以用于避免在实心芯光纤干涉型传感器中发生的杂散干涉效应。
空心芯光纤可以根据其光引导机理进行分类，其中两种类型是空心芯光子带隙光纤(HCPBF，可替代地空心芯光子晶体光纤HCPCF)和反谐振空心芯光纤(AR-HCF或ARF)。
图1示出了示例HCPBF的剖视图。在这种光纤类型中，包层1包括许多小玻璃毛细管的规则紧密堆积的阵列，在该阵列中排除了中央的组以限定基本上圆形的空心芯2。包层的毛细管结构的周期性提供了周期性结构化的折射率，因此提供了将传播的光波朝向芯约束的光子带隙效应。这些光纤可以用被排除在制造芯2之外的包层毛细管或“单元”的数量来描述。在图1的示例中，阵列中的中央19个单元不存在于芯区域中，从而使其成为19个单元的芯HCPBF。包层1由包围芯2的六个单元环加上第七个环中的一些单元形成，以改善包层外表面的圆度。保护性外护套3包围包层1。
空心芯光子带隙光纤已被提议用于IFOG干涉仪[1，2]，但由于这种光纤类型的偏振保持性能差，这种设备的性能可能并不令人满意。如上所述，偏振保持是良好的光纤干涉仪性能的关键因素。然而，在HCPBF中，由于空气-玻璃界面处的不规则性以及可以充当偏振模耦合的中间状态的表面模态的存在，偏振状态可以随着其沿着光纤传播而显著变化。因此，没有很好地保持传播波的偏振状态，并且干涉仪的检测器处的干涉对比减弱。为了保留HCPBF中的偏振状态，可以将几何特征引入光纤的包层中，以便形成结构不对称性。例如，可以沿着优选轴线***质量比芯周围高出几分之一的玻璃节点，以提供被设计用于产生双折射的不对称性，从而分离偏振模并形成PM HCPBF[3]。然而，这样的特征总是加剧了衰减和模态杂质，因此，HCPBF中的空气引导的传感器性能益处可能被伴随偏振引导几何特征的模态干扰和减小的带宽的有害影响盖过。如同实心芯光纤一样，需要大小相对大的双折射率来有效分离HCPBF中的偏振模并防止偏振模耦合。此外，在PM HCPBF中产生足够大的双折射所需的设计特征可以使两种线性偏振模之一严重衰减，这对于在依赖于两种偏振模的检测的干涉仪中使用这种类型的光纤而言是不利的。
与HCPBF相比，反谐振空心芯光纤通过反谐振光引导效应来引导光。ARF的包层具有更简单的配置，与HCPBF相比，它包含的玻璃毛细管或管的数量少得多，以提供缺乏任何高度周期性的结构，使得光子带隙效应不明显。确切地，提供反谐振用于传播未与包层毛细管的壁厚度谐振的波长，换句话说，用于由包层毛细管壁厚度限定的反谐振窗口中的波长。包层毛细管包围中央的空隙或空腔，该中央的空隙或空腔提供了光纤的空心芯并能够支持由空气引导的光模式。包层还可以支持能够主要在毛细管内部、在毛细管壁的玻璃中或者在包层毛细管与光纤的外护套层之间的空间或间隙中传播的包层模式。由与传播的光的波长反谐振的毛细管壁厚度所提供的反谐振起到抑制基本芯模式与任何包层模式之间耦合的作用，使得光被约束于芯并且可以非常低的损耗传播。
图2A示出了示例简单的反谐振空心芯光纤的横向截面图。光纤10具有外管护套12。多个管状包层毛细管14(在该示例中，七个具有相同截面大小和形状的毛细管)成环路地布置在护套12内部，使得各包层毛细管14的纵向轴线与护套12的纵向轴线基本上平行。包层毛细管14限定了沿着光纤的长度连续延伸的细长孔、单元、腔或空腔。包层毛细管14各自在位置16处与护套12的内表面接触(接合)，使得包层毛细管14围绕护套12的内圆周均匀地间隔开，并且也彼此间隔开(邻近的毛细管之间没有接触)。在ARF的某些设计中，包层管14可以彼此接触地设置(换句话说，如图2A中没有间隔开)，但消除这种接触的间隔使光纤的光学性能提高。间隔s去除了在相邻管之间的接触点处引起的并往往会造成导致高损耗的不期望谐振的光节点。因此，具有间隔开的包层毛细管的光纤可以被称为“无节点”反谐振空心芯光纤。
包层毛细管14围绕护套12内部的成环路的布置在光纤10内形成了中央的空间、空腔或空隙，其纵向轴线平行于护套和毛细管的纵向轴线，其是光纤的空心芯18，也沿着光纤的长度连续地延伸。芯18由包层毛细管的外表面的面向内部分限定界限。这是芯边界，构成该边界的毛细管壁的材料(例如，玻璃或聚合物)提供了所需的反谐振光引导效应或机理。
芯边界处的毛细管壁具有厚度t。芯边界可以被认为是包围芯18的玻璃(或其它材料)隔膜(根据相邻毛细管14是否接触，可以是连续的或者可以不是连续的)，其中，t是隔膜厚度。在该示例中，所有毛细管都具有基本相同的厚度，为此可取平均值以确定t的值。对于通过反谐振光引导效应在光纤芯18中引导的光的波长λ(引导光模式或光波)，厚度t落入以下范围内
Figure BDA0002970981850000091
其中，n是玻璃壁或隔膜的折射率，并且m＝0、1、2…相应地，反谐振光引导的波长λ位于第m+1个反谐振窗口内。芯边界处的这种反谐振将传播芯模式约束在空心的中央芯区域中。换句话说，厚度t和折射率n可以被选定为适应所期望的工作波长λ，工作波长λ处于光纤的高损耗谐振波长之间并因此处于反谐振，因为用于在空心芯中传播该波长的空气模式不是与用于在毛细管壁中传播波长的玻璃模式匹配的相位。对于谐振波长，存在这种相位匹配并且损耗高。对于操作波长，毛细管的玻璃中的传播是反谐振的，并且毛细管内外表面处的两个玻璃-空气界面中的至少一个上的电磁场被最小化；因此，反谐振波长损耗低并能够成功地沿着空心芯被波引导。关于ARF中的反谐振波导机理及其与HCPBF中的光子带隙波引导机理的差别的更多信息可以见于[4]。
可用的是，厚度t(如果隔膜厚度的平均值)具有小于50％的标准偏差。
注意的是，芯18的有效截面面积大于单个包层毛细管的截面面积。对于典型的工作波长和光纤尺寸，芯18可以具有在引导波长的10至50倍的范围内的有效直径(被定义为芯的有效横向截面面积的平方根)。
包层毛细管的环路形成芯边界，该芯边界的形状包括一系列相邻的向内弯曲表面(即，从芯的角度看是凸形的)。这与实心芯光纤中的芯-包层界面的常见向外曲率以及HCPBF的大致圆形芯边界(参见图1)形成对比。因此，反谐振空心芯光纤可以被描述为负曲率光纤。在数学上，这可以被定义为相反地指向径向单位矢量(沿着光纤的横向截面半径的矢量)的芯边界的表面法线矢量。芯边界的负曲率(凸形形状)也抑制了基本芯模式和任何包层模式之间的耦合。负曲率反谐振空心芯光纤具有由凸形隔膜或壁(通常为玻璃)形成的芯边界，该凸形隔膜或壁的厚度与所引导的光波长反谐振。
图2A仅示出了ARF的一个示例。如本文中描述的，可以使用许多其它可能的ARF结构来实现干涉型传感器。
图2B示出了第二示例ARF的横向截面图。ARF包括包围护套12的内表面并包围芯18均匀地间隔开的六个包层毛细管14。各包层毛细管14具有第二级的较小毛细管20，第二级的较小毛细管20被嵌入其内部，接合到包层毛细管的内表面，在该示例中，接合到与主毛细管14与护套12的接合点相同的方位位置16处。这些另外的较小毛细管20可以减少光损耗。另外更小的第三级的毛细管也可以被嵌套在第二级的毛细管内。带有第二级毛细管且可选地还带有更小毛细管的这种类型的ARF设计可以被称为“嵌套型反谐振无节点光纤”或NANF。
可能有许多其它配置。毛细管不需要具有圆形截面。通过用非圆形管状部件或者利用在光纤制造过程期间触摸部件从而将这些部件拉成不同形状的表面张力来在成品光纤中实现非圆形的毛细管形状。在图3中可以看到这样的示例，其包括所谓的莲花形光纤的图像，其中，与较小圆形管交替并接触的初始圆形毛细管的环路在光纤被拉制期间全都变形为花瓣状形状。更一般地，毛细管可以全部具有或可以不具有相同的大小和/或形状。例如，它们可以交替地包围较小大小的环和较大大小的环。可以抵靠护套表面或者在更向内位置处设置较小的毛细管，以辅助在不显著有助于芯边界的情况下将主毛细管间隔开。毛细管可以被布置在第二个环内，使得内环主要提供芯边界而外环与护套的内表面相邻。构成芯边界的毛细管的数量可以为例如四个、五个、六个、七个、八个、九个或十个，但没有排除其它数量。
图2C示出了几个示例ARF结构的复合视图，其中，仅出于例示的目的在单根光纤内示出了各种包层毛细管。实际上，ARF将包括围绕芯重复多次以形成芯边界的相同结构或图案的毛细管或毛细管组。由于毛细管大小和形状的多样性，在该示例中，芯18变得偏心且离心；实际上，它将被居中并更规则地成形。示例毛细管a具有接合到护套12的椭圆形形状，使得其长轴沿着光纤的半径对准。示例毛细管b小，并与较大的毛细管a和护套内表面接触，从而将其相邻的示例毛细管c间隔开，该毛细管c具有嵌套在其中的单个第二级毛细管d。示例毛细管e也小，其接合到护套12，与相邻的毛细管不接触。示例毛细管f是椭圆形的，其具有沿着径向方向的短轴，并被向内布置以限定芯边界，而圆形毛细管g被放置在毛细管f和护套表面之间，与这二者接触。毛细管g与相邻的毛细管h形成外环，也与护套表面和向内的毛细管f接触。示例的嵌套毛细管组i包括一个嵌套在另一个内部并都接合于公共接触点的三个毛细管，外部的主毛细管在该公共接触点处接合到护套。主毛细管与相邻的毛细管间隔开，以避免有节点。示例的毛细管j具有半圆形形状，其弯曲侧面向内，以提供用于负曲率芯边界的凸面。最终的示例的毛细管k是简单的弯曲形状，其接合到护套12的内表面并与其邻近的毛细管间隔开，以避免有节点。
在实际的ARF中，单个毛细管或毛细管组的配置围绕光纤圆周被重复多次以包围芯并限定芯边界，所得的结构通常具有高旋转对称度。换句话说，横向截面结构在360°的完整旋转内多次映射到其自身上(诸如，对于图2A的示例，以51.4°间隔映射七次，而对于图2B的示例，以60°间隔映射六次)。特别地，它以小于180°的角度映射。换句话说，该结构不是其中在横向平面中的两条正交轴线之间不存在对称性仅给出180°旋转的旋转对称性的结构。这种不对称结构通常用于实心芯光纤中并已用于HCPBF[3]，以通过如上所述提供两条轴线之间的双折射来实现偏振保持特性。然而，由于已经确认了(以下更详细地描述)ARF具有令人惊讶的固有偏振保持能力，因此不需要用于干涉式光纤传感器的ARF(或提供双折射的其它技术)中的任何这种结构不对称性。根据本公开，可以使用具有在小于180°的一个或多个角度处具有旋转对称性(或没有旋转对称性)的结构的ARF。
然而，不排除具有在两条正交轴线之间确实给出某种不对称性的一个或多个结构特征的ARF，并且在某些情况下，可以认为ARF可用于例如补充基本的偏振保持能力。
图2D示出了配置有这种不对称性的ARF的横向截面图。在该示例中，提供大致180°而非更小角度的旋转对称型的结构特性是毛细管的壁厚度。换句话说，光纤具有沿着两条正交横向轴线不同的特征(其中，该特征是包层毛细管的壁厚度)，使得具有第一壁厚度的包层毛细管处于第一横向轴线上而具有不同于第一壁厚度的第二壁厚度的包层毛细管处于与第一横向轴线正交的第二横向轴线上。如所图示的，示例的ARF包括包围外护套12的内圆周成环路的均匀间隔开的八个包层毛细管14。包层毛细管正在接触或几乎接触其中间邻近的毛细管，但如以上说明的，ARF可以包括接触的或间隔开的包层毛细管。两个包层毛细管14a与穿过芯18的中心的水平横向轴线x对准。这些毛细管14a具有毛细管壁或隔膜厚度tx。两个其它包层毛细管14b与和x轴正交的垂直横向轴线y对准。这些毛细管具有壁或隔膜厚度ty。厚度tx不同于厚度ty。对于每个t值使用上式1，可以确定两个反谐振波长(对于m的每个值)。为了在干涉式传感器中使用ARF，可以将介于由tx和ty限定的两个反谐振波长之间的波长用于感测波和参考波。对应地，可以在式1中使用根据tx和ty、(tx+ty)/2计算出的平均厚度来确定反谐振波长的值。
在该示例中，沿着正交轴线的毛细管14a、14b除了其壁厚度之外是相同的，因为它们具有相同的大小和形状并不被嵌套。在其它示例中，沿着正交轴线的毛细管可能具有其它不同的特征。在该示例中，位于沿着正交轴线的四个毛细管之间的四个毛细管也具有相同的大小和形状，并可以具有壁厚tx或ty或某种其它厚度。
在某些情况下，具有180°旋转对称性的ARF也可以被描述为具有镜面对称性。例如，对于图2D中的ARF，这是真实的，例如，沿着x轴和y轴具有镜像对称性(假定四个“离轴”毛细管都相同)。在其它情况下，ARF可以具有用于补充偏振保持功能的结构特征，该结构特征为光纤的截面结构赋予镜面对称性，但没有180°旋转对称性。例如，参照图2D，ARF可能具有沿着x轴对向设置的一对较厚的包层毛细管以赋予某种双折射，并且还有一个特征或多个特征位于x轴的仅一侧，而另一侧没有相匹配的成对特征。例如，如果x轴定义了90°位置和270°位置，则这种特征可能处于0°位置(在y轴顶部处)。例如，这种特征可能有助于光纤的接合或环路的位置对准或对齐。这种类型的一个特征或多个特征也可以被包括在ARF中，而没有任何完全相反的特征以引起双折射；单个这种特征的存在可以造成ARF没有旋转对称性。取决于毛细管的数量和相似度，在这种结构中可能存在或者可能不存在镜像对称性。
因此，本公开适用于具有小于180°角度的旋转对称性的截面结构的ARF，并还适用于具有将旋转对称性仅限制为基本上180°或赋予镜像对称性或这二者的结构特征的ARF，并同样适用于没有旋转对称性的ARF。
再次参照图1中示出的示例HCPBF，观察到没有偏振保持特征的常规HCPBF的截面结构具有大致圆形的对称性。结合在空心芯中引导的传播光场和包层玻璃之间的少量重叠，这只提供对偏振状态的不良保留。在HCPBF中，光模式与包层材料重叠的分数在约0.1％和0.3％之间。
在反谐振空心芯光纤中，重叠分数甚至更小。仅有约10至50ppm(0.001％至0.005％)的光模式在包层玻璃中传播。如从图2A、图2B和图2C中的示例可以看出的，ARF的横向截面结构具有高度的旋转对称性并缺乏正交的不对称性。因此，将期望ARF也将提供非常差的偏振状态保持，有可能比HCPBF差得多。
然而，发明人发现情况并非如此。出人意料的是，即使没有任何特殊的几何结构不对称性，ARF也可以表现出优异的偏振保持性能，甚至优于实心芯PM光纤所提供的偏振保持性能。这是因为，在ARF中，缺乏应力-光学效应以及上述的基本空气引导模式和周围的玻璃微结构(包层)之间的超低重叠，提供了本质上没有影响实心芯光纤和HCPBF的偏振耦合机理的结构。因此，即使在存在最少或不存在固有双折射的情况下，表现出不良偏振保持的ARF的真正特征实际上提供了优异的偏振保持。
因此，在本公开中提出在光纤干涉型传感器中利用ARF，以引导感测波和参考波中的一者或二者。
图3示出了绘制了几种不同光纤类型的h参数值的曲线图，以比较两个ARF与其它光纤的偏振保持能力。回想一下，h参数是每米光纤偏振模之间耦合的光功率的分数，使得h参数的值越小，表明保留偏振状态的能力越好。图3绘制了针对一定范围的环路直径从卷绕成环路的光纤测量(诸如将在光纤陀螺仪干涉仪中进行测量)的h参数。另外图3中的右侧还示出了各种光纤的截面结构的图像。包括两个ARF：来自其的数据被绘制为三角形的7管ARF[5]以及来自其的数据被绘制为圆形的6管莲花型AR[6]。如从这些图像中可以认识到的，在制造这些光纤时没有尝试将任何优选轴线引入光纤结构，也没有产生大的双折射。上方的图像示出了19单元HCPBF，也没有偏振保持特征，来自其的测量值被绘制为十字形。在所有情况下，数据都是在25℃至60℃的温度范围内取平均值，并且是针对1550nm的传播波长测得的。两种ARF表现出在约1×10-6m-1到少至约1×10-7m-1的范围内的相近的低h参数。相比之下，HCPBF表现出在约为1×10-3m-1至1×10-4m-1的范围内的明显更大的h参数值。为了进行比较，该曲线图包括指示用于高性能实心芯PM光纤的典型h参数值为1×10-5m-1的实线。因此，即使没有结合偏振保持特征，ARF仍比实心芯PM光纤提高了多达一百倍。另一方面，非PMHCPBF表现出比实心芯PM光纤显著更大的h参数值，并且在较大的环路直径处，比ARF光纤大几乎四个数量级。注意的是，特别地，数据一致地表明了在各种环路直径(从约80mm直径的小环路至约320mm的大环路)上的ARF中的超低偏振耦合(小h参数)。这对于其中光纤被部署成环路的传感器(诸如IFOG和RFOG传感器)而言是高度相关的，在这些传感器中，光纤较长的长度被卷绕成经常是非常紧的弯曲直径(小环路直径)的感测线圈。
在用于检测除了温度之外的被测变量的干涉型传感器中，有益的是，光纤在整个温度范围内表现出稳定的操作，使得环境温度的波动不会影响检测到的干涉信号。已经发现AFR在这方面具有良好的性能。
图4示出了暴露于变化温度的光纤的有效h参数(左垂直轴线)随时间(水平轴线)推移的变化的曲线图。图4的(A)示出了在16小时的时间段内图3的6管莲花ARF在1550nm波长处的h参数，同时经历了跨30℃至40℃的重复热循环。h参数几乎保持恒定于1×10-6m-1，这表明ARF的偏振保持性能几乎完全对温度不敏感。图4的(B)示出了在0.6小时的时间段内图4的19单元HCPBF在1550nm波长处的h参数，同时在30℃至40℃的相同范围内经历了温度升高。温度变化使HCPBF的偏振状态产生显著变化，这造成h参数在几乎三个数量级(1×10- 1m-1至1×10-4m-1)内明显地波动。因此，对于ARF，h参数随温度推移的稳定性比HCPBF好得多。
图3和图4的(A)中的数据表明，在ARF中能容易地获得小于1×10-5m-1的h参数值。例如，h参数可以在1×10-6m-1至1×10-5m-1的范围内或者在1×10-7m-1至1×10-5m-1的范围内。在某些示例中，显著小于1×10-5m-1的值是可用的，包括小于1×10-6m-1或在1×10-7m-1至1×10-6m-1的范围内。期望在ARF中能容易地获得包括1×10-7m-1和更低值以及1×10-8m-1和更低值的低值，并且这些范围中的值也被涵盖在内。
如以上讨论的，为了实现偏振保持操作，需要例如通过针对两条正交轴线的结构对称性提供的大的双折射大小(短拍长)来克服造成实心芯光纤和HCPBF中的偏振耦合的扰动。相比之下，发明人发现对于ARF而言这并不是需要的。除了参考图3描述的极低的h参数外，发现ARF具有约几米的极长的拍长，比典型的PM实心芯光纤的大小长了多个数量级。较长的拍长对应于较低的双折射率。
图5示出了在图3中的两个ARF中形成的光纤环路直径(在80mm和320mm之间；水平轴线)被选定时测得的拍长(垂直轴线)的图线(三角形表示7管ARF的数据而菱形表示6管莲花ARF的数据)。所有测量都是在1550nm的波长处进行的。对于较大的环路直径(约320mm)的ARF，发现拍长超过10m；将其与实心芯PM光纤的几毫米的典型值进行比较。即使针对较小环路(80mm直径)测得的约20cm和65cm的较短拍长，也大大超过了针对实心芯PM光纤的拍长。因此，ARF环路中的双折射率的大小比典型的实心芯光纤双折射率值小得多。
回想一下，拍长与双折射率成负相关，从图5中看到，双折射的大小随着环路直径的变紧(更小)而增加。将此与示出了h参数没有随环路直径而显著变化的图3进行比较。因此，在较紧的弯曲半径处产生的较大的双折射对偏振模交叉耦合的程度影响最小。在被布置成具有弯曲半径的一些空心芯光纤类型的相对短的长度(2.5m)中已经观察到线性偏振的某种保留[7]；这类似于其中弯曲引起的双折射可以保留短距离上的线性偏振的标准实心芯单模态光纤的行为。相比之下，本文提出的在光纤干涉仪中使用ARF利用了尽管双折射最小或没有双折射，ARF也强固地保持超纯偏振状态的能力。
除了ARF表现出的优异偏振保持特性之外，这种类型的光纤还具有使其可用于光纤干涉仪的许多其它特性。如上所述，空心芯结构减少了光模式通过玻璃传播引起的诸如随机热相位噪声、热相位不稳定性和Shupe效应、克尔效应和磁光法拉第效应之类的不期望影响。即使与HCPBF相比，这些效应也有所降低，因为在玻璃中传播的光场的分数可以在ARF中小了多达100倍。尽管HCPBF和ARF二者具有空气引导(空心，或者在某些情况下，填充空气或真空)芯，但HCPBF中的芯边界处的空气-玻璃界面的复杂空间布置引起表面模态，即，造成反向散射并可以充当高阶空间模态耦合的中介的玻璃传播模态。表面模态源自由包围芯的周期性光子晶体包层的终止。这样的终止固有地引入了具有与常规包层的大小不同的大小并因此引导了另外的不期望的表面模态的结构特征。这种模态在ARF中不存在。除了不存在表面模态之外，ARF还可以被设计为具有优异的空间模态纯度，即仅以两种简并的基本光模式进行良好引导并且损耗低的能力。这是通过将所有其它的高阶模式与包层毛细管中引导的高损耗空气模式进行相位匹配以对所有其它高阶模式进行模式剥离来实现的[5]。由于该结构被设计为使得对于所有高阶模式而言都发生这种相位匹配，而对于基本模式而言并不这样，因此光纤有效地充当单模光纤。造成ARF中超低反向散射的缺少表面模态、优异的模态纯度以及不存在其它散射界面使这些光纤对于降低干涉测量应用中的噪声非常有益。ARF将空心芯光纤的优异噪声抑制与优异的偏振引导相结合。因此，在其光路中采用ARF的干涉型光纤传感器利用了与空气传播模式相应的非线性抑制，还显著降低了热敏度、优异的模态纯度、低反向散射和增强的偏振保留。
提出在光纤干涉型传感器中使用ARF作为改善这些传感器性能的手段。特别地，偏振保持干涉型传感器中的ARF(其中保留了一个或多个光波的偏振状态以使干涉信号最大化)可以提供改善的精度和稳定性以及降低的噪声。如以上讨论的，用于干涉仪中的ARF的空心芯引导的各种益处可以使精度、稳定性和传感器噪声得到相应的改善，以至于性能不受某个其它部件的限制(例如，信号处理电子器件或光学部件，诸如耦合器)。ARF的优异偏振特性还可以通过降低对偏振交叉耦合和相关干涉误差的敏感度来进一步提高干涉型传感器的性能。
提出ARF可以被部署为干涉型光纤传感器的光路中的光路的任何部分或全部部分。在光纤干涉仪中，光纤通过在各个部件之间运送光波并通过将光纤暴露于所关注被测变量的感测区域或环境来限定光路。被测变量可以被认为是作用在光纤上以修改光纤内光波的特性(特别地，其相位或频率)的刺激或环境条件。光路传播从光源获得的两种波，包括经历被测变量的感测波和未经历被测变量或者以不同方式经历被测变量的参考波。通过被测变量修改感测波使感测波的相位和/或频率与参考波的相位和/或频率相比有改变，并且修改量(相位延迟或频移的量)与被测变量的大小成正比或以其它方式相关。以这种方式，被测变量被编码或压印到感测波中。在修改之后，感测波和参考波被组合在一起，因此相干涉，以产生强度与修改大小成正比并因此与被测变量的大小相关的光干涉信号。因此，非光学测量变量经由相位偏移或频移而转变为简单的光强度，该光强度由光检测器来监视。
可以使用光纤来实现多种干涉仪设计，并且其中任何一种都可以受益于ARF的使用。
图6示出了光纤迈克尔逊干涉仪的示例的简化示意图。光源22(激光器)能够操作，以产生光波，该光波被发射到光纤的包括(或耦合到)光耦合器24的第一臂的部分中。耦合器24用于将光波划分或分割成两个向前传播的部分，其中一个被提供给耦合器24的第二光纤臂26以成为感测光波，而其中另一个被提供给耦合器24的第三光纤臂28以成为参考光波。第三光纤臂28终止于光反射表面或元件30(其例如可以简单地是光纤的劈开端，也许具有激光器输出的光的波长处的高反射涂层)，使得参考波传播到反射器30，在反射器30处沿着第三光纤臂28返回回到耦合器24。第三光纤臂28可以被认为是包括参考光纤的参考臂。
可以被认为是包括感测光纤的感测臂的第二光纤臂26将感测波传送到其中构成光纤臂26的光纤被暴露于所关注参数或期望可以由干涉仪检测或感测的被测变量的环境32或区域。被测变量可以被认为是刺激36，刺激36以这样的方式作用于光纤，使在光纤中传播的光(在这种情况下，感测波)被修改。特别地，光的相位和/或频率(波长)改变或偏移，从而在感测波中产生相位延迟和/或频移。延迟或偏移的大小取决于刺激的水平。刺激36存在于环境32中并可以直接作用于光纤，或者可以提供一个或多个换能器34以将刺激36传送或转换为可以修改感测波的效应。如对于参考波光纤臂28一样，修改后的感测波通过换能器中设置的反射效应或通过光纤端部处的反射元件沿着第二光纤臂26被反射回去。可以用这种布置来感测的参数的示例包括诸如温度、压力、应变和振动这样的物理量。
在第二光纤臂26中运送的反射传感波返回到耦合器24，在此它与第三光纤臂28中运送的反射参考波相组合。通过使第二光纤臂26暴露于刺激26来修改感测波，并且因为第三光纤臂28没有暴露于该刺激，所以未修改参考波。因此，感测波相对于参考波具有相位延迟和/或光频移。因此，两种波的组合(相加)产生具有取决于延迟和/或偏移的大小的特征的干涉信号，该延迟和/或偏移的大小进而取决于刺激的水平。因此，干涉信号包含关于刺激的信息。通过在耦合器24中组合感测波与参考波而获得的干涉信号经由耦合器24的第四臂传送到光检测器40。
图7示出了迈克尔逊光纤干涉仪的变型的示例的简化示意图，该迈克尔逊光纤干涉仪是用于光学相干层析成像的***，可以用于光学成像和测距。光源22可以是扫频波长激光器或宽带光源，如前所述，来自其的光波被射入与光耦合器24的第一臂耦合或包括该第一臂的光纤中。另外，如前所述，耦合器24将光波划分成供传播到被测变量的环境32的在耦合器24的第二光纤臂26中的向前传播的感测波，以及用于返回参考波的终止于反射器30的在耦合器的第三光纤臂28中的向前传播的参考波。与先前的示例一样，感测波和参考波各自被反射并返回到耦合器24以进行组合，以提供由检测器或光谱仪40检测的干涉信号。该***与常规的迈克尔逊光纤干涉仪的不同之处在于，感测臂26中的(一个或多个)换能器被包括聚焦光学器件31的终端成像光学组件取代，聚焦光学器件31收集在感测臂26远端离开光纤的光并将其聚焦以便使其撞击到所关注的样本对象33上。如前所述，该光中的至少一些被样品33反射并返回到传感臂26中，以与来自参考臂28的光重新组合。至关重要的是，感测臂26中的反射可以相对于参考臂28中的来自反射器30的类似反射具有光学相位差。因此，来自重新组合后的信号和参考波的干涉信号取决于来自样本33的反射点与参考臂28中的静态反射器30的反射点之间的任何光学相位延迟。因此，类似于针对图6示例所描述的，所测得的刺激是感测光纤26的端面26a与样本33中或样本33上的反射点之间的距离。通过在一定范围的光频率上以这种配置测量干涉信号(通过在光源22处采用频率调制/扫描或通过在检测器40处使用光频率滤波)，干涉信号提供了一定范围的光路延迟内的关于背反射大小的信息。其可以被转换为有效反射距离和大小的映射，从而提供样本33的层析成像测量。在感测臂端面26a处的光学组件可以以静态机械布置操作从而在单个样本区域内提供反射测量，或者它可以配置有能够操作以扫描样本上的照射点的电枢或其它机械组件(相反地，样本可在光学组件保持固定时移动)，由此提供样本33反射的光的空间分辨测量。
图8示出了光纤马赫曾德尔干涉仪的示例的简化示意图。这种类型的干涉仪与迈克尔逊干涉仪类似，不同的是，干涉信号是通过干涉向前传播的光波而非参考波和感测波的向后传播反射而获得的。因此，如图6示例中一样，马赫曾德尔干涉仪包括向光耦合器24提供光的光源22，光耦合器24用作分离器，将光划分成传播到耦合器24的第二臂26中的感测波(感测光纤提供参考臂)和传播到耦合器24的第三臂28中的参考波(参考光纤提供反射臂)。感测光纤26有可能经由一个或多个换能器34运送感测波通过其中光纤26暴露于刺激36的环境32，而参考管光纤28绕过环境32。干涉仪的两根光纤26、28或臂合在一起形成第二光耦合器38，在第二光耦合器38中，感测波和参考波被组合以提供所期望的干涉信号。第二耦合器38可以沿向前方向将干涉信号传送到一个或两个光纤输出臂，以在一个或两个光检测器40a，40b处进行检测。与迈克尔逊干涉仪一样，被测变量可能是温度、压力、应变或振动，其换能器经过适当设计，将参数的影响传送到感测光纤从而将参数的水平压印到传播的感测波上。
在迈克尔逊光纤干涉仪或马赫曾德尔干涉仪中，感测臂和参考臂中的任一者或二者可以由反谐振空心芯光纤ARF构成，如本文中公开的。构成干涉仪的光路的光纤的其它部分(诸如，运送来自光源的光以及将光运送到(一个或多个)检测器的部分)也可以根据偏好由ARF制成。注意的是，优选地，单一类型或设计的ARF可以用于光路的所有各个部分，或者在单个干涉仪中可以使用两个或更多个不同设计的ARF。例如，可以通过例如在各种感测换能器之间将ARF融合拼接而将ARF部署在感测臂中，由此实现没有或基本没有热交叉敏感度和其它非线性的用于感测波的光路。
图9示出了被配置为光纤环形镜干涉仪的干涉型传感器示例的简化示意图。它包括光源22，光源22的输出穿过一个或多个光耦合器/分离器24、38，从而将光划分成两个向前传播的部分，以提供感测波和参考波。第二耦合器38的第二臂26和第三臂28是(或耦合到)被卷绕在线圈或环路27上的一段光纤的两个相对端部。因此，射入到第二臂26中的感测波和射入到第三臂28中的参考波围绕线圈27反向传播。因此，如前所述，光波被分为信号波和参考波，但在这种情况下，这两种波进入环路，使得信号波在一个方向上传播而参考波在另一方向上传播。与图6至图8示例的光纤马赫曾德尔和迈克尔逊干涉仪一样，光纤的长度(环路27)将感测波运送到环境32，在环境32中该感测波被暴露于刺激36，其大小是所期望被测变量。由于光纤是还运送参考波的环路27，因此它也暴露于刺激36。光纤环路具有与其关联的一个或多个换能器34，换能器34是被配置为将刺激36转换为光学相位或频移的元件，该光学相位或频移被相反地赋予两个反向传播的波。例如，刺激36可以经由换能器34将正相位或频移赋予在从点A至点B的方向上绕环路传播的波，而相同的刺激36和换能器34将负相位或频移赋予在从点B至点A的相反方向上传播的波。相反传播的波离开光纤环路27，以在它们输送通过光纤环路27之后在耦合器38、24中重新组合，以赋予与耦合器24的第四臂耦合的检测器40处检测到的所期望的干涉测量信号。干涉测量信号的强度与这两种波之间的差分相位偏移成正比，在这种情况下，这两种波已经在相反的方向上转变了光纤环路27。注意的是，在这种情况下，因为感测刺激36作用于感测波和参考波二者，但是以相反的方式，相位或频率差类似于先前描述的干涉仪的相位或频率差。
图10示出了被配置为光纤陀螺仪的光纤干涉仪的示例的简化示意图，作为光纤环形镜干涉仪的特定示例。在光纤陀螺仪中，光纤环路被卷绕成线圈，使得光纤绕组基本上位于同一平面上。感测波在一个方向上传播通过环路(例如，当从线圈卷绕轴观察时在顺时针方向上)，而参考波在相反(反时针或逆时针)方向上传播，以提供所需的两个反向传播波。绕其卷绕轴线的角旋转(或平行于轴线的角旋转的分量)相对于与旋转方向反向传播的波相位延迟了在旋转方向传播的波的相位。在运送通过光纤线圈之后，反向传播的波在光纤环路入口点处被重新组合，以照常形成干涉信号。反向传播的感测波的相位与参考波的相位之间的差异以及因此干涉信号的强度与光纤环路的角旋转速率成正比。因此，光纤陀螺仪能够测量或检测角旋转；光纤线圈处于旋转环境中的这种运动是作用在感测光纤上以修改感测波的刺激，并且干涉信号携带关于角旋转量的信息。
图10中的示例是干涉型光纤陀螺仪或IFOG。它包括光源22，光源22的输出穿过一个或多个光耦合器/分离器24、38，从而将光划分成两个向前传播的部分，以提供感测波和参考波。第二耦合器38的第二臂26和第三臂28是(或耦合到)一段被卷绕在线圈或环路27上的光纤的两个相对端部。因此，根据第二种方法，射入到第二臂26中的感测波和射入到第三臂28中的参考波绕线圈27反向传播，并且根据萨格纳克效应线圈27的任何角旋转造成相对相位延迟，以在这两种波之间累积。当各波到达构成环路27的光纤的相对端部时，它在向后传播的方向上重新进入一个耦合器或多个耦合器38、24，使得两个波组合以形成干涉信号。其通过第一耦合器24的第四臂传递到检测器40。在环路27的端部处的线圈27或分离器/耦合器38可以包括积分相位调制器42，以便在反向传播波之间赋予偏置相位延迟，由此提高了检测到的干涉图案的灵敏度。
图11示出了被配置为光纤陀螺仪的光纤干涉仪的第二示例的简化示意图。该示例是谐振光纤陀螺仪或RFOG。该器件与IFOG的不同之处在于，光波在谐振腔中绕线圈再循环。如果线圈正在旋转，则两个相反的传播方向获取谐振频率的差异，其中，该差异与(线圈的或线圈平面中的旋转分量的)角旋转速率成正比。在所例示的示例中，光源22发射光，该光被一个或多个耦合器24分为在耦合器24的第二臂和第三臂中的两个向前传播部分，以提供感测波和参考波。信号波和参考波传播到附加的光耦合器，光耦合器是用于将两个波在相反的传播方向上引导到光纤27线圈的端部中的谐振环路耦合器25。谐振回路耦合器25还用于使从线圈27返回的光的一小部分再循环，使得已经横过了光线圈的两个波中的每个的一部分第二次或第三次(等等)被引导通过线圈。除了再循环部分之外，从光纤环路返回的每个波的另一部分都被谐振环路耦合器25引导到光纤环路27之外，然后被另外的耦合器38引导到干涉仪的光路之外，到达两个谐振频率检测器40a和40b中的一个上。一个检测器40a检测顺时针的传播波，一个检测器40b检测逆时针的传播波，因此感测波和参考波是在单独的检测器处检测到的。在其谐振频率检测器处收集到的感测波是由许多波阵面的干涉引起的，这些波阵面已经共同传播通过光纤环路，但至关重要的是，是对于不同的往返。当光纤环路27静止时，在其中光纤环路的光路长度等于整数个波长的光频率(逆波长)处观察到谐振。然而，在光纤环27旋转时，该谐振频率与角旋转的速率成正比地偏移。类似地，在另一个谐振频率检测器处收集到的参考波包括波的多个循环部分之间的干涉，从而再次形成谐振。然而，由于参考波部分已经在与感测波部分相反的方向上横过了光纤环路27，因此因光纤环路27的任何旋转所赋予的频移与感测波的频移相反，因此，感测波检测器40a和参考波检测器40b处的谐振频率的差值与旋转速率成正比。为了在信号和参考检测器处提供对谐振频率的跟踪，可以对从光源22发射的光采用频率或相位调制器42。在光进入谐振环路耦合器25之前，另外的相位或频率调制器可以可用地作为再循环环路内的或感测和参考分支内的元件。这些相位或频率调制器可以用于通过反馈和光学频率稳定或者通过施加偏置频率偏移来提供信号，以进一步改善谐振频率检测。
如本文中公开的，在诸如IFOG或RFOG之类的光纤陀螺仪中或者在光纤环形镜干涉仪中，光纤线圈27由空心芯抗谐振光纤ARF形成。将ARF用于感测线圈产生了具有优异精度、稳定性和噪声特性的光纤陀螺仪(FOG)或其它干涉仪，同时以简单的方式实现了高性能干涉型传感器所需的偏振保持光路的益处。构成干涉仪的光路的光纤的其它部分(诸如，运送来自光源的光、将光运送到检测器以及将光在耦合器之间运送的那些部分)也可以根据偏好由ARF制成。注意的是，优选地，单一类型或设计的ARF可以用于光路的所有各个部分，或者在单个干涉仪中可以使用两个或更多个不同设计的ARF。
光源能够操作以产生处于或接近于ARF的反谐振波长的波长(换句话说，ARF能够通过反谐振光学引导在其空心芯中传播的波长)的光。
为了最大程度地利用ARF的偏振保持性能，如上所述，诸如耦合器/分离器和调制器之类的构成干涉仪的光路的部件可以被配置为保留偏振状态和/或消除不想要的偏振状态。采用仅发射单种线性偏振状态的光源也是有益的。光路可以包括特定的偏振保持元件。然而，本公开在这方面不受限制：可以使用非偏振源，并且干涉仪光学电路可能缺少偏振保持或保留部件。
ARF也可以用于与图6至图11的示例不同配置的干涉型光纤传感器中；本公开不限于所图示的配置。另外，利用ARF来运送感测光波和参考光波二者之一的干涉型光纤传感器可以被包括在结合光纤干涉仪的任何产品、设备或装置内，对于技术人员而言，光纤干涉仪的大数量和多样性将是显而易见的。与其中性能受在实心芯光纤和HCPBF中引起的不期望效应(诸如热相位变化、非线性效应和偏振模耦合)限制的传感器相比，在这种设备中使用ARF可以提供改进的稳定性和精度以及降低的噪声的显著益处。
在前面的描述中，术语“感测波”和“参考波”已经被用于描述各种光纤干涉型传感器的操作，在所有这些传感器中传播所有第一波和第二波。然而，这些术语不应理解为是限制性的。在两个波在不同长度的光纤中运送的某些形式的干涉仪中，被测变量或刺激仅影响波中的一个，因此，为了方便起见，这些波可以被认为是“感测波”或“信号波”。另一波未遭遇因刺激带来的任何修改，所以同样为了方便起见，其可以被视为参考波。在其它干涉仪设计中，特别是在采用光纤环路或线圈的干涉仪设计中，这两种波都由相同长度的光纤运送(尽管在相反的传播方向上)，使得这两种波都经受相关的刺激，该刺激对这两种波有相反的效应。然而，区分这两种波仍然是重要的，因此为了清楚起见，仍可以将它们称为感测或信号波以及参考波。因此，一般而言，干涉仪运送第一波和第二波，第一波和第二波中的至少一个受到所关注的刺激或被测变量的作用；另一个可以受到作用或者可以不受到该作用。在任一情况下，检测、测量或以其它方式推导或确定在刺激作用之后的这两个波之间的差异(干涉信号)，并且这指示刺激的大小。第一波和第二波中的任一者或二者都可以在ARF中传播。
本文中描述的各种实施例仅是为了辅助理解和教导要求保护的特征而提出的。提供这些实施例仅作为实施例的代表性示例，并不是穷举性和/或排他的。要理解的是，本文描述的优点、实施例、示例、功能、特征、结构和/或其它方面将不被认为是对权利要求书所限定的本发明范围的限制或对权利要求书的等同物的限制，并且在不脱离要求保护的发明的范围的情况下，可以利用其它实施例并且可以进行修改。本发明的各个实施例可以适当地包括除了本文具体描述的元件、部件、特征、零件、步骤、装置等之外的所公开的元件、部件、特征、零件、步骤、装置等的适当组合，或由其组成、或基本上由其组成。另外，本公开可以包括目前未要求保护但将来可以要求保护的其它发明。
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Claims (32)

1.一种干涉型光纤传感器，包括：限定光路的光纤，所述光路被配置为经由使所述光纤能够暴露于修改第一光波的刺激的环境传播第一光波，并且传播第二光波，并将第一光波与第二光波组合以产生包含关于所述刺激的信息的干涉信号，其中，传播第一光波和第二光波中的任一者或二者的光纤包括空心芯光纤，所述空心芯光纤被配置为通过反谐振光引导效应来传播一个所述光波或多个所述光波。
2.根据权利要求1所述的干涉型光纤传感器，其中，所述空心芯光纤具有小于1×10-5m-1或小于1×10-6m-1或在1×10-6m-1至1×10-5m-1的范围内或在1×10-7m-1至1×10-6m-1的范围内或在1×10-7m-1至1×10-5m-1的范围内的保持参数值。
3.根据权利要求1或2所述的干涉型光纤传感器，其中，所述空心芯光纤具有包层，所述包层包括围绕所述空心芯成环形布置的多个玻璃包层毛细管。
4.根据权利要求3所述的干涉型光纤传感器，其中，每个包层毛细管接合到管状外护套的内表面。
5.根据权利要求4所述的干涉型光纤传感器，其中，所述包层毛细管围绕所述外护套的内表面彼此间隔开。
6.根据权利要求3至5中任一项所述的干涉型光纤传感器，还包括接合到每个包层毛细管的内表面的一个或多个第二级包层毛细管。
7.根据权利要求6所述的干涉型光纤传感器，还包括接合到一个或多个第二级包层毛细管的内表面的一个或多个第三级包层毛细管。
8.根据权利要求3至8中任一项所述的干涉型光纤传感器，其中，所述包层毛细管具有大致圆形的横向截面。
9.根据权利要求3至8中任一项所述的干涉型光纤传感器，其中，所述包层毛细管具有非圆形的横向截面。
10.根据权利要求3至9中任一项所述的干涉型光纤传感器，并且包括多于一个的截面大小或形状的包层毛细管。
11.根据权利要求1至10中任一项所述的干涉型光纤传感器，其中，所述空心芯光纤具有以小于180°的一个或多个角度旋转对称的横向截面结构。
12.根据权利要求1至10中任一项所述的干涉型光纤传感器，其中，所述空心芯光纤具有包括沿着两个正交的横向轴线不同的一个特征或多个特征的横向截面结构。
13.根据任何前述权利要求所述的干涉型光纤传感器，其中，传播第一光波和第二光波二者的所述光纤是所述空心芯光纤。
14.根据权利要求1至13中任一项所述的干涉型光纤传感器，其中，所述空心芯光纤被布置在线圈中以将第一光波和第二光波在反向传播方向上传播，使得所述刺激修改第一光波和第二光波二者。
15.根据权利要求12所述的干涉型光纤传感器，并且被配置为干涉型光纤陀螺仪IFOG，所述刺激是所述线圈的角旋转，使得所述角旋转产生第一光波相对于第二光波的相位偏移。
16.根据权利要求12所述的干涉型光纤传感器，并且被配置为谐振光纤陀螺仪RFOG，所述刺激是所述线圈的角旋转，使得所述线圈的角旋转产生第一光波相对于第二光波的谐振频率的差值。
17.根据权利要求12所述的干涉型光纤传感器，并且被配置为光纤环形镜干涉仪，包括与所述线圈相关联并被配置为将所述刺激转换为第一光波和第二光波的相反相位偏移的一个或多个换能器。
18.根据权利要求1至13中任一项所述的干涉型光纤传感器，并且被配置为迈克尔逊干涉仪。
19.根据权利要求18所述的干涉型光纤传感器，其中，所述迈克尔逊干涉仪被配置为光学相干层析成像***。
20.根据权利要求1至13中任一项所述的干涉型光纤传感器，并且被配置为马赫曾德尔干涉仪。
21.根据任何先前权利要求所述的干涉型光纤传感器，并且还包括光源，所述光源能够操作以产生在空心芯光纤被配置为通过所述反谐振光引导效应进行引导的波长处的光，并将所述光传送到所述光路以提供第一光波和第二光波。
22.据权利要求12所述的干涉型光纤传感器，其中，沿着两个正交的横向轴线不同的特征是包层毛细管的壁厚度，使得具有第一壁厚度的包层毛细管处于第一横向轴线上而具有不同于第一壁厚度的第二壁厚度的包层毛细管处于与所述第一横向轴线正交的第二横向轴线上。
23.根据权利要求22所述的干涉型光纤传感器，其中，所述第一壁厚度确定所述空心芯光纤被配置为通过所述反谐振光引导效应进行引导的第一波长，并且所述第二壁厚度确定所述空心芯光纤被配置为通过所述反谐振光引导效应进行引导的第二波长，并且
所述传感器还包括光源，所述光源能够操作以产生在第一波长和第二波长之间的波长处的光，并将所述光传送到所述光路以提供第一光波和第二光波。
24.根据权利要求21或权利要求23所述的干涉型传感器，其中，所述光源能够操作以将所述光作为线性偏振光传送到所述光路。
25.根据任何前述权利要求所述的干涉型光纤传感器，而且还包括光检测器，所述光检测器能够操作以检测组合的第一光波和第二光波并输出所述干涉信号。
26.一种装置，包括一个或多个根据权利要求1至26中任一项所述的干涉型光纤传感器。
27.一种感测刺激的方法，包括：
在光纤中传播一个波长处的光的第一光波和该波长处的第二光波；
使传播第一光波的光纤暴露于修改第一光波的刺激；
组合第一光波与第二光波，使得所述波干涉；以及
检测组合的第一光波和第二光波，以获得包含关于所述刺激的信息的干涉信号；其中，
第一光波和第二光波中的任一者或二者在空心芯光纤中传播，所述空心芯光纤被配置为通过反谐振光引导效应在所述波长处传播光。
28.根据权利要求27所述的方法，其中第一光波和第二光波在所述空心芯光纤中传播，所述空心芯光纤被配置为线圈以将所述第一光波和所述第二光波在相反方向上传播，并且其中，将所述光纤暴露于刺激包括将所述线圈暴露于所述刺激，以修改第一光波和第二光波二者。
29.根据权利要求28所述的方法，其中，将所述线圈暴露于所述刺激包括旋转所述线圈，使得所述干涉信号包含关于所述线圈的角旋转速率的信息。
30.根据权利要求28所述的方法，其中：
在所述线圈中传播第一光波和第二光波包括使第一波的一部分和第二波的一部分通过所述线圈再循环多次；以及
检测组合的第一光波和第二光波包括检测再循环的部分以确定所述线圈中用于第一光波的第一谐振频率和所述线圈中用于第二光波的第二谐振频率，其中，第一谐振频率与第二谐振频率之间的差值指示关于所述刺激的信息。
31.根据权利要求30所述的方法，其中，将所述线圈暴露于所述刺激包括旋转所述线圈，使得第一谐振频率与第二谐振频率之间的差值包含关于所述线圈的角旋转速率的信息。
32.根据权利要求27所述的方法，包括在暴露于所述刺激的第一光纤中传播第一光波以及在未暴露于所述刺激的第二光纤中传播第二光波。
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