CN113984096A - 基于少模光纤的多通道干涉仪 - Google Patents
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Abstract
本发明提供的是一种基于少模光纤的多通道干涉仪。它由入射光纤、耦合器A、光开关阵列、光子灯笼A、少模光纤、光子灯笼B、耦合器B、出射光纤组成。入射光纤一端与光源相连，另一端与耦合器A连接，耦合器A输出的光传输经光开关阵列后传输至光子灯笼A，光子灯笼激发少模光纤的不同模式，经少模光纤传输至光子灯笼B，光子灯笼B输出的光在耦合器B处发生干涉，最后经出射光纤传输至光谱仪。本发明可用于少模光纤中任意两个或多个模式的干涉，具有结构紧凑、制备简单、损耗小、灵活度高等特点。可广泛用于光纤传感领域。
Description
技术领域
本发明涉及的是一种基于少模光纤的多通道干涉仪，属于光纤传感技术领域。
背景技术
光纤在光学领域最早用来传光和传像。自上个世纪70年代低损耗光纤生产出来以后，光纤在通信领域得到快速的发展。光在光纤中传输时，光波的特征参量(波长、振幅、相位、偏振态等)受到外界因素(如压力、温度、应变、扭转等)的作用会发生变化，因此，光纤不仅可用来作为传输介质，也可以用作传感元件来实现对各种物理量的探测，这就是光纤传感器的基本原理。
根据光纤中的光被调制的机理不同，光纤传感器主要分为强度调制型、相位调制型、偏振态调制型和波长调制型光纤传感器。相位调制型传感器中传输光的相位被调制，通过检测光信号的相位变化来实现对待测参量的测量，多数情况下，相位的检测是通过干涉仪实现的。
与使用分立元件搭建的传统光学干涉仪相比，光纤干涉仪更容易实现准直，且封闭的光路减少了外界干扰，同时通过控制光纤的长度可以提高干涉仪的灵敏度。基于双臂干涉原理的单模光纤干涉仪应用较为广泛，其具有较高的灵敏度，但存在严重的光相位漂移，易受到环境因素的干扰。相比于单模光纤双臂传感器，基于模间干涉的传感器具有结构简单、抗噪声能力强、灵敏度高等独特优势。因此，基于模间干涉的干涉仪近年来得到了广泛的关注。
在申请号为2017104887380的专利中提出了一种基于模间干涉的应变传感器，其在少模光纤两端各连接一段单模光纤，并在两个熔接处制备粗锥，两个粗锥大小不同。两个大小不同的粗锥起到耦合作用，粗锥之间的少模光纤起到传感臂的作用。光从入射单模光纤进入，通过第一个粗锥结构时,一部分光进入少模光纤的纤芯以基模传输,一部分进入到少模光纤的包层,激发包层中的高阶模式传输；在经过第二个粗锥结构时，少模光纤纤芯中传输的基模和包层中传输的高阶模重新耦合至出射单模光纤的纤芯。由于基模和高阶模的折射率不同,光经过一定长度的少模光纤时会产生相应的光程差,产生干涉,形成马赫-曾德尔干涉仪。但此种方法制成的干涉仪存在激发模式难以控制，各模式功率大小不等、损耗较大等问题。
为解决上述问题，申请号为2020106893015的专利提出一种花生结构的模间干涉仪。此发明中，两熔接点处的结构为花生结构，主要是采用电弧放电熔接的方式，将单模光纤的输出端熔融成椭球形，并与少模光纤的输入端熔融的椭球形相熔接构成花生结构。在第一花生结构中，第一熔接点熔接面积的不同,使得少模光纤中被激发的包层模式的数目不同,通过控制熔接点的熔接面积，能使得熔接过程中分配到所述第一少模光纤中纤芯和包层的光强相对平均；在第二花生结构中使得少模光纤中纤芯和包层中的光耦合到单模光纤的纤芯中发生干涉。此种方法改善了模式间的功率分配，但仍存在激发模式难以控制、损耗较大的问题。
随着研究的深入，理论和实验均证明，在光纤中传输的模式数越少，其干涉场的形状就越简单，有利于传感器的简易化和实用化。为此，本发明提出了一种基于少模光纤的多通道干涉仪，可以实现少模光纤纤芯内任意两个或多个模式的干涉。
发明内容
本发明的目的在于提供一种结构简单紧凑、操作容易、灵活度高、低损耗的基于少模光纤的多通道干涉仪。
本发明的目的是这样实现的：
如图1所示，此干涉仪是由入射光纤1、耦合器A2、光开关阵列3、光子灯笼A4、少模光纤5、光子灯笼B6、耦合器B7、出射光纤8组成；入射光纤1的一端与光源相连，另一端与耦合器A2连接，耦合器A2输出的光经光开关阵列3后传输至光子灯笼A4，光子灯笼A4激发少模光纤的不同模式，后经少模光纤5传输至光子灯笼B6，光子灯笼B6输出的光在耦合器B7处发生干涉，最后经出射光纤传输至光谱仪。
该干涉仪工作过程大致如下：
当光源发出的光经入射光纤传输至耦合器A后，入射光按耦合比分配到耦合器A的多路输出端继续传输。光开关阵列可以控制每路光的通断情况。当光传输至光子灯笼后，光子灯笼多路尾纤端每一个尾纤都对应激发少模光纤的一个模式，激发出的模式沿少模光纤继续传输。当传输至光子灯笼B时，由于光路的可逆性，不同的传输模式对应于光子灯笼B多路尾纤端的一个尾纤，因此，各模式通过光子灯笼B以较低的损耗转换成尾纤的基模继续传输。当传输光经过耦合器B时，光子灯笼B多路尾纤可以近乎无损的耦合至耦合器B的单路输出端，由于少模光纤中各模式的有效折射率不同，因此在耦合器B处产生干涉，构成多通道干涉仪。少模光纤中每一个模式都可以看成干涉仪的一个通道，通过控制光开关阵列中个开关的通断情况，控制少模光纤中传输的模式，可以实现少模光纤中任意两个模式或多个模式的干涉。
在模式干涉型光纤传感器中，最终的透射谱为多个模式干涉叠加的结果，其干涉强度可以表示为：
上式中，i和j分别代表光纤中传输的第i阶和第j阶模式，Ii、Ij、ni和nj分别表示第i阶模式的光强、第j阶模式的光强、第i阶模式的有效折射率和第j阶模式的有效折射率；L表示第i阶模式和第j阶模式的传输长度，λ为波长。当仅有两个模式发生干涉时，上式可简化为：
式(2)中I1和I2分别表示两种模式的强度，
是两种模式的相位差。从式(1)可解出
其中，n1和n2分别表示两个模式的有效折射率，Δneff则表示这两个模式的有效折射率差。当
时，式(3)可以得到一个极大值的干涉峰，假定这个干涉峰对应的波长为λm:
两个极大值干涉峰之间的波长宽度定义为自由光谱范围FSR，则有：
在传感过程中，外界参量的变化会引起光纤的变化，进而影响光的传输情况，因此，在使用干涉仪进行探测时，就会发现干涉波长和自由光谱范围发生了变化。
为了便于将干涉仪集成到现有光纤***中，本发明所述的入射光纤和出射光纤均为单模光纤。
本发明所述的耦合器A和耦合器B均为熔融拉锥制成。所采用的光子灯笼为模式选择型光子灯笼，此种光子灯笼的多路尾纤端多数为异质单模光纤，即各尾纤的纤芯、包层不同，因此本发明所使用的耦合器A和B的多路端尾纤与光子灯笼A和B的多路端尾纤应相互匹配，即纤芯直径、包层直径相一致，且均为单模光纤。
在本发明中，光开关阵列中光开关数量与光子灯笼A的多路端尾纤数量相同，即与少模光纤可传输的模式数相同。阵列中每一个光开关都可单独控制光子灯笼A一个多路端尾纤的通断，也就是说，少模光纤中每个模式的激发都可以单独被控制。
为了减小整个干涉仪的损耗，本发明所述的光子灯笼A和B的多路端尾纤均为单模光纤，仅支持一种模式传输；单路端尾纤为少模光纤，可支持多种模式；光子灯笼A和B的单路尾纤与所使用的少模光纤相匹配，及纤芯直径、包层直径和所支持传输的模式数量相一致。
本发明中，为减少各模式间的相互影响，所用的少模光纤为弱模间耦合少模光纤，此类光纤也可称为低模间串扰少模光纤，这种光纤特点是纤芯中的每一个模式都可独立传输且不受其他模式的影响。
本发明的有益效果在于：
本发明利用少模光纤的纤芯模式作为传输通道，结构紧凑。使用光子灯笼控制少模光纤的模式激发，可以根据需求实现不同模式间的干涉，扩大了干涉仪的使用范围。少模光纤两端均采用光子灯笼，减少了因光纤模场失配导致的损耗。
附图说明
图1是多通道干涉仪结构示意图。
图2是基于少模光纤的多通道干涉仪传感装置示意图。
图3(a)是6模光子灯笼结构示意图，(b)是多路端端面结构示意图。
图4是光子灯笼各模式输出光场示意图。
图中：1为入射光纤；2为耦合器A；3为光开关阵列，其中3-1、3-2……3-N为光开关；4为光子灯笼A，其中4-1、4-2……4-6为多路端单模尾纤，4-7为光纤锥、4-8为单路端少模尾纤；5为少模光纤；6为光子灯笼B；7为耦合器B；8为出射光纤；9为多通道干涉仪；10为光源；11为光谱仪。
具体实施方式
下面结合附图以及具体实施例来进一步阐述本发明，但本发明的保护范围并不限于此。
以六模光纤为例，在本实施例中少模光纤5包括LP01，LP11a，LP11b，LP21a，LP21b，LP02六个模式，图2给出了基于少模光纤的多通道干涉仪传感装置示意图。装置是由光源10、入射光纤1、多通道干涉仪9、出射光纤8、光谱仪11组成。多通道干涉仪的结构如图1所示，包括入射光纤1、耦合器A2、由光开关3-1、3-2……3-N构成的光开关阵列3、光子灯笼A4、少模光纤5，光子灯笼B6、耦合器B7和出射光纤8。因为使用的为六模光纤，所以在该实施例中N＝6，光子灯笼多路端具有6个尾纤，每个入射端口可激发少模光纤的一个模式。
耦合器A和耦合器B采用相同的熔融拉锥方式制成。本实施例中所使用的光子灯笼A和光子灯笼B为相同的6模光子灯笼。光子灯笼为本实验室研制的异质芯光子灯笼，其结构如图3所示，多路端包含6个纤芯、包层尺寸不同的单模尾纤4-1、4-2……4-6，光子灯笼通过拉锥方式制成，4-7为光纤锥，光子灯笼单路端为少模输出尾纤，多路端端面结构如图3(b)所示，包含6个异质单模光纤。光子灯笼多路端不同尾纤入射时，各单模尾纤对应的模式如图4所示。
干涉仪的工作过程如下，光源10发出的宽带光经入射光纤传输至耦合器A，为了保证干涉仪具有较高的消光比，耦合器A和B各多路端具有相同的分光比。经耦合器A后，各路传输光具有相同的光强。通过光开关控制参与干涉的模式。通过光子灯笼实现选定模式的激发，利用光子灯笼作为模式激发器可以有效减少传统手段(如拉锥、错芯焊接等)激发高阶模式带来的损耗，并且传统的模式激发手段难以控制激发模式的数量和模式强度，而使用光子灯笼可以消除这些不确定性。激发出的模式沿少模光纤继续传输，经光子灯笼B后再度转换成单模光纤的基模传输，在耦合器B处产生干涉，并在光谱仪上得到干涉谱。耦合器B为多根单模光纤的耦合，相比于传统的单模-少模-单模干涉结构，单模光纤的耦合可以实现无损耗耦合，不会因模场失配而产生损耗，并且在少模光纤的高阶模通过光子灯笼向基模转化的过程中，也不会产生较大的损耗。因此本发明中的干涉仪相比于传统的基于拉锥、错芯焊接、模场失配等原理制成的少模光纤干涉仪具有灵活度高、损耗低、可控性强等特点。
Claims (7)
1.一种基于少模光纤的多通道干涉仪，其特征是：它由入射光纤、耦合器A、光开关阵列、光子灯笼A、少模光纤、光子灯笼B、耦合器B、出射光纤组成；入射光纤的一端与光源相连，另一端与耦合器A连接，耦合器A输出的光传输经光开关阵列后传输至光子灯笼A，光子灯笼激发少模光纤的不同模式，经少模光纤传输至光子灯笼B，光子灯笼B输出的光在耦合器B处发生干涉，后经出射光纤传输至光谱仪。
2.根据权利要求1所述的基于少模光纤的多通道干涉仪，其特征是：所述的入射光纤和出射光纤均为单模光纤。
3.根据权利要求1所述的基于少模光纤的多通道干涉仪，其特征是：所述的耦合器A和耦合器B均为熔融拉锥制成，耦合器A和B的多路端尾纤与光子灯笼A和B的多路端尾纤相匹配，即纤芯直径、包层直径相一致。
4.根据权利要求1所述的基于少模光纤的多通道干涉仪，其特征是：所述的光开关阵列中光开关数量与光子灯笼A的多路端尾纤数量相同，每一个光开关都可单独控制光子灯笼A一个多路端尾纤的通断。
5.根据权利要求1所述的基于少模光纤的多通道干涉仪，其特征是：所述的光子灯笼为模式选择型光子灯笼。
6.根据权利要求1所述的基于少模光纤的多通道干涉仪，其特征是：所述的光子灯笼A和B的多路端尾纤均为单模光纤，仅支持一种模式传输；单路端尾纤为少模光纤，可支持多种模式；光子灯笼A和B的单路尾纤与所使用的少模光纤相匹配，即纤芯直径、包层直径和所支持传输的模式数量相一致。
7.根据权利要求1所述的基于少模光纤的多通道干涉仪，其特征是：所述的少模光纤为弱模间耦合少模光纤，纤芯内的每一模式都可单独传输并且不受其他模式影响。
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| CN115201965A (zh) * | 2022-06-13 | 2022-10-18 | 云南民族大学 | 双波段模式复用光子灯笼器件及制作方法 |
| CN115201965B (zh) * | 2022-06-13 | 2024-04-09 | 云南民族大学 | 双波段模式复用光子灯笼器件及制作方法 |
| CN116046023A (zh) * | 2023-03-31 | 2023-05-02 | 中国船舶集团有限公司第七〇七研究所 | 基于光子灯笼的光纤陀螺精度分析方法及*** |
| CN116046025A (zh) * | 2023-03-31 | 2023-05-02 | 中国船舶集团有限公司第七〇七研究所 | 基于光子灯笼实现光纤陀螺在线检测的方法及*** |
| CN116046023B (zh) * | 2023-03-31 | 2023-06-02 | 中国船舶集团有限公司第七〇七研究所 | 基于光子灯笼的光纤陀螺精度分析方法及*** |
| CN116046025B (zh) * | 2023-03-31 | 2023-06-02 | 中国船舶集团有限公司第七〇七研究所 | 基于光子灯笼实现光纤陀螺在线检测的方法及*** |
| CN117420680A (zh) * | 2023-12-18 | 2024-01-19 | 华中科技大学 | 一种具有模式相关损耗均衡功能的光子灯笼设计方法 |
| CN117420680B (zh) * | 2023-12-18 | 2024-02-23 | 华中科技大学 | 一种具有模式相关损耗均衡功能的光子灯笼设计方法 |
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