CN1444019A - 带光环形器的光纤Michelson干涉仪 - Google Patents

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周晓军
刘永智
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Abstract

本发明提供了一种带光环形器的光纤Michelson干涉仪。它是通过在普通单模光纤Michelson干涉仪的光源1与耦合器2之间用光环形器11代替光隔离器、在两光纤臂端反射镜8前分别安装了两个45°Faraday旋转器10构成。它不但解决了光源的光隔离问题，并且将这部分返回光信号用于提高传感器的信噪比和灵敏度。此外，干涉仪用Faraday旋转器实现了普通单模光纤构成的偏振无关干涉仪，而不需要用保偏光纤及其器件。

Description

带光环形器的光纤Michelson干涉仪
技术领域：
本发明属于光电子技术领域，它特别涉及光纤Michelson干涉仪。
背景技术
光纤Michelson干涉仪与光纤Mach-Zehnder干涉仪是光电子技术中常用的两种光纤干涉仪，可以制成高灵敏度的干涉型光纤传感器，它们广泛应用于光纤水听器和电场、磁场、温度、应力等物理量的测量。两种光纤干涉仪结构如图1、2所示。图1是光纤Mach-Zehnder干涉仪，它由两个3dB(分束比为1∶1)光纤耦合器2、两个光纤臂(传感光纤臂4和参考光纤臂5)及相位调制器12、换能器3组成。图2是光纤Michelson干涉仪，它由一个3dB光纤耦合器2、两个光纤臂4、5、两个反射镜8及相位调制器12、换能器3组组成。光纤Michelson干涉仪中的光波被反射镜8反射后沿原路返回，由于光波两次经过同一耦合器2，实际上可以把它看作与光纤Mach-Zehnder干涉仪同属一类的双光束光纤干涉仪[见文献：Eric Udd，Fiber Optic sensors：An introduction for Engineersand Scientists，John Wiey & Sons，Inc.，1991.和Brian Cushaw & John Dakin，Optica Fiber Sensors，Artech House Boston and ondon，1989.]。
用光纤Michelson干涉仪制成的干涉型光纤传感器与光纤Mach-Zehnder干涉仪相比有以下两个优点：第一，由于光波两次经过传感光纤臂上的换能器，外界物理量在传感光纤臂上产生的相移是光纤Mach-Zehnder干涉仪的两倍。因此，光纤Michelson干涉仪传感器的灵敏度也是光纤Mach-Zehnder干涉仪传感器的两倍。第二，在光纤Michelson干涉仪反射镜8前加一个Faraday旋转器10，如图3所示，则可以消除普通单模光纤干涉仪中光波偏振态随机变化带来的信号随机衰落，构成偏振无关光纤干涉仪，而不需要使用昂贵的保偏光纤和保偏光纤耦合器[见文献：A.D.Kersey，M.J.Marrone & M.A.Davis，Poarisation-insensitive fiber optic Michelson interferometer，Vo.27，No.6，EECTRONICS ETTERS，pp.518-519，1991.和E.Brinkmeyer，Forward-backward transmission of poarization-sensitive measurement，OPTICS ETTERS，pp.575-580，1981.]。
但是，光纤Michelson干涉仪存在的问题是它的两个输出端中只有一个输出端与光探测器连接，另外一个输出端与光源1相连，光源1是激光二极管，返回到光源1的光会引起激光二极管输出光谱变化，对干涉条纹可见度产生影响。激光二极管对反馈光极敏感，即使万分之几的光反射也会对激光二极管产生很大的影响。现有的解决方法是在光源1与光纤干涉仪之间需要加隔离度大于50dB的光隔离器，阻止返回光进入光源1。可是，采用光隔离器虽然解决了返回光对光源的干扰问题，但却有50％带有传感信息的光波损失掉了。由于干涉仪两个输出端信号是互补的，如果这部分光经过光电变换，与干涉仪另一输出端信号一起进行差分放大，可以消除光源的强度噪声，提高传感器的信噪比等性能。
发明内容
本发明专利任务是提供一种既能够克服返回光对光源的干扰问题、又能够充分利用的返回光携带的传感信息，并将反馈光用于提高干涉型光纤传感器的信噪比的带光环形器的光纤Michelson干涉仪。
本发明的目的是这样实现的：本发明带光环形器的光纤Michelson干涉仪是由光源激光二极管1、三端口光环形器11、3dB光纤耦合器2、换能器3、两光纤臂4、5、聚焦透镜9、Faraday旋转器10、反射镜8组成，它是通过在普通单模光纤Michelson干涉仪的光源1与耦合器2之间用光环形器11代替光隔离器16、在两光纤臂端反射镜8前分别安装了两个45°Faraday旋转器10构成，其结构如图5所示。
本发明的实质是在光纤Michelson干涉仪的光源1与耦合器2之间，用光环形器11代替光隔离器16。它不但解决了返回光对光源的干扰问题，而且充分利用的返回光携带的传感信息，并将返回光用于提高干涉型光纤传感器的信噪比。
光环行器11的工作原理是：光环形器11是一种多端口输入输出的非互易无源器件，它使光信号只能沿规定的端口顺序传输。图3所示是三端口光环形器的工作原理框图。来自1端口(图3中的13)的入射光只能到达2端口(图3中的14)，而不能进入3端口(图3中的15)，2端口入射的光只能到达3端口，而不能返回1端口。
本发明的工作过程是：将光环形器11安装在光纤Michelson干涉仪的光源1与耦合器2之间，1端口与光源1相接，2端口与耦合器2相接，从光纤干涉仪返回到光环形器11的3端口的光与直接从干涉仪输出的信号一起分别经过光电变换后接入差分放大器7。激光二极管发出的光从光环形器11的1端口进入干涉仪，从干涉仪返回的光信号只能从2端口向3端口传输，因此光环形器对光源起着光隔离器的作用。从光环形器11的3端口输出的光波携带着传感物理量信息。在光纤干涉仪两个输出端输出的光波在相位上相差180°，因此经过差分放大后，带光环形器的光纤Michelson干涉仪可以抵消光源光功率的强度噪声。因此，本方案可以提高光纤Michelson干涉仪型传感器的信噪比与灵敏度。
安装光环形器11后，Michelson干涉仪形成两个输出端，如果在光环形器输出端经光电变换后加一个放大器(其放大倍数为G)，使两臂信号平衡，经差分放大器7后就可以消除光源的强度噪声。详细分析如下：
设带光环形器的光纤Michelson干涉仪输出为
      I＝I0(A+BcosΔ)                           (1)
      I＝I0(C-BcosΔ)式中A、B、C是常数。假设光源的强度噪声使光强输出有一起伏I0(1+dx)，dx＝dIn/I0。dIn是单位带宽强度噪声的绝对值。干涉仪的交流输出为
       dI＝I0Adx+I0Bd                           (2)信噪比为Bdφ/Adx。当信噪比为1时最小可测相移为(1)式两互补信号相减，得到
        I-I′＝I0[(A-C)+2BcosΔ]                (4)将I’信号放大，使得A-GC＝0，G为放大器的放大倍数，则(4)式变为
        I-I′＝I0(B+GB)cosΔ                    (5)由(5)式可看出强度噪声项被消掉。因此差分放大后干涉仪信噪比可大大提高。
在光纤Michelson干涉仪反射镜8前加Faraday旋转器10，如图3所示，可抵消普通光纤双折射效应产生的偏振态随机变化，使偏振态变化造成的干涉条纹对比度变化小于±5％，因此加了Faraday旋转器的单模光纤Michelson干涉仪可看作偏振无关光纤干涉仪。
与光源相连的光纤Michelson干涉仪输出端返回光信号对激光二极管的工作特性的影响通常是用光隔离器解决的，而本发明将光环形器用于光纤Michelson干涉仪光源与干涉仪的连接处，不但解决了光源的光隔离问题，并且将这部分返回光信号用于提高传感器的信噪比和灵敏度。此外，干涉仪用Faraday旋转器实现了普通单模光纤构成的偏振无关干涉仪，而不需要用保偏光纤及其器件。
因此本发明的积极效果体现在：
(1)用光环形器解决了光源与干涉仪的光隔离；(2)提高了传感器的信噪比和灵敏度；(3)可以用Faraday旋转器解决偏振态变化造成的信号衰落。
附图说明
图1是光纤Mach-Zehnder干涉仪的结构示意图
图2是光纤Michelson干涉仪的结构示意图
图3是偏振无关的光纤Michelson干涉仪的结构示意图
图4是三端口光环行器的结构示意图
图5是的带光环行器的光纤Michelson干涉仪的结构示意图
在图中，1是光源激光二极管，2是光纤耦合器，3是换能器，4是传感光纤臂，5是参考光纤臂，6是光电二极管，7是差分放大器，8是反射镜，9是聚焦透镜，10是Faraday旋转器，11是光环形器，12是相位调制器，13是光环形器1端口，14是光环形器2端口，15是光环形器3端口，16是光隔离器。
具体实施方式：
带光环形器的光纤Michelson干涉仪如图5所示。光环形器11可用昂纳信息技术有限公司的型号为CIR-A-1-3-1-0的产品。忽略光纤耦合器2和其它光学元件的***损耗，设反射镜8的反射率为100％，干涉仪可见度为1。本发明具体实施方式是通过在普通单模光纤Michelson干涉仪光源1与耦合器2之间用光环形器11代替光隔离器16、在两光纤臂端反射镜8前均加了45°Faraday旋转器10实现的，其结构如图5所示。如果干涉仪的封装使传感光纤臂与参考光纤臂等长并处于同一外界干扰场中，环境热变化和振动在传感光纤臂与参考光纤臂产生的相移是相同的，环境扰动产生的相移噪声将相消。
从本发明的具体实施方式可以得到结论：本发明带光环形器的光纤Michelson干涉仪首先解决了光源的隔离和双端输出差分放大提高干涉仪信噪比问题；其次，光波两次通过换能器，光纤Michelson干涉仪传感器灵敏度是光纤Mach-Zehnder干涉仪的两倍。另外，光纤Michelson干涉仪加Faraday旋转器构成的偏振无关光纤干涉仪是光纤Mach-Zehnder干涉仪不可能做到的。因此，本发明带光环形器的光纤Michelson干涉仪性能优于传统的双光束干涉仪的。

Claims (1)

1.一种带光环行器的光纤Michelson干涉仪，它包括光源(1)、3dB光纤耦合器(2)、换能器(3)、光纤臂(4、5)、光电二极管(6)、差分放大器(7)、聚焦透镜(9)、Faraday旋转器(10)、反射镜(8)、相位调制器(12)，其特征是它还包括三端口光环形器(11)，光环形器(11)安装在光源(1)与耦合器(2)之间。
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