CN1963399A - 多路复用光纤干涉仪及其嵌套构建方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于光纤技术领域，具体涉及一种基于空分复用原理的光纤干涉仪。本发明基于空分复用原理，在白光光纤干涉仪中，利用嵌入光纤分路器和光程阶跃累积型光学延迟器，构造了多种基于多路复用技术的白光光纤干涉仪，实现多个光纤干涉仪的嵌套和复用。本发明的目的是解决光纤干涉仪的多路复用问题，当光纤干涉仪用于形变、应变、温度、压力等物理量的测量时，在互不影响的情况下可以共用一套光路解调***，提高测量的可靠性，降低测量的单点成本，实现传感器的阵列化和网络化。

Description

多路复用光纤干涉仪及其嵌套构建方法

(一)技术领域

本发明属于光纤技术领域，具体涉及一种基于空分复用原理的光纤干涉仪及其嵌套构建方法。

(二)背景技术

采用低相干、宽谱带的光源，例如发光二极管(LED)、超自发辐射光源(ASE)或者多模激光二极管的光纤干涉仪通常被称为白光光纤干涉仪，与其他光纤干涉仪相比，除了具有高灵敏度、本质安全、抗电磁场干扰等优点外，最大特点是可对压力、应变、温度等待测量进行绝对测量，被广泛用于对物理量、机械量、环境量、化学量、生物医学量的测量。

白光光纤干涉仪在实际测量与测试应用中，遇到的一个问题是如何多点位置点分布的物理量进行实时的测量，例如对大型结构或者关键部位(水电站、大坝、桥梁等)确定其安全状况的无损检测与监测过程中，需要将传感器植入关键部位，构筑成监测网络，对内部的位移、形变、应变以及温度等信息进行实时和在线的提取，传感器数量通常为几十个或者上百个。单一位置点或者单个物理量的传感，已经远不能满足人们对事物整体或者***状态获取的要求。因此，采用发展光纤干涉仪的多路复用技术，在互不影响的前提下，利用同一个测量光路实现对多个干涉仪(传感器)测量信息的问询与查询，这将极大地简化***复杂程度和降低测试费用，保证测试***的实时性，提高测量的可靠性。

为了解决光纤干涉仪的多路复用问题，人们开展了多方面的研究，已经发展的多路复用技术有：时分复用技术(TDM)、频分复用技术(FDM或FMCW)、波分复用技术(WDM)和空复用技术(SDM)。

Jackson等人[Santos，J.L.，Jackson，D.A.，Coherence sensing of time-addressed optical-fibersensors illuminated by a multimode laser diode Appl.Opti，30，5068-5076，1991]发展的时分复用技术(TDM)，是利用在同一光纤总线上的传感单元的光程差，即光纤对光波的延迟效应来寻址的复用技术。技术方案为：多模激光二极管发出的小于光纤总线上相邻传感器间传输时间的光脉冲，并注入光纤总线的输入端时，由于在总线上各传感单元距光脉冲发射端的距离不同，在光纤总线的终端将会接受到一系列的脉冲，其中每一个光脉冲所包含的信息对应光纤总线上的一个传感单元，光脉冲的时延大小反映该传感单元的地址分布。如果能够在光脉冲宽度的时间内完成对白光传感单元的连续光程扫描，即可对得到传感器的传感信息。这种方法结构复杂，复用数量有限，测量范围小，测量精度低。

Liu等人[T.Liu，G.F.Fernando，A frequency division multiplexed low-finesse fiber opticFabry-Perot sensor system for strain and displacement measurements，Review of ScientificInstruments，71(3)，1275-1278，2000]发展的频分复用技术，利用光谱分析仪直接测量多个腔长不同的Fabry-Perot干涉仪输出的光谱叠加结果，通过波长域对频率域的数学变换得到Fabry-Perot干涉仪的腔长。这种方法受到腔长和腔长差的限制，干涉仪复用数量也仅仅为几个。

饶云江等人(C.X.Zhou，Yun-Jiang Rao，and Jian Jiang，A coarse wavelength-division-multiplexed extrinsic fiber Fabry-Perot sensor system，Proc.SPIE 5634，219(2005))发展的波分复用技术(WDM)，是利用粗波分复用器(CWDM)将宽带光源分成多个通道实现光纤干涉仪的复用。例如对于一个1×4CWDM，可以将波长范围分成1521～1601nm的宽带光均匀分解为四个波长通道，即1521～1541nm，1541～1561nm，1561～1581nm，1581～1601nm，每个通道连接一个传感器就实现了4个传感器的波分复用。这种复用技术，具有结构简单，测量精度高的优点，但是受到光源带宽与光谱分析仪器仪光谱范围的限制，使传感器的复用数量受到限制，一般其复用的数量不超过10个。

上述光纤干涉仪的多路复用方法，主要基于时分复用、频分复用、波分复用等技术，已有大量的技术专利和技术论文公开发表。例如，中国专利公报公开的基于光放大的光纤Fizeau应变传感器频分复用***及方法(饶云江、江建的发明专利)申请(专利)号200310104081.1。

(三)发明内容

本发明的目的在于提出一种在互不影响的情况下，解决光纤干涉仪的复用数量少，结构复杂问题的基于空分复用原理的光纤干涉仪的嵌套构建方法，并由此构造的带有光纤传感器阵列的全光纤干涉仪。

本发明的目的是这样实现的：

1、一种多路复用光纤干涉仪，它包括宽谱光源1和光电探测器2，宽谱光源1、光电探测器2连接光纤2×2耦合器3的两个光纤输入端，光纤2×2耦合器3的两个光纤输出端通过单模光纤4、5连接光纤分路器6和光程阶跃累积型光学延迟器件7，光程阶跃累积型光学延迟器件7连接连续可变的光学延迟器件8，光纤分路器6连接嵌套复用的光纤干涉仪阵列9。

2、一种多路复用光纤干涉仪的嵌套构建方法，将从光源发出的宽谱光由光纤分路器分束，进入嵌套复用的光纤干涉仪的测量光路成为测量光束；利用参考光束在光程阶跃累积型光学延迟器中多次往返通过所得到的累积光程，与测量光束在嵌套复用干涉仪测量光路中获得的光程发生匹配，得到白光干涉条纹。2、

本发明还有这样一些结构特征：

1、所述的光纤2×2耦合器3为3dB光纤2×2耦合器；

2、所述的光纤分路器为单模光纤跳线；

3、所述的光纤分路器为1×N星型光纤耦合器；

4、所述的光纤分路器为1×N光纤开关；

5、所述的光程阶跃累积型光学延迟器件为单模光纤跳线；

6、所述的光程阶跃累积型光学延迟器件为连接有不同长度单模光纤的多路光纤开关；

7、所述的光程阶跃累积型光学延迟器件为光纤Fabry-Perot谐振腔或光纤环形谐振腔。

本发明方法的基本原理是空分复用原理，如图1所示的Michelson干涉仪，光源1发出的宽谱光进入单模光纤后，3dB单模光纤2×2耦合器3分成两束，一束光进入被作为测量臂的单模连接光纤4进入由光纤分路器6连接的复用的光纤干涉仪阵列9，被阵列中的光学反射面反射后返回，经过光纤分路器6、连接光纤4、耦合器3到达光电探测器2，这束光称为测量信号光；由光源发出的3dB单模光纤2×2耦合器3分路的另外一束光，进入作为参考臂的单模连接光纤5和光程阶跃累积型光学延迟线7，被连续可变光学延迟线8反射后返回，再次经过光程阶跃累积型光学延迟线7、连接光纤5、耦合器3，同样到达光电探测器2，将这束光称为参考信号光。测量信号光和参考信号光在探测器表面发生相干叠加，由于宽谱光源的相干长度很短，大约为几个微米到几十个微米，只有当参考信号光和测量信号光程差小于光源的相干长度时，才会产生相干叠加，输出白光干涉图样。干涉条纹的强度可以表达为：

$I=I_1+I_2+2\sqrt{I_1-I_2}\·\left|\mathrm{\γ}\left(x\right)\right|\·\cos (k\·x+\mathrm{\φ})---\left(1\right)$

式中：I₁、I₂为参考光束和测量光束的信号强度，k为波数，x为两干涉信号光程差，φ为初始相位，γ(x)为光源自相关函数。

白光干涉条纹的特征是有一个主极大值的中心条纹，它与零光程差位置相对应，即对应于参考光束和测量光束光程相等时，此时称为参考光束与测量光束具有光程匹配关系。通过改变光学延迟线的延迟量，使参考信号的光程发生变化，可以获得中心干涉条纹。中心条纹位置为测量提供了一个可靠的绝对位置参考，当测量光束由于外界待测物理量的影响光程发生变化时，只需通过参考臂光程扫描得到的白光干涉条纹的位置变化，即可获得被测量物理量的绝对值。

由于采用宽谱光源的光纤干涉仪的干涉现象只发生在相干长度内，对应于光程匹配条件附近的几个微米到几十个微米之间，如果将多个光纤干涉仪进行串联、并联或者串并联的复合嵌套，使不同光纤干涉仪所对应的干涉信号在光程扫描空间内的相互分立，单独区分，即可实现光纤干涉仪的多路复用。由于这种技术使光纤干涉仪和白光干涉条纹在空间上都是分离的，因此称这种技术为空分复用技术。如图1所示，在光纤干涉仪的测量臂中嵌入1×N光纤分路器输入光束分配成N路，同时在每一路被分配的光路中设置不同的M个光学反射面，即相当于N×M个干涉仪嵌套复用在一起；与此相对应的在光纤干涉仪的参考臂中嵌入光程阶跃累积型光学延迟线和连续可变光学延迟器件，参考光束的光程匹配扫描，在小范围内可以直接利用连续可变的光学延迟器件实现光程扫描，大范围的匹配可以利用光程阶跃累积阶跃型光学延迟器件配合连续可变的光学延迟器件实现光学扫描。测量光束经过不同光学分路不同反射面(光纤干涉仪)所经历的光程，可以和参考光束的光程发生一一对应的匹配关系，使产生的白光干涉条纹在光程扫描空间上相互独立，互不干扰，基于上述思想可以实现N×M个光纤干涉仪的嵌套复用。

本发明的优点和特点是：

(1)本发明基于空分复用技术，通过嵌入光纤分路器和光程阶跃累积型光学延迟器件构造的干涉光纤干涉仪，无需采用复杂的时间、频率或者波长复用技术，只通过空间连续的光程扫描，即可实现对多光纤干涉仪(传感器)的问询和测量，结构简单，容易实现。

(2)本发明构造的多路复用光纤干涉仪，通过选择功率合适的宽谱光源和足够分路数的光纤分路器，可以使复用的干涉仪(传感器)的个数达到近百个，实现光纤传感器布设的阵列化和网络化，极大地简化了***复杂程度，降低了测试费用，保证了测试***的实时性，提高了测量的可靠性。

(3)本发明采用的光纤材料和器件均为标准光纤通信元件，***格低廉，容易获得，有利于推广。

本发明专利提出基于空分复用技术的白光干涉仪的多路复用方法，目的是解决干涉仪复用数量低，结构复杂或者造价昂贵的缺点，以满足实际测量应用的要求。光纤2×2耦合器选用分光比为3dB(1∶1)，其优点是为了增加干涉信号的对比度；将1×N光纤分路器(光纤开关或者光纤耦合器)与光程阶跃累积型光学器件配合使用的优点是可以使干涉仪的光路得以扩展，实现N个光纤干涉仪的嵌套与复用，增加干涉仪携带传感器的个数，进而实现传感器的阵列化和网络化。

(四)附图说明

图1是多路复用光纤干涉仪的结构示意图；

图2是利用1×4光纤开关构成的并联复用光纤干涉仪结构示意图；

图3是利用2×8光纤开关构成的串联复用干涉仪结构示意图；

图4是利用光纤Fabry-Perot谐振腔构造多路复用光纤干涉仪的结构示意图；

图5是利用光纤环形谐振腔构造的多路复用光纤干涉仪的结构示意图。

(五)具体实施方式

以下结合实施例和附图对本发明作进一步说明：

实施例1：

结合图1，本实施例包括宽谱光源1和光电探测器2，宽谱光源1、光电探测器2连接光纤2×2耦合器3的两个光纤输入端，光纤2×2耦合器3的两个光纤输出端通过单模光纤4、5连接光纤分路器6和光程阶跃累积型光学延迟器件7，光程阶跃累积型光学延迟器件7连接连续可变的光学延迟器件8，光纤分路器6连接嵌套复用的光纤干涉仪阵列9。其中，光纤2×2耦合器3为3dB光纤2×2耦合器；光纤分路器为单模光纤跳线；光程阶跃累积型光学延迟器件为单模光纤跳线。

实施例2：利用1×4光纤开关构造的并联复用光纤干涉仪方案。

结合图2，本实施例包括宽谱光源1、光电探测器2、3dB光纤2×2耦合器3、参考臂单模连接光纤5、连续可变光学延迟器件7、1×4光纤开关10和光纤端面反射镜11，光源1和探测器2连接到3dB单模光纤2×2耦合器3的两个光纤输入端，光纤输出端分别连接1×4光纤开关6和连续可变光学延迟线8。1×4光纤开关6的作用是通过光路切换，实现不同干涉仪的连接，同时配合连续可变光学延迟线8中光程扫描，获得不同的白光干涉条纹，实现光纤干涉仪的嵌套复用。此种结构的光纤干涉仪复用数量为4个。

实施例3：利用2×8光纤开关构成的串联复用干涉仪方案。

结合图3，本实施例中宽谱光源1、光电探测器2、3dB光纤2×2耦合器3和连续可变光学延迟线8与图2相同，不同之处在于增加了由2×8光纤开关13和连接参考臂的不同长度的单模光纤5组成的光程阶跃累积型光学延迟线和反射面12。另外嵌套光纤干涉仪的结构由并行连接型改变为光纤干涉仪首尾相接的串行连接型。光纤干涉仪工作时，测量光束进入由四个光纤干涉仪(光纤传感器)串行连接的阵列中，形成了一系列具有不同光程的反射测量信号光；而参考光束依次通过连接有不同匹配长度光纤的光纤开关10和连续可变光学延迟器件8，通过前者的切换并配合后者的光程扫描，实现参考光束与测量光束的光路匹配，获得白光干涉条纹，实现光纤干涉仪的嵌套复用。由于2×8光纤开关6可以连接只能连接4条不同长度的光纤跳线，这种结构的光纤干涉仪复用数量为4个。

实施例4：利用光纤Fabry-Perot谐振腔构造多路复用光纤干涉仪方案。

结合图4，本实施例的光纤干涉仪与图2相比，不同之处在于用光纤Fabry-Perot谐振腔14取代了2×8光纤开关13，光纤Fabry-Perot谐振腔由陶瓷插芯1401、陶瓷套管1402、镀在光纤端面的光学透射反射膜1403和构成Fabry-Perot谐振腔的单模光纤1404四部分组成。它的作用同样是利用光束在谐振腔内的多次反射实现光程的阶跃累积，实现参考光束与测量光束的光程粗匹配。用光纤分路器6连接的有N个串行阵列与M个并行相结合的面阵列干涉仪，极大地增加了光纤干涉仪的复用个数，例如N＝8，M＝16时，此种结构干涉仪的复用个数可以达到128个。用光纤Fabry-Perot谐振腔取代光纤开关，也降低了***的造价，同时将光纤开关中分立的光纤匹配光路对并为一路，也提高了光路的***的抗干扰特性。

实施例5：利用光纤环形谐振腔构造多路复用光纤干涉仪方案。

结合图5，本实施例的光纤干涉仪与图4相比，不同之处在于用功能完全相同的光纤环形谐振腔15取代了光纤Fabry-Perot谐振腔14。同样，如果N＝8，M＝16时，此种结构干涉仪的复用个数可以达到128个。这种新结构的优点是光纤环形谐振腔可以利用成熟的熔融拉锥工艺制作，省去了Fabry-Perot谐振腔端面镀膜的工序，实现更为方便，价格更为便宜。

Claims (9)

1、一种多路复用光纤干涉仪的构建方法，它基于空分复用原理，从光源发出的宽谱光被光纤分路器分束后，连接嵌套复用的光纤干涉仪的测量光路，其特征是：利用参考光束在光程阶跃累积型光学延迟器中多次往返通过所得到的累积光程，与测量光束在嵌套复用干涉仪测量光路中获得的光程发生匹配，得到白光干涉条纹，进而完成形变、应变、温度、压力等物理量的测量。

2、一种多路复用光纤干涉仪，它包括宽谱光源(1)和光电探测器(2)，其特征是：宽谱光源(1)、光电探测器(2)连接光纤2×2耦合器(3)的两个光纤输入端，光纤2×2耦合器(3)的两个光纤输出端通过单模光纤(4)、(5)连接光纤分路器(6)和光程阶跃累积型光学延迟器件(7)，光程阶跃累积型光学延迟器件(7)连接连续可变的光学延迟器件(8)，光纤分路器(6)连接嵌套复用的光纤干涉仪阵列(9)。

3、根据权利要求1所述的一种多路复用光纤干涉仪，其特征是：所述的光纤2×2耦合器(3)为3dB光纤2×2耦合器。

4、根据权利要求1所述的一种多路复用光纤干涉仪，其特征是：光纤分路器(6)为单模光纤跳线。

5、根据权利要求1所述的一种多路复用光纤干涉仪，其特征是：光纤分路器(6)为1×N星型光纤耦合器。

6、根据权利要求1所述的一种多路复用光纤干涉仪，其特征是：光纤分路器(6)为1×N光纤开关。

7、根据权利要求1所述的一种多路复用光纤干涉仪，其特征是：光程阶跃累积型光学延迟器件(7)为单模光纤跳线。

8、根据权利要求1所述的一种多路复用光纤干涉仪，其特征是：光程阶跃累积型光学延迟器件(7)为连接有不同长度单模光纤的多路光纤开关。

9、根据权利要求1所述的一种多路复用光纤干涉仪，其特征是：光程阶跃累积型光学延迟器件(7)为光纤Fabry-Perot谐振腔或光纤环形谐振腔。