專利名稱：一種光纖干涉儀π/2相位偏置的實現(xiàn)方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于光纖傳感和測量技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種光纖干涉儀π/2相位偏置的實現(xiàn)方法。

背景技術(shù)：
光纖傳感器是以光纖作為功能材料的傳感器，它是激光技術(shù)和光纖通信技術(shù)發(fā)展的產(chǎn)物。近年來，由于半導(dǎo)體激光器和低損耗光纖的出現(xiàn)，使光纖傳感技術(shù)得到迅猛發(fā)展。
光傳感器的基本原理包含多種調(diào)制技術(shù)，其中有強度調(diào)制、頻率調(diào)制、波長調(diào)制、偏振調(diào)制和相位調(diào)制，其中相位調(diào)制，即干涉型的光傳感器，因其具有極高的靈敏度和很高精度，在光傳感領(lǐng)域中占有重要的地位。
傳統(tǒng)的光干涉結(jié)構(gòu)是以自由空間做光路，干涉儀體積大，易受空氣、環(huán)境、溫度、聲波即振動的影響，穩(wěn)定性差，調(diào)整困難，測量準(zhǔn)確度低，因而使用受到限制。
干涉型光纖系統(tǒng)以光纖做光路，減少了干涉儀的長臂安裝和校準(zhǔn)等困難，容易實現(xiàn)小型化，并且由于光纖器件和光纖的獨特性，易于使用更加多樣的、靈活的方法增加干涉光路對測量參數(shù)的響應(yīng)靈敏度。
光纖干涉系統(tǒng)中，輸出信號是干涉光路間相位差Δφ的函數(shù)，是一個隆起的余弦函數(shù)P(Δφ)＝A1+B1cosΔφ(A1、B1為常數(shù))，其中Δφ＝Δφs+φ0，Δφs是由測量對象產(chǎn)生的相位差，φ0是由系統(tǒng)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的相位偏置。若系統(tǒng)相位偏置為0，即φ0＝0，Δφs＝0時，P(Δφ)取最大值，此時系統(tǒng)響應(yīng)斜率為0，處在最不靈敏的工作點。為了獲得高靈敏度，必須需給系統(tǒng)提供一個不為零的偏置相位。當(dāng)相位偏置量為π/2時，系統(tǒng)可得輸出P(Δφs)＝A2+B2sinΔφs(A2、B2為常數(shù))，此時，系統(tǒng)具有最大線性工作范圍。
在類似圖1所示的干涉結(jié)構(gòu)中，相干涉的光路徑相同、傳輸方向相反，即，從光分路器5的端口2輸出的光傳輸至端口3的光與從端口3輸出回到端口2的光，在分路器5相遇后，發(fā)生干涉。系統(tǒng)工作在零相位點上。圖中11為干涉單元，它的常用結(jié)構(gòu)類似11a、11b，其中，12是光纖環(huán)路，13是分路器，15是反饋裝置。
為了給系統(tǒng)施加不為零的相位偏置，在光路中引入相位調(diào)制器6，從電極8給給相位調(diào)制器6施加一定特性的電信號，直接或間接得到所需的相位偏置。或者，如圖2所示，使用均分的3×3光分路器16，獲得相位偏移。前一種方法必須施加電信號，增加了系統(tǒng)的復(fù)雜性。后一種方案，由于3×3分路器16自身帶來的相位差，在干涉信號輸出端18、19雖然可獲得非零的偏置相位，但是，偏置相位僅為

系統(tǒng)并未工作在

處，無法獲得最大線性工作范圍。雖然該結(jié)構(gòu)，可以通過端口18、19這兩端輸出信號相減獲得等效

的相位偏置，但是需要兩路輸出光插損一致性很好，而且還需要電路的處理，增加了系統(tǒng)實現(xiàn)的難度。


發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提出一種結(jié)構(gòu)簡單，實現(xiàn)方便的光纖干涉儀π/2相位偏置的實現(xiàn)方法。
本發(fā)明提出的光纖干涉儀π/2相位偏置的實現(xiàn)方法，是通過3×3光纖分路器的分光比的合理選擇以及光路結(jié)構(gòu)，用純光路的方法實現(xiàn)π/2(正或負(fù))的相位偏置，從而獲得最大的線性量程。本發(fā)明方法的具體步驟如下 在光纖干涉系統(tǒng)中，采用特殊分光比的3×3分路器23，該分路器的分光比為20％∶40％∶40％，即輸出端口的光強占總輸出光的比例分別為20％、40％、40％。設(shè)24#、25#、26#、27#、28#、29#分別是該分路器的輸入輸出端口。則具體輸入輸出關(guān)系如下表所示
當(dāng)分別以端口24、25、26為光輸入，相應(yīng)的輸出分光比例為20％的端口分別是端口27、28、29，反之亦然。
系統(tǒng)的連接方式如圖3所示，光輸入端口為端口24，端口27與光干涉單元11的一個端口9相連，端口29與光干涉單元11的另一個端口10相連。該連接方式的特點是，構(gòu)成干涉路徑的3×3分路器的兩個端口，其中一個為，當(dāng)以干涉光路的光輸入端為3×3分路器輸入時，分光比例為“20％”的端口，另一個端口為任一分光比例為“40％”的端口；直接獲得π/2相位偏置的干涉光信號輸出端口為，當(dāng)以干涉光路中所采用前面所述的“40％”的端口為3×3分路器輸入時，分光比例為“20％”的端口。設(shè)輸入光波振幅為a(0)，則從三個端口27、28、29輸出的光振幅為 相應(yīng)的光強I27(z)、I28(z)、I29(z)為 其中k為分路器的耦合系數(shù)，z為耦合長度。設(shè)干涉路徑7引入的干涉相位差為

從端口26輸出的光強

可以表示為

當(dāng)分光比為20％∶40％∶40％時，(符號于耦合長度z有關(guān))，可得光強隨

變化的部分為，
即從端口26輸出的光相位偏置為π/2，系統(tǒng)可獲得最大工作線性范圍。
值得指出的是，使用這種方法在干涉系統(tǒng)的實現(xiàn)過程中需注意分路器的連接方式。如果連接方式如圖4，光源從端口25輸入，端口27與光干涉單元11的端口9相連，端口29與光干涉單元11的端口10相連。這種連接方式的特征是，構(gòu)成干涉路徑的3×3分路器的兩個端口為，當(dāng)以干涉光路的光輸入端為3×3分路器輸入時，分光比例為40％的兩端口。從連接光輸入之外的兩個3×3分路器輸出端口輸出的光干涉信號之間的相位偏置差為π/2。此時，端口24、26輸出的光強

分別為

易見，不論kz取何值，都不能可到π/2的相位偏置。當(dāng)分路器分光比為20％∶40％∶40％的分路器時，光強隨

變化的部分分別為

此時，這兩個輸出端的相位差為π/2。
本發(fā)明的突出特點是，系統(tǒng)使用光無源器件實現(xiàn)了干涉系統(tǒng)的π/2相位偏置，使干涉系統(tǒng)獲得最大線性工作范圍。由于系統(tǒng)避免了在光路上引入電光器件，保證了干涉系統(tǒng)完全無源的特性，結(jié)構(gòu)簡單，易于實現(xiàn)。同時，由于π/2相位偏置信號直接可從光輸出端獲得，系統(tǒng)可以不必在特殊電路系統(tǒng)的配合下，即可直接用傳統(tǒng)的測試儀器、設(shè)備進行測量。
本發(fā)明中使用的是特殊分光比的3×3分路器，分光比為20％∶40％∶40％，該分路器可以是用光纖通過一定的工藝，如熔融拉錐，制作的，也可以是由其它波導(dǎo)結(jié)構(gòu)獲得的。
本發(fā)明不僅適用于類似圖1所示的干涉光路徑相同、傳輸方向相反的干涉系統(tǒng)，諸如Sagnac環(huán)、單芯反饋式等干涉結(jié)構(gòu)，也可為M-Z光纖干涉結(jié)構(gòu)提供相位偏置，當(dāng)兩臂平衡時，在特定的輸出端口直接獲得相位偏置為π/2的光干涉輸出。連接方式如圖5所示，系統(tǒng)設(shè)置2個分路器23、38，38是與分路器23分光特性相同的分路器，即，分光比為20％∶40％∶40％的分路器，設(shè)30、31、32、33、34、35分別是其光端口。當(dāng)分別以端口33、34、35為光輸入，相應(yīng)的輸出分光比例為20％的端口分別是30、31、32；分別以端口30、31、32為光輸入，相應(yīng)的輸出分光比例為20％的端口分別是33、34、35。取干涉系統(tǒng)的光輸入為端口24，則其中的一條干涉臂是由該端口相應(yīng)的分光比例20％的端口27構(gòu)成，端口27與另一3×3分路器38的端口33相連，端口25與端口29相連，則當(dāng)兩干涉臂36、37平衡時，從端口30(端口33相對應(yīng)的分光比例為20％的端口)輸出的干涉光信號相位偏置為π/2。



圖1是用電信號通過相位調(diào)制器來實現(xiàn)π/2相位偏置的光纖干涉系統(tǒng)。
圖2是用均分的3×3光分路器獲得非零的相位偏置。
圖3是用特殊分光比20％∶40％∶40％的分路器實現(xiàn)π/2相位偏置的方法。
圖4是用3×3分路器連成干涉結(jié)構(gòu)的另一種方法。這種方式中，從某一個光輸出端口不能直接獲得π/2相位偏置，但存在光干涉信號相位差為π/2的兩個輸出端口。
圖5是M-Z干涉結(jié)構(gòu)獲得π/2相位偏置的連接方式。在這種結(jié)構(gòu)中，兩干涉臂36、37平衡時，端口30輸出的光信號相位偏置為π/2。
圖6是3×3光纖耦合器橫截面結(jié)構(gòu)示意圖。
圖7是實施例中采用的光路連接圖，其中，44是相位調(diào)制器，串接在光路中，以檢測相位偏置。
圖8是實施例中光電探測裝置輸出的波形。此時，通過相位調(diào)制器給系統(tǒng)施加正弦擾動A1為波峰42到最小值的幅度，A2為波谷43到最大值的幅度。
圖中標(biāo)號5是2×2分路器，1、2、3、4是2×2分路器5的光輸入輸出端口。6是相位調(diào)制器，8是給相位調(diào)制器施加電信號的電極，7是干涉路徑，11是干涉單元，它的常用結(jié)構(gòu)類似11a、11b，其中，12是光纖環(huán)路，13是分路器，14是光纖，15是反饋裝置，可以是反射鏡或法拉第反射鏡等等。9、10是干涉單元11的連接端口。16是均分的3×3光分路器，17、18、19、20、21、22分別是分路器16的光輸入輸出端口。23是分光比為20％∶40％∶40％的分路器，24、25、26、27、28、29分別是分路器23的輸入輸出端口。38是分光比為20％∶40％∶40％的分路器，30、31、32、33、34、35分別是分路器38的輸入輸出端口。39、40、41分別是3根光纖經(jīng)熔融拉錐后的橫截面，這三根光纖的橫截面形成三角形結(jié)構(gòu)。42為波峰，43波谷，44是相位調(diào)制器。

具體實施例方式 用本發(fā)明方法構(gòu)造一相位偏置為π/2的Sagnac干涉儀，結(jié)構(gòu)如圖7所示。分路器23的端口24連接光源，光源為電子集團總公司44研究所生產(chǎn)的SO3-B型超輻射發(fā)光管(SLD)型穩(wěn)定光源。3×3分路器23是上?？甸熤圃斓娜廴诶F型單模光纖光纖耦合器，分光比為20％∶40％∶40％。耦合器的橫截面如圖6所示，三根光纖經(jīng)熔融拉錐后形成三角形結(jié)構(gòu)，39、40、41分別是它們橫截面。光纖環(huán)12是由光纖繞制而成，光纖為美國“康寧”生產(chǎn)的G652型單模光纖。光電探測裝置連接在耦合器的端口26，是44所生產(chǎn)、型號為GT322C500的InGaAs光電探測器，44是串聯(lián)在光路中的相位調(diào)制器，用來檢測系統(tǒng)的相位偏置。當(dāng)通過相位調(diào)制器44給光路施加正弦信號，當(dāng)正弦信號的幅度達(dá)到一定的幅值時，測量經(jīng)光電轉(zhuǎn)換后輸出的電信號，觀察到如圖8所示的波形，當(dāng)波峰42與波谷43幾乎位于同一水平位置時，幅度A1與A2的比值近似1，可以認(rèn)為該系統(tǒng)的相位偏置為π/2。
權(quán)利要求
1.一種光纖干涉儀π/2相位偏置的實現(xiàn)方法，其特征在于采用不均分的3×3分路器(23)，以產(chǎn)生相位偏置，該分路器(23)輸出端口的光強占總輸出光的比例分別為20％、40％、40％，設(shè)該分路器的輸出端口依次為24#、25#、26#、27#、28#、29#，則各端口輸入輸出關(guān)系如下表所示
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的實現(xiàn)方法，其特征在于在相干涉的光路徑相同，傳輸方向相反的干涉光路結(jié)構(gòu)中，所述的3×3分路器采用如下連接方式
光輸入端口為端口24，端口27與光干涉單元11的一個端口9相連，端口29與光干涉單元11的另一個端口10相連；構(gòu)成干涉路徑的3×3分路器的兩個端口，其中一個為分光比例為“20％”的端口，當(dāng)以干涉光路的光輸入端為3×3分路器輸入時，另一個端口為任一分光比例為“40％”的端口；直接獲得π/2相位偏置的干涉光信號輸出端口為分光比例為“20％”的端口，當(dāng)以干涉光路中所采用所述的“40％”的端口為3×3分路器輸入時。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的實現(xiàn)方法，其特征在于在相干涉的光路徑相同，傳輸方向相反的干涉光路結(jié)構(gòu)中，所述的3×3分路器采用如下連接方式
光源從端口25輸入，端口27與光干涉單元11的端口9相連，端口29與光干涉單元11的端口10相連；構(gòu)成干涉路徑的3×3分路器的兩個端口為分光比例為40％的兩端口，當(dāng)以干涉光路的光輸入端為3×3分路器輸入時；從連接光輸入之外的兩個3×3分路器輸出端口輸出的光干涉信號之間的相位偏置差為π/2。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的實現(xiàn)方法，其特征在于在M-Z型干涉光路結(jié)構(gòu)中，再采用一個與所述分路器(23)分光特征性相同的另一分路器(38)，設(shè)30、31、32、33、34、35分別是其光端口；當(dāng)分別以端口33、34、35為光輸入，相應(yīng)的輸出分光比例為20％的端口分別是30、31、32；分別以端口30、31、32為光輸入，相應(yīng)的輸出分光比例為20％的端口分別是33、34、35；取干涉系統(tǒng)的光輸入為端口24，則其中的一條干涉臂是由該端口相應(yīng)的分光比例20％的端口27構(gòu)成，端口27與另一3×3分路器38的端口33相連，端口25與端口29相連，則當(dāng)兩干涉臂36、37平衡時，從端口30輸出的干涉光信號相位偏置為π/2。
全文摘要
本發(fā)明屬于光纖傳感和測量技術(shù)領(lǐng)域，具體為一種光纖干涉儀π/2相位偏置的實現(xiàn)方法。本發(fā)明是通過在干涉光路結(jié)構(gòu)中設(shè)置一個特殊的3×3光纖分路器，產(chǎn)生相位偏置，該分路器的輸出端口的光強占總輸出光的百分比分別是20％、40％、40％，通過適當(dāng)?shù)墓饴愤B接即可獲得π/2的相位偏置。本發(fā)明用純光路的方法實現(xiàn)π/2(正或負(fù))的相位偏置，獲得高的測量靈敏度和線性段量程。本發(fā)明不僅適用于干涉光路徑相同、傳輸方向相反的干涉系統(tǒng)，諸如Sagnac環(huán)、單芯反饋式等干涉結(jié)構(gòu)，也可為M-Z光纖干涉結(jié)構(gòu)提供相位偏置。
文檔編號G01D5/26GK101608930SQ20091005455
公開日2009年12月23日 申請日期2009年7月9日 優(yōu)先權(quán)日2009年7月9日
發(fā)明者波 賈, 倩 肖 申請人:復(fù)旦大學(xué)