抗偏振衰落及偏振相位噪聲的全光纖Mach-Zehnder干涉儀的制作方法

專利名稱：抗偏振衰落及偏振相位噪聲的全光纖Mach-Zehnder干涉儀的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種可以克服一般光纖Mach-Zehnder干涉儀中由于干涉結構中的偏振擾動 以及光源的偏振擾動引起的偏振衰落及偏振相位噪聲問題的新型光纖Mach-Zehnder干涉儀。 關鍵是采用級聯光纖環鏈實現光纖Mach-Zehnder干涉儀中的兩干涉臂上傳輸光的退偏干涉， 由此解決系統的偏振衰落和偏振相位噪聲問題。
背景技術：
光纖傳感技術是新一代傳感器的發展趨勢，與光通信、光信息處理共同構筑了光信息技 術，是國內外公認的最具有發展前途的領域。光纖傳感器以被傳感量轉化為光波信號的不同 分量，如強度、光頻、相位變化而主要分為強度、波長和干涉相位型等傳感類型。干涉相位 型光纖傳感器主要是采用干涉結構解調光相位的變化，測量靈敏度最高，由于此類光纖傳感 器屬于相干檢測，因此測量結果對系統結構的偏振特性極為敏感，對系統的偏振穩定性要求 極高。 一般而言，光纖傳感系統中的偏振不穩定性主要來自于兩方面 一是入射到光纖干涉 結構的入射光的偏振方向的隨環境溫度等變化的隨機擾動，二是光纖干涉結構內部，由于光 纖的隨機彎曲、扭轉等效應導致的雙折射效應對傳輸光的偏振態產生影響，而這些影響又隨 環境溫度、機械振動等外界因素的變化而變化，因此導致干涉光束的偏振態的動態隨機變化。 這兩個因素將導致系統檢測可見度的不確定變化。極端情況當兩干涉光的偏振態呈相互正交 時，會導致干涉測量的失敗，這就是干涉型光纖傳感器中的偏振衰落問題。而偏振相位噪聲 問題是由于進入光干涉儀之前的光偏振態擾動導致檢測信號相位的變化。偏振衰落和偏振相 位噪聲問題一直是阻礙干涉型傳感器廣泛應用的主要障礙，也是光纖傳感領域一直致力解決 的問題。
迄今為止，己有各種光纖傳感器的偏振衰落抑制偏振衰落的技術被提出、研究并應用。 這些解決方案可歸納為四類。 一是采用保偏光纖實現對整個系統的光的偏振狀態的保持。該 方案對保偏光纖干涉系統的結構要求十分嚴格，要求輸入光具有良好的線性偏振且偏振方向 與主軸的嚴格一致，任何光纖的扭轉、彎曲等引起的應力雙折射都可導致偏振態的更加不穩 定，因此系統的建立、使用、維護成本很高。二是采用偏振分離檢測技術。這種技術可以使 用一般單模光纖干涉結構，通過分別檢測并比較兩正交偏振方向上的光功率，實現抗偏振衰 落。該方案的主要問題是檢測技術復雜。第三種方法是采用擾偏技術。擾偏技術是在光纖干 涉結構中通過不同方法，對光的偏振態進行主動、快速、周期性擾動，實現兩干涉光在時間 平均上的退偏，以實現抗偏振衰落的目的。第四種方法是在光進入干涉機構之前退偏來消除偏振相位噪聲、在光纖干涉結構中安插退偏器來解決偏振衰落問題。
目前的退偏器技術主要采用Lyot退偏方法。Lyot退偏器主要由采用雙折射晶體或雙折 射光纖構成，需要精確地的準直和調節。且受雙折射晶體或光纖的長度限制，退偏一般只對 寬光譜光源有效，因此傳感系統的光源的相干長度很小，對不同光纖臂的光纖傳感器干涉臂 的等長要求非常嚴格。
本發明利用橋接在Mach-Zehnder中的級聯光纖環鏈構成無窮多個傳輸路徑，通過這些光 傳輸路徑，分別將兩干涉臂的光分解為傳輸路徑不同的無窮多個微小光分量對。通過環長的 設計，可實現經過不同傳輸路徑的光分量之間不相干；并通過構成光纖環鏈的光分路器的耦 合系數的優化設計，實現各傳輸路徑光分量強度的合理分配。系統檢測結果是各傳輸路徑所 對應的大量相干光對的干涉結果的統計平均。

發明內容
本發明的目的在于針對已有技術存在的缺陷，提供一種抗偏振衰落及偏振相位噪聲的全
光纖Mach-Zehnder干涉儀。為達到上述目的，本發明的構思是利用橋接在光纖Mach-Zehnder 干涉兩臂上的一個級聯光纖環鏈構成無窮多個傳輸路徑，通過這些光傳輸路徑，可分別將兩 干涉臂上的光分解為傳輸路徑不同的無窮多個微小光分量對。通過環長的設計，實現同一臂 上不同傳輸路徑的光分量之間不相干；光纖環鏈的每個傳輸路徑，都存在光強相等，傳輸相 位差等于干涉儀相位差、但偏振態隨機的一對相干光分量對，因此兩個干涉臂上共有無數對 這樣的微小干涉光對，所有干涉光對之間的相位差相同。通過級聯光纖環環長的優化設計， 可實現不同路徑的干涉光對之間不相干。通過對級聯光纖環鏈中光分路器分光比的優化設計， 實現各傳輸路徑對應光分量在強度上的合理分布。而系統中由光源、光纖引入的偏振擾動對 正反向光的干涉的影響，隨機分布于各傳輸路徑所對應的干涉光分量對的干涉上，每一干涉 光對的偏振狀態是隨機的；因此系統檢測結果是各傳輸路徑所對應的相干光對的干涉結果的 統計平均，根據大數定理，當獨立干涉的光分量對數目足夠多時，其統計結果趨于穩定，由 此解決系統中各種偏振擾動的帶來的偏振相位噪聲以及偏振衰落問題。 根據上述發明構思，本發明采用下述技術方案
一種抗偏振衰落及偏振相位噪聲的全光纖Mach-Zehnder干涉儀，包括一個光纖 Mach-Zehnder干涉儀由一個光源輸出的光經一個光隔離器和一個1: 1的光分路器后分成
兩路強度相同的光進入兩個干涉臂，其特性在于有一個級聯光纖環鏈通過另兩個l: l光分
路器橋接在所述兩個干涉臂上， 一個干涉臂的光由其光分路器經級聯光纖環鏈至另一光分路 器后經光路至另一個光分路器后到一個光檢測器，而另一個干涉臂的光由其光分路器經級聯光環鏈至另一光分路器后經光分路器到所述光電檢測器；所述級聯光纖環鏈使MACH-ZEHNDER 的兩干涉臂上的光沿相反方向經過光纖延遲環鏈，分別將兩干涉臂上的光分解為無窮多個傳 輸路徑不同的微小光分量，同一臂上，不同傳輸路徑的微小光分量之間不相干；每個光傳播 路徑對應著兩干涉臂上的一對在光纖延遲環鏈上同路徑但反向經過、等光功率、偏振態隨機 的兩個相干分量，且所有傳播路徑的對應的兩干相干分量具有相同的相位差；因此，接收光 是所有分離路徑所對應的兩臂上的干涉光的獨立干涉結果的統計平均，由此實現系統檢測結 果與系統中光源及光纖干涉結構中的引入的隨機偏振擾動無關，解決該偏振擾動導致的偏振 相位噪聲及偏振衰落因此實現抗偏振衰落。
在上述的抗偏振衰落及偏振相位噪聲的全光纖Mach-Zehnder干涉儀中，通過對級聯光 纖環鏈中的光分路器的分光比及光纖環長的優化，實現退偏。
在上述的抗偏振衰落及偏振相位噪聲的全光纖Mach-Zehndei"干涉儀中，級聯光纖環鏈 置于Mach-Zehnder兩干涉臂的任何位置，兩干涉光經過同一級聯光纖環鏈(5)。
在上述的抗偏振衰落及偏振相位噪聲的全光纖Mach-Zehnder干涉儀中，級聯光纖環鏈 (5)中的光纖環的數目可從l個到系統所能允許的數目；級聯光纖環數越多，則經過光的退 偏特性越好。
在上述的抗偏振衰落及偏振相位噪聲的全光纖Mach-Zehnder干涉儀中，級聯光纖環鏈 (5)由一般單模光纖構成。
在上述的抗偏振衰落及偏振相位噪聲的全光纖Mach-Zehnder干涉儀中，采用一般單模 光纖構成。
在上述的抗偏振衰落及偏振相位噪聲的全光纖Mach-Zehnder干涉儀中，工作光源的譜 寬由級聯光纖環的環長和Mach-Zehnder干涉儀的兩干涉臂長差決定，譜寬越寬，環長越短； 各級聯光纖環環長的比例決定系統接收的穩定度，級聯光纖環數目越多，干涉檢測結果越穩 定。
本發明與現有技術相比，具有如下顯而易見的突出實質性特點和顯著有點
(1) 不同于一般的光纖Mach-Zehnder干涉儀，本發明通過橋接級聯光纖環鏈，實現光分量 的空間路徑分解。通過優化設計級聯光纖環長度、數目及分光比例，空間路徑分解后 實現的大量微小光分量之間互不相關，干涉檢測結果不再是一對相干光的干涉結果。 而是無數對相位差相同、光強相同、偏振態隨機分布的微小相干光對的干涉結果的統 計平均。
(2) 不同于目前的擾偏技術中采用的時間平均，本發明通過光的空間路徑分離，實現大量隨機干涉結果的統計穩定。
(3) 系統不僅可以解決由光源偏振擾動導致的偏振相位噪聲，而且可以解決光纖干涉結構 內部的偏振擾動帶來的偏振衰落問題。
(4) 系統的光纖可全部采用一般的單模光纖，整個系統無需偏振控制器件，以及偏振保持 光纖。
(5) 系統構成采用無源器件。
(6) 系統的形成簡單易實現。


圖1是本發明一種抗偏振衰落及偏振相位噪聲的全光纖Mach-Zehnder干涉儀的 結構框圖。其中構成光纖段Ll+橋接的級聯光纖環鏈+L4與L2+橋接的級聯光纖環鏈 +L3分別構成Mach-Zehnder干涉儀的兩臂。
圖2是本發明中橋接的級聯光纖環的結構框圖。
圖3是本發明中級聯光纖環鏈中光的路徑分解示意圖。
具體實施例方式
本發明的優選實施例結合

如下
參見圖l，本發明利用橋接的級聯光纖環鏈(圖2)，可分別在Mach-Zehnder光 纖干涉儀兩干涉臂上構成無窮多個傳輸路徑，這些光傳輸路徑將兩臂上的傳輸光的 分別分解為傳輸路徑不同的無窮多個微小光分量。同方向傳輸的路徑分解光分量之 間互不相干，相同路徑的兩干涉臂的光分量對強度相同，偏振態隨機；因此由光探 測器接收的總干涉結果是各傳輸路徑所對應的相向經過級聯光纖環鏈的各微小相干 光對的干涉結果的統計平均。當級聯光纖環數足夠多，光路徑分解分量足夠大時， 其統計干涉結果趨于穩定，由此解決系統中各種偏振擾動的帶來的偏振相位噪聲以 及偏振衰落問題。
本抗偏振衰落及偏振相位噪聲的全光纖Mach-Zehnder干涉儀的結構是光源 (1)輸出的光經光隔離器后，由分光為1:1的光分路器(3)分為強度相同的兩路 光進入兩干涉臂。級聯光纖環鏈為兩端口器件，通過兩個1:1的光分路器(4、 6) 橋接在Mach-Zehnder干涉儀的兩臂上。干涉臂1的光經由光纖段L1，由A至B經 過橋接的級聯光纖環鏈(5)，再經過光纖段L4由1:1光分路器(7)輸出至接收端。 干涉臂2的光經光纖段L2，由B至A經過級聯光纖環鏈，再經過光纖段L3，最后也 由光分路器(7)輸出。干涉臂1與干涉臂2的干涉結果由光探測器(8)檢測接收。系統中光纖Mach-Zehnder干涉儀和級聯光纖環鏈由一般單模光纖構成。 級聯光纖環的路徑分解原理為光進入第一個光纖環，可將光分解為，直通光、 繞環1周、2周….，及i周的不同光分量，當環長大于傳輸光的相干長度時，這些 光分量相互無關。隨著圈數越多，光分量的強度也越小。理論上可有無窮多個光分 量，但當循環圈數較大時所對應的光分量已經是足夠小了，其影響可忽略。同理， 對第2個光纖環又將第一個光纖環分解的各個光分量再次路徑分解，依次類推，級 聯的光纖環可將經過的單一光進行路徑分解，得到大量相互無關的微小光分量。如 圖3所示，假設每個光纖環的分解光的有效分量的循環次數小于n，級聯光纖環數 為m，則總的有效分解光分量數為(n+l)m 。
由光纖環分解的直通光、循環n周的光分量所對應的光強系數分別為k, k"—1(1-k)2,其中 k為光分路器的直通耦合系數，『1，2，…。不同路徑對應的各分量經過的傳輸路徑不同，因 而到達輸出端時其偏振態各不相同。各光分量的偏振態由光纖環的盤繞狀態隨機決定。光纖 環在盤繞過程中，由于光纖的扭轉、彎曲等應力引起的雙折射效應，都會導致經過光的偏振 態的改變，因此這些分量的偏振態由于傳播路徑的不同而不同，呈隨機分布狀態。對于級聯 光纖環鏈的每個傳輸路徑，都會有兩個等光強的正反向傳輸的光分量，這兩個光分量之間相 干，且傳輸相位差僅由Mach-Zehnder干涉結構的雙臂的相位差，本系統中即光纖段Ll+L4與 L2+L3之差決定。與級聯光纖環鏈無關。兩個同路徑的正反向光對的偏振態呈隨機分布。因 此兩者的干涉結果也是隨機的，極端情況當兩者偏振方向一致時，干涉最強，偏振態正交時， 干涉為零。因此系統的整體干涉結果表現為大量微小相干光分量對的干涉結果的統計平均。
權利要求
1、一種抗偏振衰落及偏振相位噪聲的全光纖Mach-Zehnder干涉儀，包括一個光纖Mach-Zehnder干涉儀(9)由一個光源(1)輸出的光經一個光隔離器(2)和一個1∶1的光分路器(3)后分成兩路強度相同的光進入兩個干涉臂(L1、L2)，其特性在于有一個級聯光纖環鏈(5)通過另兩個1∶1光分路器(4、6)橋接在所述兩個干涉臂(L1、L2)上，一個干涉臂(L1)的光由其光分路器(4)經級聯光纖環鏈(5)至另一光分路器(6)后經光路(L4)至另一個光分路器(7)后到一個光檢測器(8)，而另一個干涉臂(L2)的光由其光分路器(6)經級聯光環鏈(5)至另一光分路器(4)后經光分路器(7)到所述光電檢測器(8)；所述級聯光纖環鏈(5)使MACH-ZEHNDER的兩干涉臂上的光沿相反方向經過光纖延遲環鏈，分別將兩干涉臂上的光分解為無窮多個傳輸路徑不同的微小光分量，同一臂上，不同傳輸路徑的微小光分量之間不相干；每個光傳播路徑對應著兩干涉臂上的一對在光纖延遲環鏈上同路徑但反向經過、等光功率、偏振態隨機的兩個相干分量，且所有傳播路徑的對應的兩干相干分量具有相同的相位差；因此，接收光是所有分離路徑所對應的兩臂上的干涉光的獨立干涉結果的統計平均，由此實現系統檢測結果與系統中光源及光纖干涉結構中的引入的隨機偏振擾動無關，解決該偏振擾動導致的偏振相位噪聲及偏振衰落因此實現抗偏振衰落。
2、 根據權利要求1所述的抗偏振衰落及偏振相位噪聲的全光纖Mach-Zehnder干涉儀，其特 征在于通過對級聯光纖環鏈中的光分路器的分光比及光纖環長的優化，實現退偏。
3、 根據權利要求1所述的抗偏振衰落及偏振相位噪聲的全光纖Mach-Zehnder干涉儀，其特 征在于級聯光纖環鏈置于Mach-Zehnder干涉儀兩干涉臂的任何位置，兩千涉光相向經 過同一級聯光纖環鏈(5)。
4、 根據權利要求1所述的抗偏振衰落及偏振相位噪聲的全光纖Mach-Zehnder干涉儀，其特 征在于級聯光纖環鏈(5)中的光纖環的數目可從l個到系統所能允許的數目；級聯光 纖環數越多，則經過光的退偏特性越好。
5、 根據權利要求1所述的抗偏振衰落及偏振相位噪聲的全光纖Mach-Zehnder干涉儀，其特 征在于級聯光纖環鏈(5)由一般單模光纖構成。
6、 根據權利要求l所述的抗偏振衰落及偏振相位噪聲的全光纖Mach-Zehnder干涉儀，其特 征在于采用一般單模光纖構成。
7、 根據權利要求1所述的抗偏振衰落及偏振相位噪聲的全光纖Mach-Zehnder干涉儀，其特 征在于工作光源的譜寬由級聯光纖環的環長和Mach-Zehnder干涉儀的兩干涉臂長差決 定，譜寬越寬，環長越短；各級聯光纖環環長的比例決定系統接收的穩定度，級聯光纖環數目越多，干涉檢測結果越穩定。
全文摘要
本發明涉及一種解決光纖Mach-Zehnder干涉儀中偏振擾動引起的偏振衰落及偏振相位噪聲問題的方法和系統。本發明方法通過在光纖Mach-Zehnder干涉儀的兩干涉臂間橋接一個級聯光纖環鏈，將一對干涉光分解為傳輸路徑不同的無窮多對微小干涉光。通過環長設計可使不同傳輸路徑的光分量之間不相干，并優化設計光分路器的耦合系數，使光分量強度分布合理。每一對微小光分量的偏振狀態是隨機的，但所有干涉光對的傳輸相位差相同，因此該光纖Mach-Zehnder干涉儀的輸出是各不同傳輸路徑所對應的大量相干光分量對的干涉結果的統計平均。當獨立干涉的光分量對數目足夠多時，統計干涉結果則趨于穩定，由此可解決系統中偏振擾動引起的偏振相位噪聲及偏振衰落問題。
文檔編號G02B6/28GK101526374SQ200910046149
公開日2009年9月9日 申請日期2009年2月13日 優先權日2009年2月13日
發明者應可捷, 蕾 彭, 力 李, 王廷云, 王春華, 黃肇明 申請人:上海大學