專利名稱：光纖微分干涉儀的制作方法
技術領域：
本發明述及一種光纖微分干涉儀，特別是一種基于3×3光纖耦合器實現的光纖的光纖微分干涉儀。
背景技術：
馬赫—澤德爾、邁克爾遜、法布里—珀羅和塞格奈克干涉儀是目前使用最普遍的四種光纖干涉儀。它們測量精度高，并具有各自的特點，因此，已成功地應用在許多的光纖傳感器及光纖器件中，如聲、壓力、位移、電流、電壓、陀螺等傳感器，光纖開關，光纖濾波器等。馬赫—澤德爾、邁克爾遜光纖干涉儀是雙光束干涉儀，并均有兩個光纖臂組成，一個為傳感臂，另一個為參考臂。由于參考臂的出現，當參考臂的光纖受到外界信號干擾時，就會引起干涉儀的干擾噪聲。另外，兩個臂的光纖長度應盡量保持相等，如果出現不平衡的情況，那么會出現一個由相位噪聲轉變的強度噪聲，這將影響信號的測量精度。法布里—珀羅光纖干涉儀是多束干涉儀，它可以使用光纖、空氣及其他介質作為諧振腔。對于由光纖形成的諧振腔，當要求低精細度的諧振腔時，可以直接用拋光的光纖端面作為反射面，由于它的反射率僅有4％，所以效率較低；對于高精細度的諧振腔，則需要在光纖上鍍薄膜層以便提高反射率，但不僅鍍均勻的膜層困難，而且光纖腔與輸入—輸出光纖連接時，也是較困難的。以上三種干涉儀都要求激光器作為光源，即要求光源有較長的相干長度。相比而言，塞格奈克光纖干涉儀它的優點更明顯，它可以使用短相干長度光源(如LED)，并用兩個反向傳輸的光束在相同光路中傳輸產生干涉，所以對一些互易的干擾量能夠消除或減少。但是，它僅能測量非互易量，如法拉第效應、塞格奈克效應等；另外，由于兩束相反的光經過一個耦合器所走的路徑是不相同，所以這種最簡單的塞格奈克光纖干涉儀不是相同光路的干涉儀，如果要實現相同的光路傳輸，還需要再加入一個耦合器，這樣也增加了系統的復雜性；另外，由于反向傳輸光束干涉，所以對光路的偏振態也較敏感。
發明內容
本發明的目的是在于提供一種光纖微分干涉儀，使其干涉光束具有同向、同光路的特點，克服上述已有光纖干涉儀存在的問題，結構簡單，抗干擾能力強為了達到上述目的，本發明采用以下技術方案一種光纖微分干涉儀，由光源、光纖耦合器、探測器、信號處理器、傳感器和調制器組成，其特征在于光纖耦合器采用3×3光纖耦合器，使其輸入、輸出兩測的端子交叉地互相連接形成兩個光纖回路，在兩個光纖回路上分別設置傳感器和調制器，而中間的兩個端子分別連接光源和探測器。
上述的兩個光纖回路的光程差達與光源的相干長度。
上述的3×3光纖耦合器中的光纖排列結構為三個光并列方式排列的耦合結構。
上述的光纖微分干涉儀以如下參數決定實現多光束干涉或雙光束干涉3×3光纖耦合器相鄰光纖的耦合系數K1、3×3光纖耦合器的熔錐的長度L、3×3光纖耦合器的附加損耗tc、兩個光纖回路的光纖損耗系數tL1和tL2；若要實現雙光束干涉，則要滿足下式要求((12+12cos(2k1L))tc)4(tL1tL2)2<0.1]]>上述的光源采用發光二極管或激光器。
為了說明本發明的工作原理及其分析，可參見附圖。圖1示出本發明的結構原理。
本發明由光源1、探測器5、3×3光纖耦合器2、傳感器3、調制器9及信號處理器6組成。光源1通過光纖10與3×3光纖耦合器2連接，3×3光纖耦合器2輸出端的兩個側端端子D、F，交叉地連接到輸入端的兩個側端端子C、A上，即端子D連接端子C，端子F連接端子A，而中間的輸入和輸出端子B、E分別作為光源1和探測器5的輸入和輸出端子。它的工作原理可以分析如下從短相干長度光源發出的一束光線，進入3×3光纖耦合器2的端子B，然后被耦合器2分成三束光，從端子D、E、F射出，這三束光可以定義為1、3、2光束。光束1所經過的路徑為端子D→傳感器3→光纖回路7→端子C→端子F→調制器9→光纖回路4→端子A→端子E；光束2所經過的路徑為端子F→調制器9→光纖回路4→端子A→端子D→傳感器3→光纖回路7→端子C→端子E；而光束3則直接進入光電探測器5，并通過電導線8與信號處理器6連接。因為干涉信號只能發生在兩個光束的光程差小于光源的相干長度的情況下，而光束1和光束2所經過的是相同光路(只是經過的時間有先后的問題)，所以，光束1和光束2在輸出端子E能產生干涉信號。相反，由于所設置的光纖回路7和光纖回路4的光路差大于光源的相干長度，所以，經過端子D→傳感器3→光纖回路7→端子C→端子E的光束和經過端子F→調制器9→光纖回路4→端子A→端子E的光束不能在輸出端子E產生干涉。這樣光束1和光束2的干涉效果就能在兩個回路中傳感或檢測許多被測的參量。
本光纖微分干涉儀中采用的3×3光纖耦合器的光纖排列結構為三根光纖并行排列的耦合結構，如圖2所示。根據耦合理論，設光纖F2與F1、光纖F2與F3的耦合系數為k1，光纖F1和F3的耦合系數為k2，β是光纖的傳播系數。由于熔錐的長度L較短，可以認為k1和k2為常數。在k2＜＜k1的條件下，可以忽略光纖F1與F3的耦合系數k2，讓φ0＝βL，那么，并行的3×3光纖耦合器的傳輸矩陣為E1E2E3(z)=TE1E2E3(0)]]>T=tcejφ012(1+cos(2k1L))j12sin(2k1L)12(cos(2k1L)-1)j12sin(2k1L)cos(2k1L)j12sin(2k1L)12(cos(2k1L)-1)j12sin(2k1L)12(1+cos(2k1L))---(1)]]>式中Ei(z)和E0(z)(i＝1，2，3)為3×3光纖耦合器的輸出和輸入光的電場幅值，tc是耦合器的附加損耗。式中(3，1)和(1，3)元素不為零是由于光纖F1和F3之間有少量的能量通過光纖F2被傳遞。
通過對圖1光束1和光束2兩束光的分析我們知道，它們不僅僅在光路中傳輸一次，還可以按以上分析的路徑進行多次循環，這樣就形成了多光束干涉。對(n+1)和n次循環的光路而言，它們的干涉光強比為In+1/In=((12+12cos(2k1L))tc)4(tL1tL2)2---(2)]]>式中 tL1和tL2分別為光纖回路7和光纖回路4的光纖損耗系數。如果式(2)中In+1/In＜＜1，一般取小于0.1即可，那么干涉儀中的高次循環光可以忽略。故僅剩下光束1和光束2的干涉，即相當于n＝1的雙光束干涉。由此可得變化的干涉信號強度為Iac=I0·C1·cos[τ2dφs(t-τ1)dt-τ1dφm(t-τ2)dt]]]>C1=12I0sin4(2k1L)·[(12+12cos(2k1L))tc]2(tL1tL2)2---(3)]]>式中 I0為光源的出射光強，τ1和τ2分別為光纖回路7和光纖回路4的光纖延遲時間，φs(t)和φm(t)分別為傳感函數和調制函數。對上面的信號積分，即可得到干涉儀的輸出電壓信號與被測信號的比例關系Vac∝I0C1·φs(t) (4)由此，探測器輸出的電信號經過放大、濾波、積分等一系列的信號處理，可通過式(4)求得被測的信號。而式(3)則表示了一個微分干涉的形式，所以稱之為微分干涉儀。
本發明與已有技術相比較，具有如下顯而易見的突出特點和顯著優點本發明的光纖耦合器采用3×3光纖耦合器，使其輸入、輸出兩側的端子交叉地相互連接，而中間的兩個端子分別連接光源和探測器，這就使干涉光束同光路、同向傳輸，克服已有技術中存在的問題。本發明僅使用一個3×3光纖耦合器，結構簡單；抗干擾能力強，特別是對緩變得干擾信號幾乎不敏感；可采用短相干長度的光源，如發光二極管；測量參數廣泛，如電磁量、機械量、熱能量等；是微分干擾儀，它的測量動態范圍大。
圖1是本發明的一個實施例的結構示意圖。
圖2是圖1示例中3×3光纖耦合器的光纖排列結構示意圖。
圖3是圖1示例實現電壓傳感器的測試曲線圖。
具體實施例方式
本發明的一個優選實施例是本光纖微分干涉儀的結構原理如圖1所示，由光源1、光纖耦合器2、探測器5、信號處理器6、傳感器3和調制器9組成。光纖耦合器2采用3×3光纖耦合器，使其輸入、輸出兩測的端子A、C、D、F交叉地互相連接形成兩個光纖回路4，7，而中間的兩個端子B、E分別由光纖10連接光源1和探測器5，探測器5由電導線8連接信號處理器6。本光纖微分干涉儀為實現電壓傳感器用，光源1采用1310nm的發光二極管，3×3光纖耦合器的分光比為34∶31∶33，光纖回路7和光纖回路4的光纖長度分別為50m和550m。傳感器3采用壓電陶瓷筒(PZT)，并放在光纖回路7中，被測的電壓為交流50Hz的交流電壓，調制器9也采用壓電陶瓷筒(PZT)，放在光纖回路4中，調制電壓的頻率為17.5KHz的正旋信號。參見圖2，3×3光纖耦合器的光纖排列結構為三條光纖F1、F2、F3并類排列，相鄰光纖的中心距為光纖直徑d。當調制電壓為9V時。系統由最大靈敏度，在此條件下，測得的輸出電壓信號如圖3所示。圖3中橫軸Vi為傳感器3上施加的被測電壓值，縱軸Vo為電壓傳感器3的輸出電壓值；圖3中方點為實驗測試的數據，直線為根據實驗測試點擬合的線性直線。由圖3可看出在15-130V的被測電壓范圍內有良好的線性度(測量的范圍還可擴大)。因此，說明本發明的微分干涉儀是正確的，利用它可以實現電壓的測量。
權利要求
1.一種光纖微分干涉儀，由光源(1)、光纖耦合器(2)、探測器(5)、信號處理器(6)、傳感器(3)和調制器(9)組成，其特征在于光纖耦合器(2)采用3×3光纖耦合器，使其輸入、輸出兩測的端子(A、C、D、F)交叉地互相連接形成兩個光纖回路(4，7)，在兩個光纖回路(4，7)上分別設置傳感器(3)和調制器(9)，而中間的兩個端子(B、E)分別連接光源(1)和探測器(5)。
2.根據權利要求1所述的一種光纖微分干涉儀，其特征在于兩個光纖回路(4、7)的光程差達與光源(1)的相干長度。
3.根據權利要求1所述的一種光纖微分干涉儀，其特征在于3×3光纖耦合器(2)中的光纖排列結構為三個光并列方式排列的耦合結構。
4.根據權利要求1所述的一種光纖微分干涉儀，其特征在于如下參數決定實現多光束干涉或雙光束干涉3×3光纖耦合器(2)相鄰光纖的耦合系數K1、3×3光纖耦合器(2)的熔錐的長度L、3×3光纖耦合器(2)的附加損耗tc、兩個光纖回路(4、7)的光纖損耗系數tL1和tL2；若要實現雙光束干涉，則要滿足下式要求((12+12cos(2k1L)tc))4(tL1tL2)2<0.1]]>
5.根據權利要求1所述的一種光纖微分干涉儀，其特征在于光源(1)采用發光二極管或激光器。
全文摘要
本發明述及一種光纖微分干涉儀，它由光源、光纖耦合器、探測器、信號處理器、傳感器和調制器組成，光纖耦合器采用3×3光纖耦合器，使其輸入、輸出兩測的端子交叉地互相連接形成兩個光纖回路，在兩個光纖回路上分別設置傳感器和調制器，而中間的兩個端子分別連接光源和探測器。本發明使干涉光束同光路、同向傳輸，僅使用一個3×3光纖耦合器，結構簡單；抗干擾能力強，特別是對緩變的干擾信號幾乎不敏感；可采用短相干長度的光源，如發光二極管；測量參數廣泛，如電磁量、機械量、熱能量等；是微分干擾儀，它的測量動態范圍大。
文檔編號G01B9/02GK1482478SQ0312885
公開日2004年3月17日 申請日期2003年5月27日 優先權日2003年5月27日
發明者王廷云, 郭小勇 申請人:上海大學