專利名稱：一種反饋環路形成的全光纖干涉方法及其測試系統的制作方法
技術領域：
本發明是利用光纖反饋回路建立全光纖干涉的方法及其測試系統。
背景技術：
光的干涉已廣泛應用于測試和通信領域，傳統的光干涉方法依賴于激光的相干長度和復雜的光路構造(往往采用棱鏡、透鏡和分束器)和調試，其結構主要有麥克爾遜、馬赫增德爾和法布里-珀羅。隨著光纖技術的發展和光電器件的成熟，光纖干涉技術在上個世紀得到了發展，但其結構和工作原理與傳統的激光干涉方法沒有區別。由于傳統的干涉方法能夠得到的干涉信號存在的相位差一般由系統的結構決定，特別是利用光纖耦合器構造的干涉系統，輸出信號的相位差由耦合器的參數決定。為了得到準確的測試物理參數，希望能夠得到90度相位差的兩路信號，通過交替使用兩路信號，充分保障系統的靈敏度。不改變系統光纖耦合器的參數，通過外加光信號強度的改變，改變初始信號的相位差，這種全光纖干涉系統還很少。全光纖白光干涉方法在上個世紀九十年代末出現，其結構主要依賴于多只(兩只或兩只以上)光纖耦合器組合成干涉光路，并主要應用于光纖傳感領域，輸出信號的初始相位差完全確定于耦合器的參數，不能隨便改變，給測試帶來了一定的困難。
發明內容
本發明的目的是提供一種方便、簡潔的利用反饋環路形成的全光纖干涉方法及其測試系統。
根據本發明方法可提供一種能廣泛應用于光纖傳感和光纖通信的系統，系統采用一只光纖耦合器實現白光干涉方法，該系統不僅能夠應用于光纖傳感領域，還能應用于光纖通信領域。
本發明由反饋環路形成的全光纖干涉方法，由光源發出的光被耦合器分束后，一路光先通過光纖延遲線構成的反饋回路，再次通過光纖耦合器，到達信號探測端口被反射回耦合器輸出端；另一路光先通過信號探測端口，被反射后，通過光纖耦合器，由反饋回路進入耦合器的輸出端口，相干光線形成順時針和逆時針傳輸的兩路光，在光纖延遲線存在的情況下，兩光束通過擾動源的時間不同，對應的擾動信號也不相同，延遲時間可表示為
τ=neffLC...........(1)]]>C是真空中的光速，L是延遲光纖長度，neff是光纖的等效折射率；擾動源對兩束光形成的光程即折射率ns與幾何長度Ls的乘積，可表示為A(t)和A(t-τ)，A(t)＝ns(t)Ls(t) (2)A(t-τ)＝ns(t-τ)Ls(t-τ) (3)由于去掉擾動源的影響，兩光束通過的傳輸光程完全相等，所以，兩光束形成的光程差ΔL可表示為ΔL＝A(t)-A(t-τ)(4)①對于光纖振動測試系統，擾動源對應于振動位移，即A(t)～S(t)，光通過擾動源的折射率不隨時間變化，所以式(4)可表示為ΔL＝ns[S(t)-S(t-τ)] (5)利用中值定理，上式可改寫為ΔL＝nsS′(t-τ/2)τ (6)上式對應于干涉光的相位(t)為 ②或者在光通信領域調制系統中，擾動源對應于晶體折射率，即A(t)～n(t)，光通過擾動源時，傳輸光的幾何距離保持不變，所以式(4)可表示為ΔL＝Ls[n(t)-n(t-τ)](8)調制信號m(t)與折射率n(t)的關系可表示為n(t)＝f[m(t)] (9)利用中值定理，上式可改寫為ΔL＝Lsf′[m(t)]τ (10)
上式對應于干涉光的相位(t)為 運用3×3光纖耦合器的干涉特性，在探測信號輸出端，干涉信號可分別表示為I1(t)＝I0cos[(t)+0](12)I2(t)＝I0cos[(t)-0](13)I3(t)＝I0cosφ(t) (14)。
在分光比為1的3×3光纖耦合器中，0＝120度；如果耦合器的分光比不為1，初始相位0≠120度。(12)(13)式中的干涉信號最大幅度不在相等。上面兩式中，0為干涉信號的初始相位，在振動測試系統和語音信號傳輸系統中，(t)為(7)式所示；在光纖通信領域的光調制和光開關應用中，(t)為(11)式所示。由于初始相位不一樣，兩干涉信號將出現一路光強度為0，而另一路光強度不為0的情況，即全光纖干涉系統顯現出對光的開關功能。
如果再加入另一反饋環路，在上面的分析基礎上，相干涉光將形成另外兩干涉光路，只是其干涉強度比上面的干涉光弱，光功率為上面分析干涉光功率的1/9。最后形成的干涉條紋表達式與(12)(13)(14)相同，只是初始相位0不再是120度，其大小與兩部分相干光形成的干涉光功率大小關系密切相關。
以圖1中的結構為例，穩定光源(13)發出的光經過跳線FC/PC連接，先進入1×2光纖耦合器(1)，然后通過3×3光纖耦合器(2)，形成了兩對干涉光束。
一對干涉光束由下面兩光束形成光束I一路光先被測試對象(14)反射后，被光纖耦合器(2)分束，先后通過端口(7)、光纖延遲線(3)、光纖耦合器(4)和端口(5)進入光纖耦合器(2)；光束II另外一路光先通過端口(5)、光纖耦合器(4)、光纖延遲線(3)和端口(7)進入光纖耦合器(2)，被測試對象(14)反射后進入光纖耦合器(2)。這兩光束在測試對象處于靜止狀態時，通過的光程完全相等，形成系統的干涉光束。
另一對干涉光束由下面兩光束形成光束I一路光先被測試對象(14)反射后，被光纖耦合器(2)分束，先后通過端口(7)、光纖延遲線(3)、光纖耦合器(4)和端口(5)進入光纖耦合器(2)，被分束后，從端口8通過光纖耦合器(9)和端口(6)進入光纖耦合器(2)；光束II另外一路光先通過端口(5)、光纖耦合器(4)、光纖延遲線(3)和端口(7)進入光纖耦合器(2)，被分束后，通過端口(6)、光纖耦合器(9)和端口(8)再次進入光纖耦合器(2)，分束后的光被測試對象(14)反射后進入光纖耦合器(2)。這兩光束在測試對象處于靜止狀態時，通過的光程完全相等，形成系統的干涉光束。由于光纖耦合器的存在，使得干涉光的能量與前一對干涉光束相比，為其大小的1/6。
兩對干涉光束在3×3光纖耦合器(2)中形成攜帶有擾動源物理特征的光信號，被探測器(10)、(11)和(12)接收。通過反演干涉信號，最終獲得擾動源(14)的物理特性。其表達式分別對應公式(12)(13)和(14)。
圖2、3、4與圖1所示結構相比，其工作原理與方法一樣，通過減少一只光纖耦合器，使得干涉光束能量增加一倍。只是探測信號也減少了一路。干涉信號表達式分別對應公式(13)和(14)、(12)和(14)、(12)和(13)。
圖5與圖1相比，只形成了單反饋工作光路，形成了一對干涉光束，其工作原理與前面對圖1所示系統前一對干涉光束的分析一樣。干涉信號表達式對應于公式(12)、(13)和(14)。
圖6與圖5相比，2×2光纖耦合器代替了3×3光纖耦合器，工作原理與圖5所示的系統一樣。形成的干涉信號功率增加了3/2。只有兩路干涉信號輸出，其表達式一路與公式(14)所示一樣，另一路干涉信號與之反向。
根據(7)和(11)式，可以看出，干涉相位大小與光纖時間τ成正比，即與光纖延遲線長度成正比。根據這個特點，對于小的擾動信號，可以增加光纖延遲線長度來達到增加調制幅度的效果；對于大的調制信號，可以采用減小光纖延遲線長度的方法，降低對信號采集系統頻率帶寬的要求。可根據具體情況調整調制相位弧度，是本發明的一個顯著特點。
本發明的全光纖干涉系統，光纖耦合器與光纖的連接、光纖之間的連接方式是融接方式連接，光源與干涉系統的連接方式FC/PC跳線連接，干涉系統與探測器的連接方式也是FC/PC跳線連接。
本發明的擾動源是使傳輸光的光程隨時間發生改變的裝置，因此，可以是振動裝置，例如喇叭、振動平臺、橋梁機械等產生的振動等；或者光通過時，纖折射率可隨外加電壓信號變化的晶體，如鈮酸鋰晶體等本發明系統的光纖耦合器是錐型光纖耦合器。
耦合器的光功率是均分的，即3×3光纖耦合器光功率分光比是1∶1∶1，2×2光纖耦合器光功率分光比是1∶1。
單模光纖、多模光纖均適用于本發明系統。
穩定光源可以是下述中的任一種工作波長是1.31μm或1.55μm的半導體激光二極管(LD)；半導體發光二極管(LED)激光器；超輻射發光二極管(SLD)激光器等。
本發明方法用光纖耦合器和光纖反饋回路構造干涉光路實現白光干涉(寬光譜光源干涉)方法，不僅能夠應用于光纖傳感領域，還能廣泛應用于光纖通信領域。通過反饋回路的光強度控制，能夠實現系統輸出干涉信號的相位差。本發明可的應用領域，具體表現為振動(沖擊波)測試，微應變測試，語音信號傳輸，激光外調制，光開關，光路邏輯編碼等功能。所以，不論從本發明的結構和應用范圍來看，該方法與以往任何光纖干涉方法均不相同。
本發明方法改變了以往光干涉必須依賴于激光(窄光譜)光源的缺陷，不僅能應用于激光的干涉，還能應用于寬光譜光源的干涉；同時，該干涉方法還能實現對電信號的激光外調制，也能實現對光強度的可調整分布和光開關功能，將被應用于光信號的外調制和全光路由交換網絡；系統對擾動源的測試靈敏度，可方便的調整，能夠適用于強擾動源的測試，也能適用于弱擾動源的測試；系統不受擾動源頻率的限制，頻率僅與光電探測器的響應有關，光路系統不存在頻率響應問題。本發明能夠得到兩路具有固定相位差的干涉信號，將提高系統的靈敏度和精度。本發明所述的干涉系統，結構簡單，調試方便，靈敏度和精度高。
圖1是本發明系統結構示意圖。1是1×2光纖耦合器，2是3×3光纖耦合器，3是光纖延遲線，4是1×2光纖耦合器，5、6是光纖的輸出端口，7、8是光纖的輸入端口，9是1×2光纖耦合器，10、11、12是光電探測器，13是激光光源、14是測試對象。
圖2是本發明系統的結構示意圖之二。1是1×2光纖耦合器，2是3×3光纖耦合器，3是光纖延遲線，5、6是光纖的輸出端口，7、8是光纖的輸入端口，9是1×2光纖耦合器，10、12是光電探測器，13是激光光源、14是測試對象。
圖3是本發明系統的結構示意圖之三。1是1×2光纖耦合器，2是3×3光纖耦合器，3是光纖延遲線，4是1×2光纖耦合器，5、6是光纖的輸出端口，7、8是光纖的輸入端口，11、12是光電探測器，13是激光光源、14是測試對象。
圖4是本發明系統的結構示意圖之四。1是1×2光纖耦合器，2是3×3光纖耦合器，3是光纖延遲線，4是1×2光纖耦合器，5、6是光纖的輸出端口，7、8是光纖的輸入端口，9是1×2光纖耦合器，10、11是光電探測器，13是激光光源、14是測試對象。
圖5是本發明系統結構示意圖五。1是1×2光纖耦合器，2是3×3光纖耦合器，3是光纖延遲線，4是1×2光纖耦合器，5、6是光纖的輸出端口，7、8是光纖的輸入端口，10、11、12是光電探測器，13是激光光源、14是測試對象。
圖6是本發明系統結構示意圖。1是1×2光纖耦合器，2是2×2光纖耦合器，3是光纖延遲線，4是1×2光纖耦合器，5是光纖耦合器的輸出端口，7是光纖的輸入端口，11、12是光電探測器，13是激光光源、14是測試對象。
圖7是利用本發明方法實現的全光纖干涉系統在振動測試中的干涉信號波形圖，對應公式(12)。
圖8是利用本發明方法實現的全光纖干涉系統在振動測試中的干涉信號波形圖之二，對應公式(13)。
圖9是利用本發明方法實現的全光纖干涉系統在振動測試中的干涉信號波形圖之三，對應公式(14)。
具體實施例方式
實施例在本實施例中，所用的激光器為電子集團總公司44研究所生產的SO3-B型超輻射發光管(SLD)型穩定光源(3)。光纖耦合器(1)(2)(4)(9)為武漢郵電研究院生產的單模光纖耦合器。光電探測器(10)(11)(12)為44所生產的型號為GT322C500的InGaAs光電探測器。所用的光纖為美國生產的“康寧”G652型單模光纖。測試對象(14)是北戴河科新測振儀器公司生產的DZT-10永磁振動臺。按圖1方式用融接方式連接藕荷器、光纖、光纖延遲線。光源與干涉系統、干涉系統與探測器的連接方式是FC/PC跳線連接。用該系統測試結果見圖7、8、9，該干涉曲線由公式(12)、(13)、(14)描述，表示對振動源的測試結果。
權利要求
1.一種反饋環路形成的全光纖干涉方法，其特征是由光源發出的光被耦合器分束后，一路光先通過光纖延遲線構成的反饋回路，再次通過光纖耦合器，到達信號探測端口被反射回耦合器輸出端；另一路光先通過信號探測端口，被反射后，通過光纖耦合器，由反饋回路進入耦合器的輸出端口，相干光線形成順時針和逆時針傳輸的兩路光，在光纖延遲線存在的情況下，兩光束通過擾動源的時間不同，對應的擾動信號也不相同，延遲時間可表示為τ=neffLC............(1)]]>C是真空中的光速，L是延遲光纖長度，neff是光纖的等效折射率；擾動源對兩束光形成的光程即折射率ns與幾何長度Ls的乘積，可表示為A(t)和A(t-τ)，A(t)＝ns(t)Ls(t) (2)A(t-τ)＝ns(t-τ)Ls(t-τ) (3)由于去掉擾動源的影響，兩光束通過的傳輸光程完全相等，所以，兩光束形成的光程差ΔL可表示為ΔL＝A(t)-A(t-τ) (4)①對于光纖振動測試系統，擾動源對應于振動位移，即A(t)～S(t)，光通過擾動源的折射率不隨時間變化，所以式(4)可表示為ΔL＝ns[S(t)-S(t-τ)] (5)利用中值定理，上式可改寫為ΔL＝nsS′(t-τ/2)τ (6)上式對應于干涉光的相位(t)為 ②或者在光通信領域調制系統中，擾動源對應于晶體折射率，即A(t)～n(t)，光通過擾動源時，傳輸光的幾何距離保持不變，所以式(4)可表示為ΔL＝Ls[n(t)-n(t-τ)] (8)調制信號m(t)與折射率n(t)的關系可表示為n(t)＝f[m(t)] (9)利用中值定理，上式可改寫為ΔL＝Lsf′[m(t)]τ (10)上式對應于干涉光的相位(t)為 運用3×3光纖耦合器的干涉特性，在探測信號輸出端，干涉信號可分別表示為I1(t)＝I0cos[(t)+0] (12)I2(t)＝I0cos[(t)-0] (13)I3(t)＝I0cosφ(t) (14)。
2.根據權利要求1所述的反饋環路形成的全光纖干涉方法的測試系統，其特征是該系統的光路如下光源(13)之后是光纖耦合器(1)，光通過光纖耦合器(1)(2)后，形成兩組干涉光束，具體如下；(1)相干光束一的形成一路光從端口(5)經過光纖耦合器(4)和光纖延遲線(3)組成的光纖反饋環路，順時針傳輸到端口(7)，再次進入光纖耦合器(2)，通過擾動源(14)反射回光纖耦合器(2)；另一路光先通過擾動源(14)，被反射回光纖耦合器(2)，從端口(7)通過光纖延遲線(3)和光纖耦合器(4)組成的反饋環路，逆時針從端口(5)進入光纖耦合器(2)；(2)相干光束二的形成一路光從端口(6)經過光纖耦合器(9)順時針傳輸到端口(8)，再次進入光纖耦合器(2)，從端口(5)通過光纖耦合器(4)與光纖延遲線(3)相成的反饋環路進入端口(7)，經過光纖耦合器(2)，通過擾動源(14)反射回光纖耦合器(2)；另一路光先通過擾動源(14)，被反射回光纖耦合器(2)，從端口(8)經過光纖耦合器(9)順時針到達端口(6)，再次進入光纖耦合器(2)后，從端口(7)通過光纖延遲線(3)和光纖耦合器(4)組成的反饋環路，逆時針從端口(5)進入光纖耦合器(2)；上面兩組相干光束在3×3光纖耦合器(2)中形成攜帶有擾動源物理特征的光信號，該信號被探測器(10)(11)(12)接收，通過反演干涉信號，由公式(12)(13)(14)獲得擾動源(14)的物理特性。
3.根據權利要求2所述的反饋環路形成的全光纖干涉方法的測試系統，其特征是提取干涉信號的光纖耦合器和與其相聯接的探測器各減少一個。
4.根據權利要求2所述的反饋環路形成的全光纖干涉方法的測試系統，其特征是連接耦合器(2)的(6)(8)端口的光纖和光纖耦合器(9)可以去掉，組成單環路工作干涉系統，探測器(10)直接與端口(8)連接，系統的工作性能不受影響。
5.根據權利要求2所述的反饋環路形成的全光纖干涉方法的測試系統，其特征是耦合器(2)為2×2光纖耦合器。
6.根據權利要求2所述的反饋環路形成的全光纖干涉方法的測試系統，其特征是耦合器與光纖的連接、光纖之間的連接方式是融接方式連接，光源和光纖的連接、探測器與光纖的連接采用跳線連接。
7.根據權利要求2所述的反饋環路形成的全光纖干涉方法的測試系統，其特征是擾動源是振動裝置，或者是光纖折射率可隨外加電壓信號變化的晶體，或者是沖擊波探測裝置。
8.根據權利要求2所述的反饋環路形成的全光纖干涉方法的測試系統，其特征是光纖耦合器是錐型光纖耦合器。
9.根據權利要求5所述的反饋環路形成的全光纖干涉方法的測試系統，其特征是光纖耦合器的光功率是均分。
10.根據權利要求2所述的反饋環路形成的全光纖干涉方法的測試系統，其特征是所用光纖或光纖延遲線可以是單模光纖，或者是多模光纖。
11.根據權利要求1-5所述的反饋環路形成的全光纖干涉方法的測試系統，其特征是所用的激光器工作波長是1.31μm或1.55μm的半導體激光二極管或半導體發光二極管激光器，或者超輻射發光二極管激光器。
全文摘要
本發明是一種新穎的全光纖干涉方法及其系統。現有的技術的光干涉一般依賴窄光譜光源。本發明利用反饋環路形成的全光纖干涉方法獲得的干涉系統能夠實現對振動特性的測試、外加電信號的調制和實現光開關功能。該方法的突出優點是改變了以往光干涉必須依賴于激光(窄光譜)光源的缺陷，不僅能應用于激光的干涉，還能應用于寬光譜光源的干涉；系統對擾動源的測試靈敏度，可方便的調整，該方法也能用于光譜特性的測試。系統不受擾動源頻率的限制，頻率僅與光電探測器的響應有關，光路系統不存在頻率響應問題。本發明能夠得到三路具有固定相位差的干涉信號，將提高系統的靈敏度和精度。本發明所述的干涉系統，結構簡單，調試方便，靈敏度和精度均獲得滿意效果。
文檔編號H01S5/00GK1488963SQ03150468
公開日2004年4月14日 申請日期2003年8月21日 優先權日2003年8月21日
發明者賈波, 章驊, 賈 波 申請人:復旦大學