專利名稱：一種光纖相位調制新方法及反饋式白光干涉系統的制作方法
技術領域：
本發明屬光纖技術領域，具體涉及一種新的光纖相位調制方法及其構造的新型白光干涉系統。
背景技術：
外界被探測信號通過光纖的力應變效應、彈光效應、電光效應、熱應變效應及熱光效應等原理使光纖的尺寸和折射率等參數發生變化，從而導致光纖中傳導光的相位變化，實現對傳導光的相位調制，通過特定干涉系統，檢測光的相位信息，從而實現對被測物理量如溫度、聲壓、應變，速度的探測，據此，可以構建所謂的功能型全光纖傳感器。該方法簡單實用，目前在光纖傳感、光纖通信等領域有著廣泛的應用，特別是在光纖水聽器、光纖超聲波探測、光纖應變監測等領域有著廣泛的應用前景。但是采用相位調制方法構造的本征光纖干涉儀中存在很多的局限性，比如在增加感應光纖長度提高相位靈敏度時，光纖冗長；而且往往出現偏振態的隨機變化等問題，尤其是當有外界信號調制光纖相位的過程中，光的偏振態往往都會發生變化，現存的偏振態控制器就顯得無能為力，嚴重時導致干涉條紋消失；在分布式光纖傳感系統、傳感器陣列技術、遠程傳感網絡系統中，普通光纖本征型相位調制一般都需要兩根光纖實現信號提取，光纖冗長，安裝復雜，而且成本高。
發明內容
本發明的目的在于提出新的光纖相位調制方法，以克服現有光纖相位調制中，光纖冗長，安裝復雜，成本高的不足，同時提出由此構造的白光干涉系統。
本發明提出的光纖相位調制方法，是在光纖相位調制器的光纖端面添加設置光反饋裝置，使光波先后兩次通過相位調制器中，中間切換時間極短，可以忽略不計，并且構造了新型反饋式白光干涉系統。
光纖中傳導的光波通過設在光纖端面的反饋裝置實現正反方向通過光纖相位調制器，能夠提高相位靈敏度一倍(在相同外界信號激勵的環境下)；而且能夠有效的避免相位調制器偏振態隨機變化對干涉系統的影響；同時，能夠實現相位調制信息的單根光纖提取。其原理如下光波通過長度為l的光纖一次時，產生的相位延遲為Φ＝βl (1)
式中β為光波在光纖中的傳播常數，β＝nk0其中n為光波在光纖中傳播的有效折射率，k0為光波在真空中的波數。
當長度為l的光纖作為傳感元受到外界信號調制時，產生光波相位的變化φ為φ＝ΔΦ＝Δ(βl)＝βΔl+lΔβ (2)進一步整理化為φ=Φ(Δll+Δββ)---(3)]]>外界信號引起光波的相位差可以用上式描述，主要包括兩項，第一項為光纖的長度發生相對變化時引起的相位差，一般由應變效應引起；第二項為光波傳播常數的相對變化引起的相位差，主要由電光效應、彈光效應、泊松效應以及熱光效應等引起。同時相位差φ與光纖引起的相位延遲Φ成正比關系。在外界激勵信號一定的情況下，即Δll+Δββ]]>一定，為了等到更高的相位靈敏度，顯然可以通過增加光纖長度l的方法實現，一般實現途徑是增加實際的光纖長度，而本發明采用光波在光纖中兩次通過的方法，在沒有增加光纖物理長度情況下，實際相位延遲為2Φ效果，顯然采用此方法得到的相位差為φ′=2Φ(Δll+Δββ)=2φ----(4)]]>可見在相同的外界信號激勵下，采用光波在傳感光纖中通過兩次的技術方案，得到相位差的倍增效果，即實現了相位靈敏度提高一倍。所以此類相位調制方法可以廣泛的應用在光纖傳感、光纖通信領域。光纖傳感器中的應用主要表現為可以用來探測聲波、應變、溫度、振動、語音等等能夠引起式(3)中相位差的物理量；光纖通信利于主要表現為利用鈮酸鋰作為外調制器實現光開關、光路由、以及全光交換網等方面。
實現上述方法的光反饋裝置由兩種選擇，其一為采用在傳感光纖端面鍍反射膜的方式，使得光纖中的光到達端面，利用反射膜的反饋作用，把重新耦合到光纖中，此時的反射膜可以作為平面鏡處理；其二在傳感光纖端面采用法拉第旋轉平面鏡，使得光被反射的同時，光的偏振面旋轉90°，然后再耦合到傳感光纖中實現了雙倍調制。將光纖相位調制器接入解調干涉光路時，都會遇到偏振態的隨機擾動問題，有時候特別嚴重，造成干涉條紋消失。然而采用上述反饋裝置，能夠有效的克服光纖相位調制器引起的偏振態變化，特別是當外界信號作用相位調制器的過程中發生的隨機的偏振態演變。針對上面兩種光反饋裝置，下面進行系統的分析。
以單模光纖為例，我們知道單模光纖中僅傳播HE11一個模式，實際上是二重簡并的，可以分解為彼此獨立、互不影響的兩個正交偏振分量HE11x和HE11y，用瓊斯(Jones)矢量J描述光纖中的偏振態為 其中βx，βy光波在兩個正交偏振方向上的傳播常數。由于光纖生產和使用的不完善性，使光纖的傳播特性表現為各項異性。主要表現為線雙折射和圓雙折射(橢圓雙折射為兩者疊加的情況)。大多數情況下，由于圓雙折射引起的光波偏振面隨機旋轉，而線雙折射只是引起兩正交偏振態的相位差，所以在光纖長度較短時，圓雙折射對光波干涉的影響要遠大于線雙折射對光波干涉行為的影響。上述光纖對光波的偏振態的影響可以用瓊斯矩陣來描述。
線雙折射為的傳輸矩陣Ml=e-jδ100ejδ1----(6)]]>其中δ1＝(δy-δx)z/2，此處假定所選擇坐標方向與雙折射快慢軸重合。
圓雙折射的傳輸矩陣是Mc=cosθsinθ-sinθcosθ---(7)]]>其中θ＝(βR-βL)z/2，βR，βL為右旋光、左旋光的傳播常數。
然而對于無損耗(主要指偏振相關損耗)的線性光學元件組成的光學系統，描述雙折射的瓊斯矩陣都可以寫作如下形式J=JXX-JYX*JYXJXX*---(8)]]>其中上標*代表取共軛，而且|JXX|2+|JYX|2＝1由于外界干擾諸如溫度變化、振動等引起的雙折射一般都具有互易性，設光纖中傳導光波從沿著單一方向位置1到位置2，描述偏振態變化的傳輸矩陣是J12，同樣沿相反方向從位置2到位置1描述偏振態變化的傳輸矩陣是J21，如果外界干擾引起的雙折射表現互易性質，那么兩個瓊斯矩陣的關系為J21=J12T,]]>上標T代表矩陣的轉置，以下計算均假定為互易性雙折射。
所以當使用光纖端面鍍膜形成反射面或平面鏡時，我們假定完全反射(有損耗時只是變化過程乘一個系數)，對應的瓊斯矩陣為MM=1001---(9)]]>當存在線雙折射時，此反饋光路的傳輸矩陣JFL為JFL=MlTMMMl=e-jδ100ejδ11001e-jδ100ejδ1=e-j2δ100ej2δ1---(10)]]>可見，此時線雙折射沒有被抵消，而是出現了倍增。
當存在圓雙折射時JFC=McTMMMc=cosθ-sinθsinθcosθ1001cosθsinθ-sinθcosθ=1001---(11)]]>此時具有互易性圓雙折射被完全抵消。
當光波反饋裝置采用法拉第旋轉反射鏡，將偏振面旋轉90°，此時法拉第旋轉發射鏡的傳輸矩陣為MF=01-10---(12)]]>此時采用矩陣J表示瓊斯矩陣，則反饋光路的傳輸矩陣為JF=JTMFJ=JXXJYX-JYX*JXX*01-10JXX-JYX*JYXJXX*=01-10----(13)]]>可見此時雙折射被完全抵消。
總結結論當采用鍍膜等不改變偏振面的反射形式的光反饋方法連接在光纖相位調制器末端時，此時不僅光纖相位調制出現倍增效果，相位靈敏度可以提高一倍，而且能夠有效的抵消圓雙折射對光路的影響。雖然線雙折射出現倍增，但一般情況下，對干涉影響很小，而且結構簡單，方便實現；當采用法拉第旋轉反射鏡作為光反饋裝置時，能夠完全消除相位調制器中任何互易性的雙折射，系統抗干擾能力強。結構與前者相比稍顯復雜。
本發明的新型相位調制方法可以應用在任何本征型光纖干涉儀中。應用此調制方法本發明還構造了反饋式白光干涉系統并對其進行測試。
采用三只光纖耦合器，采用光反饋式相位調制方法，構造了反饋式白光干涉系統。如圖1和圖2所示。
圖1中，該反饋式白光干涉系統的光路特征是光源1之后是光纖耦合器4，經過分光，耦合器4端口8的分光經過延時器11，之后是耦合器5，到達關纖相位調制器6，并被相位調制器末端的光反饋裝置7反射，反饋光通過耦合器5回到耦合器4的端口9耦合器端口9的分光經過耦合器5到達相位調制器6，并經過反射面7反射，反饋光經過延時器11回到耦合器4端口8。兩光束在光纖耦合器4中形成攜帶有被測物理量特征的光信號，該信號被探測器2、3接收。通過反演干涉信號，獲得被測物理量的物理特性。
圖2中，該反饋式白光光纖干涉系統特征光路是光源1之后是耦合器4，光被耦合器分光后，耦合器端口8的分光經過延時器11，之后是耦合器5，到達光纖相位調制器6，經過光纖耦合器10構造的光纖反射鏡，反射重新回到相位調制6實現了光束兩次經過6，反饋光通過耦合器5回到耦合器4的端口9；耦合器端口9的分光經過耦合器5到達相位調制器6，并經過耦合器10構造的光纖反射鏡反射，反饋光依次經過耦合器5，延時器，11回到耦合器4端口8。兩光束在3×3光纖耦合器4中形成攜帶有被測物理量特征的光信號，該信號被探測器2、3接收。通過反演干涉信號，獲得被測物理量的物理特性。
圖1和圖2中，耦合器4采用3×3光纖耦合器，如果耦合器4采用2×2耦合器，則反饋式白光干涉系統為如圖3和圖4所示。
圖3與圖1的結構和原理類似，圖4與圖2的結構和原理類似。
上述白光干涉系統中采用的光反饋裝置，可以是在光纖端面鍍膜等形成的反射鏡，也可以是法拉第旋轉反射鏡。
本發明光纖相位調制器的實現一種方法是在圓柱型的彈性體上纏繞一匝或多匝光纖，當有彈性波作用光纖時，可以利用光纖的彈光效應實現相位調制。此處，不僅可以基于其它物理效應的本征型光纖相位調制器，而且也可以是，光折射率可隨外加電壓信號變化的晶體，如鈮酸鋰晶體等。
本發明提出的新型光纖相位調制方法不僅可以用來構造白光干涉系統，而且可用于任何需要利用光纖實現相位調制的光纖干涉儀，比如，M-Z干涉儀。
本發明的反饋式白光干涉系統，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。
本發明涉系的光纖耦合器可以是錐型光纖耦合器。
本發明中，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。
本發明中，穩定光源(激光器)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。
本發明的突出優點是能夠提高相位靈敏度一倍(在相同外界信號激勵的環境下)；而且能夠有效的避免相位調制器偏振態隨機變化對干涉系統的影響；同時，能夠實現相位調制信息的單根光纖提取。當采用鍍膜等不改變偏振面的反射形式的光反饋方法連接在光纖相位調制器末端時，而且能夠有效的抵消圓雙折射對光路的影響；當采用法拉第旋轉反射鏡作為光反饋裝置時，能夠完全消除相位調制器中任何互易性的雙折射，系統抗干擾能力強。由此構造的反饋式白光干涉系統，在不改變光纖長度的情況下，相位靈敏度可以提高一倍，可以用于弱物理信號的提取。而且能夠實現信號提取的單芯雙向傳輸的過程，在分布式光纖傳感系統、光纖傳感組陣、遠程光纖傳感系統中，顯的尤為重要。而且采用光反饋裝置，系統的能夠消除光路中引起的雙折射，尤其是圓雙折射現象，所以系統可以用于復雜、惡劣的環境中。采用新型相位調制技術的反饋式白光干涉系統可以廣泛的應用在光纖傳感、光纖通信領域。
圖1是本發明的結構示意圖。其中，光纖耦合器4為3×3耦合器。
圖2是本發明的結構示意圖。其中，光纖耦合器4為3×3光纖耦合器。
圖3是本發明的結構示意圖。其中，光纖耦合器4為2×2光纖耦合器。
圖4是本發明的結構示意圖。其中，光纖耦合器4為2×2光纖耦合器。
圖5為反饋式白光干涉系統的采用光纖纏繞在彈性體上實現相位調制，采用干涉結構圖1時，采用正旋聲波作用時的輸出干涉信號和激勵信號。
圖6為未采取反饋裝置時，測得的輸出干涉信號和激勵信號。
圖中標號1是光源，2、3是光電探測器，4是光纖耦合器，5是光纖耦合器，6是本征型相位調制器，7是光反饋裝置，8、9是光纖耦合器的兩個端口，10是2×2光纖耦合器，11是光纖延遲線。
具體實施例方式
下面通過實施例進一步具體描述本發明。
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(1)。光纖耦合器為武漢郵電研究院生產的單模光纖耦合器。光電探測器(2)(3)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。采用安捷倫的音頻信號發生器。輸出信號經過放大。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。相位調制器采用將光纖纏繞在彈性體上，隨著彈性體外聲壓信號的激勵下收縮實現相位調制。光反饋裝置采用光纖端面鍍膜形成反射鏡的方式。采用圖1的方式融接，連接在一起，實現的干涉曲線如圖5所示。
同時，如果相位調制器不加反饋裝置，而是將圖1的反饋端直接接到耦合器(5)的端口12，采用圖5中相同的實驗條件，得到的干涉曲線為圖6。
可見，反饋式白光干涉系統所得干涉曲線圖5與未采用光反饋式的白光干涉系統所得干涉曲線圖6，前者獲得了干涉條紋數比后者多一倍，表現為條紋更加密集，而且提高了信噪比。
權利要求
1.一種光纖相位調制方法，其特征在于在相位調制器的光纖端面設置一光反饋裝置，使光波先后兩次通過相位調制器。
2.根據權利要求1所述方法，其特征在于所說的光反饋裝置采用在光纖端面鍍膜形成的反射鏡，或者采用法拉第旋轉反射鏡。
3.一種基于如權利要求1所述方法構成的反饋式白光干涉系統，其特征在于光路如下光源(1)之后是光纖耦合器(4)，光被耦合器(4)分光后，耦合器端口(8)的分光經過延時器(11)，之后是耦合器(5)，到達光纖相位調制器(6)，并被相位調制器末端的光反饋裝置(7)反射，反饋光通過耦合器(5)回到耦合器(4)的端口(9)；耦合器端口(9)的分光經過耦合器(5)到達相位調制器(6)，并經過反射面(7)反射，反饋光經過延時器(11)回到耦合器(4)端口(8)；兩光束在光纖耦合器(4)中形成攜帶有擾動源物理特征的光信號，該信號被探測器接收。
4.根據權利要求3所述的反饋式白光干涉系統，其特征在于所述的光反饋裝置是平面鏡，或者是法拉第旋轉反射鏡。
5.根據權利要求3所述的反饋式白光干涉系統，其特征在于耦合器采用錐形耦合器。
6.根據權利要求3所述的反饋式白光干涉系統，其特征在于所用的激光器是工作波長為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，或者是超輻射發光二極管激光器，或者是波長為850μm的氣體激光器。
7.根據權利要求3所述的反饋式白光干涉系統，其特征在于所用光纖或光纖延遲線是單模光纖，或者是多模光纖。
8.據權利要求3所述的反饋式白光干涉系統，其特征在于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。
全文摘要
本發明是一種新型的光纖相位調制方法及其構造的新型干涉系統。本發明的光纖相位調制方法是在相位調制器的光纖端面設置一個光反饋裝置，使光波兩次通過相位調制器。基于該方法，構造了反饋式白光干涉系統。本發明能夠提高相位靈敏度一倍，而且能夠有效避免相位調制器偏振態隨機變化對干涉系統的影響，同時能夠實現相位調制信息的單根光纖提取。不僅可以實現聲納探測、音頻傳輸，也可以實現應變、壓力、振動的測試。系統抗干擾能力強，靈敏度高，可適用于復雜、惡劣環境中。而調制技術結構簡單，這在分布式光纖傳感系統、光纖傳感組陣、遠程光纖傳感系統中尤為重要。本發明可以廣泛應用于光纖傳感、光纖通信等領域。
文檔編號H04B10/12GK1614455SQ20041008903
公開日2005年5月11日 申請日期2004年12月2日 優先權日2004年12月2日
發明者洪廣偉, 賈波 申請人:復旦大學