基于光电振荡器的光纤低相干干涉位移解调设备及方法与流程

本发明涉及位移信息解调领域，具体涉及基于光电振荡器的光纤低相干干涉位移解调设备及其解调方法。

背景技术：

光纤低相干干涉测量技术作为一种重要的非接触测量方式，由于具有结构简单、测量速度快及分辨率高的优点，在光学系统的非接触测量及生物医学影像等前沿领域具有广阔的应用前景。

光纤低相干干涉技术通常由宽带低相干光源照明的迈克尔逊干涉仪组成。光路部分采用单模光纤连接，低相干光源发出的激光经2x2的光纤耦合器之后，分别进入有反射镜的参考臂和放有被测样品的样品臂。反射镜反射回来的光(参考光)和样品背向散射光(信号光)，再次在光纤耦合器处产生干涉信号。从反射镜返回的参考光和被样品背向散射的信号光，只有在它们的光程差处于光源的相干长度范围内时，才能产生明显的干涉。产生的干涉信号被光电探测器接收，通过提取干涉信号振幅、相位、包络、零光程差位置等信息，获得被测样品的某些特征信息，实现对被测样品的检测。

在基于光纤低相干干涉技术的位移测量应用中，如何实现对干涉光场包络峰值的准确定位是获得高精度位移检测的关键。为得到干涉光场包络峰值，通常采用时间扫描式和空间扫描式两种方式。时间扫描式可以测量很大的范围，但由于需要对其中一个反射镜进行机械扫描，其长期可靠性和稳定性较差，测量精度只在微米量级。空间扫描式采用线阵CCD器件进行电扫描，其长期可靠性高，但线阵CCD的像元有限，其测量范围通常较小，只有几十个微米。此外，两种方法都需要经光电转换和采集卡A/D转换后送入计算机进行数据分析处理才能解调出被测位移量。为解决现有技术存在的问题，我们提出一种新型的光纤低相干干涉位移解调技术。

技术实现要素：

本发明主要解决的技术问题是提供一种基于光电振荡器的光纤低相干干涉位移解调设备及方法，具有无需机械扫描、测量精度高和解调方式简单等优点。

为解决上述技术问题，本发明采用的一个技术方案是：提供一种基于光电振荡器的光纤低相干干涉位移解调设备，其特征在于，包括通过光纤依次连接的宽带低相干光源、第一光纤耦合器、可调光延迟器、第二光纤耦合器、电光调制器和光电探测器以及与所述光电探测器依次电连接的射频放大器和射频分束器；

其中，

所述第一光耦合器和第二光耦合器还通过光纤直接连接；

所述射频分束器还与电光调制器电连接。

所述第一光纤耦合器、可调光延迟器和第二光纤耦合器构成马赫曾德尔干涉仪结构；所述电光调制器、单模光纤、光电探测器、射频放大器和射频分束器构成光电振荡器

所述宽带低相干光源经第一光纤耦合器分为两路信号，一路信号经可调光延迟器进入第二光纤耦合器，另一路信号直接进入第二光纤耦合器，随后两路信号在第二光纤耦合器处产生干涉光场，产生的干涉光场进入电光调制器中被射频信号调制，调制后的光信号经单模光纤传输后在光电探测器处产生射频信号，生成的射频信号被射频放大器放大后进入射频分束器，射频分束器将射频信号一分为二，一路射频信号连接到电光调制器的射频端口，另一路射频信号作为输出并测量其频率值。

优选地，所述电光调制器、光电探测、微波放大器、微波分束器的工作带宽应大于10GHz。

优选地，所述电光调制器与光电探测器之间采用单模光纤连接，单模光纤长度范围为5km～20km，根据所需位移解调范围和解调精度进行优化选取。

优选地，所述宽带低相干光源的频谱幅值形状为矩形或高斯型。

优选地，所述宽带低相干光源可为LED光源、超发光二极管光源或自发辐射光源。

本发明还提供了一种基于光电振荡器的光纤低相干干涉位移解调方法，其特征在于包括如下步骤：

步骤1：干涉光场经电光强度调制器调制后，通过普通单模光纤传输进入光电探测器，光电探测器把光信号转变为微波信号；

步骤2：将干涉光场、电光调制器、单模光纤和光电探测器作为一个整体，其频谱响应为一个等效的微波光子滤波器，微波光子滤波器的通带位置随马赫曾德尔干涉仪两臂的位移量差而改变；

步骤3：微波光子滤波器对射频信号选频，选取出的射频信号由射频放大器放大，然后连接到电光调制器的射频端口，形成正反馈回路；

步骤4：射频放大器提供信号增益，补偿信号在光电振荡器环路中的传输损耗，信号经过多次循环后，建立稳定的振荡。

区别于现有技术的情况，本发明的有益效果是：

1、位移解调是通过光电振荡器的自动选频技术实现的，无机械扫描装置，因此系统稳定性大大提高，同时也无传统空间扫描式中存在的测量范围受限的问题。

2、由于光电振荡器的振荡模式间隔通常小于MHz，因此对应的位移解调精度为纳米量级，远高于现有其他解调技术。

3、光电振荡器产生的微波信号频率与位移量一一对应，因此只需测量微波频率，通过简单的数学公式计算就可得到对应的位移量，因此位移解调方式大大简化。

附图说明

图1是本发明实施例基于光电振荡器的光纤低相干干涉位移解调设备结构示意图。

图2是干涉光场的示意图。

图3是实验测得输出微波信号频谱与位移量的关系示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

参见图1，是本发明实施例基于光电振荡器的光纤低相干干涉位移解调技术的示意图。本实施例的系统结构包括通过光纤依次连接的宽带低相干光源、第一光纤耦合器、可调光延迟器、第二光纤耦合器、电光调制器和光电探测器以及与所述光电探测器依次电连接的射频放大器和射频分束器；其中，

所述第一光耦合器和第二光耦合器还通过光纤直接连接；

所述射频分束器还与电光调制器电连接。

具体而言，本实施例的宽带低相干光源来自自发辐射(ASE)光源，光源主体部分是增益介质掺铒光纤和高性能的泵浦激光器。低相干光源的带宽和形状由滤波器来设定，本实施例中宽带低相干光源的频谱形状为矩形，带宽范围为8nm。

所用电光调制器为电光强度调制器，工作带宽为35GHz。

所用单模光纤为长度为20km的普通单模光纤，其二阶色散系数为β₂＝-22ps²/km。

所述宽带低相干光源经第一光纤耦合器分为两路信号，分别通过马赫曾德尔干涉仪结构的两臂后，在第二光纤耦合器处产生干涉光场。产生的干涉光场的频谱图如图2所示，为正弦周期形状。

随后，干涉光场进入光电振荡器中进行解调，其解调过程如下：(1)干涉光场经电光强度调制器调制后，通过普通单模光纤传输进入光电探测器，光电探测器把光信号转变为微波信号；(2)干涉光场、电光调制器、单模光纤和光电探测器作为一个整体，其频谱响应实际上是一个等效的微波光子滤波器，微波光子滤波器的通带位置随马赫曾德尔干涉仪两臂的位移量差而改变；(3)微波光子滤波器对射频信号选频，选取出的射频信号由射频放大器放大，然后连接到电光调制器的射频端口，从而形成正反馈回路；(4)射频放大器提供信号增益，补偿信号在光电振荡器环路中的传输损耗，信号经过多次循环后，建立起稳定的振荡。

设光纤长度为L，对应的二阶色散系数为β₂,根据所测量的微波频率值，由公式1可计算出位移变换量ΔL：

这里c₀为光在真空中的传播速度。

以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。