专利名称：一种反馈环路形成的全光纤干涉方法及其测试系统的制作方法
技术领域：
本发明是利用光纤反馈回路建立全光纤干涉的方法及其测试系统。
背景技术：
光的干涉已广泛应用于测试和通信领域，传统的光干涉方法依赖于激光的相干长度和复杂的光路构造(往往采用棱镜、透镜和分束器)和调试，其结构主要有麦克尔逊、马赫增德尔和法布里-珀罗。随着光纤技术的发展和光电器件的成熟，光纤干涉技术在上个世纪得到了发展，但其结构和工作原理与传统的激光干涉方法没有区别。由于传统的干涉方法能够得到的干涉信号存在的相位差一般由系统的结构决定，特别是利用光纤耦合器构造的干涉系统，输出信号的相位差由耦合器的参数决定。为了得到准确的测试物理参数，希望能够得到90度相位差的两路信号，通过交替使用两路信号，充分保障系统的灵敏度。不改变系统光纤耦合器的参数，通过外加光信号强度的改变，改变初始信号的相位差，这种全光纤干涉系统还很少。全光纤白光干涉方法在上个世纪九十年代末出现，其结构主要依赖于多只(两只或两只以上)光纤耦合器组合成干涉光路，并主要应用于光纤传感领域，输出信号的初始相位差完全确定于耦合器的参数，不能随便改变，给测试带来了一定的困难。
发明内容
本发明的目的是提供一种方便、简洁的利用反馈环路形成的全光纤干涉方法及其测试系统。
根据本发明方法可提供一种能广泛应用于光纤传感和光纤通信的系统，系统采用一只光纤耦合器实现白光干涉方法，该系统不仅能够应用于光纤传感领域，还能应用于光纤通信领域。
本发明由反馈环路形成的全光纤干涉方法，由光源发出的光被耦合器分束后，一路光先通过光纤延迟线构成的反馈回路，再次通过光纤耦合器，到达信号探测端口被反射回耦合器输出端；另一路光先通过信号探测端口，被反射后，通过光纤耦合器，由反馈回路进入耦合器的输出端口，相干光线形成顺时针和逆时针传输的两路光，在光纤延迟线存在的情况下，两光束通过扰动源的时间不同，对应的扰动信号也不相同，延迟时间可表示为
τ=neffLC...........(1)]]>C是真空中的光速，L是延迟光纤长度，neff是光纤的等效折射率；扰动源对两束光形成的光程即折射率ns与几何长度Ls的乘积，可表示为A(t)和A(t-τ)，A(t)＝ns(t)Ls(t) (2)A(t-τ)＝ns(t-τ)Ls(t-τ) (3)由于去掉扰动源的影响，两光束通过的传输光程完全相等，所以，两光束形成的光程差ΔL可表示为ΔL＝A(t)-A(t-τ)(4)①对于光纤振动测试系统，扰动源对应于振动位移，即A(t)～S(t)，光通过扰动源的折射率不随时间变化，所以式(4)可表示为ΔL＝ns[S(t)-S(t-τ)] (5)利用中值定理，上式可改写为ΔL＝nsS′(t-τ/2)τ (6)上式对应于干涉光的相位(t)为 ②或者在光通信领域调制系统中，扰动源对应于晶体折射率，即A(t)～n(t)，光通过扰动源时，传输光的几何距离保持不变，所以式(4)可表示为ΔL＝Ls[n(t)-n(t-τ)](8)调制信号m(t)与折射率n(t)的关系可表示为n(t)＝f[m(t)] (9)利用中值定理，上式可改写为ΔL＝Lsf′[m(t)]τ (10)
上式对应于干涉光的相位(t)为 运用3×3光纤耦合器的干涉特性，在探测信号输出端，干涉信号可分别表示为I1(t)＝I0cos[(t)+0](12)I2(t)＝I0cos[(t)-0](13)I3(t)＝I0cosφ(t) (14)。
在分光比为1的3×3光纤耦合器中，0＝120度；如果耦合器的分光比不为1，初始相位0≠120度。(12)(13)式中的干涉信号最大幅度不在相等。上面两式中，0为干涉信号的初始相位，在振动测试系统和语音信号传输系统中，(t)为(7)式所示；在光纤通信领域的光调制和光开关应用中，(t)为(11)式所示。由于初始相位不一样，两干涉信号将出现一路光强度为0，而另一路光强度不为0的情况，即全光纤干涉系统显现出对光的开关功能。
如果再加入另一反馈环路，在上面的分析基础上，相干涉光将形成另外两干涉光路，只是其干涉强度比上面的干涉光弱，光功率为上面分析干涉光功率的1/9。最后形成的干涉条纹表达式与(12)(13)(14)相同，只是初始相位0不再是120度，其大小与两部分相干光形成的干涉光功率大小关系密切相关。
以图1中的结构为例，稳定光源(13)发出的光经过跳线FC/PC连接，先进入1×2光纤耦合器(1)，然后通过3×3光纤耦合器(2)，形成了两对干涉光束。
一对干涉光束由下面两光束形成光束I一路光先被测试对象(14)反射后，被光纤耦合器(2)分束，先后通过端口(7)、光纤延迟线(3)、光纤耦合器(4)和端口(5)进入光纤耦合器(2)；光束II另外一路光先通过端口(5)、光纤耦合器(4)、光纤延迟线(3)和端口(7)进入光纤耦合器(2)，被测试对象(14)反射后进入光纤耦合器(2)。这两光束在测试对象处于静止状态时，通过的光程完全相等，形成系统的干涉光束。
另一对干涉光束由下面两光束形成光束I一路光先被测试对象(14)反射后，被光纤耦合器(2)分束，先后通过端口(7)、光纤延迟线(3)、光纤耦合器(4)和端口(5)进入光纤耦合器(2)，被分束后，从端口8通过光纤耦合器(9)和端口(6)进入光纤耦合器(2)；光束II另外一路光先通过端口(5)、光纤耦合器(4)、光纤延迟线(3)和端口(7)进入光纤耦合器(2)，被分束后，通过端口(6)、光纤耦合器(9)和端口(8)再次进入光纤耦合器(2)，分束后的光被测试对象(14)反射后进入光纤耦合器(2)。这两光束在测试对象处于静止状态时，通过的光程完全相等，形成系统的干涉光束。由于光纤耦合器的存在，使得干涉光的能量与前一对干涉光束相比，为其大小的1/6。
两对干涉光束在3×3光纤耦合器(2)中形成携带有扰动源物理特征的光信号，被探测器(10)、(11)和(12)接收。通过反演干涉信号，最终获得扰动源(14)的物理特性。其表达式分别对应公式(12)(13)和(14)。
图2、3、4与图1所示结构相比，其工作原理与方法一样，通过减少一只光纤耦合器，使得干涉光束能量增加一倍。只是探测信号也减少了一路。干涉信号表达式分别对应公式(13)和(14)、(12)和(14)、(12)和(13)。
图5与图1相比，只形成了单反馈工作光路，形成了一对干涉光束，其工作原理与前面对图1所示系统前一对干涉光束的分析一样。干涉信号表达式对应于公式(12)、(13)和(14)。
图6与图5相比，2×2光纤耦合器代替了3×3光纤耦合器，工作原理与图5所示的系统一样。形成的干涉信号功率增加了3/2。只有两路干涉信号输出，其表达式一路与公式(14)所示一样，另一路干涉信号与之反向。
根据(7)和(11)式，可以看出，干涉相位大小与光纤时间τ成正比，即与光纤延迟线长度成正比。根据这个特点，对于小的扰动信号，可以增加光纤延迟线长度来达到增加调制幅度的效果；对于大的调制信号，可以采用减小光纤延迟线长度的方法，降低对信号采集系统频率带宽的要求。可根据具体情况调整调制相位弧度，是本发明的一个显著特点。
本发明的全光纤干涉系统，光纤耦合器与光纤的连接、光纤之间的连接方式是融接方式连接，光源与干涉系统的连接方式FC/PC跳线连接，干涉系统与探测器的连接方式也是FC/PC跳线连接。
本发明的扰动源是使传输光的光程随时间发生改变的装置，因此，可以是振动装置，例如喇叭、振动平台、桥梁机械等产生的振动等；或者光通过时，纤折射率可随外加电压信号变化的晶体，如铌酸锂晶体等本发明系统的光纤耦合器是锥型光纤耦合器。
耦合器的光功率是均分的，即3×3光纤耦合器光功率分光比是1∶1∶1，2×2光纤耦合器光功率分光比是1∶1。
单模光纤、多模光纤均适用于本发明系统。
稳定光源可以是下述中的任一种工作波长是1.31μm或1.55μm的半导体激光二极管(LD)；半导体发光二极管(LED)激光器；超辐射发光二极管(SLD)激光器等。
本发明方法用光纤耦合器和光纤反馈回路构造干涉光路实现白光干涉(宽光谱光源干涉)方法，不仅能够应用于光纤传感领域，还能广泛应用于光纤通信领域。通过反馈回路的光强度控制，能够实现系统输出干涉信号的相位差。本发明可的应用领域，具体表现为振动(冲击波)测试，微应变测试，语音信号传输，激光外调制，光开关，光路逻辑编码等功能。所以，不论从本发明的结构和应用范围来看，该方法与以往任何光纤干涉方法均不相同。
本发明方法改变了以往光干涉必须依赖于激光(窄光谱)光源的缺陷，不仅能应用于激光的干涉，还能应用于宽光谱光源的干涉；同时，该干涉方法还能实现对电信号的激光外调制，也能实现对光强度的可调整分布和光开关功能，将被应用于光信号的外调制和全光路由交换网络；系统对扰动源的测试灵敏度，可方便的调整，能够适用于强扰动源的测试，也能适用于弱扰动源的测试；系统不受扰动源频率的限制，频率仅与光电探测器的响应有关，光路系统不存在频率响应问题。本发明能够得到两路具有固定相位差的干涉信号，将提高系统的灵敏度和精度。本发明所述的干涉系统，结构简单，调试方便，灵敏度和精度高。
图1是本发明系统结构示意图。1是1×2光纤耦合器，2是3×3光纤耦合器，3是光纤延迟线，4是1×2光纤耦合器，5、6是光纤的输出端口，7、8是光纤的输入端口，9是1×2光纤耦合器，10、11、12是光电探测器，13是激光光源、14是测试对象。
图2是本发明系统的结构示意图之二。1是1×2光纤耦合器，2是3×3光纤耦合器，3是光纤延迟线，5、6是光纤的输出端口，7、8是光纤的输入端口，9是1×2光纤耦合器，10、12是光电探测器，13是激光光源、14是测试对象。
图3是本发明系统的结构示意图之三。1是1×2光纤耦合器，2是3×3光纤耦合器，3是光纤延迟线，4是1×2光纤耦合器，5、6是光纤的输出端口，7、8是光纤的输入端口，11、12是光电探测器，13是激光光源、14是测试对象。
图4是本发明系统的结构示意图之四。1是1×2光纤耦合器，2是3×3光纤耦合器，3是光纤延迟线，4是1×2光纤耦合器，5、6是光纤的输出端口，7、8是光纤的输入端口，9是1×2光纤耦合器，10、11是光电探测器，13是激光光源、14是测试对象。
图5是本发明系统结构示意图五。1是1×2光纤耦合器，2是3×3光纤耦合器，3是光纤延迟线，4是1×2光纤耦合器，5、6是光纤的输出端口，7、8是光纤的输入端口，10、11、12是光电探测器，13是激光光源、14是测试对象。
图6是本发明系统结构示意图。1是1×2光纤耦合器，2是2×2光纤耦合器，3是光纤延迟线，4是1×2光纤耦合器，5是光纤耦合器的输出端口，7是光纤的输入端口，11、12是光电探测器，13是激光光源、14是测试对象。
图7是利用本发明方法实现的全光纤干涉系统在振动测试中的干涉信号波形图，对应公式(12)。
图8是利用本发明方法实现的全光纤干涉系统在振动测试中的干涉信号波形图之二，对应公式(13)。
图9是利用本发明方法实现的全光纤干涉系统在振动测试中的干涉信号波形图之三，对应公式(14)。
具体实施例方式
实施例在本实施例中，所用的激光器为电子集团总公司44研究所生产的SO3-B型超辐射发光管(SLD)型稳定光源(3)。光纤耦合器(1)(2)(4)(9)为武汉邮电研究院生产的单模光纤耦合器。光电探测器(10)(11)(12)为44所生产的型号为GT322C500的InGaAs光电探测器。所用的光纤为美国生产的“康宁”G652型单模光纤。测试对象(14)是北戴河科新测振仪器公司生产的DZT-10永磁振动台。按图1方式用融接方式连接藕荷器、光纤、光纤延迟线。光源与干涉系统、干涉系统与探测器的连接方式是FC/PC跳线连接。用该系统测试结果见图7、8、9，该干涉曲线由公式(12)、(13)、(14)描述，表示对振动源的测试结果。
权利要求
1.一种反馈环路形成的全光纤干涉方法，其特征是由光源发出的光被耦合器分束后，一路光先通过光纤延迟线构成的反馈回路，再次通过光纤耦合器，到达信号探测端口被反射回耦合器输出端；另一路光先通过信号探测端口，被反射后，通过光纤耦合器，由反馈回路进入耦合器的输出端口，相干光线形成顺时针和逆时针传输的两路光，在光纤延迟线存在的情况下，两光束通过扰动源的时间不同，对应的扰动信号也不相同，延迟时间可表示为τ=neffLC............(1)]]>C是真空中的光速，L是延迟光纤长度，neff是光纤的等效折射率；扰动源对两束光形成的光程即折射率ns与几何长度Ls的乘积，可表示为A(t)和A(t-τ)，A(t)＝ns(t)Ls(t) (2)A(t-τ)＝ns(t-τ)Ls(t-τ) (3)由于去掉扰动源的影响，两光束通过的传输光程完全相等，所以，两光束形成的光程差ΔL可表示为ΔL＝A(t)-A(t-τ) (4)①对于光纤振动测试系统，扰动源对应于振动位移，即A(t)～S(t)，光通过扰动源的折射率不随时间变化，所以式(4)可表示为ΔL＝ns[S(t)-S(t-τ)] (5)利用中值定理，上式可改写为ΔL＝nsS′(t-τ/2)τ (6)上式对应于干涉光的相位(t)为 ②或者在光通信领域调制系统中，扰动源对应于晶体折射率，即A(t)～n(t)，光通过扰动源时，传输光的几何距离保持不变，所以式(4)可表示为ΔL＝Ls[n(t)-n(t-τ)] (8)调制信号m(t)与折射率n(t)的关系可表示为n(t)＝f[m(t)] (9)利用中值定理，上式可改写为ΔL＝Lsf′[m(t)]τ (10)上式对应于干涉光的相位(t)为 运用3×3光纤耦合器的干涉特性，在探测信号输出端，干涉信号可分别表示为I1(t)＝I0cos[(t)+0] (12)I2(t)＝I0cos[(t)-0] (13)I3(t)＝I0cosφ(t) (14)。
2.根据权利要求1所述的反馈环路形成的全光纤干涉方法的测试系统，其特征是该系统的光路如下光源(13)之后是光纤耦合器(1)，光通过光纤耦合器(1)(2)后，形成两组干涉光束，具体如下；(1)相干光束一的形成一路光从端口(5)经过光纤耦合器(4)和光纤延迟线(3)组成的光纤反馈环路，顺时针传输到端口(7)，再次进入光纤耦合器(2)，通过扰动源(14)反射回光纤耦合器(2)；另一路光先通过扰动源(14)，被反射回光纤耦合器(2)，从端口(7)通过光纤延迟线(3)和光纤耦合器(4)组成的反馈环路，逆时针从端口(5)进入光纤耦合器(2)；(2)相干光束二的形成一路光从端口(6)经过光纤耦合器(9)顺时针传输到端口(8)，再次进入光纤耦合器(2)，从端口(5)通过光纤耦合器(4)与光纤延迟线(3)相成的反馈环路进入端口(7)，经过光纤耦合器(2)，通过扰动源(14)反射回光纤耦合器(2)；另一路光先通过扰动源(14)，被反射回光纤耦合器(2)，从端口(8)经过光纤耦合器(9)顺时针到达端口(6)，再次进入光纤耦合器(2)后，从端口(7)通过光纤延迟线(3)和光纤耦合器(4)组成的反馈环路，逆时针从端口(5)进入光纤耦合器(2)；上面两组相干光束在3×3光纤耦合器(2)中形成携带有扰动源物理特征的光信号，该信号被探测器(10)(11)(12)接收，通过反演干涉信号，由公式(12)(13)(14)获得扰动源(14)的物理特性。
3.根据权利要求2所述的反馈环路形成的全光纤干涉方法的测试系统，其特征是提取干涉信号的光纤耦合器和与其相联接的探测器各减少一个。
4.根据权利要求2所述的反馈环路形成的全光纤干涉方法的测试系统，其特征是连接耦合器(2)的(6)(8)端口的光纤和光纤耦合器(9)可以去掉，组成单环路工作干涉系统，探测器(10)直接与端口(8)连接，系统的工作性能不受影响。
5.根据权利要求2所述的反馈环路形成的全光纤干涉方法的测试系统，其特征是耦合器(2)为2×2光纤耦合器。
6.根据权利要求2所述的反馈环路形成的全光纤干涉方法的测试系统，其特征是耦合器与光纤的连接、光纤之间的连接方式是融接方式连接，光源和光纤的连接、探测器与光纤的连接采用跳线连接。
7.根据权利要求2所述的反馈环路形成的全光纤干涉方法的测试系统，其特征是扰动源是振动装置，或者是光纤折射率可随外加电压信号变化的晶体，或者是冲击波探测装置。
8.根据权利要求2所述的反馈环路形成的全光纤干涉方法的测试系统，其特征是光纤耦合器是锥型光纤耦合器。
9.根据权利要求5所述的反馈环路形成的全光纤干涉方法的测试系统，其特征是光纤耦合器的光功率是均分。
10.根据权利要求2所述的反馈环路形成的全光纤干涉方法的测试系统，其特征是所用光纤或光纤延迟线可以是单模光纤，或者是多模光纤。
11.根据权利要求1-5所述的反馈环路形成的全光纤干涉方法的测试系统，其特征是所用的激光器工作波长是1.31μm或1.55μm的半导体激光二极管或半导体发光二极管激光器，或者超辐射发光二极管激光器。
全文摘要
本发明是一种新颖的全光纤干涉方法及其系统。现有的技术的光干涉一般依赖窄光谱光源。本发明利用反馈环路形成的全光纤干涉方法获得的干涉系统能够实现对振动特性的测试、外加电信号的调制和实现光开关功能。该方法的突出优点是改变了以往光干涉必须依赖于激光(窄光谱)光源的缺陷，不仅能应用于激光的干涉，还能应用于宽光谱光源的干涉；系统对扰动源的测试灵敏度，可方便的调整，该方法也能用于光谱特性的测试。系统不受扰动源频率的限制，频率仅与光电探测器的响应有关，光路系统不存在频率响应问题。本发明能够得到三路具有固定相位差的干涉信号，将提高系统的灵敏度和精度。本发明所述的干涉系统，结构简单，调试方便，灵敏度和精度均获得满意效果。
文档编号H01S5/00GK1488963SQ03150468
公开日2004年4月14日 申请日期2003年8月21日 优先权日2003年8月21日
发明者贾波, 章骅, 贾 波 申请人:复旦大学