专利名称：可校准直流全光纤干涉方法及系统的制作方法
技术领域：
本发明属于光纤技术领域，具体涉及一种可校准直流光的全光纤干涉方法及干涉系统。
背景技术：
利用光纤无源器件构造的干涉系统，广泛的应用于传感、信号处理和光纤通信领域， 是构造各种高精度测量系统的基石。典型的干涉系统要求至少存在两束相干光束，相干后 在光电探测器输出形成干涉条纹，输出信号中包含有直流分量和交流分量。交流分量部分 含有被测量引起的相位差信息，这在干涉系统设计中至关重要，但设计者往往会忽略直流 信号的对相位差恢复影响，此影响在两种情况下特别严重。 一是干涉相位差很小时，如果 干涉仪工作在非正交条件下，那么理论上干涉的交流分量本身就存在一个直流基信号，因 此通常的去直流方法会造成信号的畸变，相位恢复错误。二是，工作在大相位情况下，直 流分量存在很大变化时，也会造成信号的混淆。准确的提取干涉相位信息，得到干涉系统 中直流量就能解决上述问题，就是本发明的核心内容。 发明内容本发明的目的在于提出一种可校准直流全光纤干涉方法和系统。本发明提出的可校准直流全光纤干涉方法，是在光路上构造一路反映干涉信号中准直 流分量的光信号，并在相位解调中，使用该分量用于抵消干涉信号的准直流分量；基于该 方法使用两个3X3光纤耦合器构造干涉光路，构成了可校准直流全光纤干涉系统。本发明原理如下干涉信号的表示形式可以表示为/")"(0 +邵)cos[O) + ^ (1)A(t)是干涉信号的非有效干涉分量，B(t)是干涉信号中的有效干涉分量的幅度(与被测信号 直接相关)，O是干涉相位，0是干涉信号的初始相位差，当A(t)变化时，可能被误解为出 现条纹，所以从I(t)中去除J(^至关重要。去除^^的主要优点是可以去除直流量变化误 解为干涉条纹的可能性；当干涉相位O很小时，干涉仪工作在非正交情况下(0-;r/2)， 可以消除电路去直流造成的畸变。基于该方法，构造的干涉系统如图l、图2、图3、图4所示。图l中所述的干涉系统，它由激光器l、第1光电探测器2、第2光电探测器3、第3光电探测器4、 3X3光纤耦合器5、另一个3X3光纤耦合器7、延迟光纤线12、光收发器 8和运动面9组成；其中，作为光源的激光器1对准3X3光纤耦合器5， 3X3光纤耦合器 5有端口 6和另一端口 10，其中，端口 6连接延迟光纤线12，并与另一3X3光纤耦合器 7连接，另一端口 10与另一3X3光纤耦合器7连接；另一3X3光纤耦合器7与光收发器 8连接；3X3光纤耦合器5分别与第一光电探测器2、第3光电探测器3连接；另一3X3 光纤耦合器7通过端口 11与第3光电探测器4相连。所以从光源一探测器看，光路形成的干涉光束如下-激光器l发出的光，通过3X3光纤耦合器5分光，端口6的光，经过延迟光纤线12， 进入另一3X3光纤耦合器7，再经过光收发器8，照射到运动面9上，反射后，经光收发 器8、另一3X3光纤耦合器7经端口 10进入3X3光纤耦合器5，此为第1光束；激光器 l发出的光，通过3X3光纤耦合器5分光，另一端口10的光，进入另一3X3光纤耦合器 7，经过光收发器8，照射到运动面9上，反射后，经光收发器8、 3X3光纤耦合器7经延 长线12，端口 6进入3X3光纤耦合器5，此为第2光束；此两束光为相干光束，相干信 号被第1和第2光电探测器2、 3接收。形成的准直流信号的光束是与常规全光纤干涉系统不同的是，我们构造了另外一路 信号，被探测器4接收，具体的光路顺序为，激光器l发出的光，通过3X3光纤耦合器5 分光，端口6的光，经过延迟光纤线12，进入另一3X3光纤耦合器7，经过光收发器8， 照射到运动面9上，反射后，经光收发器8、另一3X3光纤耦合器7，从端口 ll进入光电 探测器4;同理，激光器l发出的光，通过3X3光纤耦合器5分光，另一端口10的光， 另一进入3X3光纤耦合器7，经过光收发器8，照射到运动面9上，反射后，经光收发器 8、 3X3光纤耦合器7，从端口 11进入第3光电探测器4。所以第3光电探测器端为两束 光的叠加，直接反映了运动面的反射光强。图2中，它由激光器l、第1光电探测器2、第2光电探测器3、第3光电探测器4、 3 X3光纤耦合器5、另一个光纤耦合器7'(可以为3X3光纤耦合器，也可使是2X2光纤耦 合器)、延迟光纤线12、 1X2光纤耦合器13、光收发器8和运动面9组成；其中，作为光 源的激光器1对准3X3光纤耦合器5， 3X3光纤耦合器5有端口6和另一端口 10，其中， 端口6连接延迟光纤线12，并与另一光纤耦合器7'连接，另一端口 10经过1X2光纤耦合 器13与另一光纤耦合器7'连接；另一光纤耦合器7'与光收发器8连接；3X3光纤耦合器5 分别与第一光电探测器2、第3光电探测器3连接；另一光纤耦合器7'通过端口 ll'、 1X2 光纤耦合器13，与第3光电探测器4相连。所以从光源一探测器看，光路形成的干涉光束如下激光器l发出的光，通过3X3光纤耦合器5分光，端口6的光，经过延迟光纤线12， 进入另一光纤耦合器7',再经过光收发器8，照射到运动面9上，反射后，经光收发器8、 另一光纤耦合器7'的端口 U'，通过1X2光纤耦合器13，经过端口 10进入3X3光纤耦合 器5，此为第l光束；激光器l发出的光，通过3X3光纤耦合器5分光，另一端口10的 光，经过1X2光纤耦合器13，进入另一3X3光纤耦合器7'，经过光收发器8，照射到运 动面9上，反射后，经光收发器8、 3X3光纤耦合器7'经延长线12，端口6进入3X3光 纤耦合器5，此为第2光束；此两束光为相干光束，相干信号被第1和第2光电探测器2、 3接收。形成的准直流信号的光束是与常规全光纤干涉系统不同的是，我们构造了另外一路 信号，被探测器4接收，具体的光路顺序为，激光器l发出的光，通过3X3光纤耦合器5 分光，端口6的光，经过延迟光纤线12，进入另一光纤耦合器7'，经过光收发器8，照射 到运动面9上，反射后，经光收发器8、另一光纤耦合器7'，从端口ll，经过1X2光纤耦 合器，进入光电探测器4;同理，激光器l发出的光，通过3X3光纤耦合器5分光，另一 端口10的光，经1X2光纤耦合器13，进入3X3光纤耦合器7'，经过光收发器8，照射到 运动面9上，反射后，经光收发器8、 3X3光纤耦合器7'，从端口 11'、 1X2光纤耦合器 13，进入第3光电探测器4。所以第3光电探测器端为两束光的叠加，直接反映了运动面 的反射光强。图3的组成与光路结构与图2类似，只是调换了 1X2光纤耦合器13与延迟光纤线12 的相对位置，在此不再赘述。图4的所示的全光纤干涉干涉系统，它由激光器l、第1光电探测器2、第2光电探测 器3、第3光电探测器4、 3X3光纤耦合器5、另一个光纤耦合器7'(可以为3X3光纤耦 合器，也可使是2X2光纤耦合器)、延迟光纤线12、 1X2光纤耦合器13、光收发器8和 运动面9组成；其中，作为光源的激光器1对准3X3光纤耦合器5， 3X3光纤耦合器5 有端口6和另一端口10，其中，端口6连接延迟光纤线12，并与另一光纤耦合器7'连接， 另一端口 10与另一光纤耦合器7'连接；另一光纤耦合器7'与1X2光纤耦合器13连接；1 X2光纤耦合器13连接与光收发器8连接；3X3光纤耦合器5分别与第一光电探测器2、 第3光电探测器3连接；1X2光纤耦合器13，经端口 14与第3光电探测器4相连。 所以从光源一探测器看，光路形成的干涉光束如下激光器l发出的光，通过3X3光纤耦合器5分光，端口6的光，经过延迟光纤线12， 进入另一光纤耦合器7'，再经过1X2光纤耦合器D、光收发器8，照射到运动面9上，反 射后，经光收发器8、 1X2光纤耦合器13、另一光纤耦合器7'的端口 ll'，经过端口10进入3X3光纤耦合器5，此为第l光束；激光器l发出的光，通过3X3光纤耦合器5分光， 另一端口10的光，进入另一光纤耦合器7'，经过1X2光纤耦合器13，再经光收发器8， 照射到运动面9上，反射后，经光收发器8、 1X2光纤耦合器13，进入另一光纤耦合器 7'，经延长线12，端口 6进入3X3光纤耦合器5，此为第2光束；此两束光为相干光束， 相干信号被第1和第2光电探测器2、 3接收。形成的准直流信号的光束是与常规全光纤干涉系统不同的是，我们构造了另外一路 信号，被探测器4接收，具体的光路顺序为，激光器l发出的光，通过3X3光纤耦合器5 分光，端口6的光，经过延迟光纤线12，进入另一光纤耦合器7'，再经1X2光纤耦合器 13、光收发器8，照射到运动面9上，反射后，经光收发器8、 1X2光纤耦合器13，从端 口14进入光电探测器4;同理，激光器l发出的光，通过3X3光纤耦合器5分光，另一 端口10的光，进入另一光纤耦合器7'，经1X2光纤耦合器13、光收发器8，照射到运动 面9上，反射后，经光收发器8、 1X2光纤耦合器13，从端口 14进入第3光电探测器4。 所以第3光电探测器端为两束光的叠加，直接反映了运动面的反射光强。设t时刻经运动面9反射，耦合到光纤中的光，到达探测器4端的光强为2^《)，二者的分别贡献a2(0，同时设运动面9的运动位移为s(f)，输出的光强S，A和^，输出端口对应的光功率可表示为 2 ， ，尸i = — ["2 (0 + "2 0 —力+ a(0"0 - "0 cos(O + 60] (2)A = * [a2 (0 + a2 (卜"+ cfO)a" - T) cos(O 一 61)] (3)P3=2"2(f) (4) 其中0) = 4;r[W)- ，^为干涉信号部分的初始相位。为了能够精确还原相位①，必需使用三路信号，才能精确求解，这就是我们设计获得一路准直流信号光束的原因。本发明中，所述光收发器包括光纤准直器、光器件组成的收发探头。 可校准直流全光纤干涉系统，采用光收发器与自由反射面(运动面)构成相位调制系统，此处，也可以是任何本征型光纤相位调制器，比如，在弹性体上缠绕一匝或多匝光纤，利用光纤的弹光效应实现相位调制；也可以是光折射率可随外加电压信号变化的晶体，如铌酸锂晶体等。可校准直流全光纤干涉系统，用光纤是单模光纤或者多模光纤。 可校准直流全光纤干涉系统，光纤耦合器采用非平面耦合器或者平面型耦合器。可校准直流全光纤干涉系统，所用的激光器工作波长是1.31戶或1.55//附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，或者DFB激光器，或 者波长850/^的短波长激光器、或者气体激光器。可校准直流全光纤干涉系统，光纤耦合器与光纤的连接、光纤之间的连接采用融接方 式连接，光源和光纤的连接、光电探测器与光纤的连接采用跳线连接。根据本发明的要旨，类似结构如附图2、附图3、附图3所示，其中新增的器件为光 纤耦合器13，起分光作用。光路流向与附图l基本相同。
图l本发明可校准直流全光纤干涉系统示意图。图2图3和图4是，与图l类似的可校准全光纤干涉系统示意图。图5使用图1结构的测试记录原始信号。图6图l测试的运动面速度结果。图中标号1为激光器，2、 3、 4依次为第一、第二、第三光电探测器，5为3X3光纤耦合器， 7为另一3X3光纤耦合器或2X2光纤耦合器'13为1X2光纤耦合器，6、 10、 11、 11'、 14为光纤耦合器端口， 8为光收发器，9运动面，12光纤耦合器。
具体实施方式
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S03-B型超辐射发 光管(SLD)型稳定光源1。光纤耦合器和光收发器为武汉邮电研究院生产的单模光纤耦 合器和单模耦合器。光电探测器2、 3、 4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。数据记录仪为TEK示波 器，光源与干涉系统、干涉系统与探测器的连接方式是FC/APC跳线连接。采用图l的方 式融接，连接在一起，使用霍布金森压杆产生高速撞击运动，实现的干涉曲线如图5所示。图5中，其中信号A， B为光电探测器2、 3接收的干涉信号，信号C为光电探测器4 所接收的信号。图6为使用信号A， B， C所计算的运动面速度时间曲线。
权利要求
1、一种可校正直流全光纤干涉方法，其特征在于在光路上构造一路反映干涉信号中准直流量的光信号，在相位解调中，使用该分量用于抵消干涉信号的准直流分量。
2、 根据权利要求1所述方法，其特征在于得到准直流信号用于校准干涉信号的直流部分，使得干涉相位精确还原。
3、 一种可校准直流全光纤干涉系统，其特征在于由激光器(1)、第1光电探测器(2)、 第2光电探测器(3)、第3光电探测器(4)、 3X3光纤耦合器(5)、另一个3X3光纤耦 合器(7)、延迟光纤线(12)、光收发器(8)和运动面(9)组成；其中，作为光源的激 光器(1)对准3X3光纤耦合器(5)， 3X3光纤耦合器(5)有端口 (6)和另一端口 (10)， 其中，端口 (6)连接延迟光纤线(12)，并与另一3X3光纤耦合器(7)连接，另一端口(10)与另一 3X3光纤耦合器(7)连接；另一 3X3光纤耦合器(7)与光收发器(8) 连接；3X3光纤耦合器(5)分别与第一光电探测器(2)、第3光电探测器(3)连接；另 一3X3光纤耦合器(7)通过端口 (11)与第3光电探测器(4)相连。
4、 根据权利要求3所述构建的可校准直流全光纤干涉系统，其特征在于系统的光路 为激光器(1)发出的光，通过3X3光纤耦合器(5)分光，端口 (6)的光，经过延迟 光纤线(12)，进入3X3光纤耦合器(7)，再经过光收发器(8)，照射到运动面(9)上， 反射后，经光收发器(8)、另一 3X3光纤耦合器(7)经端口 (10)进入3X3光纤耦合 器(5)，此为第一光束；激光器(1)发出的光，通过3X3光纤耦合器(5)分光，另一 端口 (10)的光，进入另一3X3光纤耦合器(7)，经过光收发器(8)，照射到运动面(9) 上，反射后，经光收发器(8)、另一3X3光纤耦合器(7)经延长线(12)，端口 (6)进 入3X3光纤耦合器(5)，此为第二光束；此两束光为相干光束，相干信号被第1和第2 光电探测器(2、 3)接收；准直流信号被探测器(4)接收，具体的光路顺序为，激光器(1)发出的光，通过3 X3光纤耦合器(5)分光，端口 (6)的光，经过延迟光纤线(12)，进入另一3X3光纤 耦合器(7)，再经过光收发器(8)，照射到运动面(9)上，反射后，经光收发器(8)、 另一3X3光纤耦合器(7)，从端口 (11)进入第3光电探测器(4);激光器(1)发出的 光，通过3X3光纤耦合器(5)分光，另一端口 (10)的光，进入另一3X3光纤耦合器 (7)，再经过光收发器(8)，照射到运动面(9)上，反射后，经光收发器(8)、另一 3 X3光纤耦合器(7)，从端口 (11)进入第3光电探测器(4)。
5、 一种可校正直流全光纤干涉系统，其特征在于由激光器(1)、第1光电探测器(2)、 第2光电探测器(3)、第3光电探测器(4)、 3 X3光纤耦合器(5)、另一个光纤耦合器(7')、延迟光纤线(12)、 1X2光纤耦合器(13)、光收发器(8)和运动面(9)组成；其中，作 为光源的激光器(1)对准3X3光纤耦合器(5)， 3X3光纤耦合器(5)有端口 (6)和另 一端口 (10)，其中，端口 (6)连接延迟光纤线(12)，并与另一光纤耦合器(7')连接， 另一端口 (10)经过1X2光纤耦合器(13)与另一光纤耦合器(7')连接；另一光纤耦合 器(7')与光收发器(8)连接；3X3光纤耦合器(5)分别与第一光电探测器(2)、第3 光电探测器(3)连接；另一光纤耦合器(7')通过端口 (ll')、 1X2光纤耦合器(13)， 与第3光电探测器(4)相连。
6、 一种可校正直流全光纤干涉系统，其特征在于由激光器(1)、第1光电探测器(2)、 第2光电探测器(3)、第3光电探测器(4)、 3X3光纤耦合器(5)、另一个光纤耦合器(7')、 延迟光纤线(12)、 1X2光纤耦合器(13)、光收发器(8)和运动面(9)组成；其中，作 为光源的激光器(1)对准3X3光纤耦合器(5)， 3X3光纤耦合器(5)有端口 (6)和另 一端口 (10)，其中，端口 (6)连接延迟光纤线(12)，并与另一光纤耦合器(7')连接， 另一端口 (10)与另一光纤耦合器(7')连接；另一光纤耦合器(7')与1X2光纤耦合器(13) 连接；1X2光纤耦合器(13)连接与光收发器(8)连接；3X3光纤耦合器(5) 分别与第一光电探测器(2)、第3光电探测器(3)连接；1X2光纤耦合器(13)，经端口(14) 与第3光电探测器(4)相连。
7、 根据权利要求3或5或6所述的可校准直流全光纤干涉系统，其特征在于由光收 发器(8)与运动面(9)构成相位调制系统改用本征型光纤相位调制器。
8、 根据权利要求3或5或6所述的可校准直流全光纤干涉系统，其特征在于所用的 激光器是工作波长为1.31//附或1.55/ 附的半导体激光二极管或半导体发光二极管激光器，或 者是超辐射发光二极管激光器，或者是DFB激光器，或者是波长850/zm的短波长激光器， 或者是气体激光器。
9、 根据权利要求3或5或6所述的可校准直流全光纤干涉系统，其特征在于光电耦 合器与光纤的连接、光纤之间的连接是融接方式连接，光源和光纤的连接、光电探测器与光纤的连接采用跳线连接。
10、 根据权利要求3或5或6所述的可校准直流全光纤干涉系统，其特征在于所述光收发器包括光纤准直器、光器件组成的收发探头。
全文摘要
本发明属于光纤技术领域，具体为一种可校准直流全光纤干涉方法及系统。本发明使用两只3×3光纤耦合器构造了干涉光路，得到了一路反映输出信号直流分量光束，用于校准系统输出信号，使得相位检测和提取更为精确。该系统可以应用在任意相位大小干涉系统中，特别是对干涉信号幅度不稳定的系统。本发明不仅可以用于恶劣复杂环境中，速度、压力、应变、声波、地震波等动态信号的传感，而且可以实现全光通信网中光开关、滤波器等功能，广泛应用在光通信领域。
文档编号G02B6/28GK101246238SQ20081003402
公开日2008年8月20日 申请日期2008年2月28日 优先权日2008年2月28日
发明者洪广伟, 波 贾 申请人:复旦大学