多模光纤干涉方法及其测试系统的制作方法

专利名称：多模光纤干涉方法及其测试系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及光纤干涉方法及其测试系统。
背景技术：
光纤干涉系统在光纤传感和通信领域具有广泛的应用前景，目前系统的构成主要采用单模光纤结构实现干涉方法，这些方法都无法解决偏振态对系统稳定性造成的影响。多模光纤干涉系统由于不存在偏振态对系统稳定性造成的影响，所以具有研究学术价值和产品开发的市场前景。多模光纤干涉方法与单模光纤干涉方法完全不同。光的干涉方法主要有双光束干涉和多光束干涉，迈克尔逊干涉仪、马赫-曾得尔干涉仪、Sagnac干涉仪属于双光束干涉系统，菲索干涉仪属于多光束干涉。但是该类干涉系统均不能实现较大位移量的测量，限制了光纤干涉系统在光纤传感和通信领域的应用。

发明内容
多模光纤的传输满足麦克斯韦方程组和多模光纤边界条件，只有满足本征方程的传播常数对应的模式才能形成传播模式，在多模光纤中传播。假定第i个传播模式的传播常数为βi，n个传播模式按照其大小递增排列，即有β1＜β2＜.....βi-1＜βi＜βn(1)多模光纤的折射率分布为阶要跃分布，满足下面关系式 式中，a是多模光纤纤芯半径，ρ以是多模光纤纤芯为坐标原点的径向坐标。
所有的传播常数βi满足下面的本征方程，[Jm′(kα)kJm(kα)+Km′(γα)γKm′(γα)]·[Jm′(kα)kJm(kα)+n22Km′(γα)n12γKm′(γα)]=[2mβi(n1-n2)αk2γ2]2----(3)]]>上式中，k2=n12k02-βi2,]]>γ2=βi2-n22k02,]]>k0＝2π/λ，λ为真空中的传输波长。
对于给定的多模光纤参数(多模光纤半径α，芯层折射率n1，包层折射率n2)和工作波长λ，可计算出传播常数βi。利用式(3)，通过编程计算，可得到多模光纤的传播常数βi。
对于相干涉空间距离为Δl的多模光纤干涉系统来说，对于不同的传播常数βi来说，形成的干涉相位为i，i＝βi·Δl(4)定义平均传播常数β，β‾=1nΣi=1nβi----(5)]]>对应于平均传播常数β形成的平均相位可表示为＝β·Δl (6)不同模式(传播常数βi)相对于平均相位的相位差可表示为Δi，Δi＝i- (7)干涉信号I(t)可表示为不同模式形成的干涉信号Ii(t)的叠加，即 式(8)中，I0为传播模式的平均功率，假定不同传播模式的功率分布相同。利用式(7)(8)，不同模式的干涉信号可表示为Ii(t)Ii(t)＝I0[cos(Δi)cos()-sin(Δi)sin()](9)利用式(9)，式(8)可改写为 在Δi为小信号的情况下，sin(Δi)＝Δi(11)结合式(5)(6)(7)，在满足Δi为小信号的条件下(即式(11)成立的条件下)，式(10)中右边第二项为零。所以式(10)可改写为
通过上面的理论分析可以看出，干涉信号的幅度将受到多模传播模式的影响，但干涉相位在引入平均传播常数和平均相位的情况下，不受传播模式的影响。利用式(12)，将实现多模光纤干涉系统的测试功能。需要指出的是，式(12)成立的前提条件是式(11)成立，即在模式传播常数差异引起的相位差为小信号的情况下，多模光纤干涉系统通过相位解调，能够实现对空间距离Δl的准确测试。
利用式(4)、(6)，式(7)可以改写为Δi＝(βi-β)·Δl (13)根据式(13)，有两种方法可以实现Δi为小信号，即减小不同模式与平均模式间的传播常数差异和减小相干光束的空间距离。下面，就多模光纤的传播常数差异进行理论计算，分析其特点。
利用式(3)，假设多模光纤的结构参数为α＝25μm，n1＝1.46，n2＝1.48。可得到计算结果为计算出不同传播常数总数为227，根据式(5)，平均传播常数β＝7049147.101，最大传播常数为βmax＝7097950.8565，最小传播常数为βmin＝7002651.0565，所有传播模式与平均传播常数的最大差异Δβmax＝48803.7555。
从上面的计算结果可以看出，最大传播常数βmax和最小传播常数βmin与平均传播常数β的差别小于模式传播常数的1％。根据式(12)，假设βi-β＝βmax，并将计算结果代入，在Δi≤0.3弧度条件下，可得到多模光纤干涉系统最大空间干涉距离Δlmax，Δlmax=0.3βmax=6.147×10-6----(14)]]>式(14)说明，如果采用传统的双光束干涉方法，多模光纤干涉系统的测试量程不会超过5个波长，多模光纤干涉系统实现大位移(超过1mm)测量功能是不现实的，这也是多模光纤在干涉式位移测量工程中很少采用的原因。要将多模光纤干涉系统应用于大量程测试领域，必须采用新的干涉系统结构。多模光纤干涉系统是一种能够实现多模光纤干涉方法的结构，系统的工作原理与传统的干涉结构不同，它将测试位移动态分段，始终保持干涉信号在小的位移测量范围内，通过信号处理，最终能够实现对大位移量的测试功能。从理论上分析，该类系统的最大测试量程没有理论极限。现阶段的实验表明，该系统的最大测试位移在100mm左右。
能够实现多模光纤干涉方法的光路结构全多模光纤干涉方法的实现有多种光路结构，其核心是光路结构能够实现白光动态干涉，即在没有动态测试信号的状况下，相干涉光的光程差为零，动态测试信号存在的情况下，干涉光束对应的光程差Δl(t)保持动态(与时间密切相关)，假设测试对象的位移特性为S(t)，干涉光路系统实现的光程差为Δl(t)＝S(t)-S(t-τ) (15)上式中，τ为光路系统形成的相干信号延时。在τ为小量的条件下，利用中值定理，式(15)可改写为Δl(t)＝S(t)-S(t-τ)＝S′(t)·τ (16)从上式可以看出，不论测试信号特点怎样，总可以选定延时τ，使得式(14)成立，这就是全多模光纤干涉系统工作原理的核心。
利用多模光纤耦合器、多模光纤和多模光纤准直器等无源器件和固体激光器、光电探测器和放大电路等有源器件，构成了能够实现前面原理分析的多模光纤干涉系统，具体光路结构如下1、利用单只多模光纤耦合器实现的干涉光路结构。
如图1所示该系统的光路如下光源(1)之后是多模光纤耦荷器(2)，光被耦合器分光后，端口(7)的光经过多模光纤延迟线(3)后经过扰动源(4)顺时针传输到端口(8)；端口(8)的光先通过扰动源(4)后通过多模光纤延迟线(3)反时针传输到端口(7)。两光束在3×3多模光纤耦合器(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(5)、(6)接收。通过反演干涉信号，由公式(16)获得扰动源(4)的物理特性。
如图2所示稳定的光源(1)发出的光经过多模光纤耦合器(2)，被分光后，端口(7)的光经过多模光纤延迟线(3)后经过扰动源(4)顺时针传输到端口(8)；端口(8)的光先通过扰动源(4)后通过多模光纤延迟线(3)反时针传输到端口(7)。两光束在3×3多模光纤耦合器(2)中形成携带有扰动源物理特征的光信号，被探测器(5)、(6)接收。通过反演干涉信号，最终获得扰动源(14)的物理特性。
2、利用反馈回路实现的干涉光路结构如图3所示稳定光源(1)发出的光经过跳线FC/PC连接，进入2×2多模光纤耦合器(2)，被分光后，从耦合器的端口(7)的光经过多模光纤延迟线(3)后经过扰动源(4)顺时针传输到端口(8)，端口(8)的光先通过扰动源(4)后通过多模光纤延迟线(3)逆时针传输到端口(7)。两光束在多模光纤耦合器(2)中形成携带有扰动源物理特征的光信号，被探测器(6)接收。通过反演干涉信号，由公式(16)最终获得扰动源(4)的物理特性。
与图3类似，图4只是去掉了多模光纤耦合器(4)和探测信号输出端口(11)。
与图3类似，图5只是去掉了多模光纤耦合器(9)和探测信号输出端口(10)。
与图3类似，图6只是去掉了多模光纤耦合器(1)和探测信号输出端口(12)。
连接耦合器(2)的(6)、(8)端口的多模光纤和多模光纤耦合器(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，只是探测信号输出端口(10)、(11)探测到的干涉信号初始相位发生改变。
将图7所示的耦合器(2)改为2×2多模光纤耦合器，探测信号输出端口(10)和耦合器(9)以及端口(6)(8)不存在，(11)(12)干涉信号输出端口。
3、用两只多模光纤耦合器实现的干涉光路如图9所示激光器(1)发出的光经3×3耦合器(2)，通过端口(7)的光由端口(9)进入2×2多模光纤耦合器(3)；通过端口(6)的光经过多模光纤延迟线(11)由端口(8)进入2×2多模光纤耦合器(3)，经过多模光纤准直器(10)后，被测试对象(14)反射，反射光依次经过2×2耦合器(3)、3×3耦合器(2)，在3×3耦合器(2)的(12)、(13)端输出干涉信号。
系统的光源是超宽光谱光源，在1310nm中心波长条件下工作，一般光谱的宽度在10nm以上，激光器是超辐射发光二极管。
多模光纤规格是外径um/芯径um是下述任一种125/50，125/62.5，125/80，125/100等大芯径多模光纤为好。


图1是单只多模光纤耦合器实现的干涉光路图之一。
图2是单只多模光纤耦合器实现的干涉光路图之二。
图3是反馈回路实现的干涉光路图之一。
图4是反馈回路实现的干涉光路图之二。
图5是反馈回路实现的干涉光路图之三。
图6是反馈回路实现的干涉光路图之四。
图7是反馈回路实现的干涉光路图之五。
图8是反馈回路实现的干涉光路图之六。
图9是两只多模光纤耦合器实现的干涉光路图。
图10是本发明实施例结果图。
具体实施例方式
实施例采用如图9所示的结构，多模光纤(规格为外径125微米，芯径50微米)和光纤耦合器为武汉邮电研究院提供。探测器为铟钾砷(InGaAs)光电探测器，光源为超辐射发光管(SLD)构造的光源，中心工作波长为1.31um，这两种器件为电子集团总公司第44研究所提供。实验结果如图10所示。
权利要求
1.多模光纤干涉方法，其特征是利用不同传输模式间的传播常数差异形成的等效干涉光程差大于光源系统的相干长度时，不同模式间的干涉效应将不被探测器所检测，模式间的干涉现象将被系统消除，多模光纤干涉系统通过相位调解，通过下式实现对空间距离的准确测试
2.根据权利要求1所述的多模光纤干涉方法的测试系统，其特征是测试系统的光路是下述中的任一种(1)利用单只多模光纤耦合器实现的干涉光路；(2)利用反馈回路实现的干涉光路；(3)利用两只多模光纤耦合器实现的干涉光路；系统的光源是超宽光谱光源，1310nm中心波长，激光器是超辐射发光二极管。
3.根据权利要求2所述的多模光纤干涉方法的测试系统，其特征是多模光纤的外径um/芯径um是下述任一种125/50，125/62.5，125/80，125/100。
全文摘要
一种新的多模光纤干涉方法，该方法的特点是利用了多模光纤干涉系统对偏振态不敏感这一优点，构造全多模光纤干涉系统，该干涉方法光源的相干长度小于不同传输模式形成的等效光程差，在此前提下，不同模式间形成的干涉效应将消失。使得干涉系统具有稳定性高、抗干扰能力强等优点。利用该方法构件的系统在振动测试、应变测试、语音信号提取、声纳探测和冲击波测试等诸多领域具有广泛的应用前景。
文档编号G01D5/26GK1558185SQ20041001604
公开日2004年12月29日 申请日期2004年2月3日 优先权日2004年2月3日
发明者贾波, 章骅, 吴东方, 洪广伟, 贾 波 申请人:复旦大学