專(zhuān)利名稱(chēng)：光纖微分干涉儀的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明述及一種光纖微分干涉儀，特別是一種基于3×3光纖耦合器實(shí)現(xiàn)的光纖的光纖微分干涉儀。
背景技術(shù)：
馬赫—澤德?tīng)?、邁克爾遜、法布里—珀羅和塞格奈克干涉儀是目前使用最普遍的四種光纖干涉儀。它們測(cè)量精度高，并具有各自的特點(diǎn)，因此，已成功地應(yīng)用在許多的光纖傳感器及光纖器件中，如聲、壓力、位移、電流、電壓、陀螺等傳感器，光纖開(kāi)關(guān)，光纖濾波器等。馬赫—澤德?tīng)?、邁克爾遜光纖干涉儀是雙光束干涉儀，并均有兩個(gè)光纖臂組成，一個(gè)為傳感臂，另一個(gè)為參考臂。由于參考臂的出現(xiàn)，當(dāng)參考臂的光纖受到外界信號(hào)干擾時(shí)，就會(huì)引起干涉儀的干擾噪聲。另外，兩個(gè)臂的光纖長(zhǎng)度應(yīng)盡量保持相等，如果出現(xiàn)不平衡的情況，那么會(huì)出現(xiàn)一個(gè)由相位噪聲轉(zhuǎn)變的強(qiáng)度噪聲，這將影響信號(hào)的測(cè)量精度。法布里—珀羅光纖干涉儀是多束干涉儀，它可以使用光纖、空氣及其他介質(zhì)作為諧振腔。對(duì)于由光纖形成的諧振腔，當(dāng)要求低精細(xì)度的諧振腔時(shí)，可以直接用拋光的光纖端面作為反射面，由于它的反射率僅有4％，所以效率較低；對(duì)于高精細(xì)度的諧振腔，則需要在光纖上鍍薄膜層以便提高反射率，但不僅鍍均勻的膜層困難，而且光纖腔與輸入—輸出光纖連接時(shí)，也是較困難的。以上三種干涉儀都要求激光器作為光源，即要求光源有較長(zhǎng)的相干長(zhǎng)度。相比而言，塞格奈克光纖干涉儀它的優(yōu)點(diǎn)更明顯，它可以使用短相干長(zhǎng)度光源(如LED)，并用兩個(gè)反向傳輸?shù)墓馐谙嗤饴分袀鬏敭a(chǎn)生干涉，所以對(duì)一些互易的干擾量能夠消除或減少。但是，它僅能測(cè)量非互易量，如法拉第效應(yīng)、塞格奈克效應(yīng)等；另外，由于兩束相反的光經(jīng)過(guò)一個(gè)耦合器所走的路徑是不相同，所以這種最簡(jiǎn)單的塞格奈克光纖干涉儀不是相同光路的干涉儀，如果要實(shí)現(xiàn)相同的光路傳輸，還需要再加入一個(gè)耦合器，這樣也增加了系統(tǒng)的復(fù)雜性；另外，由于反向傳輸光束干涉，所以對(duì)光路的偏振態(tài)也較敏感。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是在于提供一種光纖微分干涉儀，使其干涉光束具有同向、同光路的特點(diǎn)，克服上述已有光纖干涉儀存在的問(wèn)題，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，抗干擾能力強(qiáng)為了達(dá)到上述目的，本發(fā)明采用以下技術(shù)方案一種光纖微分干涉儀，由光源、光纖耦合器、探測(cè)器、信號(hào)處理器、傳感器和調(diào)制器組成，其特征在于光纖耦合器采用3×3光纖耦合器，使其輸入、輸出兩測(cè)的端子交叉地互相連接形成兩個(gè)光纖回路，在兩個(gè)光纖回路上分別設(shè)置傳感器和調(diào)制器，而中間的兩個(gè)端子分別連接光源和探測(cè)器。
上述的兩個(gè)光纖回路的光程差達(dá)與光源的相干長(zhǎng)度。
上述的3×3光纖耦合器中的光纖排列結(jié)構(gòu)為三個(gè)光并列方式排列的耦合結(jié)構(gòu)。
上述的光纖微分干涉儀以如下參數(shù)決定實(shí)現(xiàn)多光束干涉或雙光束干涉3×3光纖耦合器相鄰光纖的耦合系數(shù)K1、3×3光纖耦合器的熔錐的長(zhǎng)度L、3×3光纖耦合器的附加損耗tc、兩個(gè)光纖回路的光纖損耗系數(shù)tL1和tL2；若要實(shí)現(xiàn)雙光束干涉，則要滿(mǎn)足下式要求((12+12cos(2k1L))tc)4(tL1tL2)2<0.1]]>上述的光源采用發(fā)光二極管或激光器。
為了說(shuō)明本發(fā)明的工作原理及其分析，可參見(jiàn)附圖。圖1示出本發(fā)明的結(jié)構(gòu)原理。
本發(fā)明由光源1、探測(cè)器5、3×3光纖耦合器2、傳感器3、調(diào)制器9及信號(hào)處理器6組成。光源1通過(guò)光纖10與3×3光纖耦合器2連接，3×3光纖耦合器2輸出端的兩個(gè)側(cè)端端子D、F，交叉地連接到輸入端的兩個(gè)側(cè)端端子C、A上，即端子D連接端子C，端子F連接端子A，而中間的輸入和輸出端子B、E分別作為光源1和探測(cè)器5的輸入和輸出端子。它的工作原理可以分析如下從短相干長(zhǎng)度光源發(fā)出的一束光線(xiàn)，進(jìn)入3×3光纖耦合器2的端子B，然后被耦合器2分成三束光，從端子D、E、F射出，這三束光可以定義為1、3、2光束。光束1所經(jīng)過(guò)的路徑為端子D→傳感器3→光纖回路7→端子C→端子F→調(diào)制器9→光纖回路4→端子A→端子E；光束2所經(jīng)過(guò)的路徑為端子F→調(diào)制器9→光纖回路4→端子A→端子D→傳感器3→光纖回路7→端子C→端子E；而光束3則直接進(jìn)入光電探測(cè)器5，并通過(guò)電導(dǎo)線(xiàn)8與信號(hào)處理器6連接。因?yàn)楦缮嫘盘?hào)只能發(fā)生在兩個(gè)光束的光程差小于光源的相干長(zhǎng)度的情況下，而光束1和光束2所經(jīng)過(guò)的是相同光路(只是經(jīng)過(guò)的時(shí)間有先后的問(wèn)題)，所以，光束1和光束2在輸出端子E能產(chǎn)生干涉信號(hào)。相反，由于所設(shè)置的光纖回路7和光纖回路4的光路差大于光源的相干長(zhǎng)度，所以，經(jīng)過(guò)端子D→傳感器3→光纖回路7→端子C→端子E的光束和經(jīng)過(guò)端子F→調(diào)制器9→光纖回路4→端子A→端子E的光束不能在輸出端子E產(chǎn)生干涉。這樣光束1和光束2的干涉效果就能在兩個(gè)回路中傳感或檢測(cè)許多被測(cè)的參量。
本光纖微分干涉儀中采用的3×3光纖耦合器的光纖排列結(jié)構(gòu)為三根光纖并行排列的耦合結(jié)構(gòu)，如圖2所示。根據(jù)耦合理論，設(shè)光纖F2與F1、光纖F2與F3的耦合系數(shù)為k1，光纖F1和F3的耦合系數(shù)為k2，β是光纖的傳播系數(shù)。由于熔錐的長(zhǎng)度L較短，可以認(rèn)為k1和k2為常數(shù)。在k2＜＜k1的條件下，可以忽略光纖F1與F3的耦合系數(shù)k2，讓?duì)?＝βL，那么，并行的3×3光纖耦合器的傳輸矩陣為E1E2E3(z)=TE1E2E3(0)]]>T=tcejφ012(1+cos(2k1L))j12sin(2k1L)12(cos(2k1L)-1)j12sin(2k1L)cos(2k1L)j12sin(2k1L)12(cos(2k1L)-1)j12sin(2k1L)12(1+cos(2k1L))---(1)]]>式中Ei(z)和E0(z)(i＝1，2，3)為3×3光纖耦合器的輸出和輸入光的電場(chǎng)幅值，tc是耦合器的附加損耗。式中(3，1)和(1，3)元素不為零是由于光纖F1和F3之間有少量的能量通過(guò)光纖F2被傳遞。
通過(guò)對(duì)圖1光束1和光束2兩束光的分析我們知道，它們不僅僅在光路中傳輸一次，還可以按以上分析的路徑進(jìn)行多次循環(huán)，這樣就形成了多光束干涉。對(duì)(n+1)和n次循環(huán)的光路而言，它們的干涉光強(qiáng)比為In+1/In=((12+12cos(2k1L))tc)4(tL1tL2)2---(2)]]>式中 tL1和tL2分別為光纖回路7和光纖回路4的光纖損耗系數(shù)。如果式(2)中In+1/In＜＜1，一般取小于0.1即可，那么干涉儀中的高次循環(huán)光可以忽略。故僅剩下光束1和光束2的干涉，即相當(dāng)于n＝1的雙光束干涉。由此可得變化的干涉信號(hào)強(qiáng)度為Iac=I0·C1·cos[τ2dφs(t-τ1)dt-τ1dφm(t-τ2)dt]]]>C1=12I0sin4(2k1L)·[(12+12cos(2k1L))tc]2(tL1tL2)2---(3)]]>式中 I0為光源的出射光強(qiáng)，τ1和τ2分別為光纖回路7和光纖回路4的光纖延遲時(shí)間，φs(t)和φm(t)分別為傳感函數(shù)和調(diào)制函數(shù)。對(duì)上面的信號(hào)積分，即可得到干涉儀的輸出電壓信號(hào)與被測(cè)信號(hào)的比例關(guān)系Vac∝I0C1·φs(t) (4)由此，探測(cè)器輸出的電信號(hào)經(jīng)過(guò)放大、濾波、積分等一系列的信號(hào)處理，可通過(guò)式(4)求得被測(cè)的信號(hào)。而式(3)則表示了一個(gè)微分干涉的形式，所以稱(chēng)之為微分干涉儀。
本發(fā)明與已有技術(shù)相比較，具有如下顯而易見(jiàn)的突出特點(diǎn)和顯著優(yōu)點(diǎn)本發(fā)明的光纖耦合器采用3×3光纖耦合器，使其輸入、輸出兩側(cè)的端子交叉地相互連接，而中間的兩個(gè)端子分別連接光源和探測(cè)器，這就使干涉光束同光路、同向傳輸，克服已有技術(shù)中存在的問(wèn)題。本發(fā)明僅使用一個(gè)3×3光纖耦合器，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單；抗干擾能力強(qiáng)，特別是對(duì)緩變得干擾信號(hào)幾乎不敏感；可采用短相干長(zhǎng)度的光源，如發(fā)光二極管；測(cè)量參數(shù)廣泛，如電磁量、機(jī)械量、熱能量等；是微分干擾儀，它的測(cè)量動(dòng)態(tài)范圍大。


圖1是本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例的結(jié)構(gòu)示意圖。
圖2是圖1示例中3×3光纖耦合器的光纖排列結(jié)構(gòu)示意圖。
圖3是圖1示例實(shí)現(xiàn)電壓傳感器的測(cè)試曲線(xiàn)圖。
具體實(shí)施例方式
本發(fā)明的一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例是本光纖微分干涉儀的結(jié)構(gòu)原理如圖1所示，由光源1、光纖耦合器2、探測(cè)器5、信號(hào)處理器6、傳感器3和調(diào)制器9組成。光纖耦合器2采用3×3光纖耦合器，使其輸入、輸出兩測(cè)的端子A、C、D、F交叉地互相連接形成兩個(gè)光纖回路4，7，而中間的兩個(gè)端子B、E分別由光纖10連接光源1和探測(cè)器5，探測(cè)器5由電導(dǎo)線(xiàn)8連接信號(hào)處理器6。本光纖微分干涉儀為實(shí)現(xiàn)電壓傳感器用，光源1采用1310nm的發(fā)光二極管，3×3光纖耦合器的分光比為34∶31∶33，光纖回路7和光纖回路4的光纖長(zhǎng)度分別為50m和550m。傳感器3采用壓電陶瓷筒(PZT)，并放在光纖回路7中，被測(cè)的電壓為交流50Hz的交流電壓，調(diào)制器9也采用壓電陶瓷筒(PZT)，放在光纖回路4中，調(diào)制電壓的頻率為17.5KHz的正旋信號(hào)。參見(jiàn)圖2，3×3光纖耦合器的光纖排列結(jié)構(gòu)為三條光纖F1、F2、F3并類(lèi)排列，相鄰光纖的中心距為光纖直徑d。當(dāng)調(diào)制電壓為9V時(shí)。系統(tǒng)由最大靈敏度，在此條件下，測(cè)得的輸出電壓信號(hào)如圖3所示。圖3中橫軸Vi為傳感器3上施加的被測(cè)電壓值，縱軸Vo為電壓傳感器3的輸出電壓值；圖3中方點(diǎn)為實(shí)驗(yàn)測(cè)試的數(shù)據(jù)，直線(xiàn)為根據(jù)實(shí)驗(yàn)測(cè)試點(diǎn)擬合的線(xiàn)性直線(xiàn)。由圖3可看出在15-130V的被測(cè)電壓范圍內(nèi)有良好的線(xiàn)性度(測(cè)量的范圍還可擴(kuò)大)。因此，說(shuō)明本發(fā)明的微分干涉儀是正確的，利用它可以實(shí)現(xiàn)電壓的測(cè)量。
權(quán)利要求
1.一種光纖微分干涉儀，由光源(1)、光纖耦合器(2)、探測(cè)器(5)、信號(hào)處理器(6)、傳感器(3)和調(diào)制器(9)組成，其特征在于光纖耦合器(2)采用3×3光纖耦合器，使其輸入、輸出兩測(cè)的端子(A、C、D、F)交叉地互相連接形成兩個(gè)光纖回路(4，7)，在兩個(gè)光纖回路(4，7)上分別設(shè)置傳感器(3)和調(diào)制器(9)，而中間的兩個(gè)端子(B、E)分別連接光源(1)和探測(cè)器(5)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種光纖微分干涉儀，其特征在于兩個(gè)光纖回路(4、7)的光程差達(dá)與光源(1)的相干長(zhǎng)度。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種光纖微分干涉儀，其特征在于3×3光纖耦合器(2)中的光纖排列結(jié)構(gòu)為三個(gè)光并列方式排列的耦合結(jié)構(gòu)。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種光纖微分干涉儀，其特征在于如下參數(shù)決定實(shí)現(xiàn)多光束干涉或雙光束干涉3×3光纖耦合器(2)相鄰光纖的耦合系數(shù)K1、3×3光纖耦合器(2)的熔錐的長(zhǎng)度L、3×3光纖耦合器(2)的附加損耗tc、兩個(gè)光纖回路(4、7)的光纖損耗系數(shù)tL1和tL2；若要實(shí)現(xiàn)雙光束干涉，則要滿(mǎn)足下式要求((12+12cos(2k1L)tc))4(tL1tL2)2<0.1]]>
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種光纖微分干涉儀，其特征在于光源(1)采用發(fā)光二極管或激光器。
全文摘要
本發(fā)明述及一種光纖微分干涉儀，它由光源、光纖耦合器、探測(cè)器、信號(hào)處理器、傳感器和調(diào)制器組成，光纖耦合器采用3×3光纖耦合器，使其輸入、輸出兩測(cè)的端子交叉地互相連接形成兩個(gè)光纖回路，在兩個(gè)光纖回路上分別設(shè)置傳感器和調(diào)制器，而中間的兩個(gè)端子分別連接光源和探測(cè)器。本發(fā)明使干涉光束同光路、同向傳輸，僅使用一個(gè)3×3光纖耦合器，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單；抗干擾能力強(qiáng)，特別是對(duì)緩變的干擾信號(hào)幾乎不敏感；可采用短相干長(zhǎng)度的光源，如發(fā)光二極管；測(cè)量參數(shù)廣泛，如電磁量、機(jī)械量、熱能量等；是微分干擾儀，它的測(cè)量動(dòng)態(tài)范圍大。
文檔編號(hào)G01B9/02GK1482478SQ0312885
公開(kāi)日2004年3月17日 申請(qǐng)日期2003年5月27日 優(yōu)先權(quán)日2003年5月27日
發(fā)明者王廷云, 郭小勇 申請(qǐng)人:上海大學(xué)