全光纤干涉方法及其测试系统技术方案

本发明专利技术是一种新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。根据本发明专利技术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。系统由下述光路组成，光源、耦合器、光纤延迟线、抗动源，最后光束在耦合器中戴有扰动源的光信号被探测器接受。本发明专利技术可广泛应用于振动测试和通信领域，也能应用于声纳探测和语音信号的传输领域。本发明专利技术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，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；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。本发明专利技术所述的干涉系统，结构简单，调试方便，灵敏度和精度均获得满意效果。（*该技术在2023年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
本专利技术是新的全光纤干涉方法及其测试系统。本专利技术提出的全光纤干涉方法，由光源发出的光被耦合器分束后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折射率ns与几何长度Ls的乘积，可表示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)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 (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 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 (8)调制信号m(t)与折射率n(t)的关系可表示为n(t)＝f (9)利用中值定理，上式可改写为ΔL＝Lsf′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 (12)I2(t)＝I0cos (13)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。根据本专利技术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。以附图说明图1中的结构为例，稳定光源发出的光经过跳线FC/PC连接，进入2×2光纤耦合器，被分光后，从耦合器的端口(7)的光经过光纤延迟线(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)后通过光纤延迟线(3)逆时针传输到端口(7)。两光束在光纤耦合器(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(12)(13)最终获得扰动源(4)的物理特性。在图2所示的结构中，稳定的光源(1)发出的光经过光纤耦合器(2)，被分光后，端口(7)的光经过光纤延迟线(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)后通过光纤延迟线(3)反时针传输到端口(7)。两光束在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(5)、(6)接收。通过反演干涉信号，最终获得扰动源(4)的物理特性。图1与图2所示结构，其工作原理与方法一样，只是图1得到的是没有初始相位差0的干涉信号。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，是本专利技术的一个显著特点。本专利技术的全光纤干涉系统，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。本专利技术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，光纤折射率可随外加电压信号变化的晶体，如铌酸锂晶体等本专利技术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专利技术系统。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。本专利技术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；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。本专利技术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。本专利技术所述的干涉系统，结构简单，调试方便，灵敏度和精度高。图2是本专利技术3×3耦合器系统的结构示意图。1是稳定光源，2是光纤耦合器，3是光纤延迟线，4是扰动源，5、6是光电探测器，7、8是光纤耦合器的两个端口。图3是光纤延迟线长度为8.5Km时，对电话铃声作为扰动源时，全光纤干涉系统的产生的干涉曲线图。权利要求1.一种全光纤干涉方法，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折射率ns与几何长度Ls的乘积，可表示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)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 (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 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(8)调制信号m(t)与折射率n(t)的关系可表示为n(t)＝f (9)利用中值定理，上式可改写为ΔL＝Lsf′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 (12)I2(t)＝I0cos(13)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≠本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种全光纤干涉方法，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＝ｎ↓［ｅｆｆ］Ｌ／Ｃ （１）Ｃ是真空中的光速 ，Ｌ是延迟光纤长度，ｎ↓［ｅｆｆ］是光纤的等效折射率，扰动源对两束光形成的光程折射率ｎ↓［ｓ］与几何长度Ｌ↓［ｓ］的乘积，可表示Ａ（ｔ）和Ａ（ｔ－τ），Ａ（ｔ）＝ｎ↓［ｓ］（ｔ）Ｌ↓［ｓ］（ｔ） （２）Ａ（ｔ－τ）＝ｎ↓［ｓ］（ ｔ－τ）Ｌ↓［ｓ］（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）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＝ｎ↓［ｓ］［Ｓ（ｔ）－Ｓ（ｔ－τ）］ （５）利用中值定理，上式可改写为ΔＬ＝ｎ↓［ｓ］Ｓ′（ｔ－τ／２）τ （６）上式对应于干涉光的相位φ（ｔ）为φ（ｔ）＝２π ｎ↓［ｓ］／λＳ′（ｔ－τ／２）τ （７）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＝Ｌ↓［ｓ］［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＝Ｌ↓［ｓ］ｆ′［ｍ（ｔ）］τ （１０）上式对应于干涉光的相位φ（ｔ）为φ（ｔ）＝２πＬ↓［ｓ］／λｆ′［ｍ（ｔ－ τ／２）］τ （１１）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：Ｉ↓［１］（ｔ）＝Ｉ↓［０］ｃｏｓ［φ（ｔ）＋φ↓［０］］ （１２）Ｉ↓［２］（ｔ）＝Ｉ↓［０］ｃｏｓ［φ（ｔ）－φ↓［０］］ （１３ ）在分光比为１的３×３光纤耦合器中，φ↓［０］＝１２０度；如果耦合器的分光比不为１，初始相位φ↓［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，φ↓［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，φ（ｔ）为（７）式所示；在光纤通信领域的光调制和光开关应用中，φ（ｔ）为（１１）式所示；由于初始相位不一样，两干涉信号将...

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】

【专利技术属性】
技术研发人员：贾波，
申请(专利权)人：复旦大学，
类型：发明
国别省市：31[中国|上海]