光纤移频器、光干涉仪及采用光干涉仪 产生两个互补地光干涉信号的方法 技术领域
本发明与光学设备，尤其与光纤双移频器和光纤干涉仪有关。
本发明还与产生光干涉信号的一种方法有关，可获得与光纤中光波的偏振态无关的可靠的传感器信号。
背景技术
通过使经过干涉仪不同光路的两束光波的干涉，光纤干涉传感器能获得传感器信号。通常，因为固有的双折射或光纤弯曲等外部影响引起的双折射，通过干涉仪不同光路的两束光波将呈现不同的偏振变化。因此，光纤干涉仪传感器工作时所涉及的问题之一就是干涉信号强度不均等，并随时间变化。例如，当两束干涉光波的偏振态相互垂直时，干涉信号的强度对信号处理来说太弱或者完全消失了。
为了解决这一问题，以前的技术采用以下控制偏振态的方法。
采用挤压器的方法
当光纤的一侧受到挤压时，在挤压力的方向和与其垂直的方向上的折射率的值将不同。通过挤压方式调整光纤的双折射，能使干涉信号达到足够高的强度，因为此方法可使通过光纤的光波偏振发生适当的变化。
图1是采用挤压器的偏振控制器的横截面图。如图1所示，接触光纤10侧面的两块平行板20挤压光纤10。因为挤压力的方向和与其垂直的那一方向的折射率不同，因此对光纤10施加的压力将在光纤内形成一个快轴和一个慢轴。挤压器5包括两块平行的板20和用于挤压的装置(图中未表示出来)。通过调整各平行板的压力，挤压方向相邻成45度的一连串三台挤压器能产生最佳的偏振态。
该方法适用于小型实验室的研究。然而，它不适合自动化应用，当它应用于只采用一个公用的光检波器的传感器阵列时，系统的结构太复杂，因为一连串三台挤压器仅配备了一个传感器。
采用环型偏振控制器的方法
环型偏振控制器利用光纤弯成环形时光束在一根光纤中所产生的双折射。环的径向和与环平面垂直的方向将成为双折射轴。适当调节环的半径能使环成为四分之一波片。
图2为环型偏振控制器的结构。
如图2所示，两个环成串行排列，并且每一个环都能沿着直线光纤部分的轴按T方向旋转。如果两个环平面之间的角度调整到最佳时，能够实现最大的干涉。
与采用挤压器的方法相比，此方法是控制偏振的更方便的方法。然而，它也不适合自动化应用和传感器阵列的应用。
采用输入偏振扫描的方法
当通过两个不同光纤光路的光波相互干涉时，干涉的能见度取决于输入光的偏振态以及光纤的双折射。采用这种方法，不可能使干涉信号同时消失的三个不同的偏振态被一个接一个地以脉冲方式输入，然后输出信号由检波器分选，产生一个最大的信号。原则上，满足这一条件的三个偏振态能用波音卡里球(Poincare Sphere)上的三个点来表示，在此球上，从球心到这三点的连线是互相垂直的。
此方法适合自动化应用和传感器阵列应用。然而信号处理太复杂，因为最大的信号是从三个信号的比较中挑选出来的。
除了上述方法之外，还有采用偏振掩蔽或偏振转换等其它方法。然而，这些方法也存在信号处理复杂和产生噪声等问题。
本发明的概述
本发明的目的是引入一个称为光纤双移频器的新装置以提供两个互补的干涉信号，从而在光纤干涉仪中使用这种装置后，两个互补的干涉信号就不会产生因偏振而引起的信号同时衰落。通常，光纤的任何偏振态是光纤中两个垂直本征偏振态的线性和。在普通的光纤移频器的情况下，两个本征偏振态的光频将偏移相同的量。但是根据本发明，两个本征偏振分量将偏移不同的频率。双光纤移频器可能由椭圆芯光纤或偏振保持光纤构成。
本发明还提供一种在两条光路中的一条中采用双移频器的光纤干涉仪。这一结构会产生两个幅度始终互补、频率不同的差频干涉信号(beatinterference signals)。由于偏振的起伏，两个信号的幅度随时间变化，但决不会同时衰落。较大的信号将被选择出来，并用来检测被测量。
附图的简要说明
有关附图的详细说明如下：
图1是采用挤压器的偏振控制器横截面图。
图2是环型偏振控制器的结构。
图3是本发明提出的光纤双移频器的结构。
图4是与图3光纤双移频器一起使用的模变换器。
图5表示根据本发明的马赫-泽德光纤干涉仪的简单结构。
图6表示在输入光波只有双移频器的一个本征偏振的情况下，图5光干涉仪输出端的差频干涉信号。
图7表示在图6相同条件下，以及通过干涉仪的上行分路的光波相位由图5中没有图示的相位调制器所调制时所观察到的相位调制差频干涉信号。
图8表示当输入光波有双移频器的两个本征偏振时的两个差频干涉信号。对两个本征偏振而言，它们偏移的频率不同。
图9A和图9B分别表示通过上行光路的光波的偏振发生变化下的两个差频干涉信号的幅度。
图10A和10B分别是差频干涉信号经过相位调制后的测试波形。
图11是根据本发明经过信号处理后的输出实例。
实现本发明的最好方式
图3表示本发明提出的光纤双移频器的结构。如图3所示，玻璃圆锥30、扁圆柱体压电换能器(PZT)40和金属支撑板50都具有通孔，并以串行方式结合在一起。压电换能器40的一面与玻璃圆锥30的一面相连，而压电换能器40的另一面与金属支撑板通过导电粘合剂粘合在一起。所有通孔都套在一起。一节剥去包壳的椭圆芯双模光纤60通过通孔。玻璃圆锥30的通孔穿过了玻璃圆锥30的尖头，而光纤60就附在玻璃圆锥30的尖头上。偏振保持双模光纤能用来替代光纤60。在光纤中有等强度的本征偏振的输入光波以LP01模入射光纤60。将频率为f1和f2的两个不同频率的交流电源70的交流电压提供给压电换能器40。交流电压经压电换能器产生机械振动，并在玻璃圆锥30的尖头部放大后，传递给光纤60，产生频率为f1和f2的两个微弯波。这些微弯波沿着光纤60传播。当微弯波的波长与模间长度差(intermodal beat length)一致时，输入的LP01模将向LP11模转换。输入光频与微弯波的频率同时偏移相同的频率。在采用椭圆芯光纤或偏振保持光纤时，两个本征偏振的模间长度差有一点不同，这意味着当提供两个相应的交流电压时，两个本征偏振可能偏移不同的频率。
图4表示本发明提出的光干涉仪中的模转换器。在图3的光纤双移频器之后，使用模转换器。由于除移频器和模转换器之外，干涉仪的所有其它部分都由单模光纤构成，所以，为了让光束毫无损耗地通过剩下的光纤，必须重新转换为LP01模。因此，模转换器将把LP11模转换为LP01模。如图4所示，具有周期性起伏的微弯应变器会使光纤110发生间隔接近的微弯。当微弯周期与LP01和LP11模间长度差一致时，将再次发生模转换。但是与上述移频器产生的微弯不同，这些静态的微弯不能改变光频。而且微弯的数与移频器的微弯的数相比非常小，模转换器不能辨别两个本征偏振的长度差的区别。于是更宽的模转换是可能的。因此，正如图3所说的那样，如果频移不同的两个本征偏振进入模转换器，尽管两个本征偏振均将进行模转换，但偏振的移频将保持不变。
图5表示本发明提出的马赫-泽德光纤干涉仪的结构。如图5所示，来自光源200的偏振光波由第一个定向耦合器210分为两条光路，然后，分光将分别通过第一条光路220和第二条光路230传播。各束光在偏振和相位方面经过了不同的变化之后，它们在第二个定向耦合器240又重新聚合在一起。沿着第一条光路220传播的分光通过图4所述的双移频器250和模转换器260。在第二条光路230中安装了本发明的干涉仪所并不需要的部件一环形偏振控制器270，以验证在偏振起伏的情况下，光干涉仪的工作是否正常。在第二个定向耦合器240之后安装了检测干涉信号的光检波器。在第二条光路230中还增加了单移频器(图中没有标示)，以提高信号处理能力。
马赫-泽德光纤干涉仪的工作原理如下：
首先，频率为f0的线性偏振光由光源200射出，然后沿光纤以基本的LP01模传播。具有等强度的本征偏振的光进入双移频器250的椭圆芯光纤。通过在输入端和移频器之间使用偏振保持光纤或在移频器之前采用另一种偏振控制器，都能做到这一点。在现实情况中最好选择第一种方法。当两个本征偏振传播通过移频器250和模转换器260时，具有两个特定频率(f1和f2)的交流信号被提供给图3所述的压电换能器40，使输入频率f0分别偏移f1和f2。然后两个偏振的频率就变成了f0-f1和f0-f2。这两个光波以相互垂直的两个偏振态通过单模光纤，然后与通过第二条光路230的频率为f0的光波聚合，产生两个频率为f1和f2的拍音(beat note)。光干涉仪的主要特性是：通过第一条光路220传播的光频经光纤双移频器后发生了改变，与此同时，两个垂直的偏振经过了不同的频移。也就是说，对原来的光频来说，一个本征偏振经历了f1的频移，而另一本征偏振经历了f2的频移。在通过后面的光纤时，移频后的偏振还将经历任意的偏振变化。然而，将保持互为垂直的偏振态。因此，两个差频干涉信号I1和I2能写为：
I1＝C1(t)sin{2πf1t+ΔΦ(t)}
I2＝C2(t)sin{2πf2t+ΔΦ(t)+Θ}
式中，ΔΦ(t)是由被测量引起的相位差。Θ是由光纤双折射引起的两个移频本征偏振态之间的相位差。在大多数情况下，尤其是将干涉仪用于声传感时，ΔΦ和Θ的频谱很容易分离，并且在解调过程中，很容易将Θ删除。所以I1和I2实际上都有关于被测量的相同信息。由于干涉光波的偏振变化，两个输出信号的幅度可能变得很小，但是由于C12+C22在时间上是一个常量，因此两个差频信号不可能同时变大或变小，也就是，一个变大的同时，另一个变小。因此通过从两个差频信号中选择较大的信号，总能从两个输出信号中获得一个十分好的干涉信号。利用两个中心频率为f1和f2的带通滤波器就能实现这一目标。普通的光干涉仪由于两个光路之间的相位差，会产生非线性的输出，它使得利用简单的信号处理电路很难获得原有相位差的信息。然而，对于本发明提出的移频型光干涉仪来说，采用普通的载频相位解调方法，很容易获得由干涉仪检测出来的这一相位差信息。
图6显示图5光干涉仪输出端的一个差频干涉信号，其中，只有一个本征偏振入射到移频器以清楚地显示出I1或I2的波形。在这种情况下，对移频器来说，输入偏振态与光纤的双折射轴中的一条轴是并行的，它仅使输入光的一个频率发生偏移。
图7表示在图6同等条件下对输入偏振频率进行频移，同时用频率为10kHz幅度为pi弧度的正弦函数调制通过干涉仪另一分路的光波的相位时所观察到的相位调制差频干涉信号。参考图7所示，差频干涉信号的相位按照干涉仪的另一分路出现的相位调制进行调制。即该差频干涉信号将作为载波。
假如光波进入第一条光路，便产生两个本征偏振，这些偏振的频率偏移不同的频率，以产生两个差频干涉信号。这两个差频干涉信号由光检波器检测，然后用一台射频频谱分析仪来观察。其结果如图8所示。参照图8，频率为4.121MHz和4.166MHz的峰值分别就是两个差频干涉信号。从两个拍音的测试频率来看，表明了差频信号的频率就等于压电换能器的驱动频率。
图9A和图9B分别表示由图5的环形偏振控制器所控制的通过第二条光路的光波的偏振以及在图8同样条件下所观察到的两个差频干涉信号。如图9A和图9B所示，随着偏振变化，两个差频干涉信号的幅度变化满足互补关系。
图10A和图10B分别表示在图9A和图9B同等条件下，输入偏振的频率发生偏移，同时把5kHz频率的相位调制提供给通过干涉仪的另一分路的光波时所观察的两个差频干涉信号。这些信号也由光检波器检测，然后用一台射频频谱分析仪来观察。如图10A和图10B所示，相位调制信号由差频信号的边带来表示。
为了评估光干涉仪在随机偏振起伏情况下的适应性，在随机偏振控制和在第二条光路提供频率为600Hz的相位调制信号时，较大的拍音将由比较电路自动挑选，并由锁相环电路解调。其结果如图11所示。相位调制信号由“A”表示，而对“A”的解调信号由“B”表示。“B”的幅度只稍有变化。如图11所示，可以理解，通过从两个差频干涉信号中选择较大的信号，并对其进行数字处理，能够获得与任意偏振变化无关的可靠的传感器信号。