[发明专利]一种光纤干涉仪π/2相位偏置的实现方法

说明书

技术领域

本发明属于光纤传感和测量技术领域，具体涉及一种光纤干涉仪π/2相位偏置的实现 方法。

背景技术

光纤传感器是以光纤作为功能材料的传感器，它是激光技术和光纤通信技术发展的产 物。近年来，由于半导体激光器和低损耗光纤的出现，使光纤传感技术得到迅猛发展。

光传感器的基本原理包含多种调制技术，其中有强度调制、频率调制、波长调制、偏 振调制和相位调制，其中相位调制，即干涉型的光传感器，因其具有极高的灵敏度和很高 精度，在光传感领域中占有重要的地位。

传统的光干涉结构是以自由空间做光路，干涉仪体积大，易受空气、环境、温度、声 波即振动的影响，稳定性差，调整困难，测量准确度低，因而使用受到限制。

干涉型光纤系统以光纤做光路，减少了干涉仪的长臂安装和校准等困难，容易实现小 型化，并且由于光纤器件和光纤的独特性，易于使用更加多样的、灵活的方法增加干涉光 路对测量参数的响应灵敏度。

光纤干涉系统中，输出信号是干涉光路间相位差Δφ的函数，是一个隆起的余弦函数： P(Δφ)＝A₁+B₁cosΔφ(A₁、B₁为常数)，其中Δφ＝Δφ_s+φ₀，Δφ_s是由测量对象产生的相 位差，φ₀是由系统结构产生的相位偏置。若系统相位偏置为0，即φ₀＝0，Δφ_s＝0时，P(Δφ) 取最大值，此时系统响应斜率为0，处在最不灵敏的工作点。为了获得高灵敏度，必须需 给系统提供一个不为零的偏置相位。当相位偏置量为π/2时，系统可得输出： P(Δφ_s)＝A₂+B₂sinΔφ_s(A₂、B₂为常数)，此时，系统具有最大线性工作范围。

在类似图1所示的干涉结构中，相干涉的光路径相同、传输方向相反，即，从光分路 器5的端口2输出的光传输至端口3的光与从端口3输出回到端口2的光，在分路器5相 遇后，发生干涉。系统工作在零相位点上。图中11为干涉单元，它的常用结构类似11a、 11b，其中，12是光纤环路，13是分路器，15是反馈装置。

为了给系统施加不为零的相位偏置，在光路中引入相位调制器6，从电极8给给相位调 制器6施加一定特性的电信号，直接或间接得到所需的相位偏置。或者，如图2所示，使用 均分的3×3光分路器16，获得相位偏移。前一种方法必须施加电信号，增加了系统的复杂 性。后一种方案，由于3×3分路器16自身带来的相位差，在干涉信号输出端18、19虽然可 获得非零的偏置相位，但是，偏置相位仅为系统并未工作在处，无法获得最大 线性工作范围。虽然该结构，可以通过端口18、19这两端输出信号相减获得等效的相位 偏置，但是需要两路输出光插损一致性很好，而且还需要电路的处理，增加了系统实现的 难度。

发明内容

本发明的目的在于提出一种结构简单，实现方便的光纤干涉仪π/2相位偏置的实现方 法。

本发明提出的光纤干涉仪π/2相位偏置的实现方法，是通过3×3光纤分路器的分光 比的合理选择以及光路结构，用纯光路的方法实现π/2(正或负)的相位偏置，从而获得最大 的线性量程。本发明方法的具体步骤如下：

在光纤干涉系统中，采用特殊分光比的3×3分路器23，该分路器的分光比为 20％∶40％∶40％，即输出端口的光强占总输出光的比例分别为20％、40％、40％。设24#、 25#、26#、27#、28#、29#分别是该分路器的输入输出端口。则具体输入输出关系如下表 所示：

当分别以端口24、25、26为光输入，相应的输出分光比例为20％的端口分别是端口 27、28、29，反之亦然。