[发明专利]一种具有全保偏功能的干涉光路结构

说明书

技术领域

本发明属于光纤传感技术领域，具体是一种光纤光路中包含有单模光纤的、具有全保偏功能的干涉光路结构。

背景技术

在科技高速发展的当代社会，光纤通信技术的发展带来了传感技术的革命，光纤传感日益为人们所关注，越来越多成为技术研发的重点，也越来越多的进入到各个重要的应用领域，其中分布式光纤传感以其监测距离远，灵敏度高，环境适应性强，特别在关系到国计民生的领域，如隧道火灾监控，光缆安全监控、油气泄漏监测等等方面得到特别的关注与应用。

图1是常见的一种光纤传感结构。

干涉光路由N*M（N、M为整数）耦合器3、P*Q（P、Q为整数）耦合器4、光纤延迟器5，延迟为τ，光纤（光缆）6和反馈装置2构成。3a1、3a2、…、3aN、3b1、3b2为耦合器3的端口，3a1、3a2、…、3aN是同向端口，共N个，3b1、3b2是耦合器3的另一组同向端口（共M个）中的两个端口。4a1、4a2、4b1为耦合器4的端口，4a1、4a2是耦合器2的一组同向端口（共P个）中的两个端口，4b1是耦合器4的另一组同向端口（共Q个）中的两个端口。光纤6为感应光纤。1为光纤6上的一扰动点。2为反馈装置，使沿光纤传输来的光重新进入光纤6返回到耦合器4。光源经耦合器3的端口3a1输入，经耦合器3分光后分别经端口3b1、3b2输出。在该结构中共存在四束光，其中两路光：

Ⅰ：3b1→5→4a1→4b1→6→2→6→4b1→4a2→3b2

Ⅱ：3b2→4a2→4b1→6→2→6→4b1→4a1→5→3b1

在耦合器3处重新会合，发生干涉，干涉信号分别经端口3a1、3a2、…、3aN输出。但由于光纤耦合器4的使用，当光从4b1端口返回，进入耦合器4时，由于从两个端口4a1、4a2皆有光输出，因而除了形成上述的干涉光束外，还存在两路背向回光：

Ⅲ：3b1→5→4a1→4b1→6→2→6→4b1→4a1→5→3b1

Ⅳ：3b2→4a2→4b1→6→2→6→4b1→4a2→3b2

这两路光由于光程的原因，并不参与干涉，仅仅成为背景光，表现为直流光，增加了背景噪声，降低了干涉条纹的清晰度。 

上述光路表示形式中，标号代表该标号所对应的部件，箭头表示光传递的方向。

在水听器的sagnac环结构中，为了降低延迟线的对外界噪声的敏感性，会采用如图2所采用的方式构成延迟线圈，即采用1×2耦合器8加一段光纤延迟线9，并在光纤延迟线9的末端连接一反射镜10，以此共同实现原sagnac环中延迟线的功能。图2中，7为光纤耦合器，9为延迟光纤，11为感应光纤。但这种延迟线构成方式也引入了原Sagnac环中不存在的两路不参与干涉的背向回光。为了解决这个问题，Benjamin J. Vakoc等在“Demonstration of a folded Sagnac sensor array immune to polarization-induced signal fading”（ Applied Optics Vol. 42, No. 36，7132-7136）中提出了采用偏振分束器和法拉第旋转镜共用的结构。图3即为该文章中呈现的结构方式，偏振分束器（PBS）的合波端与延迟线圈（Delay Coil）相连，延迟线圈（Delay Coil）的另一端与法拉第旋转镜（FRM）相连，偏振分束器（PBS）的偏振分光端c和g连在Sagnac环中。分束器的工作特性为：当光从合波端口（光纤）d输入时，光被分成两个相互垂直的偏振态，分别沿着分波端口（光纤）c和g的工作轴输出，因而当从合波端输入的光仅有与分解偏振态相应的一个偏振模式时，将仅从相应的分波端口输出，另一个分波端口没有光输出。在该结构中，从端口c输入的光，由端口d输出，经FRM反射输入到端口d，由于FRM的作用，该光的偏振方向与相对于从端口d输出的光的偏振，旋转了90度，因而，光经端口g（传输偏振模式与端口c的传输偏振模式垂直）输出，而端口c并没有输出光，反之亦然，因而，这种结构消除了利用耦合器构成延迟线引入的不参与干涉的光路，仅存在两路相互干涉的光，但是，由于单模光纤的存在，最终相遇发生干涉时的两路光，无法具有一致的偏振态，因而仅仅是部分相干，仍存在一部分不相互干涉的光，成为背景光，减弱了条纹清晰度，影响到测试的效果。

发明内容

本发明的目的在于提供一种成本低、测试灵敏度高的具有全保偏功能的干涉光路结构。