[发明专利]干涉式光纤传感器高频相位生成载波加载装置

说明书

本发明公开了一种干涉式光纤传感器高频相位生成载波加载装置，主要包括50/50光纤耦合器、相位调制器等，50/50光纤耦合器连接有装置输入端口和装置输出端口，50/50光纤耦合器1将光路分成干涉仪两臂，一臂为相位调制器和第一个法拉第旋转镜，另一臂为光衰减器、延迟光纤和第二个法拉第旋转镜，相位调制器驱动输出电压信号加载至相位调制器，以产生特定幅度的高频相位生成载波。本发明采用普通单模光纤器件实现了干涉式光纤传感器高频相位生成载波的稳定加载，同时保证了干涉仪双臂功率均衡，消除了干涉偏振衰弱效应；增大了干涉式光纤传感器解调信号带宽和动态范围。

技术领域

本发明涉及光纤传感的领域，具体涉及一种干涉式光纤传感器高频相位生成载波加载装置。

背景技术

相位生成载波(PGC)解调方案具有大动态范围和高线性度等特性，是光纤传感领域较为常用的信号解调方案。当干涉式光纤传感器采用相位生成载波方案进行解调时，需要在干涉仪的两臂之间加载一个解调信号带宽外的高频相位生成载波信号，且解调信号带宽和动态范围均受相位生成载波频率限制。为了增大干涉式光纤传感器的解调信号带宽和动态范围，需要提高相位生成载波频率。

相位生成载波一般通过对干涉仪一臂上的相位调制器加载调制电压信号实现。最常见的相位调制器通过在一个压电陶瓷(PZT)环上缠绕光纤实现(CN108180978，CN104777556A,CN201550128U)。当调制电压加载至PZT环时，PZT的电致伸缩效应导致缠绕光纤的长度和折射率变化，引起光纤内传输信号的光学相位变化，从而引入解调所需的相位生成载波信号。PZT环的谐振响应频率与环直径成反比，典型的频率常数为100kHz.cm，即直径2cm的PZT环的谐振响应频率约50kHz，因此PZT环作为相位调制器时，调制频率受环尺寸限制在几十kHz量级，更高频率的相位生成载波频率加载将面临频率响应下降或缠绕光纤传输损耗增大等问题。

集成光学相位调制器能有效克服PZT环相位调制器的频率响应问题，且具有低驱动电压、高带宽、小尺寸、易与光纤耦合等特点，可用于加载高频相位生成载波。铌酸锂晶体是单轴双折射晶体，具有很好的电光特性，适用于制作集成光相位调制器。当驱动电场和光场都平行于非寻常轴时，相位调制效率最高，电光系数为γ₃₃＝31×10^-12m/V，此时TM模光场的调制效率约为TE模的1/3，对应的电光系数为γ₁₃＝9×10^-12m/V。常见的铌酸锂波导制作工艺有两种，分别为钛扩散工艺和质子交换工艺。钛扩散工艺将沉积有钛薄膜的晶体加热至1000℃左右高温并持续几个小时，钛被扩散至衬底中，增加了本地折射率，形成一个单模波导。质子交换工艺的通过氢离子(质子)置换晶体中的锂离子，同时导致较低的非寻常折射率增加，较高的寻常折射率减小，因此其产生的波导仅适用于与非寻常轴平行的z偏振模式，对交叉偏振具有很高的消光比，此时x方向切割，y方向传播的波导具有很强的调制系数。由于单偏振效应的存在，这种采用质子交换工艺的铌酸锂相位调制器作为干涉仪光纤传感器高频相位生成载波装置时，仅有TE模输入光可以被有效调制，TM模光场大部分被衍射至衬底中而无法耦合至光纤尾纤中，因此需要采用偏振光源结合保偏光路才能实现稳定有效的干涉仪相位生成载波加载。

专利CN106500741A提出一种采用铌酸锂相位调制器的相位生成载波解调装置，但方案面临以下问题：(1)除非采用全保偏方案和质子交换工艺的铌酸锂相位调制器，否则此方案无法保证铌酸锂相位调制器输出的光功率稳定和相位生成载波幅度稳定，但全保偏方案将显著提高光路系统复杂程度；(2)由于铌酸锂相位调制器的固有损耗和光纤耦合损耗，此方案的干涉仪双臂存在较大的光功率不平衡性，将显著降低干涉对比度，降低光纤传感器解调结果信噪比。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术存在的不足，而提供一种干涉式光纤传感器高频相位生成载波加载装置。