[发明专利]一种基于双光路的光纤Verdet常数测量系统

摘要

本发明公开了一种基于双光路的光纤Verdet常数测量系统，包括光源、起偏器、光环形器、螺线管、法拉第旋转反射镜、偏振分束器（PBS）、光电探测器（PD）、信号处理部分、恒流电源、计算机；本发明能够实现光纤费尔德（Verdet）常数的精确测量，可以减少光纤自身的线性双折射对测量的影响；此系统为光纤的磁敏感性研究提供了平台；同时为光纤陀螺光纤的磁敏感性方面性能选择提供了测量平台，避免了光纤陀螺用光纤的可靠性。

主权项

1.一种基于双光路的光纤Verdet常数测量系统，为全光纤结构，包括光源、起偏器、保偏光纤耦合器、螺线管、被测光纤、恒流电源、法拉第旋转反射镜、偏振分束器、第一探测器、第二探测器、信号处理部分和计算机；光源、起偏器、保偏光纤耦合器的第一端口之间依次通过光纤连接，光源发出光，起偏器将光变为线偏振光，线偏振光进入保偏光纤耦合器的第一端口，保偏光纤耦合器的第二端口通过保偏尾纤与被测光纤一端熔接，保偏光纤耦合器的第三端口通过光纤连接偏振分束器；线偏振光由保偏光纤耦合器第二端口输出至被测光纤，被测光纤穿过螺线管的铁芯内部，一端与保偏光纤耦合器第二端口的保偏尾纤熔接，另一端与法拉第旋转反射镜的尾纤熔接；信号处理部分的FPGA模块中螺线管驱动模块提供驱动信号，驱动恒流电源为螺线管提供电源，螺线管内通入电流，在被测光纤处产生磁场；线偏振光在被测光纤中传输，线偏振光在磁场的作用下发生圆双折射，偏振角发生旋转，线偏振光通过被测光纤后，在法拉第旋转反射镜的作用下再次经过螺线管，线偏振光再次发生同方向的旋转，旋转角加倍；旋转角加倍的线偏振光输入保偏光纤耦合器的第二端口，通过保偏光纤耦合器的第三端口进入偏振分束器，偏振分束器将线偏振光分为偏振正交的两束光，分别输出至第一探测器、第二探测器；信号处理部分包括前置放大器、滤波器、交直流隔离电路、A/D转换器、FPGA模块；第一探测器通过光纤连接偏振分束器，探测到第一束光，设磁场未加之前的第一探测器探测到的光功率为J₁；第一探测器的增益为G，开启磁场后第一探测器接收到第一束光的电压具体为：U₁＝GJ₁cos²(2θ+45°)+n₁(t)其中，n₁(t)表示第一束光路的噪声，θ为单次线偏振光的旋转角，将第一束光的电压变形为：U1=GJ12-GJ12sin(2×2θ)+n1(t)]]>第一束光的电压模拟信号依次经过前置放大器、滤波器，两者分别对模拟电压信号进行放大和滤波，然后输出至交直流隔离电路，交直流隔离电路分离交流信号和直流信号，进而得到直流信号AD₁，交流信号DC₁，各自电压表示为：UAD1=-GJ12sin(2×2θ)+Gn1(t)]]>UDC1=GJ12]]>其中：表示第一束光直流信号电压，表示第一束光交流信号电压；然后两个电压分别输入至A/D转换器，A/D转换器将模拟电压信号转换为数字电压信号，输出至FPGA模块中的除法器模块；第二探测器通过光纤连接偏振分束器，探测到第二束光，设磁场未加之前的第二探测器探测到的光功率为J₂；第二探测器的增益为G，开启磁场后第二探测器接收到第二束光的电压具体为：U₂＝GJ₂sin²(2θ+45°)+n₂(t)其中：n₂(t)表示第二束光路的噪声，θ为单次线偏振光的旋转角，将第二束光的电压变形为：U2=GJ22+GJ22sin(2×2θ)+n2(t)]]>第二束光的电压模拟信号依次经过前置放大器、滤波器，两者分别对模拟电压信号进行放大和滤波，然后输出至交直流隔离电路，交直流隔离电路分离交流信号和直流信号，进而得到直流信号AD₂，交流信号DC₂，各自电压表示为：UAD2=GJ22sin(2×2θ)+Gn2(t)]]>UDC2=GJ22]]>其中：表示第二束光直流信号电压，表示第二束光交流信号电压；然后两个电压分别输入至A/D转换器，A/D转换器将模拟电压信号转换为数字电压信号，输出至FPGA模块中的除法器模块；FPGA模块包括除法器模块、减法器模块、螺线管驱动模块；除法器模块分别对进行处理，得到A₁、A₂输出至减法器模块，减法器模块得到最终输出的数字电压信号为：Uout=A1-A2=UAD1UDC1-UAD2UDC2=-2sin(2×2θ)+2[J2n2(t)-J1n2(t)]J1J2]]>假设两路光功率相等：J₁＝J₂；两路噪声相等：n₁(t)≈n₂(t)＝n(t)，n(t)为两路噪声相等情况下的每路噪声；上式变形为：U_out≈-2sin(2×2θ)≈-8θ减法器模块将U_out输出至计算机，计算机得到θ值，根据V＝θ/BL，将线偏振光在磁场作用下的旋转角θ、被测光纤长度L、电磁感应强度B代入，得到光纤的Verdet常数V；螺线管驱动模块为恒流电源提供驱动信号，控制恒流电源为螺线管提供电源，使螺线管产生磁场。