[发明专利]抗偏振衰落及偏振相位噪声的全光纤Mach-Zehnder干涉仪

说明书

技术领域

本发明涉及一种可以克服一般光纤Mach-Zehnder干涉仪中由于干涉结构中的偏振扰动以及光源的偏振扰动引起的偏振衰落及偏振相位噪声问题的新型光纤Mach-Zehnder干涉仪。关键是采用级联光纤环链实现光纤Mach-Zehnder干涉仪中的两干涉臂上传输光的退偏干涉，由此解决系统的偏振衰落和偏振相位噪声问题。

背景技术

光纤传感技术是新一代传感器的发展趋势，与光通信、光信息处理共同构筑了光信息技术，是国内外公认的最具有发展前途的领域。光纤传感器以被传感量转化为光波信号的不同分量，如强度、光频、相位变化而主要分为强度、波长和干涉相位型等传感类型。干涉相位型光纤传感器主要是采用干涉结构解调光相位的变化，测量灵敏度最高，由于此类光纤传感器属于相干检测，因此测量结果对系统结构的偏振特性极为敏感，对系统的偏振稳定性要求极高。一般而言，光纤传感系统中的偏振不稳定性主要来自于两方面：一是入射到光纤干涉结构的入射光的偏振方向的随环境温度等变化的随机扰动，二是光纤干涉结构内部，由于光纤的随机弯曲、扭转等效应导致的双折射效应对传输光的偏振态产生影响，而这些影响又随环境温度、机械振动等外界因素的变化而变化，因此导致干涉光束的偏振态的动态随机变化。这两个因素将导致系统检测可见度的不确定变化。极端情况当两干涉光的偏振态呈相互正交时，会导致干涉测量的失败，这就是干涉型光纤传感器中的偏振衰落问题。而偏振相位噪声问题是由于进入光干涉仪之前的光偏振态扰动导致检测信号相位的变化。偏振衰落和偏振相位噪声问题一直是阻碍干涉型传感器广泛应用的主要障碍，也是光纤传感领域一直致力解决的问题。

迄今为止，已有各种光纤传感器的偏振衰落抑制偏振衰落的技术被提出、研究并应用。这些解决方案可归纳为四类。一是采用保偏光纤实现对整个系统的光的偏振状态的保持。该方案对保偏光纤干涉系统的结构要求十分严格，要求输入光具有良好的线性偏振且偏振方向与主轴的严格一致，任何光纤的扭转、弯曲等引起的应力双折射都可导致偏振态的更加不稳定，因此系统的建立、使用、维护成本很高。二是采用偏振分离检测技术。这种技术可以使用一般单模光纤干涉结构，通过分别检测并比较两正交偏振方向上的光功率，实现抗偏振衰落。该方案的主要问题是检测技术复杂。第三种方法是采用扰偏技术。扰偏技术是在光纤干涉结构中通过不同方法，对光的偏振态进行主动、快速、周期性扰动，实现两干涉光在时间平均上的退偏，以实现抗偏振衰落的目的。第四种方法是在光进入干涉机构之前退偏来消除偏振相位噪声、在光纤干涉结构中安插退偏器来解决偏振衰落问题。

目前的退偏器技术主要采用Lyot退偏方法。Lyot退偏器主要由采用双折射晶体或双折射光纤构成，需要精确地的准直和调节。且受双折射晶体或光纤的长度限制，退偏一般只对宽光谱光源有效，因此传感系统的光源的相干长度很小，对不同光纤臂的光纤传感器干涉臂的等长要求非常严格。

本发明利用桥接在Mach-Zehnder中的级联光纤环链构成无穷多个传输路径，通过这些光传输路径，分别将两干涉臂的光分解为传输路径不同的无穷多个微小光分量对。通过环长的设计，可实现经过不同传输路径的光分量之间不相干；并通过构成光纤环链的光分路器的耦合系数的优化设计，实现各传输路径光分量强度的合理分配。系统检测结果是各传输路径所对应的大量相干光对的干涉结果的统计平均。

发明内容：

本发明的目的在于针对已有技术存在的缺陷，提供一种抗偏振衰落及偏振相位噪声的全光纤Mach-Zehnder干涉仪。

为达到上述目的，本发明的构思是：利用桥接在光纤Mach-Zehnder干涉两臂上的一个级联光纤环链构成无穷多个传输路径，通过这些光传输路径，可分别将两干涉臂上的光分解为传输路径不同的无穷多个微小光分量对。通过环长的设计，实现同一臂上不同传输路径的光分量之间不相干；光纤环链的每个传输路径，都存在光强相等，传输相位差等于干涉仪相位差、但偏振态随机的一对相干光分量对，因此两个干涉臂上共有无数对这样的微小干涉光对，所有干涉光对之间的相位差相同。通过级联光纤环环长的优化设计，可实现不同路径的干涉光对之间不相干。通过对级联光纤环链中光分路器分光比的优化设计，实现各传输路径对应光分量在强度上的合理分布。而系统中由光源、光纤引入的偏振扰动对正反向光的干涉的影响，随机分布于各传输路径所对应的干涉光分量对的干涉上，每一干涉光对的偏振状态是随机的；因此系统检测结果是各传输路径所对应的相干光对的干涉结果的统计平均，根据大数定理，当独立干涉的光分量对数目足够多时，其统计结果趋于稳定，由此解决系统中各种偏振扰动的带来的偏振相位噪声以及偏振衰落问题。