基于同轴光纤的迈克尔逊干涉仪

摘要

本发明涉及一种基于同轴光纤的迈克尔逊干涉仪，其包括第一单模光纤、同轴光纤、第二单模光纤和第三单模光纤端面光反射镜，第一单模光纤和第二单模光纤熔接同轴光纤的两端而构成光分束器与光合波器，一根信号输入单模光纤与第一单模光纤通过光分束器相连，光分束器带有一根光信号输出单模光纤。本发明具有温度稳定性好，结构紧凑，干涉传输特性易于控制等优点，同时，它易于与现有的光纤系统集成，具有制造方法简单，使用方便等特点，可应用于光纤通信器件，光纤传感器及光信号处理等领域的光纤光谱滤波器、光纤压力、折射率、温度传感器、光信号相位检测等等。

说明书

技术领域：

本发明涉及一种基于同轴光纤的迈克尔逊干涉仪，属光纤技术领域。

背景技术：

光纤迈克尔逊干涉仪在光纤通信、光纤传感、光信号处理等领域具有非常广泛的应用，包括光纤干涉滤波器、光纤调制器、光纤应力传感、光纤折射率传感、光信号相位检测等。常规的迈克尔逊光纤干涉仪是利用一个光纤耦合器(2×2和1×2)作为光分束器，将光信号分别输入到两个独立光纤干涉臂中传输，传输一段距离后，入射到光反射镜，再分别沿各自光纤反向传输到光纤耦合器，这时光纤耦合器作为合波器，使两个光束发生干涉，从而获得具有光谱滤波特性的反射光信号。这种普通的光纤迈克尔逊干涉仪已经有相当多的文献报道，例如：L.A.Ferreira，J.L.Santos，and F.Farahi.Applied Optics，1995，34(28)：6399-6402；DejiaoLin，Xiangqian Jiang and Fang Xie，Wei Zhang，Lin Zhang and Ian Bennion.OPTICS EXPRESS，2004，12(23)：5729-5743。但是这种光纤迈克尔逊干涉仪的不足之处在于制备过程中很难对干涉臂长差进行精确控制，从而不易对干涉输出光信号的滤波特性进行控制。此外，这种结构在应用过程中，温度的稳定性较差，同时易于受到外界扰动的干扰。

发明内容：

本发明的目的在于克服上述普通光纤迈克尔逊干涉技术的不足，公开一种基于同轴光纤的迈克尔逊干涉仪，它具有制造工艺简单、单根光纤集成、操作使用方便、温度稳定性高等优点。

为达到上述目的，本发明采用下述技术方案：

一种基于同轴光纤的迈克尔逊干涉仪，包括第一单模光纤、同轴光纤、第二单模光纤和第二单模光纤端面光反射镜，其特征在于所述第一单模光纤和所述第二单模光纤通过光纤熔接机熔接与所述同轴光纤的两端而构成纤芯模和环形波导包层模耦合光分束器与光合波器，一根光信号输入单模光纤与所述第一单模光纤通过所述光分束器相连，所述光分束器带有一根光信号输出单模光纤。

上述同轴光纤为双包层结构光纤，或者为三包层结构光纤。

上述纤芯模和环形波导包层模耦合光分束器与光合波器的分光比由同轴光纤的接入长度控制。

上述纤芯模和包层模在所述第二单模光纤中传输的相位延迟由该第二单模光纤接入长度控制。

本发明的工作原理：

根据耦合模理论，光在两个靠近的光波导中传输，当所传输的模式满足相位匹配条件时，光波可以通过渐逝波模式耦合实现在两个波导之间交换能量。同轴光纤的纤芯和环形波导包层之间存在一个尺寸较薄的内包层，因此，符合上述模式耦合的技术要求，即可以实现纤芯模和环形波导包层模之间的耦合。本发明利用同轴光纤耦合器作为光波的分束器与光合波器，结合普通单模光纤构成迈克尔逊干涉仪。该迈克尔逊干涉仪的工作过程为：光信号从输入单模光纤输入到光分束器，通过光分束器输入到第一单模光纤，光信号传输到同轴光纤时，又耦合到同轴光纤的纤芯中传输，之后通过渐逝波将部分光波耦合至包层环形波导中传输，当传输至第二单模光纤时，第二单模光纤的纤芯模和包层模分别被激发并传输，当第二单模光纤结构没有任何扰动时，纤芯模和包层模可以相互独立的稳定传输，待其传输至光反射镜时，纤芯模和包层模被反射，又分别沿纤芯和包层向反向传输，传输到同轴光纤中后，包层模和纤芯模发生干涉，干涉光信号通过光分束器从输出单模光纤输出，从而实现迈克尔逊干涉仪。

与普通的迈克尔逊干涉仪相比，本发明具有如下优点：

1.该迈克尔逊干涉仪具有全光纤结构，同轴光纤与单模光纤具有相同的外径，且它们的折射率分布均具有轴对称结构，这样同轴光纤和单模光纤可以直接利用常规的光纤熔接机进行熔接，因此，具有制造方法简单，性能稳定，使用方便等优点；

2.由于将纤芯和包层分别作为迈克尔逊的两个干涉臂，干涉仪臂长差可以通过所接单模光纤的长度进行控制，因此，臂长差可以非常精确的调整，从而实现干涉传输特性的优化；

3.由于两干涉臂为同一根光纤的纤芯和包层，因此外界温度对干涉臂的影响几乎无差异，提高了干涉仪的温度稳定性；

4.迈克尔逊光纤干涉仪只用单根光纤即可获得干涉光谱，即具有反射式的结构，因此，无需其它光纤回路即可实现干涉信号探测；

5.由于采用同轴光纤作为光分束器与光合波器，而无需采用传统的体分光器、体合波器以及常规的光纤耦合器，因此，结构上更加紧凑，易于与现有的光纤系统集成。

附图说明：

图1为本发明基于同轴光纤的迈克尔逊干涉仪实施例1结构示意图；

图2为本发明基于同轴光纤的迈克尔逊干涉仪实施例2结构示意图；

图3为本发明基于同轴光纤的迈克尔逊干涉仪实施例3结构示意图；

图4为本发明基于同轴光纤的迈克尔逊干涉仪实施例4结构示意图；

具体实施方式：

下面结合附图对本发明的具体实施进一步说明。

参见图1，为本发明的实施例1的结构示意图，由七部分组成：第一单模光纤1、同轴光纤2、第二单模光纤3、光反射镜4、输入单模光纤5、光环形器6和输出单模光纤7，其中，同轴光纤2具有双包层结构，且纤芯8和包层9的折射率高于包层10的折射率，第一单模光纤1、同轴光纤2和第二单模光纤3之间可直接用熔接机进行熔接，光反射镜4采用真空镀膜工艺制备，具有高反射率。宽带光信号从单模光纤5输入，经光环形器6被耦合到第一单模光纤1中，之后耦合到同轴光纤2中传输，通过光纤渐逝波耦合作用，纤芯8中传输的部分信号光将通过包层10耦合至包层9中传输，即同轴光纤2实现了光分束器的作用，光分束比大小由同轴光纤2的接入长度进行控制。被分束后的光信号分别耦合至第二单模光纤3的纤芯11和包层12中传输，这时包层12和纤芯11为迈克尔逊干涉仪的两个干涉臂，干涉臂长差由所接入的第二单模光纤3的长度进行控制。之后经光反射镜10反射，分别沿纤芯11和包层12反向传输，又被注入同轴光纤2中，在同轴光纤2中两部分信号光又通过渐逝波耦合作用相互耦合，发生光的干涉，即同轴光纤2实现了光合波器的作用。干涉光信号经第一单模光纤1传输至光环形器6，并在单模光纤7输出，利用光谱测试设备可以测试迈克尔逊干涉光谱。

参见图2，为本发明的实施例2的结构示意图，在本实施例中，迈克尔逊干涉仪的结构与实施例1相同，只是利用光纤耦合器13取代光环形器6，用作输入和输出光信号分束器。

参见图3，为本发明的实施例3的结构示意图，在本实施例中，迈克尔逊干涉仪的结构与实施例1相同，只是利用三包层同轴光纤14取代双包层同轴光纤2，用迈克尔逊干涉仪的光分束器与光合波器。三包层同轴光纤14中，纤芯15和包层16折射率高于包层17和包层18，这种方案中三包层同轴光纤14可以实现纤芯15的纤芯模和包层16的环形波导包层模耦合。

参见图4，为本发明的实施例4的结构示意图，在本实施例中，迈克尔逊干涉仪的结构与实施例3相同，只是利用光纤耦合器13取代光环形器6，用作输入和输出光信号分束器。

从上述的实施例说明中可以看出，该发明基于同轴光纤的迈克尔逊干涉仪的制造方法非常简便，干涉仪的结构参数可由同轴光纤和单模光纤干涉臂的接入长度进行控制，由于干涉臂为同一光纤的纤芯和包层，因此，具有良好的温度稳定性，抗外界干扰能力。