具有低背景光的分布式单芯反馈干涉光路结构

摘要

本发明属于光纤传感技术领域，具体为一种具有低背景光的分布式单芯反馈干涉光路结构。该结构中利用偏振分束器的合波端口作为分布式传感光纤的接口，配合传感光纤的末端使用的法拉第旋转镜，消除光路中原路返回的光，提高干涉光路中的相干光成分，提高条纹清晰度。该结构保留了传统单芯反馈式传感结构中的应用优势，使用光纤通信中常用的普通光纤，即可实现传感功能。该发明特别适用于长距离线路监控，如通信干线、油气管线等的安全监控。

说明书

技术领域

本发明属于光纤传感技术领域，具体涉及一种分布式单芯反馈干涉光路结构。

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。分布式单芯反馈干涉结构由于其仅需采用一根芯作为传感光纤，实现方便，因而成为分布式传感中的一重要技术分支。

图1是常见的一种分布式单芯反馈结构。

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，这两路的增加了背景噪声，降低了干涉条纹的清晰度。

对于背向回光，在水听器的研究中，也遇到了类似的问题。

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，这种结构通过偏振分束器和法拉第旋转反射镜的配合使用，消除了利用耦合器构成延迟线带来的背向回光问题，使得光路中仅存在两路相互干涉的光，具有低的背景光，因而提高了干涉条纹清晰度。

发明内容

本发明的目的在于提供一种适用于长距离传输的，能消除背向回光的，具有低背景光的分布式单芯反馈干涉光路结构。

本发明提出的分布式单芯反馈干涉光路，利用了偏振分束器和法拉第旋转反射镜共用的特性；在偏振光路中，偏振分束器的合波端与传感光纤的一端相连，传感光纤的另一端与法拉第旋转反射镜相连，光纤延迟器直接由一根光纤构成，或者由偏振分束器、光纤及法拉第反射旋转镜共同构成。基本构成如图4、图5所示。具体包括：

一个光纤耦合器12，12a1、12a2、…、12aN、12b1、12b2为光纤耦合器12的端口， 12a1、12a2、…、12aN是光纤耦合器12的一组同向端口，共N个，12b1、12b2是光纤耦合器12的另一组同向端口（共M个）中的两个端口；

第一偏振分束器13，13a1、13a2、13b1为第一偏振分束器13的端口，端口13a1、13a2为分波端口，端口13b1为合波端口，从端口13b1输入的光，将分成两个相互垂直的偏振态，分别从13a1、13a2输出；

第一法拉第旋转反射镜14，14a1为其光输入输出端口；

一传感光纤15；

一光纤延迟器20。

传感光纤15一端与第一偏振分束器13的合波端口13b1相连，传感光纤15另一端与第一法拉第旋转反射镜14相连，光纤延迟器20接在端口12b1与端口13a1之间，端口12b2与端口13a2相连。光从耦合器12的端口输入，干涉信号亦从光纤耦合器12的端口输出。

其中，光纤延迟器20采用第一延迟光纤16（起延迟作用）；如图4所示。

光纤延迟器20也可由第二偏振分束器17、第二延迟光纤18和第二法拉第反射旋转镜19构成；如图5所示。17a1、17a2、17b1为第二偏振分束器17的端口，端口17a1、17a2为分波端口，端口17b1为合波端口，从端口17b1输入的光，将分成两个相互垂直的偏振态，分别从17a1、17a2输出；第二延迟光纤18起延迟作用；第二法拉第旋转反射镜19的光输入输出端口为19a1；  第二延迟光纤18，一端与第二偏振分束器17的合波端口17b1相连，另一端与第二法拉第旋转反射镜19相连；第二偏振分束器17的分波端口17a1、17a2分别与端口12b1和13a1相连。图4中的光纤延迟器20由于仅由一根光纤构成，因而该部分不会带来背向回光；图5中的光纤延迟器20由于使用了光纤偏振分束器和法拉第旋转反射镜共用的实现方式，因此也不会带来背向回光。

如图4所示的光路走向（即光的传输路径）有2条，分别为： 

Ⅰ：端口12b1→第一延迟光纤16→端口13a1→端口13b1→传感光纤15→第一法拉第旋转反射镜14→传感光纤15→端口13b1→端口13a2→端口12b2；

Ⅱ：端口12b2→端口13a2→端口13b1→传感光纤15→第一法拉第旋转反射镜14→传感光纤15→端口13b1→端口13a1→第一延迟光纤16→端口12b1 ；

这两束光在耦合器12处会合，发生干涉；

如图5所示的光路走向（即光的传输路径）有2条，分别为： 

Ⅰ：端口12b1→端口17a1→端口17b1→第二延迟光纤18→第二法拉第旋转反射镜19→第二延迟光纤18→端口17b1→端口17a2→端口13a1→端口13b1→传感光纤15→第一法拉第旋转反射镜14→传感光纤15→端口13b1→端口13a2→端口12b2；

Ⅱ：端口12b2→端口13a2→端口13b1→传感光纤15→第一法拉第旋转反射镜14  →传感光纤15→端口13b1→端口13a1→端口17a2→端口17b1→第二延迟光纤18→第二法拉第旋转反射镜19→第二延迟光纤18→端口17b1→端口17a1→端口12b1；

这两束光在耦合器12处会合，发生干涉；

可见，图4、图5所示的分布式单芯反馈干涉结构消除了背向回光。

上述光路表示形式中，箭头表示光传递的方向。

该发明的突出优点是，消除了传统单芯反馈式传感结构中的背向回光，具有低的背景光，可获得高的条纹清晰度，有利于测量灵敏度、精度的提高。该方法保留了传统单芯反馈式传感结构中的应用优势，使用光纤通信中常用的普通光纤，即可实现传感功能。本发明特别适用于长距离线路监控，例如，可用于光纤通信干线的监控，石油、天然气管线的安全性监控等等领域。

附图说明

图1是常见的一种分布式单芯反馈结构。

图2是一种水听器的sagnac环结构，该结构是为了降低延迟线对外界噪声的敏感性。

图3是采用偏振分束器和法拉第旋转镜共用的干涉结构，以此解决光路中存在背向回光的问题。其中d为偏振分束器（PBS）的合波端口（光纤），c和g为分波端口（光纤）。

图4为本发明的具有低背景光的分布式单芯反馈干涉光路结构。其中，光纤延迟器直接由光纤构成。

图5为本发明的具有低背景光的分布式单芯反馈干涉光路结构。其中，光纤延迟器由偏振分束器、光纤和法拉第旋转反射镜共同构成。

图中标号：3 为N*M（N、M为整数）耦合器、4为P*Q（P、Q为整数）耦合器、5为光纤延迟器，延迟为τ，6为光纤（光缆），1为光纤6上的一扰动点，2为反馈装置。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。7为光纤耦合器，8为1×2耦合器，9为延迟光纤，10为反射镜，11为感应光纤。2为光纤耦合器，12a1、12a2、…、12aN、12b1、12b2为耦合器12的端口， 12a1、12a2、…、12aN是同向端口，共N个，12b1、12b2是耦合器12的另一组同向端口（共M个）中的两个端口；13为第一一偏振分束器，13a1、13a2、13b1为第一偏振分束器13的端口，端口13a1、13a2为分波端口，端口13b1为合波端口，从端口13b1输入的光，将分成两个相互垂直的偏振态，分别从13a1、13a2输出；14为第一一法拉第旋转反射镜，14a1为其光输入输出端口；15为传感光纤；16为第一延迟光纤；17为第二偏振分束器，17a1、17a2、17b1为偏振分束器17的端口，端口17a1、17a2为分波端口，端口17b1为合波端口，从端口17b1输入的光，将分成两个相互垂直的偏振态，分别从17a1、17a2输出，18为第二延迟光纤；19为第二法拉第旋转反射镜，19a1为其光输入输出端口，20为光纤延迟器。

具体实施方式

下面通实施例具体描述本发明。 

本实施例的干涉光路采用图4所示的结构。

光纤耦合器12使用的是3*3均分耦合器，为武汉邮电研究院生产；第一延迟光纤16是G652型康宁单模光纤绕制成的光纤环圈；第一偏振分束器13的尾纤皆为普通单模光纤，为绵阳超光生产。

传感光纤15为所要监测的光缆中的一芯单模光纤，长度约30km，其一端与第一偏振分束器13相连，另一端与法拉第旋转反射镜相连。

干涉光路的光从光纤耦合器12的端口12a1输入，干涉信号从端口12a2、12a3获得。使用的光源是电子集团总公司44研究所生产的SO3-B型超辐射二极管（SLD）。光电转换及信息处理中使用的光电转换器件为44所生产的型号为GT322C500的InGaAs光电探测器。

光纤耦合器12、第一延迟光纤延迟16、第一偏振分束器13构成的干涉单元、以及光源、光电探测等测量装置放置在监控室内，法拉第旋转反射镜则位于远离监控室的传感缆另一端。

对传感光缆进行敲击，即可观察到干涉信号输出。

测试表明，背景回光被消除，获得的条纹清晰度约为50%，而当使用图1所示结构，即将偏振分束器13用均分的2*1耦合器代替，条纹清晰度变差，约为25%，因此本发明所述的方面带来了明显的干涉改善，即，条纹清晰度明显增加。

使用图5的结构，获得的条纹清晰度亦约为50%，明显优于使用图1结构的结果。