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    重庆时时彩做号软件: 一种SAGNAC环形光路内嵌入非平衡MACHZEHNDER型光程扫描器的光学自相关仪.pdf

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    一种 SAGNAC 环形 光路内 嵌入 平衡 MACHZEHNDER 光程 扫描器 光学 相关
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    摘要
    申请专利号:

    CN201410777287.9

    申请日:

    2014.12.15

    公开号:

    CN104677596A

    公开日:

    2015.06.03

    当前法律状态:

    授权

    有效性:

    有权

    法律详情: 授权|||实质审查的生效IPC(主分类):G01M 11/02申请日:20141215|||公开
    IPC分类号: G01M11/02 主分类号: G01M11/02
    申请人: 哈尔滨工程大学
    发明人: 苑立波
    地址: 150001黑龙江省哈尔滨市南岗区南通大街145号哈尔滨工程大学科技处知识产权办公室
    优先权:
    专利代理机构: 代理人:
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    法律状态
    申请(专利)号:

    CN201410777287.9

    授权公告号:

    ||||||

    法律状态公告日:

    2017.11.21|||2015.07.01|||2015.06.03

    法律状态类型:

    授权|||实质审查的生效|||公开

    摘要

    本发明属于光纤技术领域,具体涉及的是一种可用于光纤陀螺研制和生产过程中的光源进行测试与分析,也可用于对光纤陀螺系统中的光纤耦合器、光纤以及光纤环的Sagnac环形光路内嵌入非平衡Mach-Zehnder型光程扫描器的光学自相关仪。本发明包括光源、三端口光纤环形器、3dB光纤耦合器、待测器件、非平衡光程差扫描器、分光器、光谱分析仪、光电转换差动放大器、扫描控制单元、信号处理单元、自相关仪的数据总线和PC计算机,本相关仪是将各个主要关键光学器件置于一个等效环形干涉仪的系统中实现测量的。由于待测器件的测量环境与其工作环境相似,获得的测量结果有助于表征其在陀螺中工作状态下的实际工作情况及其特性。

    权利要求书

    权利要求书
    1.  一种Sagnac环形光路内嵌入非平衡Mach-Zehnder型光程扫描器的光学自相关仪,包 括光源(1)、三端口光纤环形器(2)、3dB光纤耦合器(3)、待测器件(4)、非平衡Mach-Zehnder 型光程差扫描器(5)、分光器(6)、光谱分析仪(7)、光电转换差动放大器(8)、扫描控制 单元(9)、信号处理单元(10)、自相关仪的数据总线(11)和PC计算机(12),光源与三 端口光纤环形器的a端口相连,光纤环形器b端口与3dB光纤耦合器的e输入端相连接;而 光纤环形器的c端口直接与第一光电探测器(D1)相连;3dB光纤耦合器f接口与待测器件 相接,待测器件与非平衡Mach-Zehnder型光程扫描器相连接,非平衡Mach-Zehnder型光程 扫描器的另一端与3dB光纤耦合器的g端口相连,干涉信号分别由3dB光纤耦合器的输出端 口经由三端口环行器的c端口输出到第一光电探测器;3dB光纤耦合器的h输出端口通过分 光器6输出到第二光电探测器(D2),第一光电探测器和第二光电探测器经过差动放大器进行 放大,放大信号输出到信号处理单元(10),经由分光器(6)抵达光谱分析仪(7)的干涉信 号以光谱的形式输出相干光的谱域信号;通过扫描控制单元(9)驱动非平衡Mach-Zehnder 型光程扫描器(5)形成两路光程差的变化,实现对光程差的扫描,从而获得自相关时域信号, 由PC计算机通过数据总线(11)实现对光程差的扫描控制和时域数据及谱域数据的采集。

    2.  根据权利要求1所述的一种Sagnac环形光路内嵌入非平衡Mach-Zehnder型光程扫描 器的光学自相关仪,其特征在于:非平衡Mach-Zehnder型光程差扫描器将同一个光路分成两 路光,并通过调整其中的一路或两路同时调整,从而完成对光程差的调制,实现对光程差的 扫描。

    3.  根据权利要求1所述的一种Sagnac环形光路内嵌入非平衡Mach-Zehnder型光程扫描 器的光学自相关仪,其特征在于:所述的宽谱光源选择LED光源、SLD光源、ASE光源中 的一种。

    4.  根据权利要求1所述的一种Sagnac环形光路内嵌入非平衡Mach-Zehnder型光程扫描 器的光学自相关仪,其特征在于:所述的待测单元采用一段单模保偏光纤,宽谱光源成为待 测光源,对宽谱光源自身的自相关函数和自相干光谱的测量与评估。

    5.  根据权利要求1所述的一种Sagnac环形光路内嵌入非平衡Mach-Zehnder型光程扫描 器的光学自相关仪,其特征在于:所述的待测单元是串联到Sagnac环形光路中的,对待测单 元的测试与评估的,待测单元是下述器件中的一种:
    (1)待测单元是一段较长的光纤与待测单元的两个测试端口相连,能获得该光纤对于 已知光源透射光谱滤波特性和光谱响应特性;
    (2)待测单元是一个2×2光纤耦合器的任意两个端口与待测单元的两个测试端口相连, 能获得该光纤耦合器对于已知光源透射光谱滤波特性和光谱响应特性;
    (3)待测单元是一个绕制的光纤陀螺环与待测单元的两个测试端口相连,获得该光纤 陀螺环对于已知光源透射光谱滤波特性和光谱响应特性。

    6.  根据权利要求1所述的一种Sagnac环形光路内嵌入非平衡Mach-Zehnder型光程扫描 器的光学自相关仪,其特征在于:非平衡Mach-Zehnder型光程差扫描器是下述装置中的一种:
    (1)采用第一光纤准直器将光束准直后,由第一合光棱镜将光束分成两束,再经过固 定的反射镜和第二合光棱镜将两束空间光通过第二光纤准直器送回到环形Sagnac光纤光路 中,其中所形成的一路空间光程是固定的,而另一路空间光程可通过调整扫描棱镜沿着垂直 于光纤准直器轴的方向移动完成对光程差的调整和扫描;
    (2)采用第一光纤准直器将光束准直后,由第一合光棱镜将光束分成两束,再经过固 定的反射棱镜和第二合光棱镜将两束空间光通过第二光纤准直器送回到环形Sagnac光纤光路 中,其中所形成的一路空间光程是固定的,而另一路空间光程可通过调整扫描棱镜沿着垂直 于光纤准直器轴的方向移动完成对光程差的调整和扫描;
    (3)装置采用第一光纤准直器将光束准直后,入射到一个对称的双折射晶体光学楔中, 双折射晶体光学楔中出射的光通过第二光纤准直器送回到环形Sagnac光纤光路中,由于双折 射效应,光学楔将对具有正交偏振方向的光引入一个光程差,这个光程差与光学楔沿着运动 扫描的垂直于光路方向的运动位移成正比,通过调整扫描棱镜位置的移动完成对光程差的调 整和扫描;
    (4)装置采用一段单模光纤,将这段单模光纤缠绕在管状压电陶瓷PZT上,并直接焊 接在保偏光纤Sagnac光纤环路中,当扫描驱动电压加载在压电陶瓷PZT上时,通过改变加 载在压电陶瓷管上的电压,实现对光程差的扫描;
    (5)装置采用一段单模保偏光纤,将这段单模保偏光纤缠绕在管状压电陶瓷PZT上, 并将该保偏光纤旋转45度角焊接在保偏光纤Sagnac光纤环路中,将Sagnac保偏光纤环中单 一偏振光分成正交的两路注入到这段光纤中,当扫描驱动电压加载在压电陶瓷PZT上时,导 致在光纤中传输的两个正交偏振光所形成光程差发生改变,通过改变加载在压电陶瓷管上的 电压,实现对光程差的扫描;
    (6)装置采用一段偏心双芯光纤,偏心双芯光纤具有一个中心纤芯和一个偏心纤芯, 段偏心双芯光纤与Sagnac光纤环进行直接焊接,并在双芯光纤的两端实施熔融拉锥,构成一 个集成在一根光纤中的双光路Mach-Zehnder干涉仪,对偏心双芯光纤沿着垂直于光纤轴的方 向做弯曲运动时形成一个光程差,改变弯曲位移的大小就实现光程差的扫描;
    (7)装置采用一段对称的双芯光纤,将对称的双芯光纤与Sagnac光纤环进行直接焊接, 并在双芯光纤的两端焊点处实施熔融拉锥,构成集成在一根光纤中的对称的双光路 Mach-Zehnder干涉仪,对双芯光纤沿着垂直于光纤轴的方向做弯曲运动时就会导致形成一个 光程差,改变弯曲位移的大小实现光程差的扫描;
    (8)装置采用两个Y形光纤耦合器与一个三端口光纤环行器相连,构成Mach-Zehnder 干涉仪,光纤环行器的第三个端口连接一个光纤准直器,正对该光纤准直器,一个平面反射 镜,将出射光再按原路返回到这个光纤Mach-Zehnder干涉仪中,当反射镜沿着出射光方向做 移动时,Mach-Zehnder干涉仪中的两路光程差发生改变,实现对光程差的扫描;
    (9)装置采用了两个Y形光纤耦合器和两个光纤准直器彼此相连,构成Mach-Zehnder 干涉仪,两个光纤准直器相对放置,其中一个光纤耦合器的空间位置沿着光路传输方向进行 调整,使得Mach-Zehnder干涉仪中两臂得光程相等,Mach-Zehnder干涉仪中的另一个臂被缠 绕在管状压电陶瓷上,加载在压电陶瓷上的电压发生变化时,Mach-Zehnder干涉仪中的两路 光程差就会发生改变,实现对光程差的扫描。

    说明书

    说明书一种Sagnac环形光路内嵌入非平衡Mach-Zehnder型光程扫描器的光学自相关仪
    技术领域
    本发明属于光纤技术领域,具体涉及的是一种可用于光纤陀螺研制和生产过程中的光源 进行测试与分析,也可用于对光纤陀螺系统中的光纤耦合器、光纤以及光纤环的光源透射光 谱对光的相干特性影响的测试的Sagnac环形光路内嵌入非平衡Mach-Zehnder型光程扫描器 的光学自相关仪。
    背景技术
    光纤白光干涉技术与方法是光纤技术领域中独具特色的一种测量方法和传感技术。该项 专门技术在宽谱光干涉特性研究,绝对形变光纤传感测量,光波导器件的结构及其对光波反 射特性参量的检测,光纤陀螺环中光偏振态横向耦合测量与评估,尤其是在医学临床诊断的 组织结构形态的光学层析技术等方面,都具有广泛的应用。
    高精度光纤陀螺通常是由光源、光纤耦合器、Y波导器件、保偏光纤环和探测器等主要 部件搭建成Sagnac光纤干涉仪而构成的。要实现系统的高精度运行,必须保证上述主要光学 元器件的性能指标满足陀螺高精度测量的需求。为此,需要对光源的性能进行自相关和自相 干测试,以此评估光源干涉的稳定性和噪声谱特性及其对测量结果的影响。此外,光纤耦合 器、Y波导器件、保偏光纤以及光纤环对所采用的光源的光谱透射性及其滤波性对于光源光 谱的响应和影响对光纤陀螺性能具有十分重要的意义。
    鉴于上述器件都是工作于Sagnac光纤干涉仪的结构中,为此本发明基于Sagnac光纤干 涉仪的基础结构,在Sagnac环形光路中嵌入一个可以在此互易光路中产生一个可供扫描测量 的光程差,同时构建了具有噪声抑制特点的低噪声差动探测信号处理系统和干涉光谱同步测 量系统,以此来实现对各个光纤陀螺关键器件性能的高精度测量与评估。
    本发明所公开的Sagnac环形光路内嵌入非平衡Mach-Zehnder型光程扫描器的光学自相 关仪与传统的基于Michelson干涉仪光路结构所构建的后向反射式干涉计(OLCR)和单一的 Mach-Zehnder型透射式偏振相关仪(OCDP)不同,其主要区别在于本相关仪是将各个主要关 键光学器件置于一个等效Sagnac环形干涉仪的系统中实现测量的。由于待测器件的测量环境 与其工作环境相似,因此,这样获得的测量结果有助于表征其在陀螺中工作状态下的实际工 作情况及其特性。
    为了实现对光波导器件的特性测试,1994年美国海军实验室的Matthew N.McLandrich, Donald J.Albares,和Stephen A.Pappert公开了一种基于Michelson干涉仪结构的后向反 射式测量系统(美国专利:专利号5341205)。1995年美国H-P公司Wayne V.Sorin和Douglas  Μ.Baney公开了一种基于Michelson干涉仪结构的光程自相关器(美国专利:专利号 5557400)。它基于非平衡Michelson干涉仪结构,利用光信号在Michelson干涉仪固定臂和 可变扫描臂之间形成的光程差与光纤传感器的前后两个端面反射光信号的光程差之间的匹配 实现光学自相关,获得传感器的白光干涉信号。该相关器由一个3dB光纤耦合器组成,入射 光波注入后,该光波经过2×2光纤耦合器后被分成两路,一路经过固定长度光纤后经过其尾 端反射器返回输出;另一路经过连接在光纤端的光学准直器后,被可移动的反射扫描镜反射 回来,形成光程可调的光波后到达输出端。Michelson干涉仪型光纤光程相关器的优点是构 造简单,使用的器件少。但缺点是测试光路结构与Sagnac干涉仪的工作状态有较大差别,测 试结果难于精确地与待测需求相符合。
    光程扫描器是该相关仪的主要部件之一。该装置的目的是产生一个额外的光程差,以实 现相关特性函数的展开测量。为了构造各种可能的准分布式光纤白光干涉应变仪,申请人于 2008年公开了基于可调Fabry-Perot谐振腔的分布式光纤白光干涉传感器阵列(公告号 CN101324445A),一种双基准长度低相干光纤环形网络传感解调装置(公告号CN101325455B), 光纤Mach-Zehnder与Michelson干涉仪阵列的组合测量仪(公告号CN101329184A)和一种 简化式多路复用白光干涉光纤传感解调装置(公告号CN100588913C),分别公布了F-P腔、 环形腔结构为基础的光程自相关器,目的是用于简化多路复用干涉仪的结构;提高温度稳定 性;解决多基准传感器的同时测量等问题。由于本发明所涉及的光程差是一个非常小的量, 因此,本发明所提出的一种Sagnac环形光路内嵌入非平衡Mach-Zehnder型光程扫描器的光 学自相关仪及其几种微小光程差产生与扫描方法完全不同于美国专利(专利号5341205; 5557400)所提出的系统和扫描结构,也完全不同于申请人之前申请的各种光学测量系统以及 光程差的产生和扫描结构。而且本发明所提供的测量方法能够解决光纤陀螺生产过程中的关 于宽谱光源、绕环光纤、光纤环、Y波导、耦合器等各个关键对光源透射光谱的影响及其透 射光谱相干特性的影响。其独特性是其它光学测量系统所不能替代的。
    发明内容
    本发明的目的在于提供一种可用于光纤陀螺研制和生产过程中的光源进行测试与分析, 也可用于对光纤陀螺系统中的光纤耦合器、光纤以及光纤环的光源透射光谱对光的相干特性 影响测试的Sagnac环形光路内嵌入非平衡Mach-Zehnder型光程扫描器的光学自相关仪。
    本发明的目的是这样实现的:
    Sagnac环形光路内嵌入非平衡Mach-Zehnder型光程扫描器的光学自相关仪,包括光源、 三端口光纤环形器、3dB光纤耦合器、待测器件、非平衡Mach-Zehnder型光程差扫描器、分 光器、光谱分析仪、光电转换差动放大器、扫描控制单元、信号处理单元、自相关仪的数据 总线和PC计算机,光源与三端口光纤环形器的a端口相连,光纤环形器b端口与3dB光纤 耦合器的e输入端相连接;而光纤环形器的c端口直接与第一光电探测器D1相连;3dB光纤 耦合器f接口与待测器件相接,待测器件与非平衡Mach-Zehnder型光程扫描器相连接,非平 衡Mach-Zehnder型光程扫描器的另一端与3dB光纤耦合器的g端口相连,干涉信号分别由 3dB光纤耦合器的输出端口经由三端口环行器的c端口输出到第一光电探测器;3dB光纤耦 合器的h输出端口通过分光器6输出到第二光电探测器D2,第一光电探测器和第二光电探测 器经过差动放大器进行放大,放大信号输出到信号处理单元10,经由分光器6抵达光谱分析 仪7的干涉信号以光谱的形式输出相干光的谱域信号;通过扫描控制单元9驱动非平衡 Mach-Zehnder型光程扫描器5形成两路光程差的变化,实现对光程差的扫描,从而获得自相 关时域信号,由PC计算机通过数据总线11实现对光程差的扫描控制和时域数据及谱域数据 的采集。
    非平衡Mach-Zehnder型光程差扫描器将同一个光路分成两路光,并通过调整其中的一路 或两路同时调整,从而完成对光程差的调制,实现对光程差的扫描。
    宽谱光源选择LED光源、SLD光源、ASE光源中的一种。
    待测单元采用一段单模保偏光纤,宽谱光源成为待测光源,对宽谱光源自身的自相关函 数和自相干光谱的测量与评估。
    待测单元是串联到Sagnac环形光路中的,对待测单元的测试与评估的,待测单元是下述 器件中的一种:
    (1)待测单元是一段较长的光纤与待测单元的两个测试端口相连,能获得该光纤对于已 知光源透射光谱滤波特性和光谱响应特性;
    (2)待测单元是一个2×2光纤耦合器的任意两个端口与待测单元的两个测试端口相连, 能获得该光纤耦合器对于已知光源透射光谱滤波特性和光谱响应特性;
    (3)待测单元是一个绕制的光纤陀螺环与待测单元的两个测试端口相连,获得该光纤陀 螺环对于已知光源透射光谱滤波特性和光谱响应特性。
    非平衡Mach-Zehnder型光程差扫描器是下述装置中的一种:
    (1)采用第一光纤准直器将光束准直后,由第一合光棱镜将光束分成两束,再经过固定 的反射镜和第二合光棱镜将两束空间光通过第二光纤准直器送回到环形Sagnac光纤光路中, 其中所形成的一路空间光程是固定的,而另一路空间光程可通过调整扫描棱镜沿着垂直于光 纤准直器轴的方向移动完成对光程差的调整和扫描;
    (2)采用第一光纤准直器将光束准直后,由第一合光棱镜将光束分成两束,再经过固定 的反射棱镜和第二合光棱镜将两束空间光通过第二光纤准直器送回到环形Sagnac光纤光路 中,其中所形成的一路空间光程是固定的,而另一路空间光程可通过调整扫描棱镜沿着垂直 于光纤准直器轴的方向移动完成对光程差的调整和扫描;
    (3)装置采用第一光纤准直器将光束准直后,入射到一个对称的双折射晶体光学楔中, 双折射晶体光学楔中出射的光通过第二光纤准直器送回到环形Sagnac光纤光路中,由于双折 射效应,光学楔将对具有正交偏振方向的光引入一个光程差,这个光程差与光学楔沿着运动 扫描的垂直于光路方向的运动位移成正比,通过调整扫描棱镜位置的移动完成对光程差的调 整和扫描;
    (4)装置采用一段单模光纤,将这段单模光纤缠绕在管状压电陶瓷PZT上,并直接焊 接在保偏光纤Sagnac光纤环路中,当扫描驱动电压加载在压电陶瓷PZT上时,通过改变加 载在压电陶瓷管上的电压,实现对光程差的扫描;
    (5)装置采用一段单模保偏光纤,将这段单模保偏光纤缠绕在管状压电陶瓷PZT上, 并将该保偏光纤旋转45度角焊接在保偏光纤Sagnac光纤环路中,将Sagnac保偏光纤环中单 一偏振光分成正交的两路注入到这段光纤中,当扫描驱动电压加载在压电陶瓷PZT上时,导 致在光纤中传输的两个正交偏振光所形成光程差发生改变,通过改变加载在压电陶瓷管上的 电压,实现对光程差的扫描;
    (6)装置采用一段偏心双芯光纤,偏心双芯光纤具有一个中心纤芯和一个偏心纤芯,段 偏心双芯光纤与Sagnac光纤环进行直接焊接,并在双芯光纤的两端实施熔融拉锥,构成一个 集成在一根光纤中的双光路Mach-Zehnder干涉仪,对偏心双芯光纤沿着垂直于光纤轴的方向 做弯曲运动时形成一个光程差,改变弯曲位移的大小就实现光程差的扫描;
    (7)装置采用一段对称的双芯光纤,将对称的双芯光纤与Sagnac光纤环进行直接焊接, 并在双芯光纤的两端焊点处实施熔融拉锥,构成集成在一根光纤中的对称的双光路 Mach-Zehnder干涉仪,对双芯光纤沿着垂直于光纤轴的方向做弯曲运动时就会导致形成一个 光程差,改变弯曲位移的大小实现光程差的扫描;
    (8)装置采用两个Y形光纤耦合器与一个三端口光纤环行器相连,构成Mach-Zehnder 干涉仪,光纤环行器的第三个端口连接一个光纤准直器,正对该光纤准直器,一个平面反射 镜,将出射光再按原路返回到这个光纤Mach-Zehnder干涉仪中,当反射镜沿着出射光方向做 移动时,Mach-Zehnder干涉仪中的两路光程差发生改变,实现对光程差的扫描;
    (9)装置采用了两个Y形光纤耦合器和两个光纤准直器彼此相连,构成Mach-Zehnder 干涉仪,两个光纤准直器相对放置,其中一个光纤耦合器的空间位置沿着光路传输方向进行 调整,使得Mach-Zehnder干涉仪中两臂得光程相等,Mach-Zehnder干涉仪中的另一个臂被缠 绕在管状压电陶瓷上,加载在压电陶瓷上的电压发生变化时,Mach-Zehnder干涉仪中的两路 光程差就会发生改变,实现对光程差的扫描。
    本发明的有益效果在于:
    本发明所公开的Sagnac环形光路内嵌入非平衡Mach-Zehnder型光程扫描器的光学自相 关仪与传统的基于Michelson干涉仪光路结构所构建的后向反射式干涉计OLCR和单一的 Mach-Zehnder型透射式偏振相关仪OCDP不同,其主要区别在于本相关仪是将各个主要关键 光学器件置于一个等效Sagnac环形干涉仪的系统中实现测量的。由于待测器件的测量环境与 其工作环境相似,因此,这样获得的测量结果有助于表征其在陀螺中工作状态下的实际工作 情况及其特性。
    附图说明
    图1是Sagnac环形光路内嵌入非平衡Mach-Zehnder型光程扫描器的光学自相关仪结构 示意图。
    图2是该光学自相关仪实施对宽谱光源进行自相关函数和自相干光谱同时测量的示意 图。
    图3是该光学自相关仪对一段较长的保偏光纤的透射光谱特性及其该光纤对宽谱光源的 滤波特性及其影响的测量原理示意图。
    图4是该光学自相关仪对个光纤耦合器的透射光谱特性及其该光纤对宽谱光源的滤波特 性及其影响的测量原理示意图。
    图5是该光学自相关仪对由一段长的保偏光纤绕制的光纤环的透射光谱特性及其该光纤 对宽谱光源的滤波特性及其影响的测量原理示意图。
    图6是该光学自相关仪中嵌入Sagnac环形光路中的光程差可调的非平衡Mach-Zehnder 型光程差扫描装置。
    图7是该光学自相关仪中嵌入Sagnac环形光路中的光程差可调的非平衡Mach-Zehnder 型光程差扫描装置。
    图8是该光学自相关仪中嵌入Sagnac环形光路中的光程差可调的非平衡Mach-Zehnder 型光程差扫描装置。
    图9是该光学自相关仪中嵌入Sagnac环形光路中的光程差可调的非平衡Mach-Zehnder 型光程差扫描装置。
    图10是该光学自相关仪中嵌入Sagnac环形光路中的光程差可调的非平衡Mach-Zehnder 型光程差扫描装置。
    图11是该光学自相关仪中嵌入Sagnac环形光路中的光程差可调的非平衡Mach-Zehnder 型光程差扫描装置。
    图12是该光学自相关仪中嵌入Sagnac环形光路中的光程差可调的非平衡Mach-Zehnder 型光程差扫描装置。
    图13是该光学自相关仪中嵌入Sagnac环形光路中的光程差可调的非平衡Mach-Zehnder 型光程差扫描装置。
    图14是该光学自相关仪中嵌入Sagnac环形光路中的光程差可调的非平衡Mach-Zehnder 型光程差扫描装置。
    具体实施方式
    下面结合附图对本发明做进一步描述:
    本发明公开了一种Sagnac环形光路内嵌入非平衡Mach-Zehnder型光程扫描器的光学自 相关仪,其主要特征是:该自相关仪是由光源1;三端口光纤环形器2;3dB光纤耦合器3; 待测器件4;非平衡Mach-Zehnder型光程差扫描器5;分光器6;光谱分析仪7;光电转换差 动放大器8;扫描控制单元9;时域相关信号处理单元10;自相关仪的数据总线11;和PC 计算机12等部分组成。本发明所给出的自相关仪能够同时实现光源的时域自相关函数和谱域 的自相干光谱的测量;能够测量光纤耦合器对自相关函数和自相干光谱的影响,并对该影响 进行评估;能够分别测量绕环前光纤和绕环后光纤环对自相关函数和自相干光谱的影响,并 对该影响进行评估??捎糜诠庀送勇菅兄坪蜕讨械墓庠唇胁馐杂敕治?,也可用于对 光纤陀螺系统中的光纤耦合器、光纤以及光纤环的光源透射光谱对光的相干特性影响的测试。
    图1是Sagnac环形光路内嵌入非平衡Mach-Zehnder型光程扫描器的光学自相关仪结构 示意图。图中该自相关仪是由光源1;三端口光纤环形器2;3dB光纤耦合器3;待测器件4; 非平衡Mach-Zehnder型光程差扫描器5;分光器6;光谱分析仪7;光电转换差动放大器8; 扫描控制单元9;信号处理单元10;自相关仪的数据总线11;和PC计算机12等部分组成。
    图2是该光学自相关仪实施对宽谱光源进行自相关函数和自相干光谱同时测量的示意 图。图中,用一根与Sagnac光路相同的保偏光纤将测试单元的两个端口相连接,这时光源1 成为待测试的光源,例如:LED宽谱光源1-1、LSD宽谱光源1-2、ASE宽谱光源1-3等都可 以连接到光源1处,通过光程差扫描装置5的光程扫描,就能获得待测光源的自相关函数和 自相干光谱。
    图3是该光学自相关仪对一段较长的保偏光纤的透射光谱特性及其该光纤对宽谱光源的 滤波特性及其影响的测量原理示意图。
    图4是该光学自相关仪对个光纤耦合器的透射光谱特性及其该光纤对宽谱光源的滤波特 性及其影响的测量原理示意图。
    图5是该光学自相关仪对由一段长的保偏光纤绕制的光纤环的透射光谱特性及其该光纤 对宽谱光源的滤波特性及其影响的测量原理示意图。
    图6是该光学自相关仪中嵌入Sagnac环形光路中的光程差可调的非平衡Mach-Zehnder 型光程差扫描装置,该装置采用了一个光纤准直器将光束准直后,由分光棱镜将光束分成两 束,再经过固定的反射镜和第二个合光棱镜将两束空间光通过第二个光纤准直器送回到环形 Sagnac光纤光路中。其中所形成的一路空间光程是固定的,而另一路空间光程可通过调整扫 描棱镜沿着X方向前后移动完成对光程差的调整和扫描。
    图7是该光学自相关仪中嵌入Sagnac环形光路中的光程差可调的非平衡Mach-Zehnder 型光程差扫描装置,该装置采用了一个光纤准直器将光束准直后,由分光棱镜将光束分成两 束,再经过固定的反射棱镜和第二个合光棱镜将两束空间光通过第二个光纤准直器送回到环 形Sagnac光纤光路中。其中所形成的一路空间光程是固定的,而另一路空间光程可通过调整 扫描棱镜沿着X方向前后移动完成对光程差的调整和扫描。
    图8是该光学自相关仪中嵌入Sagnac环形光路中的光程差可调的非平衡Mach-Zehnder 型光程差扫描装置,该装置采用了一个光纤准直器将光束准直后,入射到一个对称的双折射 晶体光学楔中,由该双折射晶体光学楔中出射的光通过第二个光纤准直器送回到环形Sagnac 光纤光路中。由于双折射效应,该光学楔将对具有正交偏振方向的光引入一个光程差,这个 光程差与光学楔沿着运动扫描的X方向的运动位移成正比,通过调整扫描棱镜位置的前后移 动完成对光程差的调整和扫描。
    图9是该光学自相关仪中嵌入Sagnac环形光路中的光程差可调的非平衡Mach-Zehnder 型光程差扫描装置,该装置采用了一段普通单模光纤,将这段单模光纤缠绕在管状压电陶瓷 PZT上,并直接焊接在保偏光纤Sagnac光纤环路中,当扫描驱动电压加载在压电陶瓷PZT上 时,由于管状压电陶瓷的膨胀作用,将会导致在单模光纤中传输的两个正交简并模式分离成 为两路光,从而形成一个光程差,通过改变加载在压电陶瓷管上的电压,就能实现对光程差 的扫描。
    图10是该光学自相关仪中嵌入Sagnac环形光路中的光程差可调的非平衡Mach-Zehnder 型光程差扫描装置,该装置采用了一段单模保偏光纤,将这段单模保偏光纤缠绕在管状压电 陶瓷PZT上,并将该保偏光纤旋转45度角焊接在保偏光纤Sagnac光纤环路中,这样就将 Sagnac保偏光纤环中单一偏振光分成正交的两路注入到这段光纤中,当扫描驱动电压加载在 压电陶瓷PZT上时,由于管状压电陶瓷的膨胀作用,将会导致在光纤中传输的两个正交偏振 光所形成光程差发生改变。因此,通过改变加载在压电陶瓷管上的电压,就能实现对光程差 的扫描。
    图11是该光学自相关仪中嵌入Sagnac环形光路中的光程差可调的非平衡Mach-Zehnder 型光程差扫描装置,该装置采用了一段偏心双芯光纤,该偏心双芯光纤具有一个中心纤芯和 一个偏心纤芯,将这段偏心双芯光纤与Sagnac光纤环进行直接焊接,并在双芯光纤的两端实 施熔融拉锥,就构成了一个集成在一根光纤中的双光路Mach-Zehnder干涉仪,对该段偏心双 芯光纤沿着X方向做弯曲运动时就会导致形成一个光程差,改变弯曲位移的大小就实现了光 程差的扫描。
    图12是该光学自相关仪中嵌入Sagnac环形光路中的光程差可调的非平衡Mach-Zehnder 型光程差扫描装置,该装置采用了一段对称的双芯光纤,将这段对称的双芯光纤与Sagnac光 纤环进行直接焊接,并在双芯光纤的两端焊点处实施熔融拉锥,就构成了一个集成在一根光 纤中的对称的双光路Mach-Zehnder干涉仪,对该段双芯光纤沿着X方向做弯曲运动时就会导 致形成一个光程差,改变弯曲位移的大小就实现了光程差的扫描。
    图13是该光学自相关仪中嵌入Sagnac环形光路中的光程差可调的非平衡Mach-Zehnder 型光程差扫描装置,该装置采用了两个Y形光纤耦合器与一个三端口光纤环行器相连,构成 了一个Mach-Zehnder干涉仪。而光纤环行器的第三个端口连接一个光纤准直器,正对该光纤 准直器,有一个平面反射镜,将出射光再按原路返回到这个光纤Mach-Zehnder干涉仪中,当 反射镜沿着X方向做前后移动时,Mach-Zehnder干涉仪中的两路光程差就会发生改变,从而 实现对光程差的扫描。
    图14是该光学自相关仪中嵌入Sagnac环形光路中的光程差可调的非平衡Mach-Zehnder 型光程差扫描装置,该装置采用了两个Y形光纤耦合器和两个光纤准直器彼此相连,构成了 一个Mach-Zehnder干涉仪。而两光纤准直器相对放置,其中一个光纤耦合器的空间位置可以 沿着Z方向进行调整,从而使得Mach-Zehnder干涉仪中两臂得光程相等。Mach-Zehnder干 涉仪中的另一个臂被缠绕在管状压电陶瓷PZT上,当加载在压电陶瓷PZT上的电压发生变化 时,Mach-Zehnder干涉仪中的两路光程差就会发生改变,从而实现对光程差的扫描。
    该自相关仪是由光源1;三端口光纤环形器2;3dB光纤耦合器3;待测器件4;非平衡 Mach-Zehnder型光程差扫描器5;分光器6;光谱分析仪7;光电转换差动放大器8;扫描控 制单元9;信号处理单元10;自相关仪的数据总线11;和PC计算机12等部分组成。光源1 与三端口光纤环形器2的端口a相连,光纤环形器2端口b与3dB光纤耦合器3的输入端e 相连接;而光纤环形器2的端口c则直接与光电探测器D1相连;3dB光纤耦合器3接口f与 待测器件4相接,并进一步与非平衡Mach-Zehnder型光程扫描器5相连接,该光程扫描器的 另一端则与3dB光纤耦合器3的端口g相连,干涉信号分别由3dB光纤耦合器3的输出端口 经由三端口环行器2的端口c输出到探测器D1;3dB光纤耦合器3的输出端口h通过分光器6 输出到探测器D2。最后,光电探测器D1和D2经过差动放大器8进行放大,放大信号输出到信 号处理单元10。与此同时,经由分光器6抵达光谱分析仪7的干涉信号以光谱的形式输出相 干光的谱域信号。而该自相关仪通过扫描控制单元9驱动非平衡Mach-Zehnder型光程扫描器 5形成两路光程差的变化,实现对光程差的扫描,从而获得该自相关时域信号。该自相关仪 由PC计算机12通过数据总线11实现对光程差的扫描控制和时域数据及谱域数据的采集。
    由于光纤Sagnac干涉仪结构是一种共光路结构,为了实现光学自相关函数的测量,需要 引入一个可以将一路光分成两路的装置,于是我们在该光学自相关仪的Sagnac环形光路内嵌 入了光程差可调的非平衡Mach-Zehnder型光程扫描器5,该光程扫描器能够将同一个光路分 成两路光,并通过调整其中的一路或两路同时调整,从而完成对光程差的调制,实现对光程 差的扫描。
    为了实现对光源的测试与评估,将该光学自相关仪中的待测单元采用一段单模保偏光纤 与两个测试端口相互连接,这样,该自相关仪的宽谱光源1成为待测光源,可接入任何待测 光源,从而实现对宽谱光源自身的自相关函数和自相干光谱的测量与评估。
    为了在所发明的光学自相关仪的Sagnac环形光路中引入一个光程差可调整的装置,构造 了9种光程差可调的非平衡Mach-Zehnder型光程差扫描器,每种光程差扫描器都可以在自相 关函数测量过程中实施光程差的扫描。
    该光学自相关仪可以需要测试的光学元器件作为待测单元4串联到Sagnac环形光路中 的,从而实现对待测器件的测试与评估。
    实施例一:为了对单模保偏光纤的特性实施测试,我们将该单模光纤串联到Sagnac环形 光路中的待测器件4-2的位置,如图3所示,将该待测光纤与待测单元4的两个测试端口相 连,就能实现该光纤对于已知光源透射光谱滤波特性和光谱响应特性的测量。
    实施例二:为了获得光纤耦合器对光纤陀螺系统中光源的影响,将其串联到Sagnac环形 光路中的待测器件4-3的位置,如图4所示,将该待测的2×2光纤耦合器的任意两个端口与 待测单元4的两个测试端口相连,就能实现该光纤耦合器对于已知光源透射光谱滤波特性和 光谱响应特性的测量。
    实施例三:为了获得绕制成的光纤环对光纤陀螺系统中光源的影响,将其串联到Sagnac 环形光路中的待测器件4-2的位置,如图5所示,将该绕制的光纤陀螺环与待测单元4的两 个测试端口相连,就能实现该光纤陀螺环对于已知光源透射光谱滤波特性和光谱响应特性的 测量。

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