專利名稱：一種基于Sagnac干涉儀的光脈沖發(fā)生方法和裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種光脈沖發(fā)生方法和裝置，更特別地說，涉及一種基于Sagnac干涉儀的光 脈沖發(fā)生方法和裝置。
背景技術(shù)：
光脈沖在光纖通信和光纖傳感等領(lǐng)域有廣泛的應(yīng)用。光時(shí)域反射計(jì)(OTDR)是光纖通信工 程中測量光纖接頭損耗、判斷光纜線路故障的重要儀器，它將光脈沖注入被測光纜中，接收 后向散射光和反射光并利用其與傳輸時(shí)間的函數(shù)關(guān)系來確定損耗和故障點(diǎn)的位置。OTDR的 空間分辨率和動(dòng)態(tài)范圍等性能指標(biāo)與光脈沖直接相關(guān)，光脈沖寬度越窄，空間分辨率越高；
在脈沖幅度相等的情況下，脈沖寬度越寬，動(dòng)態(tài)范圍越大。
布里淵光時(shí)域反射計(jì)(BOTDR)是一種分布式光纖傳感器，可對傳感光纖上各點(diǎn)的溫度和 應(yīng)力進(jìn)行分布式測量。在該系統(tǒng)中，將具有一定寬度和重復(fù)頻率的光脈沖射入傳感光纖，檢 測不同時(shí)刻返回的后向布里淵散射信號(hào)即可實(shí)現(xiàn)被測量的分布式傳感。傳感系統(tǒng)對沿傳感光 纖長度分布的溫度和應(yīng)變進(jìn)行測量時(shí)所能分辨的最小空間單元，即傳感系統(tǒng)的空間分辨率取 決于射入傳感光纖的光脈沖的寬度，光脈沖寬度越窄，空間分辨率越高；傳感系統(tǒng)的測量精 度也與光脈沖有關(guān)。為了實(shí)現(xiàn)高精度的測量，BOTDR要求注入傳感光纖的光脈沖的脈寬穩(wěn)定， 重復(fù)頻率易于調(diào)節(jié)。
現(xiàn)有的光脈沖發(fā)生技術(shù)主要基于強(qiáng)度調(diào)制器，其原理框圖如圖1所示；高頻電脈沖信號(hào) 源3提供的調(diào)制信號(hào)作用于光強(qiáng)度調(diào)制器2，對光源1發(fā)出的連續(xù)光進(jìn)行脈沖調(diào)制，輸出光 脈沖信號(hào)。
現(xiàn)有的光脈沖發(fā)生技術(shù)存在以下問題
1、 穩(wěn)定性不高主要體現(xiàn)在調(diào)制器的偏置穩(wěn)定性和溫度穩(wěn)定性方面。對調(diào)制器設(shè)置合適 的偏置電壓才能使其工作在最佳狀態(tài)，偏置電壓的變化會(huì)影響調(diào)制器的正常工作；調(diào)制器的 襯底材料和波導(dǎo)等對溫度較敏感，外界溫度的變化也會(huì)對其穩(wěn)定工作產(chǎn)生影響。
2、 成本高光強(qiáng)度調(diào)制器和高頻脈沖信號(hào)源是現(xiàn)有光脈沖發(fā)生裝置的核心部件，但價(jià)格 較為昂貴，會(huì)增加整個(gè)裝置的成本。
3、 輸出光脈沖信號(hào)質(zhì)量差現(xiàn)有光脈沖發(fā)生技術(shù)利用高頻脈沖信號(hào)源對連續(xù)光進(jìn)行外調(diào)
制來獲得光脈沖信號(hào)，所得的光脈沖信號(hào)中不僅含有直流背景噪聲，且脈沖寬度難以穩(wěn)定、 精確控制，無法應(yīng)用于如光時(shí)域反射計(jì)和分布式光纖傳感器等對脈沖質(zhì)量要求較高的系統(tǒng)。 基于以上原因，需要采用一種新的方法來獲得穩(wěn)定性高、易于實(shí)現(xiàn)且信號(hào)質(zhì)量好的光脈沖。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是克服以上現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種新型的基于Sagnac干 涉儀的光脈沖發(fā)生方法和裝置，能夠獲得高穩(wěn)定性、高精度的光脈沖信號(hào)，整個(gè)裝置成本低、 易于實(shí)現(xiàn)。
本發(fā)明解決其技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案是:一種基于Sagnac干涉儀的光脈沖發(fā)生方法， 其特征在于在Sagnac干涉儀的光纖環(huán)的一端放置一個(gè)單波導(dǎo)相位調(diào)制器，并用方波信號(hào)對 干涉儀中沿順時(shí)針和逆時(shí)針方向傳播的光進(jìn)行調(diào)制；輸出的光脈沖信號(hào)的脈沖寬度和重復(fù)頻 率分別與光纖環(huán)的長度和方波調(diào)制信號(hào)的頻率相關(guān)。
采用上述所述方法實(shí)現(xiàn)的基于Sagnac干涉儀的光脈沖發(fā)生裝置，其特征在于由光源、 偏振器、光纖耦合器、光纖環(huán)、單波導(dǎo)相位調(diào)制器、方波發(fā)生器組成；光源發(fā)出的光通過偏 振器后成為線偏振光，進(jìn)入光纖耦合器后，被分成兩等份，其中一份經(jīng)第三光纖直接進(jìn)入光 纖環(huán)，另一份經(jīng)第五光纖、單波導(dǎo)調(diào)制器和第四光纖后，進(jìn)入光纖環(huán)，兩束光在光纖環(huán)中分 別沿順時(shí)針和逆時(shí)針方向傳播；方波發(fā)生器發(fā)出的方波通過電纜作用于單波導(dǎo)調(diào)制器，沿著 順時(shí)針和逆時(shí)針方向傳播的兩束光在不同時(shí)刻受到相同的方波相位調(diào)制；在光纖環(huán)中沿順時(shí) 針方向傳播的光經(jīng)第四光纖和第五光纖返回至光纖耦合器，在光纖環(huán)中沿逆時(shí)針方向傳播的 光經(jīng)第三光纖返回至光纖耦合器，返回的兩束光在光纖耦合器處發(fā)生干涉，從光纖耦合器的 B端通過第六光纖會(huì)輸出光脈沖信號(hào)。
所述由光源、偏振器、光纖耦合器、光纖環(huán)組成的光脈沖發(fā)生裝置的光路為全光纖結(jié)構(gòu)。
所述全光纖光路結(jié)構(gòu)可采用全保偏光纖結(jié)構(gòu)或普通單模全光纖結(jié)構(gòu)。
所述輸出的光脈沖信號(hào)的寬度為！，重復(fù)頻率為2/ ，這里，"為光纖的折射率，i為
c
光纖環(huán)的長度，c為真空中的光速，厶為方波信號(hào)的頻率。
所述光源選擇窄譜光源或?qū)捵V光源。
所述光纖環(huán)的繞制方法為將兩根光纖并為一股后，再將其繞制成環(huán)，保證光纖環(huán)所圍
的等效的閉合面積為零。
本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比所具有的優(yōu)點(diǎn)是
1、本發(fā)明采用光纖陀螺中通用的方波相位偏置調(diào)制技術(shù)來發(fā)生光脈沖，技術(shù)成熟，穩(wěn)定
性好，精度高；
2、 本發(fā)明的脈沖發(fā)生裝置為全光纖Sagnac干涉儀結(jié)構(gòu)，成本低，易于實(shí)現(xiàn)，可靠性高;
3、 本發(fā)明中產(chǎn)生的光脈沖信號(hào)的寬度和重復(fù)頻率與光纖環(huán)的長度和方波調(diào)制信號(hào)的頻率
直接相關(guān)，便于對脈沖寬度和重復(fù)頻率進(jìn)行精確設(shè)定和調(diào)節(jié)。


圖1是現(xiàn)有的基于強(qiáng)度調(diào)制器的光脈沖發(fā)生原理結(jié)構(gòu)框圖2是本發(fā)明中所采用的光脈沖發(fā)生裝置的原理結(jié)構(gòu)框圖3是本發(fā)明中用于方波相位調(diào)制的單波導(dǎo)調(diào)制器示意圖4是本發(fā)明中利用方波相位偏置調(diào)制技術(shù)產(chǎn)生光脈沖的原理示意圖中l(wèi).光源，2.光強(qiáng)度調(diào)制器，3.電脈沖信號(hào)源，4.第一光纖，5.偏振器，6.第二光纖，
7.光纖耦合器，8.第三光纖，9.光纖環(huán)，IO.第四光纖，ll.單波導(dǎo)相位調(diào)制器，12.電纜，13.方
波信號(hào)發(fā)生器，14.第五光纖，15.第六光纖，16.波導(dǎo)，n.襯底材料，18.第一金屬電極，19第
二金屬電極。
具體實(shí)施例方式
下面將結(jié)合附圖和實(shí)施例對本發(fā)明做進(jìn)一步的詳細(xì)說明。
參見圖2，本發(fā)明的基于Sagnac干涉儀的光脈沖發(fā)生裝置。光源1通過第一光纖4與偏 振器5連接，偏振器5通過第二光纖6與光纖耦合器7的A端連接；光纖耦合器7的C端通 過第三光纖8與光纖環(huán)9的A端連接；光纖耦合器7的D端通過第五光纖14與單波導(dǎo)調(diào)制 器ll連接；單波導(dǎo)調(diào)制器11通過第四光纖10與光纖環(huán)9的B端連接；方波發(fā)生器13通過 電纜12與單波導(dǎo)調(diào)制器11連接；光脈沖信號(hào)從光纖耦合器7的B端通過第六光纖15輸出。
在光傳輸過程中，光源1發(fā)出的光通過偏振器5后成為線偏振光，進(jìn)入光纖耦合器7后， 被分成兩等份，其中一份經(jīng)第三光纖8直接進(jìn)入光纖環(huán)9，另一份經(jīng)第五光纖"、單波導(dǎo)調(diào) 制器11和第四光纖10后，進(jìn)入光纖環(huán)9，兩束光在光纖環(huán)9中分別沿順時(shí)針和逆時(shí)針方向 傳播。方波發(fā)生器13發(fā)出的方波信號(hào)通過電纜12作用于單波導(dǎo)調(diào)制器11，由于光纖環(huán)9的 時(shí)間延遲作用和單波導(dǎo)調(diào)制器11的互易性，沿著順時(shí)針和逆時(shí)針方向傳播的兩束光在不同時(shí)
刻受到相同的方波相位調(diào)制，時(shí)間差等于光纖環(huán)9的延遲時(shí)間^ (、=^，"為光纖的折射
率，Z為光纖環(huán)的長度，c為真空中的光速)；在光纖環(huán)9中沿順時(shí)針方向傳播的光經(jīng)第四光 纖10和第五光纖14返回至光纖耦合器7，在光纖環(huán)9中沿逆時(shí)針方向傳播的光經(jīng)第三光纖8 返回至光纖耦合器7，返回的兩束光在光纖耦合器7處發(fā)生干涉，從光纖耦合器7的B端通 過第六光纖15會(huì)輸出光脈沖信號(hào)。
參見圖3，本發(fā)明中使用的用于方波相位調(diào)制的單波導(dǎo)相位調(diào)制器。在平面襯底材料17 的表面上形成窄帶溝道，摻雜其它材料增加折射率形成波導(dǎo)16,在波導(dǎo)16兩側(cè)分別鍍上第 一金屬電極18和第二金屬電極19制成單波導(dǎo)相位調(diào)制器11，第五光纖14和第四光纖10與 單波導(dǎo)相位調(diào)制器11的端面對接，便于單波導(dǎo)調(diào)制器11與其它光纖耦合。方波發(fā)生器13發(fā) 出的調(diào)制方波信號(hào)作用于第一金屬電極18和第二金屬電極19，電場的作用改變了波導(dǎo)16的 折射率，使在波導(dǎo)16中傳輸?shù)墓獾南辔浑S方波調(diào)制電壓的變化而變化，從而使傳輸光的相位 受到調(diào)制。
參見圖4，本發(fā)明中利用方波相位偏置調(diào)制技術(shù)產(chǎn)生光脈沖的原理。參見圖4 (a)，方波 相位調(diào)制信號(hào)&W，其周期為2&。圖中用虛線繪制的方波為延時(shí)^后的相位調(diào)制信號(hào)，因 此相位差調(diào)制信號(hào)為<formula>formula see original document page 7</formula> (1)
參見圖4(b)，上方為Sagnac干涉儀未加偏置相位調(diào)制時(shí)的固有響應(yīng)，可表示為
<formula>formula see original document page 7</formula> (2)
式(2)中，戶。為響應(yīng)曲線的峰值光功率，delta phi 為相位差。
圖4 (b)下方所示為相位差調(diào)制信號(hào)。輸出信號(hào)參見圖4 (c)，為光脈沖信號(hào)，脈沖寬 度為rg，周期為Ts,，它們分別與光纖環(huán)9的長度和方波信號(hào)發(fā)生器13發(fā)出的方波調(diào)制信號(hào) 的頻率有關(guān)
光脈沖的寬度同光纖環(huán)9長度之間的關(guān)系為<formula>formula see original document page 7</formula>(3) 式(3)中，n為光纖的折射率，L為光纖環(huán)9的長度，c為真空中的光速。
光脈沖的周期為7;，則其重復(fù)頻率為1/Ts ;方波調(diào)制信號(hào)的周期為2Ts,則其頻率為 1/2Ts,光脈沖的重復(fù)頻率和方波調(diào)制信號(hào)的頻率之間的關(guān)系為
fR=2fm (4)
式(4)中，fR為光脈沖的重復(fù)頻率，fm為方波調(diào)制信號(hào)的頻率。
在本發(fā)明中，光源1的類型根據(jù)應(yīng)用要求來選擇對于相干探測，可選擇窄譜光源，如
DFB-LD、窄線寬光纖激光器等；對于非相干探測，可選擇寬譜光源，如LED、 SLD、摻鉺 超熒光光源等。參見圖2，本發(fā)明的光路為全光纖光路結(jié)構(gòu)，可根據(jù)具體要求選擇全保偏光 纖光路結(jié)構(gòu)或普通單模全光纖光路結(jié)構(gòu)。
對于全保偏光路結(jié)構(gòu)，光纖耦合器7選用保偏光纖耦合器，第一光纖4、第二光纖6、第 三光纖8、第四光纖IO、第五光纖14和光纖環(huán)9都選用保偏光纖，它們的偏振主軸方向與偏 振器5的通光軸方向一致。
對于普通單模全光纖光路結(jié)構(gòu)，光纖耦合器7選用普通單模光纖耦合器，第一光纖4、 第二光纖6、第三光纖8、第四光纖IO、第五光纖14和光纖環(huán)9都選用普通單模光纖。
在全保偏光纖光路結(jié)構(gòu)或普通單模全光纖光路結(jié)構(gòu)中，Sagnac干涉儀的光纖環(huán)9的繞制 方法為將兩根光纖并為一股后，再將其繞制成環(huán)，其繞制原則是使光纖環(huán)圍成的等效的閉 合面積為零，這種繞制方法可以消除Sagnac效應(yīng)的影響。
權(quán)利要求
1、一種基于Sagnac干涉儀的光脈沖發(fā)生方法，其特征在于在Sagnac干涉儀的光纖環(huán)的一端放置一個(gè)單波導(dǎo)相位調(diào)制器，并用方波信號(hào)對干涉儀中沿順時(shí)針和逆時(shí)針方向傳播的光進(jìn)行調(diào)制；輸出的光脈沖信號(hào)的脈沖寬度和重復(fù)頻率分別與光纖環(huán)的長度和方波調(diào)制信號(hào)的頻率相關(guān)。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于Sagnac干涉儀的光脈沖發(fā)生方法，其特征在于輸出的光脈沖信號(hào)的寬度為^，重復(fù)頻率為2厶，這里，n為光纖的折射率，丄為光纖環(huán)的長度，cc為真空中的光速，厶為方波信號(hào)的頻率。
3、 一種采用權(quán)利要求1所述方法實(shí)現(xiàn)的基于Sagnac干涉儀的光脈沖發(fā)生裝置，其特征 在于由光源(1)、偏振器(5)、光纖耦合器(7)、光纖環(huán)(9)、單波導(dǎo)相位調(diào)制器(11)、 方波發(fā)生器(13)組成；光源(1)發(fā)出的光通過偏振器(5)后成為線偏振光，進(jìn)入光纖耦 合器(7)后，被分成兩等份，其中一份經(jīng)第三光纖(8)直接進(jìn)入光纖環(huán)(9)，另一份經(jīng)第 五光纖(14)、單波導(dǎo)調(diào)制器(11)和第四光纖(10)后，進(jìn)入光纖環(huán)(9)，兩束光在光纖環(huán)(9)中分別沿順時(shí)針和逆時(shí)針方向傳播；方波發(fā)生器(13)發(fā)出的方波通過電纜(12)作用 于單波導(dǎo)調(diào)制器(11)，沿著順時(shí)針和逆時(shí)針方向傳播的兩束光在不同時(shí)刻受到相同的方波相 位調(diào)制；在光纖環(huán)(9)中沿順時(shí)針方向傳播的光經(jīng)第四光纖(10)和第五光纖(14)返回至 光纖耦合器(7)，在光纖環(huán)(9)中沿逆時(shí)針方向傳播的光經(jīng)第三光纖(8)返回至光纖耦合 器(7)，返回的兩束光在光纖耦合器(7)處發(fā)生干涉，從光纖耦合器(7)的B端通過第六 光纖(15)會(huì)輸出光脈沖信號(hào)。
4、 根據(jù)權(quán)利要求3所述的基于Sagnac干涉儀的光脈沖發(fā)生裝置，其特征在于由光源 (1)、偏振器(5)、光纖耦合器(7)、光纖環(huán)(9)組成的光脈沖發(fā)生裝置的光路為全光纖結(jié)構(gòu)。
5、 根據(jù)權(quán)利要求3或4所述的基于Sagnac干涉儀的光脈沖發(fā)生裝置，其特征在于全光纖光路結(jié)構(gòu)可采用全保偏光纖結(jié)構(gòu)或普通單模全光纖結(jié)構(gòu)。
6、 根據(jù)權(quán)利要求3所述的基于Sagnac干涉儀的光脈沖發(fā)生裝置，其特征在于所述輸出的光脈沖信號(hào)的寬度為^，重復(fù)頻率為2厶，這里，"為光纖的折射率，丄為光纖環(huán)的長c度，c為真空中的光速，厶為方波信號(hào)的頻率。
7、 根據(jù)權(quán)利要求3所述的基于Sagnac干涉儀的光脈沖發(fā)生裝置，其特征在于光源(l) 選擇窄譜光源或?qū)捵V光源。
8、 根據(jù)權(quán)利要求3所述的基于Sagnac干涉儀的光脈沖發(fā)生裝置，其特征在于光纖環(huán) 的繞制方法為將兩根光纖并為一股后，再將其繞制成環(huán)，保證光纖環(huán)所圍的等效的閉合面 積為零。
全文摘要
一種基于Sagnac干涉儀的光脈沖發(fā)生方法，在Sagnac干涉儀的光纖環(huán)的一端放置一個(gè)單波導(dǎo)相位調(diào)制器，并用方波信號(hào)對干涉儀中沿順、逆時(shí)針傳播的光進(jìn)行調(diào)制；采用上述方法的裝置由光源、偏振器、光纖耦合器、光纖環(huán)、單波導(dǎo)相位調(diào)制器、方波發(fā)生器組成；光源發(fā)出的光通過偏振器，進(jìn)入光纖耦合器被分成兩等份，一份直接進(jìn)入光纖環(huán)，另一份經(jīng)單波導(dǎo)調(diào)制器后進(jìn)入光纖環(huán)，方波發(fā)生器發(fā)出方波作用于單波導(dǎo)調(diào)制器；兩束光在光纖環(huán)中分別沿順、逆時(shí)針方向傳播，不同時(shí)刻受到相同的方波相位調(diào)制，兩束光返回至光纖耦合器并發(fā)生干涉，輸出光脈沖信號(hào)；采用本方法輸出的光脈沖的寬度和重復(fù)頻率能精確設(shè)定和調(diào)節(jié)，其裝置為全光纖Sagnac干涉儀結(jié)構(gòu)，節(jié)約成本、易于實(shí)現(xiàn)。
文檔編號(hào)G02F1/01GK101382669SQ20081022303
公開日2009年3月11日 申請日期2008年9月26日 優(yōu)先權(quán)日2008年9月26日
發(fā)明者張萍萍, 巍 楊, 楊遠(yuǎn)洪, 陳明飛 申請人:北京航空航天大學(xué)