一種Sagnac環(huán)形光路內(nèi)嵌入非平衡Mach-Zehnder型光程掃描器的光學(xué)自相關(guān)儀的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于光纖技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及的是一種可用于光纖陀螺研制和生產(chǎn)過程中的光源進(jìn)行測試與分析，也可用于對光纖陀螺系統(tǒng)中的光纖耦合器、光纖以及光纖環(huán)的光源透射光譜對光的相干特性影響的測試的Sagnac環(huán)形光路內(nèi)嵌入非平衡Mach-Zehnder型光程掃描器的光學(xué)自相關(guān)儀。
【背景技術(shù)】
[0002]光纖白光干涉技術(shù)與方法是光纖技術(shù)領(lǐng)域中獨具特色的一種測量方法和傳感技術(shù)。該項專門技術(shù)在寬譜光干涉特性研宄，絕對形變光纖傳感測量，光波導(dǎo)器件的結(jié)構(gòu)及其對光波反射特性參量的檢測，光纖陀螺環(huán)中光偏振態(tài)橫向耦合測量與評估，尤其是在醫(yī)學(xué)臨床診斷的組織結(jié)構(gòu)形態(tài)的光學(xué)層析技術(shù)等方面，都具有廣泛的應(yīng)用。
[0003]高精度光纖陀螺通常是由光源、光纖耦合器、Y波導(dǎo)器件、保偏光纖環(huán)和探測器等主要部件搭建成Sagnac光纖干涉儀而構(gòu)成的。要實現(xiàn)系統(tǒng)的高精度運行，必須保證上述主要光學(xué)元器件的性能指標(biāo)滿足陀螺高精度測量的需求。為此，需要對光源的性能進(jìn)行自相關(guān)和自相干測試，以此評估光源干涉的穩(wěn)定性和噪聲譜特性及其對測量結(jié)果的影響。此外，光纖耦合器、Y波導(dǎo)器件、保偏光纖以及光纖環(huán)對所采用的光源的光譜透射性及其濾波性對于光源光譜的響應(yīng)和影響對光纖陀螺性能具有十分重要的意義。
[0004]鑒于上述器件都是工作于Sagnac光纖干涉儀的結(jié)構(gòu)中，為此本發(fā)明基于Sagnac光纖干涉儀的基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)，在Sagnac環(huán)形光路中嵌入一個可以在此互易光路中產(chǎn)生一個可供掃描測量的光程差，同時構(gòu)建了具有噪聲抑制特點的低噪聲差動探測信號處理系統(tǒng)和干涉光譜同步測量系統(tǒng)，以此來實現(xiàn)對各個光纖陀螺關(guān)鍵器件性能的高精度測量與評估。
[0005]本發(fā)明所公開的Sagnac環(huán)形光路內(nèi)嵌入非平衡Mach-Zehnder型光程掃描器的光學(xué)自相關(guān)儀與傳統(tǒng)的基于Michelson干涉儀光路結(jié)構(gòu)所構(gòu)建的后向反射式干涉計(OLCR)和單一的Mach-Zehnder型透射式偏振相關(guān)儀(OCDP)不同，其主要區(qū)別在于本相關(guān)儀是將各個主要關(guān)鍵光學(xué)器件置于一個等效Sagnac環(huán)形干涉儀的系統(tǒng)中實現(xiàn)測量的。由于待測器件的測量環(huán)境與其工作環(huán)境相似，因此，這樣獲得的測量結(jié)果有助于表征其在陀螺中工作狀態(tài)下的實際工作情況及其特性。
[0006]為了實現(xiàn)對光波導(dǎo)器件的特性測試，1994年美國海軍實驗室的MatthewN.McLandrich, Donald J.Albares,和 Stephen A.Pappert 公開了一種基于 Michelson 干涉儀結(jié)構(gòu)的后向反射式測量系統(tǒng)(美國專利:專利號5341205)。1995年美國H-P公司W(wǎng)ayneV.Sorin和Douglas Μ.Baney公開了一種基于Michelson干涉儀結(jié)構(gòu)的光程自相關(guān)器(美國專利:專利號5557400)。它基于非平衡Michelson干涉儀結(jié)構(gòu)，利用光信號在Michelson干涉儀固定臂和可變掃描臂之間形成的光程差與光纖傳感器的前后兩個端面反射光信號的光程差之間的匹配實現(xiàn)光學(xué)自相關(guān)，獲得傳感器的白光干涉信號。該相關(guān)器由一個3dB光纖耦合器組成，入射光波注入后，該光波經(jīng)過2 X 2光纖耦合器后被分成兩路，一路經(jīng)過固定長度光纖后經(jīng)過其尾端反射器返回輸出；另一路經(jīng)過連接在光纖端的光學(xué)準(zhǔn)直器后，被可移動的反射掃描鏡反射回來，形成光程可調(diào)的光波后到達(dá)輸出端。Michelson干涉儀型光纖光程相關(guān)器的優(yōu)點是構(gòu)造簡單，使用的器件少。但缺點是測試光路結(jié)構(gòu)與Sagnac干涉儀的工作狀態(tài)有較大差別，測試結(jié)果難于精確地與待測需求相符合。
[0007]光程掃描器是該相關(guān)儀的主要部件之一。該裝置的目的是產(chǎn)生一個額外的光程差，以實現(xiàn)相關(guān)特性函數(shù)的展開測量。為了構(gòu)造各種可能的準(zhǔn)分布式光纖白光干涉應(yīng)變儀，申請人于2008年公開了基于可調(diào)Fabry-Perot諧振腔的分布式光纖白光干涉?zhèn)鞲衅麝嚵?公告號CN101324445A)，一種雙基準(zhǔn)長度低相干光纖環(huán)形網(wǎng)絡(luò)傳感解調(diào)裝置(公告號CN101325455B)，光纖Mach-Zehnder與Michelson干涉儀陣列的組合測量儀(公告號CN101329184A)和一種簡化式多路復(fù)用白光干涉光纖傳感解調(diào)裝置(公告號CN100588913C)，分別公布了 F-P腔、環(huán)形腔結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ)的光程自相關(guān)器，目的是用于簡化多路復(fù)用干涉儀的結(jié)構(gòu)；提高溫度穩(wěn)定性；解決多基準(zhǔn)傳感器的同時測量等問題。由于本發(fā)明所涉及的光程差是一個非常小的量，因此，本發(fā)明所提出的一種Sagnac環(huán)形光路內(nèi)嵌入非平衡Mach-Zehnder型光程掃描器的光學(xué)自相關(guān)儀及其幾種微小光程差產(chǎn)生與掃描方法完全不同于美國專利(專利號5341205 ；5557400)所提出的系統(tǒng)和掃描結(jié)構(gòu)，也完全不同于申請人之前申請的各種光學(xué)測量系統(tǒng)以及光程差的產(chǎn)生和掃描結(jié)構(gòu)。而且本發(fā)明所提供的測量方法能夠解決光纖陀螺生產(chǎn)過程中的關(guān)于寬譜光源、繞環(huán)光纖、光纖環(huán)、Y波導(dǎo)、耦合器等各個關(guān)鍵對光源透射光譜的影響及其透射光譜相干特性的影響。其獨特性是其它光學(xué)測量系統(tǒng)所不能替代的。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0008]本發(fā)明的目的在于提供一種可用于光纖陀螺研制和生產(chǎn)過程中的光源進(jìn)行測試與分析，也可用于對光纖陀螺系統(tǒng)中的光纖耦合器、光纖以及光纖環(huán)的光源透射光譜對光的相干特性影響測試的Sagnac環(huán)形光路內(nèi)嵌入非平衡Mach-Zehnder型光程掃描器的光學(xué)自相關(guān)儀。
[0009]本發(fā)明的目的是這樣實現(xiàn)的:
[0010]Sagnac環(huán)形光路內(nèi)嵌入非平衡Mach-Zehnder型光程掃描器的光學(xué)自相關(guān)儀，包括光源、三端口光纖環(huán)形器、3dB光纖耦合器、待測器件、非平衡Mach-Zehnder型光程差掃描器、分光器、光譜分析儀、光電轉(zhuǎn)換差動放大器、掃描控制單元、信號處理單元、自相關(guān)儀的數(shù)據(jù)總線和PC計算機，光源與三端口光纖環(huán)形器的a端口相連，光纖環(huán)形器b端口與3dB光纖耦合器的e輸入端相連接；而光纖環(huán)形器的c端口直接與第一光電探測器D1相連；3dB光纖耦合器f接口與待測器件相接，待測器件與非平衡Mach-Zehnder型光程掃描器相連接，非平衡Mach-Zehnder型光程掃描器的另一端與3dB光纖親合器的g端口相連，干涉信號分別由3dB光纖親合器的輸出端口經(jīng)由三端口環(huán)行器的c端口輸出到第一光電探測器；3dB光纖親合器的h輸出端口通過分光器6輸出到第二光電探測器D2,第一光電探測器和第二光電探測器經(jīng)過差動放大器進(jìn)行放大，放大信號輸出到信號處理單元10，經(jīng)由分光器6抵達(dá)光譜分析儀7的干涉信號以光譜的形式輸出相干光的譜域信號；通過掃描控制單元9驅(qū)動非平衡Mach-Zehnder型光程掃描器5形成兩路光程差的變化，實現(xiàn)對光程差的掃描，從而獲得自相關(guān)時域信號，由PC計算機通過數(shù)據(jù)總線11實現(xiàn)對光程差的掃描控制和時域數(shù)據(jù)及譜域數(shù)據(jù)的采集。
[0011]非平衡Mach-Zehnder型光程差掃描器將同一個光路分成兩路光，并通過調(diào)整其中的一路或兩路同時調(diào)整，從而完成對光程差的調(diào)制，實現(xiàn)對光程差的掃描。
[0012]寬譜光源選擇LED光源、SLD光源、ASE光源中的一種。
[0013]待測單元采用一段單模保偏光纖，寬譜光源成為待測光源，對寬譜光源自身的自相關(guān)函數(shù)和自相干光譜的測量與評估。
[0014]待測單元是串聯(lián)到Sagnac環(huán)形光路中的，對待測單元的測試與評估的，待測單元是下述器件中的一種:
[0015](I)待測單元是一段較長的光纖與待測單元的兩個測試端口相連，能獲得該光纖對于已知光源透射光譜濾波特性和光譜響應(yīng)特性；
[0016](2)待測單元是一個2X2光纖耦合器的任意兩個端口與待測單元的兩個測試端口相連，能獲得該光纖耦合器對于已知光源透射光譜濾波特性和光譜響應(yīng)特性；
[0017](3)待測單元是一個繞制的光纖陀螺環(huán)與待測單元的兩個測試端口相連，獲得該光纖陀螺環(huán)對于已知光源透射光譜濾波特性和光譜響應(yīng)特性。
[0018]非平衡Mach-Zehnder型光程差掃描器是下述裝置中的一種:
[0019](I)米用第一光纖準(zhǔn)直器將光束準(zhǔn)直后，由第一合光棱鏡將光束分成兩束，再經(jīng)過固定的反射鏡和第二合光棱鏡將兩束空間光通過第二光纖準(zhǔn)直器送回到環(huán)