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制造技术

本发明专利技术属于光纤技术领域，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。本发明专利技术包括光源、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。

【技术实现步骤摘要】
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
本专利技术属于光纤
，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。
技术介绍
光纤白光干涉技术与方法是光纤
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，为此本专利技术基于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。本专利技术所公开的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MatthewN.McLandrich,DonaldJ.Albares,和StephenA.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WayneV.Sorin和DouglasΜ.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。由于本专利技术所涉及的光程差是一个非常小的量，因此，本专利技术所提出的一种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。而且本专利技术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。
技术实现思路
本专利技术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。本专利技术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本文档来自技高网...

【技术保护点】
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。...

【技术特征摘要】
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，三端口光纤环形器b端口与3dB光纤耦合器的e输入端相连接；而三端口光纤环形器的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光纤环形器的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：所述的待测器件采用一段单模保偏光纤，光源成为待测光源，对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：所述的待测器件是串联到Sagnac环形光路中的，对待测器件的测试与评估的，待测器件是下述器件中的一种：(1)待测器件是一段较长的光纤与待测器件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)待测器件是一个2×2光纤耦合器的任意两个端口与待测器件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)待测器件是一个绕制的光纤陀螺环与待测器件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...

【专利技术属性】
技术研发人员：苑立波，
申请(专利权)人：哈尔滨工程大学，
类型：发明
国别省市：黑龙江;23