采用保偏光纤的光纤光栅传感波长解调方案设计

采用保偏光纤的光纤光栅传感波长解调方案设计

采用保偏光纤的光纤光栅传感波长解调方案设计

孔 梅，石邦任

长春理工大学理学院，长春130022

摘要：光纤光栅的传感波长解调，是光纤光栅传感系统必不可少的重要部分，它很大程度上决定了传感系统的分辨率、可靠性和成本。本文设计了一种简单的采用保偏光纤的光栅传感波长解调方法，通过巧妙地采用带有保偏光纤的Sagnac环结构，可由光纤环输出光强的变化测得光栅波长的移动，实现了偏振无关探测。针对此测量方法，提出了为提高探测精度选取保偏光纤长度的依据。该解调方案具有结构简单、成本低、偏振无关、分辨精度可根据实际需要选择的优点。

关键词：光纤光栅，传感，波长解调 14

0 引言

光纤光栅是重要的传感器件。当光纤光栅所处环境的温度、应力、应变或其它物理量发生变化时，光栅的周期或纤芯折射率将发生变化，从而使光栅反射或透射光的中心波长发生变化，通过测量物理量变化前后光栅输出光波长的变化，就可以获得待测物理量的变化情况。为此，对光纤光栅的输出波长进行实时监测，分析出编码波长，也称光纤光栅的传感波长解调，是光纤光栅传感系统必不可少的重要部分，它很大程度上决定了传感系统的分辨率、可靠性和成本。采用高精度光谱仪对光栅传感信号进行光谱分析是一种有效的方法，但光谱仪价格高，信息的输出显示不直观，难以满足实际应用的需要。另一方面，解调应将编码波长信息转化为电信号以便处理输出，而探测器接收光信号时对波长不敏感。所以寻求适当的解调

[1]技术一直是光纤光栅传感应用的重要课题。本文设计了一种简单的采用保偏光纤的光栅传感波长解调方

法，通过巧妙地采用带有保偏光纤的Sagnac环结构，可由光纤环输出光强的变化测得布拉格波长的移动，实现了偏振无关探测，针对此测量方法，提出了为提高探测精度选取保偏光纤长度的依据。

13 采用保偏光纤的解调方案结构设计

与体光学中的延迟片类似，保偏光纤由于存在快轴和慢轴，也可以给垂直振动的两光场之间带来相位差的变化。设保偏光纤长为L，光波长为λ，则沿快、慢轴振动光场间的相位差为

=2π(ns nf)L

λ. （1）

如果将传感用布拉格光纤光栅的反射波入射到这样的保偏光纤中，设光波电场被等分到快、慢轴两个方向，经保偏光纤后用一普通光纤合波，出射光强将与沿快、慢轴振动光的相位差有关，在保偏光纤长度一定的情况下，它们的相位差则决定于布拉格光栅的反射波长。这样类似于干涉探测，可由输出光强的变化测得布拉格波长的移动。

但这一方法遇到的困难在于，光波在普通单模光纤中的偏振态是随机的，这样就不能保证与保偏光纤相连时，分配到沿快、慢轴振动的光波的比例。这会导致最后探测到的光强除了与布拉格波长有关外，还与入射光偏振态有关，从而不能由输出光强探测布拉格波长。

为了解决这一问题，本文设计将布拉格反射光接入一个光纤Sagnac环，见图1。该Sagnac环是将普通的3dB光纤耦合器的两个端口连接起来，并在环中接入一段保偏光纤构成的。尽管光纤双折射是无损耗14 电话：0434-5373045，E-mail: kongmei03@http://doc.guandang.net

228

采用保偏光纤的光纤光栅传感波长解调方案设计

的互易现象，但它对光偏振态的影响一般却是非互易的。

[2]按矩阵光学理论，光纤环顺时针和逆时针的琼斯矩阵可分别描述为

Mcw A B* A, Mccw= *= * BA B B , （2） A*

其中Mi=1 (i=cw或ccw)，代表系统是无损耗的。

图1 采用保偏光纤的光纤光栅传感波长解调结构

Fig.1 Structure of sensing wavelength demodulation for fiber grating sensors using a

polarization-maintaining fiber

下面对这个光纤环的输出特性进行分析。

3dB耦合器的相移性质是，对经耦合器的旁通光（如图1中的2号口入4号口出的光），相对于直通光（如由2号口入3号口出的光）会附加π

2的相移。

假定一线偏振光沿着保偏光纤的某一光轴从光纤环2号端口入射，该偏振光在3端口的输出可用琼斯

1 i 矩阵表示为 ,在4端口输出为 ,3端口输出光线在光纤环中沿顺时针传输，4端口输出光线沿逆时 0 0

针传输。3端口输出光到达耦合器在1端口输出为

1 A Mcw = . （3）

0 B

3端口输出光在耦合器中耦合到2端口的光要经历π

2的相移，所以其输出为

1 iπ iA Mcw e2= . （4）

0 iB

同理，4端口输出光经光纤环传输一周后，从1端输出光为

iπ iπ A 2eMccw e2= * , （5） 0 B

从2端口输出光场为

iπ iA 2Mccw e = * . （6） 0 iB

所以可知从1，2端口的输出分别为

0 A A E1= + * = , （7） iIB2 B B m()

229

采用保偏光纤的光纤光栅传感波长解调方案设计

iA iA 2A E2= + * =i , （8） 2RBiBiB() e

其中Re(B)代表B的实部，Im(B)代表B的虚部。

假设2端口的输入线偏振光沿另一光轴方向，即描述为 ，则按照同样的过程可求得1，2端口的输出分别为

E1= ' 0 1 2iIm(B) , （9） 0

Re(B) E2'=2i . （10） * A

Ex 从上面的分析可见，当输出入光具有任意偏振态，即输入光场为Ein= 时，1端口输出光场为 E y

Ey Eout=iIm(B) , （11）

Ex

00输入输出光场的关系可看成Ex分量被顺时针旋转90成为新的Ey分量，原Ey分量逆时针旋转90成为新

的Ex分量，各分量幅度改变相同的因子Im(B)，各分量也经历相同的相移

2π2。 2端口输入与1端口输出的强度关系为Iout=Im(B)Iin，即该光纤环的透射率为

T=Im(B) （12）

可见，无论入射光的偏振状态如何，1端口的输出光强只与光纤环的传输琼斯矩阵的耦合项B有关，即光纤环的强度传输函数对任何入射偏振都是一样的。

这样，该Sagnac光纤环的重要优点是具有偏振无关性，无论入射光偏振状态如何，都可以得到一样的强度透射率。

保偏光纤的琼斯矩阵与延迟片的一样，可描述为 2

Mcw

所以该光纤环的透射率为 cosisin 2 2 （13） = isin cos 2 2

1T=sin2 =(1 cos )， （14） 2 2

它只决定于入射光的波长。这样，通过探测图1中1端口的输出光强，即可测得布拉格波长的移动。 14 保偏光纤长度的优化选取

在实际的应用中还涉及保偏光纤长度的选取问题。将保偏光纤引入的相位差代入（14）式，可得到

2π(ns nf)L 1 . （15） T= 1 cos2 λ

为得到高的测量灵敏度，应使透射率对光波长的导数

dT1 2πns nfL 2πns nfL= sin （16） 2λdλ2 λ

230()()

采用保偏光纤的光纤光栅传感波长解调方案设计

尽量大，为此应有< …… 此处隐藏：2915字，全部文档内容请下载后查看。喜欢就下载吧 ……