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Title:
MACH-ZEHNDER INTERFERENCE OPTICAL PATH STRUCTURE HAVING FULL POLARIZATION MAINTENANCE FUNCTION
Document Type and Number:
WIPO Patent Application WO/2019/090706
Kind Code:
A1
Abstract:
A Mach-Zehnder interference optical path structure having a full polarization maintenance function comprises a polarization beam splitting device (3), a first polarization maintenance relay device (4), a first Faraday rotation mirror (5), a second polarization maintenance relay device (6), a second Faraday rotation mirror (7), and a first polarization maintenance coupler (8). The first polarization maintenance relay device (4) comprises a first port, a second port, and a third port, wherein the first port receives a first polarized light output by the polarization beam splitting device (3), the second port is connected to the first Faraday rotation mirror (5), and the third port is connected to a first port of the first polarization maintenance coupler (8). The second polarization maintenance relay device (6) comprises a first port, a second port, and a third port, wherein the first port receives a second polarized light output by the polarization beam splitting device (3), the second port is connected to the second Faraday rotation mirror (7), and the third port is connected to a second port of the first polarization maintenance coupler (8). The structure is applicable to long-distance distributed optical fiber sensing, such as monitoring of optical fiber communication trunks, security monitoring of long-distance perimeter and oil and natural gas pipelines, etc.

Inventors:
XIAO, Qian (3-Storey, 10 Building Small and Medium-Sized Enterprises Entrepreneurship Park,North Industrial, Songshan Lake High-Tech Development Zon, Dongguan Guangdong 8, 523808, CN)
JIA, Bo (3-Storey, 10 Building Small and Medium-Sized Enterprises Entrepreneurship Park,North Industrial, Songshan Lake High-Tech Development Zon, Dongguan Guangdong 8, 523808, CN)
ZHOU, Pengwei (3-Storey, 10 Building Small and Medium-Sized Enterprises Entrepreneurship Park,North Industrial, Songshan Lake High-Tech Development Zon, Dongguan Guangdong 8, 523808, CN)
CHEN, Yongchao (3-Storey, 10 Building Small and Medium-Sized Enterprises Entrepreneurship Park,North Industrial, Songshan Lake High-Tech Development Zon, Dongguan Guangdong 8, 523808, CN)
Application Number:
CN2017/110507
Publication Date:
May 16, 2019
Filing Date:
November 10, 2017
Export Citation:
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Assignee:
GUANGDONG FU'AN TECHNOLOGY DEVELOPMENT CO., LTD (3-Storey, 10 Building Small and Medium-Sized Enterprises Entrepreneurship Park,North Industrial, Songshan Lake High-Tech Development Zon, Dongguan Guangdong 8, 523808, CN)
International Classes:
G01D5/353
Foreign References:
CN107741244A2018-02-27
CN207423216U2018-05-29
CN102564477A2012-07-11
CN101183014A2008-05-21
CN202649279U2013-01-02
CN102928198A2013-02-13
EP0482461A11992-04-29
US6160627A2000-12-12
Attorney, Agent or Firm:
PSHIP FIRM, LLC (Room 19F, No. 2 315 Lane,Hutai Road, Jingan District, Shanghai 0, 200070, CN)
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Claims:
[权利要求 1] 一种具有全保偏功能的 M-Z干涉光路结构, 其特征在于, 包括偏振分 光装置 (3)、 第一保偏中转装置 (4)、 第一法拉第旋转镜 (5)、 第二保偏 中转装置 (6)、 第二法拉第旋转镜 (7)、 第一保偏耦合器 (8);

所述偏振分光装置 (3)用于接收光源输入的光, 并输出偏振状态一致 的第一偏振光和第二偏振光;

所述第一保偏中转装置 (4)包括第一端口、 第二端口、 第三端口, 所 述第一保偏中转装置 (4)的第一端口接收所述偏振分光装置 (3)输出的 所述第一偏振光, 所述第一保偏中转装置 (4)的第二端口与所述第一 法拉第旋转镜 (5)相连, 所述第一保偏中转装置 (4)的第三端口与所述 第一保偏耦合器 (8)的第一端口相连, 其中, 所述第一保偏中转装置 (4 )的第一端口与所述偏振分光装置 (3)之间、 所述第一保偏中转装置 (4) 的第三端口与所述第一保偏耦合器 (8)的第一端口之间相连的光纤是 保偏光纤;

所述第二保偏中转装置 (6)包括第一端口、 第二端口、 第三端口, 所 述第二保偏中转装置 (6)的第一端口接收所述偏振分光装置 (3)输出的 所述第二偏振光, 所述第二保偏中转装置 (6)的第二端口与所述第二 法拉第旋转镜 (Ό相连, 所述第二保偏中转装置 (6)的第三端口与所述 第一保偏耦合器 (8)的第二端口相连, 其中, 所述第二保偏中转装置 (6 )的第一端口与所述偏振分光装置 (3)之间、 所述第二保偏中转装置 (6) 的第三端口与所述第一保偏耦合器 (8)的第二端口之间相连的光纤是 保偏光纤。

[权利要求 2] 如权利要求 1所述的具有全保偏功能的 M-Z干涉光路结构, 其特征在 于, 所述 M-Z干涉光路结构还包括注入光纤 (9), 所述光源输入的光是 线偏振光, 所述注入光纤 (9)为保偏光纤, 所述线偏振光沿着所述注 入光纤 (9)的工作主轴的偏振主轴输入所述偏振分光装置 (3)。

[权利要求 3] 如权利要求 1或 2所述的具有全保偏功能的 M-Z干涉光路结构, 其特征 在于, 所述偏振分光装置 (3)是保偏分束器。 [权利要求 4] 如权利要求 1或 2所述的具有全保偏功能的 M-Z干涉光路结构, 其特征 在于, 所述偏振分光装置 (3)为保偏耦合装置。

[权利要求 5] 如权利要求 4所述的具有全保偏功能的 M-Z干涉光路结构, 其特征在 于 , 所述偏振分光装置 (3)为单轴或双轴工作的保偏耦合装置。

[权利要求 6] 如权利要求 1或 2所述的具有全保偏功能的 M-Z干涉光路结构, 其特征 在于, 所述第一保偏中转装置 (4)和所述第二保偏中转装置 (6)均是偏 振分束器, 所述第一保偏中转装置 (4)的第一端口和第三端口是分波 端口, 所述第一保偏中转装置 (4)的第二端口是合波端口, 所述第二 保偏中转装置 (6)的第一端口和第三端口是分波端口, 所述第二保偏 中转装置 (6)的第二端口是合波端口。

[权利要求 7] 如权利要求 1或 2所述的具有全保偏功能的 M-Z干涉光路结构, 其特征 在于, 所述第一保偏中转装置 (4)和第二保偏中转装置 (6)均采用 90°的 保偏熔接。

[权利要求 8] 如权利要求 1或 2所述的具有全保偏功能的 M-Z干涉光路结构 , 其特征 在于, 所述第一保偏中转装置 (4)包括第一保偏环形器 (41)、 第一偏振 器 (42) , 所述第一保偏环形器 (41)的第一端口接收所述偏振分光装置 ( 3)输出的所述第一偏振光, 所述第一保偏环形器 (41)的第二端口与所 述第一法拉第旋转镜 (5)相连, 所述第一保偏环形器 (41)的第三端口与 所述第一偏振器 (4 相连, 所述第一偏振器 (4 与所述第一保偏耦合 器 (8)的第一端口相连, 其中, 所述第一保偏环形器 (41)的第一端口与 所述偏振分光装置 (3)之间、 所述第一保偏环形器 (41)的第三端口与所 述第一偏振器 (42)之间、 所述第一偏振器 (42)与所述第一保偏耦合器( 的第一端口之间相连的光纤是保偏光纤;

所述第二保偏中转装置 (6)包括第二保偏环形器 (61)、 第二偏振器 (62) , 所述第二保偏环形器 (61)的第一端口接收所述偏振分光装置 (3)输出 的所述第二偏振光, 所述第二保偏环形器 (61)的第二端口与所述第二 法拉第旋转镜 (7)相连, 所述第二保偏环形器 (61)的第三端口与所述第 二偏振器 (62)相连, 所述第二偏振器 (62)与所述第一保偏耦合器 (8)的 第二端口相连, 其中, 所述第二保偏环形器 (61)的第一端口与所述偏 振分光装置 (3)之间、 所述第二保偏环形器 (61)的第三端口与所述第二 偏振器 (6¾之间、 所述第二偏振器 (6 与所述第一保偏耦合器 (8)的第 二端口之间相连的光纤是保偏光纤。

[权利要求 9] 如权利要求 1或 2所述的具有全保偏功能的 M-Z干涉光路结构, 其特征 在于, 所述第一保偏中转装置 (4)的第二端口与所述第一法拉第旋转 镜 (5)之间、 所述第二保偏中转装置 (6)的第二端口与所述第二法拉第 旋转镜 (7)之间相连的光纤被传感光缆 (16)包裹。

[权利要求 10] 如权利要求 1或 2所述的具有全保偏功能的 M-Z干涉光路结构, 其特征 在于, 所述第一保偏耦合器 (8)为两路或多路保偏光纤耦合器。

Description:
发明名称:一种具有全保偏功能的 M-Z干涉光路结构 技术领域

[0001] 本发明涉及光纤传感技术领域, 特别是涉及一种具有全保偏功能的 M-Z干涉光 路结构。

背景技术

[0002] 随着光纤技术的发展, 光纤传感技术为越来越多的应用领域所重视, 其中 M-Z

(Mach-Zehnder, 马赫-曾德尔) 干涉结构是常见的一种传感技术, 常被用于光 纤周界等振动探测技术中 (参考文献: 激光与红外, 朱燕、 代志勇等, 分布式 光纤振动传感技术及发展动态, 2011, 10, P1072) , 具体结构如图 1所示, 其中 , 1^和1^ 2 为单模光纤, 第一耦合器 1将光源发出的光分成两路, 分别注入单模光 纤 1^和1^, 经单模光纤 L P !^传输的光在第二耦合器 2处汇合, 发生干涉, 干 涉信号经由探测器进行探测。 在该结构中, 单模光纤 1^和/或 L 2 为传感光纤, 当有外界扰动作用在传感光纤, 例如单模光纤 上, 将引起光程的变化, 通过 干涉作用, 便可将光程变化转变为干涉光强的变化, 从而实现对线路扰动情况 的监测。

[0003] 上述 M-Z干涉结构虽然实现简单, 但是, 由于单模光纤自身的偏振特性极易受 到外界环境因素的影响, 致使在经单模光纤 L L 2 传输后的两束光到达第二耦 合器 2处的偏振状态是随机的, 因此形成干涉的光的偏振态也一直在发生着变 化 , 在极端情况下, 当这两束光偏振态相互正交时, 这两束光将不会形成干涉, 探测器将探测不到干涉信号。 因此, 这种利用单模光纤实现的 M-Z结构, 常因偏 振稳定性差, 而出现严重的误、 漏报。 由光学知识可知, 如果利用保偏光纤构 成全保偏结构, 可以解决偏振稳定性差的问题, 但是, 由于保偏光纤的成本因 素, 降低了该技术的可用性。 同时, 该技术也无法利用已经布设好的通信光缆 实现传感, 不适用于分布式光纤传感。 在分布式光纤传感技术中, 为了保证技 术的实用性, 仍釆用通信上常用的单模光纤作为传感光纤, 例如, 在油气管线 安全监测技术中, 利用沿着油气管线铺设的单模光缆实现传感。 技术问题

[0004] 由于单模光纤自身的偏振特性极易受到外界环 境因素的影响, 致使在经单模光 纤 Ll、 L2传输后的两束光到达第二耦合器 2处的偏振状态是随机的, 因此形成干 涉的光的偏振态也一直在发生着变化, 在极端情况下, 当这两束光偏振态相互 正交时, 这两束光将不会形成干涉, 探测器将探测不到干涉信号。 因此, 这种 利用单模光纤实现的 M-Z结构, 常因偏振稳定性差, 而出现严重的误、 漏报。 由 光学知识可知, 如果利用保偏光纤构成全保偏结构, 可以解决偏振稳定性差的 问题, 但是, 由于保偏光纤的成本因素, 降低了该技术的可用性。 同吋, 该技 术也无法利用已经布设好的通信光缆实现传感 , 不适用于分布式光纤传感。 在 分布式光纤传感技术中, 为了保证技术的实用性, 仍釆用通信上常用的单模光 纤作为传感光纤, 例如, 在油气管线安全监测技术中, 利用沿着油气管线铺设 的单模光缆实现传感。

问题的解决方案

技术解决方案

[0005] 鉴于以上所述现有技术的缺点, 本发明的目的在于提供一种具有全保偏功能的 M-Z干涉光路结构, 用于解决因单模光纤偏振易感性造成的偏振稳 定性差而无法 实现传感的问题。

[0006] 为实现上述目的及其他相关目的, 本发明提供一种具有全保偏功能的 M-Z干涉 光路结构, 包括偏振分光装置、 第一保偏中转装置、 第二保偏中转装置、 第一 法拉第旋转镜、 第二法拉第旋转镜、 第一保偏耦合器, 所述偏振分光装置用于 接收光源输入的光, 并输出偏振状态一致的第一偏振光和第二偏振 光; 所述第 一保偏中转装置包括第一端口、 第二端口、 第三端口, 所述第一保偏中转装置 的第一端口接收所述偏振分光装置输出的所述 第一偏振光, 所述第一保偏中转 装置的第二端口与所述第一法拉第旋转镜相连 , 所述第一保偏中转装置的第三 端口与所述第一保偏耦合器的第一端口相连, 其中, 所述第一保偏中转装置的 第一端口与所述偏振分光装置之间、 所述第一保偏中转装置的第三端口与所述 第一保偏耦合器的第一端口之间相连的光纤是 保偏光纤; 所述第二保偏中转装 置包括第一端口、 第二端口、 第三端口, 所述第二保偏中转装置的第一端口接 收所述偏振分光装置输出的所述第二偏振光, 所述第二保偏中转装置的第二端 口与所述第二法拉第旋转镜相连, 所述第二保偏中转装置的第三端口与所述第 一保偏耦合器的第二端口相连, 其中, 所述第二保偏中转装置的第一端口与所 述偏振分光装置之间、 所述第二保偏中转装置的第三端口与所述第一 保偏耦合 器的第二端口之间相连的光纤是保偏光纤。

[0007] 进一步地, 所述 M-Z干涉光路结构还包括注入光纤, 所述光源输入的光是线偏 振光, 所述注入光纤为保偏光纤, 所述线偏振光沿着所述注入光纤的工作主轴 的偏振主轴输入所述偏振分光装置。

[0008] 进一步地, 所述偏振分光装置是保偏分束器。

[0009] 进一步地, 所述偏振分光装置为保偏耦合装置。

[0010] 进一步地, 所述偏振分光装置是单轴或双轴工作的保偏耦 合装置。

[0011] 进一步地, 所述第一保偏中转装置和所述第二保偏中转装 置均是偏振分束器, 所述第一保偏中转装置的第一端口和第三端口 是分波端口, 所述第一保偏中转 装置的第二端口是合波端口, 所述第二保偏中转装置的第一端口和第三端口 是 分波端口, 所述第二保偏中转装置的第二端口是合波端口 。

[0012] 进一步地, 所述第一保偏中转装置和第二保偏中转装置均 釆用 90°的保偏熔接

[0013] 进一步地, 所述第一保偏中转装置包括第一保偏环形器、 第一偏振器, 所述第 一保偏环形器的第一端口接收所述偏振分光装 置输出的所述第一偏振光, 所述 第一保偏环形器的第二端口与所述第一法拉第 旋转镜相连, 所述第一保偏环形 器的第三端口与所述第一偏振器相连, 所述第一偏振器与所述第一保偏耦合器 的第一端口相连, 其中, 所述第一保偏环形器的第一端口与所述偏振分 光装置 之间、 所述第一保偏环形器的第三端口与所述第一偏 振器之间、 所述第一偏振 器与所述第一保偏耦合器的第一端口之间相连 的光纤是保偏光纤; 所述第二保 偏中转装置包括第二保偏环形器、 第二偏振器, 所述第二保偏环形器的第一端 口接收所述偏振分光装置输出的所述第二偏振 光, 所述第二保偏环形器的第二 端口与所述第二法拉第旋转镜相连, 所述第二保偏环形器的第三端口与所述第 二偏振器相连, 所述第二偏振器与所述第一保偏耦合器的第二 端口相连, 其中 , 所述第二保偏环形器的第一端口与所述偏振分 光装置之间、 所述第二保偏环 形器的第三端口与所述第二偏振器之间、 所述第二偏振器与所述第一保偏耦合 器的第二端口之间相连的光纤是保偏光纤。

[0014] 进一步地, 所述第一保偏中转装置的第二端口与所述第一 法拉第旋转镜之间、 所述第二保偏中转装置的第二端口与所述第二 法拉第旋转镜之间相连的光纤被 传感光缆包裹。

[0015] 进一步地, 所述第一保偏耦合器为两路或多路保偏光纤耦 合器。

发明的有益效果

有益效果

[0016] 本发明提出一种具有全保偏功能的 M-Z干涉光路结构, 具有以下有益效果: [0017] (1) 利用保偏光纤器件的特性, 在干涉光路中存在单模光纤的情况下, 实现 了具有全保偏功能的 M-Z光路结构;

[0018] (2) 相干光束偏振一致性高, 具有高的干涉条纹清晰度, 可获得高的测量灵 敏度、 精度;

[0019] (3) 干涉光束采取单偏振工作模式, 可以在一定程度上消除光纤路径中的背 向散射光的影响;

[0020] (4) 由于单模光纤的使用, 可利用单模光纤作为传感光纤, 特别是可利用已 铺设好的通信用光缆实现传感, 适用性强, 易于该技术的推广与应用。

[0021] 本发明特别适用于长距离分布式光纤传感, 例如, 可用于光纤通信干线的监控

, 长距离周界、 石油、 天然气管线的安全性监控等领域。

对附图的简要说明

附图说明

[0022] 图 1是现有的一种 M-Z干涉光路结构。

[0023] 图 2为本发明第一实施例的具有全保偏功能的 M-Z干涉光路结构。

[0024] 图 3为本发明第二实施例的具有全保偏功能的 M-Z干涉光路结构。

[0025] 图 4为本发明第三实施例的具有全保偏功能的 M-Z干涉光路结构。

[0026] 其中, L1和 L2为单模光纤, 1为第一耦合器、 2为第二耦合器, 3为偏振分光装 置, 4为第一保偏中转装置, 5为第一法拉第旋转镜, 6为第二保偏中转装置, 7 为第二法拉第旋转镜, 8为第一保偏耦合器; 9为 3的注入光纤, 为保偏光纤; 10 为偏振分光装置 3与第一保偏中转装置 4之间的光纤; 11为第一保偏中转装置 4与 第一保偏耦合器 8之间的光纤; 12为偏振分光装置 3、 第二保偏中转装置 6之间的 光纤; 13为第二保偏中转装置 6、 第一保偏耦合器 8之间的光纤; 14为第一保偏 中转装置 4、 第一法拉第旋转镜 5之间的光纤; 15为第二保偏中转装置 6、 第二法 拉第旋转镜 7之间的光纤; 41为第一保偏环形器, 61为第二保偏环形器, 42为第 一偏振器, 62为第二偏振器; 111为第一保偏环形器 41、 第一偏振器 42之间的光 纤; 131为第二保偏环形器 61、 第二偏振器 62之间的光纤; 112为第一保偏耦合 器 8、 第一偏振器 42之间的光纤; 132为第一保偏耦合器 8、 第二偏振器 62之间的 光纤; 16为传感光缆, 17为第一保偏耦合器 8的输出光纤。

发明实施例

本发明的实施方式

[0027] 图 2为本发明第一实施例的 M-Z干涉光路结构。 如图 2所示, 本发明第一实施例 的 M-Z干涉光路结构包括偏振分光装置 3、 第一保偏中转装置 4、 第一法拉第旋转 镜 5、 第二保偏中转装置 6、 第二法拉第旋转镜 7、 第一保偏耦合器 8。

[0028] 在一实施方式中, 偏振分光装置 3可以但不限于为保偏分束器, 也可以为单轴 或双轴工作的保偏耦合装置, 和 /或第一保偏中转装置 4可以但不限于为偏振分束 器, 也可以为保偏环形器, 和 /或第一保偏中转装置 6可以但不限于为偏振分束器 , 也可以为保偏环形器, 和 /或第一保偏耦合器 8可以但不限于两路保偏光纤耦合 器, 也可以为多路保偏光纤耦合器。 其中, 第一保偏中转装置 4是偏振分束器吋 , 第一保偏中转装置 4的第一端口和第三端口是分波端口, 第一保偏中转装置 4 的第二端口是合波端口; 第二保偏中转装置 6是偏振分束器时, 第二保偏中转装 置 6的第一端口和第三端口是分波端口, 第二保偏中转装置 6的第二端口是合波 端口。

[0029] 在一实施方式中, M-Z干涉光路结构还包括注入光纤 9, 光源输入的光是线偏 振光, 注入光纤 9为保偏光纤, 线偏振光沿着注入光纤 9的工作主轴的偏振主轴 输入偏振分光装置 3 , 因注入光纤 9是保偏光纤, 则在注入光纤 9中线偏振光的偏 振方向保持不变。 [0030] 第一保偏中转装置 4包括第一端口、 第二端口、 第三端口, 第一保偏中转装置 4 的第一端口接收偏振分光装置 3输出的第一偏振光, 第一保偏中转装置 4的第二 端口与第一法拉第旋转镜 5相连, 第一保偏中转装置 4的第三端口与第一保偏耦 合器 8的第一端口相连, 其中, 第一保偏中转装置 4的第一端口与偏振分光装置 3 之间相连的光纤 10、 第一保偏中转装置 4的第三端口与第一保偏耦合器 8的第一 端口之间相连的光纤 11均是保偏光纤。 第二保偏中转装置 6包括第一端口、 第二 端口、 第三端口, 第二保偏中转装置 6的第一端口接收偏振分光装置 3输出的第 二偏振光, 第二保偏中转装置 6的第二端口与第二法拉第旋转镜 7相连, 第二保 偏中转装置 6的第三端口与第一保偏耦合器 8的第二端口相连, 其中, 第二保偏 中转装置 6的第一端口与偏振分光装置 3之间相连的光纤 12、 第二保偏中转装置 6 的第三端口与第一保偏耦合器 8的第二端口之间相连的光纤 13均是保偏光纤。

[0031] 其中, 偏振分光装置 3用于接收光源输入的光, 并输出偏振状态一致的第一偏 振光和第二偏振光。 偏振分光装置 3是偏振分光的器件, 用于获得两束偏振状态 一致的偏振光, 但本发明并不以此为限, 偏振分光装置 3也可以是获得具有确定 偏振状态的多路光束的器件。

[0032] 第一保偏中转装置 4具有从第一端口输入的光, 光仅从第二端口输出, 从第二 端口输入的光, 光仅从第三端口输出的功能; 第二保偏中转装置 6具有从第一端 口输入的光, 光仅从第二端口输出, 从第二端口输入的光, 光仅从第三端口输 出的功能。

[0033] 具体地, 当光源输入到偏振分光装置 3, 偏振分光装置 3通过偏振分光, 获得两 束偏振状态一致的偏振光。 这两束偏振光分别为第一偏振光和第二偏振光 。 第 一偏振光先通过光纤 10输入到第一保偏中转装置 4的第一端口, 而光纤 10是保偏 光纤, 则在光纤 10中第一偏振光的偏振方向保持不变。 第一偏振光再从第一保 偏中转装置 4的第二端口输出, 通过连接在第一保偏中转装置 4的第二端口和法 拉第旋转镜 5之间的光纤 14, 传输到法拉第旋转镜 5, 经法拉第旋转镜 5反射后经 光纤 14原路返回至第一保偏中转装置 4的第二端口。 其中, 第一偏振光在传输到 法拉第旋转镜 5吋和从法拉第旋转镜 5反射输出吋, 其偏振方向会旋转 90度, 而 第一偏振光在光纤 14中是原路返回的, 所以无论第一偏振光在光纤 14的传输过 程中产生何种偏振方向变化, 从第一保偏中转装置 4的第二端口输出和输入的第 一偏振光的偏振方向仅改变了 90度, 也就是说, 光纤 14可以使用单模光纤, 即 使第一偏振光在光纤 14中受到外界环境因素的影响而改变偏振方向 但是第一 偏振光在回到第一保偏中转装置 4的第二端口时, 第一偏振光的偏振方向与从第 一保偏中转装置 4的第二端口输出时是固定改变 90度, 因此, 光纤 14即使使用单 模光纤, 也不影响第一偏振光从光纤 14输出时相对从光纤 14输入时的偏振光的 偏振态的稳定性。

[0034] 同样, 第二偏振光通过光纤 12输入到第二保偏中转装置 6的第一端口, 而光纤 1 2是保偏光纤, 则在光纤 12中第二偏振光的偏振态保持不变。 第二保偏中转装置 6的第二端口输出第二偏振光, 通过连接在第二保偏中转装置 6的第二端口和法 拉第旋转镜 7之间的光纤 15 , 传输到法拉第旋转镜 7, 经法拉第旋转镜 7反射后的 第二偏振光经光纤 15原路返回至第二保偏中转装置 6的第二端口。 其中, 第二偏 振光在传输到法拉第旋转镜 7时和从法拉第旋转镜 7反射输出时, 其偏振方向会 旋转 90度, 而第二偏振光在光纤 15中是原路返回的, 所以无论第一偏振光在光 纤 15的传输过程中产生何种偏振方向变化, 从第二保偏中转装置 6的第二端口输 出和输入的第二偏振光的偏振方向仅改变了 90度, 也就是说, 光纤 15可以使用 单模光纤, 即使第二偏振光在光纤 15中受到外界环境因素的影响而改变偏振方 向, 但是第二偏振光在回到第二保偏中转装置 6的第二端口吋, 第二偏振光的偏 振方向与从第二保偏中转装置 6的第二端口输出时是固定改变 90度, 因此, 光纤 15即使使用单模光纤, 也不影响第一偏振光从光纤 15输出时相对从光纤 15输入 吋的偏振态的稳定性。

[0035] 然后, 第一保偏中转装置 4的第三端口输出的第一偏振光通过光纤 11输入到第 一保偏耦合器 8, 第二保偏中转装置 6的第三端口输出的第二偏振光通过光纤 13 输入到第一保偏耦合器 8。 其中, 光纤 11和光纤 13是保偏光纤, 则在光纤 1 1中第 一偏振光的偏振方向保持不变, 在光纤 13中第二偏振光的偏振方向保持不变。 第一偏振光和第二偏振光的偏振状态一致, 并在第一保偏耦合器 8处进行干涉, 干涉信号可由探测器进行探测。

[0036] 其中, 光纤 10、 光纤 11、 光纤 12、 光纤 13都是保偏光纤, 因而能使与其偏振主 轴一致的方向入射的偏振光保持其偏振性。 第一偏振光、 第二偏振光均沿偏振 主轴传输, 设光纤 10中第一偏振光传输时对应的偏振主轴方向的 振主轴是工 作主轴, 则第二偏振光在光纤 12中也是沿工作主轴传输。 设偏振光在工作主轴 方向偏振的光的偏振态为垂直偏振态, 用"丄"表示, 与垂直偏振态正交的偏振态 为水平偏振, 用' ΊΓ表示。 则第一偏振光传输到第一保偏中转装置 4的第一端口时 , 第一偏振光是垂直偏振。 当第一偏振光从法拉第旋转镜 5返回到第一保偏中转 装置 4的第二端口, 第一偏振光相对于其输入第一保偏中转装置 4的第一端口时 偏振方向旋转了 90度, 即是水平偏振。 第一偏振光从第一保偏中转装置 4的第三 端口输出时, 第一偏振光是水平偏振。 同样地, 第二偏振光传输到第二保偏中 转装置 6的第一端口吋, 第二偏振光是垂直偏振; 当第二偏振光从法拉第旋转镜 7返回到第二保偏中转装置 6的第二端口, 第二偏振光相对于其输入第二保偏中 转装置 6的第一端口时, 偏振方向旋转了 90度, 即是水平偏振; 第二偏振光从第 二保偏中转装置 6的第三端口输出时, 第二偏振光是水平偏振。 而第一偏振光通 过光纤 11输入第一保偏耦合器 8, 第二偏振光通过光纤 13输入第一保偏耦合器 8 , 所以输入第一保偏耦合器 8的第一偏振光、 第二偏振光的偏振态相同且都是水 平偏振, 第一偏振光、 第二偏振光在第一保偏耦合器 8处进行干涉, 干涉信号可 由探测器进行探测。

在一实施方式中, 为使偏振光始终沿工作主轴传输, 可以根据需要, 保偏光纤 的熔接采用 0°或 90°的保偏熔接方式。 具体地, 沿着注入光纤 9的工作主轴的偏振 主轴注入一垂直偏振的线偏振光, 光纤 14、 光纤 15为单模光纤, 第一保偏中转 装置 4和第二保偏中转装置 6为偏振分束器, 则第一偏振光从第一保偏中转装置 4 的第三端口输出时, 第一偏振光是水平偏振, 则为了使第一偏振光始终沿工作 主轴传输, 在第一保偏中转装置 4的第三端口与光纤 11间采用 90°的保偏熔接。 同 样, 当第二偏振光从第二保偏中转装置 6的第三端口输出时, 第二偏振光是水平 偏振, 为了使第二偏振光始终沿工作主轴传输, 在第二保偏中转装置 6的第三端 口与光纤 13间采用 90°的保偏熔接。 所以输入第一保偏耦合器 8的第一偏振光、 第 二偏振光的偏振态相同且都是垂直偏振, 第一偏振光、 第二偏振光在第一保偏 耦合器 8处进行干涉, 干涉信号可由探测器进行探测。 第一偏振光、 第二偏振光 的偏振变化如下所示:

[0038] I: 注入光纤 9 (丄) →偏振分光装置 3 (丄) →光纤 10 (丄) →第一保偏中转装 置 4 (丄) →光纤 14 (丄或随机) →第一法拉第旋转镜 5 (随机) →光纤 14 (随机 ) →第一保偏中转装置 4 (II) 光纤 11 (丄) 第一保偏耦合器 8 (丄)

[0039] Π: 注入光纤 9 (丄) →偏振分光装置 3 (丄) →光纤 12 (丄) →第二保偏中转装 置 6 (丄) →光纤 15 (丄或随机) →第二法拉第旋转镜 7 (随机) →光纤 15 (随机 ) →第二保偏中转装置 6 (II) →光纤 13 (丄) 第一保偏耦合器 8 (丄)

[0040] 可见, 整个光的传输过程中, 除了光纤 14、 光纤 15、 第一保偏中转装置 4、 第 二保偏中转装置 6中的光, 其余的光都沿着保偏光纤工作主轴方向传输, 保证了 最终回到第一保偏耦合器 8吋的光偏振态一致; 同吋, 由于确保在相干光束会合 吋的光的单偏振态, 因而可以在一定程度上消除来自传感光纤路径 上的背向散 射光。

[0041] 本发明第一实施例釆用了单模光纤和法拉第旋 转镜的组合, 消除了单模光纤上 偏振变化对干涉的影响, 因而特别适用于长距离分布式光纤传感, 如用于光纤 通信干线的监控, 长距离周界、 石油、 天然气管线的安全性监控等领域。

[0042] 图 3为本发明第二实施例的 M-Z干涉光路结构。 如图 3所示的 M-Z干涉光路结构 与图 2所示的 M-Z干涉光路结构基本相同, 不同之处仅仅在于: 偏振分光装置 3是 保偏耦合装置。 具体地, 偏振分光装置 3为单轴或双轴工作的保偏耦合装置; 第 一保偏中转装置 4包括第一保偏环形器 41和第一偏振器 42; 第二保偏中转装置 6 包括第二保偏环形器 61和第二偏振器 62。 第一保偏环形器 41的第一端口接收偏 振分光装置 3输出的第一偏振光 , 第一保偏环形器 41的第二端口与第一法拉第旋 转镜 5相连, 第一保偏环形器 41的第三端口与第一偏振器 42相连, 第一偏振器 42 与第一保偏耦合器 8的第一端口相连, 其中, 第一保偏环形器 41的第一端口与偏 振分光装置 3之间相连的光纤 10、 第一保偏环形器 41的第三端口与第一偏振器 42 之间相连的光纤 111、 第一偏振器 42与第一保偏耦合器 8的第一端口之间相连的 光纤 112均是保偏光纤。 第二保偏环形器 61的第一端口接收偏振分光装置 3输出 的第二偏振光, 第二保偏环形器 61的第二端口与第二法拉第旋转镜 7相连, 第二 保偏环形器 61的第三端口与第二偏振器 62相连, 第二偏振器 62与第一保偏耦合 器 8的第二端口相连, 其中, 第二保偏环形器 61的第一端口与偏振分光装置 3之 间相连的光纤 12、 第二保偏环形器 61的第三端口与第二偏振器 62之间相连的光 纤 131、 第二偏振器 62与第一保偏耦合器 8的第二端口之间相连的光纤 132均是保 偏光纤。

[0043] 其中, 第一保偏环形器 41具有从第一端口输入的光, 光仅从第二端口输出, 从 第二端口输入的光, 光仅从第三端口输出的功能; 第二保偏环形器 61具有从第 一端口输入的光, 光仅从第二端口输出, 从第二端口输入的光, 光仅从第三端 口输出的功能。 第一偏振器 42、 第二偏振器 62, 用于获得偏振光, 并过滤掉和 偏振光偏振方向不同的杂散光。

[0044] 在一实施方式中, M-Z干涉光路结构还包括注入光纤 9, 光源输入的光是线偏 振光, 注入光纤 9为保偏光纤, 线偏振光沿着注入光纤 9的工作主轴的偏振主轴 输入偏振分光装置 3, 因注入光纤 9是保偏光纤, 则在注入光纤 9中线偏振光的偏 振方向保持不变。

[0045] 其中, 光纤 10、 光纤 111、 光纤 112、 光纤 12、 光纤 131、 光纤 132都是保偏光纤

, 因而能使与其偏振主轴一致的方向入射的偏振 光保持其偏振性。 第一偏振光 、 第二偏振光均沿偏振主轴传输, 设光纤 10中第一偏振光传输时对应的偏振主 轴方向的偏振主轴是工作主轴, 则第二偏振光在光纤 12中也是沿工作主轴传输 。 设偏振光在工作主轴方向偏振的光的偏振态为 垂直偏振态, 用"丄"表示, 与垂 直偏振态正交的偏振态为水平偏振, 用 ΊΓ表示。 则第一偏振光传输到第一保偏 环形器 41的第一端口时, 第一偏振光是垂直偏振。 当第一偏振光从法拉第旋转 镜 5返回到第一保偏环形器 41的第二端口 , 第一偏振光相对于其输入第一保偏环 形器 41的第一端口吋偏振方向旋转了 90度, 即是水平偏振。 第一偏振光从第一 保偏环形器 41的第三端口输出吋, 第一偏振光是水平偏振。 同样地, 第二偏振 光传输到第二保偏环形器 61的第一端口时, 第二偏振光是垂直偏振; 当第二偏 振光从法拉第旋转镜 7返回到第二保偏环形器 61的第二端口 , 第二偏振光相对于 其输入第一保偏环形器 41的第一端口吋偏振方向旋转了 90度, 即是水平偏振。 第二偏振光从第二保偏环形器 61的第三端口输出吋, 第二偏振光是水平偏振。 而第一偏振光通过光纤 111输入第一偏振器 42, 再输入第一保偏耦合器 8, 第二 偏振光通过光纤 13输入第二偏振器 62, 再输入第一保偏耦合器 8 , 所以输入第一 保偏耦合器 8的第一偏振光、 第二偏振光的偏振态相同且都是水平偏振, 第一偏 振光、 第二偏振光在第一保偏耦合器 8处进行干涉, 干涉信号可由探测器进行探

[0046] 在一实施方式中, 为使偏振光始终沿工作主轴传输, 可以根据需要, 保偏光纤 的熔接釆用 0°或 90°的保偏熔接方式。 具体地, 沿着注入光纤 9的工作主轴的偏振 主轴注入一垂直偏振的线偏振光, 光纤 14、 光纤 15为单模光纤, 第一保偏中转 装置 4和第二保偏中转装置 6为偏振分束器, 则当第一偏振光从第一保偏环形器 4 1的第三端口输出时, 第一偏振光是水平偏振, 则为了使第一偏振光始终沿工作 主轴传输, 在第一保偏环形器 41的第三端口与光纤 111间釆用 90°的保偏熔接。 同 样, 当第二偏振光从第二保偏环形器 61的第三端口输出吋, 第二偏振光是水平 偏振, 为了使第二偏振光始终沿工作主轴传输, 在第二保偏环形器 61的第三端 口与光纤 131间采用 90°的保偏熔接。 所以输入第一保偏耦合器 8的第一偏振光、 第二偏振光的偏振态相同且都是垂直偏振, 第一偏振光、 第二偏振光在第一保 偏耦合器 8处进行干涉, 干涉信号可由探测器进行探测。 第一偏振光、 第二偏振 光的偏振变化如下所示:

[0047] I: 注入光纤 9 (丄) →偏振分光装置 3 (丄) →光纤 10 (丄) 第一保偏环形器 4 1 →光纤 14 (丄或随机) →第一法拉第旋转镜 5 (随机) →光纤 14 (随机) →第一保偏环形器 41 (II) →光纤 111 (丄) 第一偏振器 42 (丄) →光纤 112 (丄 ) →第一保偏耦合器 8 (±)

[0048] Π: 注入光纤 9 (丄) →偏振分光装置 3 (丄) →光纤 12 第二保偏环形器 6 1 →光纤 15 (丄或随机) →第二法拉第旋转镜 7 (随机) →光纤 15 (随机) →第二保偏环形器 61 (II) →光纤 131 (丄) 第二偏振器 62 (丄) →光纤 132 (丄 ) →第一保偏耦合器 8 (丄)

[0049] 可见, 整个光的传输过程中, 除了光纤 14、 光纤 15、 第一保偏环形器 41、 第二 保偏环形器 61中的光, 其余的光都沿着保偏光纤的工作主轴方向传输 , 保证了 最终回到第一保偏耦合器 8吋的光偏振态一致; 同吋, 由于确保在相干光束会合 吋的光的单偏振态, 因而可以在一定程度上消除来自传感光纤路径 上的背向散 射光。

[0050] 本发明第二实施例釆用了单模光纤和法拉第旋 转镜的组合, 消除了单模光纤上 偏振变化对干涉的影响, 因而特别适用于长距离分布式光纤传感, 如用于光纤 通信干线的监控, 长距离周界、 石油、 天然气管线的安全性监控等领域。

[0051] 图 4为本发明第三实施例的 M-Z干涉光路结构。 如图 4所示的 M-Z干涉光路结构 与图 2所示的 M-Z干涉光路结构基本相同, 不同之处仅仅在于: 第一保偏中转装 置 4的第二端口与第一法拉第旋转镜 5之间、 第二保偏中转装置 6的第二端口与第 二法拉第旋转镜 7之间相连的光纤被传感光缆 16包裹。 干涉光路结构包括一探测 器, 第一保偏耦合器 8输出的干涉光从输出光纤 17输出至探测器。

[0052] 具体地, 光源为 LD光源, 光纤 14、 光纤 15为单模光纤, 当传感光缆 16受到扰 动时, 将引起光纤 14、 光纤 15上的第一偏振光、 第二偏振光的光程的变化, 通 过干涉作用, 便可将光程变化转变为干涉光强的变化, 从而探测器通过输出光 纤 17探测到相应的干涉输出, 实现对线路扰动情况的监测, 如适用于将传感光 缆 16布设在周界的围栏上。 实验表明, 系统不受单模光纤偏振状态的影响, 条 纹清晰度接近 100%。

[0053] 本发明第三实施例釆用了单模光纤和法拉第旋 转镜的组合, 消除了单模光纤上 偏振变化对干涉的影响, 因而特别适用于长距离分布式光纤传感, 如用于光纤 通信干线的监控, 长距离周界、 石油、 天然气管线的安全性监控等领域。

[0054] 上述实施例仅例示性说明本申请的原理及其功 效, 而非用于限制本申请。 任何 熟悉此技术的人士皆可在不违背本申请的精神 及范畴下, 对上述实施例进行修 饰或改变。 因此, 举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离 本申请所揭示 的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或 改变, 仍应由本申请的权利要求 所涵盖。

工业实用性

[0055] 本发明提出一种具有全保偏功能的 M-Z干涉光路结构, 具有以下有益效果: [0056] ( 1) 利用保偏光纤器件的特性, 在干涉光路中存在单模光纤的情况下, 实现 了具有全保偏功能的 M-Z光路结构;

[0057] (2) 相干光束偏振一致性高, 具有高的干涉条纹清晰度, 可获得高的测量灵 敏度、 精度;

[0058] (3) 干涉光束采取单偏振工作模式, 可以在一定程度上消除光纤路径中的背 向散射光的影响;

[0059] (4) 由于单模光纤的使用, 可利用单模光纤作为传感光纤, 特别是可利用已 铺设好的通信用光缆实现传感, 适用性强, 易于该技术的推广与应用。

[0060] 本发明特别适用于长距离分布式光纤传感, 例如, 可用于光纤通信干线的监控 , 长距离周界、 石油、 天然气管线的安全性监控等领域。