专利名称：基于马赫-泽德尔光纤干涉仪的相干相位检测方法
技术领域：
本发明属于光学量检测的技术领域，特别涉及相干光初始相位差的一种精细的检 测方法。
背景技术：
马赫-泽德尔干涉仪的用途最早是在传感器中。它有两个干涉臂，一个称之为参 考臂，另一个称之为探测臂，探测臂用来放入待测的环境中。由于待测环境的影响，在探测 臂中传输的光相对参考臂中的光获得了新的相位差后，在输出的探测器上可观察到干涉条 纹的移动，从这个移动中，能获得待测环境中的物理量的变化。利用这一原理可以测量温 度、电流、电压、压力、磁场等方面的微小变化。马赫_泽德尔干涉仪的另一重要用途是在 光通信中。马赫-泽德尔干涉仪的探测臂相对于参考臂的相位差决定了其两个输出端的状 态，通过改变相位差，可以对输出状态进行控制。现在的光纤通信网络中就利用这个特点把 马赫_泽德尔干涉仪做成各种光学器件，如光开关、光纤滤波器、光调制器、波分复用器等。在马赫-泽德尔光纤干涉仪的相位测量技术中，传统的提取初相位差的方法一般 是相移法，即通过控制相位调制量并探测相应的干涉强度来提取初相位差信息。相位调制 一般由压电晶体(PZT)等移相器来完成。由于压电晶体(PZT)的非线性特性，精确的相位 调制量不容易实现。

发明内容
本发明要解决的技术问题是，利用计算光电流提取马赫-泽德尔光纤干涉仪初相 位差的相干相位检测法，不需使用压电晶体(PZT)等移相器，达到操作简单，成本低，不需 要计算机辅助计算，高精度检测初相位差的目的。本发明设计的一种基于马赫_泽德尔光纤干涉仪的相干相位检测方法，是通过控 制相位调制量并探测相应的干涉强度来提取马赫_泽德尔光纤干涉仪两光纤干涉臂的初 相位差信息。上述的目的通过以下具体的技术方案实现—种基于马赫-泽德尔光纤干涉仪的相干相位检测方法，使用的装置包括激光 光源(1)、第一光纤耦合器(2)、第二光纤耦合器(3)、第一光纤干涉臂(4)、第二光纤干涉臂 (5)，激光光源(1)发出的光经第一光纤耦合器(2)分为两路，分别由第一光纤干涉臂(4)、 第二光纤干涉臂(5)传输；将第一光纤干涉臂(4)和第二光纤干涉臂(5)同时放入同一恒 温度控制系统中；第一光纤干涉臂(4)和第二光纤干涉臂(5)的初相位差Δρ检测方法有三 个步骤第一步，经第二光纤耦合器(3)将第一光纤干涉臂(4)和第二光纤干涉臂(5)的 两路激光合并为一路，用光电二极管探测器探测合并激光的光电流强度记为Itl ；第二步，断开第二光纤耦合器(3)，再用光电二极管探测器分别探测第一光纤干涉 臂(4)和第二光纤干涉臂(5)输出的光电流强度，记为I1和I2 ；
第三步，利用公式
.I0 -K2I2
Αφ = arccos—— I^JK1I1K2I2计算出马赫-泽德尔光纤干涉仪第一光纤干涉臂(4)和第二光纤干涉臂(5)的初 相位差；式中Kp K2是常数，大小由第一光纤耦合器(2)两臂的损耗决定，损耗与K的换算
关系为
损耗= 2(Mg(^)
K O当马赫-泽德尔光纤干涉仪第一光纤干涉臂(4)放置于恒定物理环境，第二光纤 干涉臂(5)放置于与第一光纤干涉臂(4)不同的物理环境中时，则可以按常规的检测过程 测量两光纤干涉臂间的相位差并计算出环境的温度、电流、电压、压力、磁场等方面的微小变化。本发明基于马赫_泽德尔光纤干涉仪的相干相位检测法有以下有益效果1、本发明不需使用压电晶体(PZT)等移相器，操作简单，成本低，不需要计算机辅 助计算，测量精度优于0. 04°，实验结果有很好的重复性。2、本发明测量精度随着激光器驱动电流的增加而增加，这意味着在较大的激光器 驱动电流下可以得到更好的精度。


图1是本发明基于马赫-泽德尔光纤干涉仪的相干相位检测法第一步的系统结构 图。图2是本发明基于马赫-泽德尔光纤干涉仪的相干相位检测法第二步的系统结构 图。图3是本发明基于马赫_泽德尔光纤干涉仪的相干相位检测法测得的相位差随环 境温度变化的关系图。
具体实施例方式实施例1结合

本发明的装置图1是本发明的初相位差检测第一步的装置结构图。图2是本发明的初相位差检 测第二步的装置结构图。图1和图2中，1为激光光源；2为第一光纤耦合器，用于将激光分 为两路，分别接两个光纤干涉臂；3为第二光纤耦合器，用于将两个光纤干涉臂的两路激光 合并成一路；4为第一光纤干涉臂；5为第二光纤干涉臂；6为第一光电二极管探测器，用于 探测两个光纤干涉臂的两路激光合并成一路时的光电流强度Itl ；7为第二光电二极管探测 器；8为第三光电二极管探测器。第二光电二极管探测器7和第三光电二极管探测器8分 别用于探测两个光纤干涉臂的光电流强度I1和I2。实施例2本发明的基于马赫_泽德尔光纤干涉仪的相干相位检测方法本实施例使用实施例1的装置，进一步说明本发明的相干相位检测初相位差的步马聚ο首先将马赫_泽德尔光纤干涉仪的第一光纤干涉臂(4)和第二光纤干涉臂(5)同 时放入恒温度控制系统中，以消除温度波动、空气流动等外界环境对干涉仪两臂长度带来 的影响，保持两臂长度差稳定。在此条件下即可进行提取马赫_泽德尔光纤干涉仪两光纤 干涉臂初相位差的相干相位测量，整个相干相位检测方法叙述为如下三个步骤第一步(参见图1)，激光光源(1)输出的激光经第一光纤耦合器(2)分为两路，这 两路激光分别经过马赫_泽德尔光纤干涉仪的第一光纤干涉臂(4)和第二光纤干涉臂(5) 后用第二光纤耦合器(3)将两路激光合并为一路，最后用第一光电二极管探测器(6)探测 此合成激光的光电流强度，并将探测到的光电流强度记为Ιο。第二步(参见图2)，激光光源(1)输出的激光经第一光纤耦合器(2)分为两路， 其中一路激光在经过马赫-泽德尔光纤干涉仪的第一光纤干涉臂(4)后用第二光电二极管 探测器(7)探测光电流强度，并将探测到的光电流强度记为I1 ；另一路激光在经过马赫-泽 德尔光纤干涉仪的另一第二光纤干涉臂(5)后用第三光电二极管探测器(8)探测光电流强 度，并将探测到的光电流强度记为12。第三步，利用如下公式
.Iq ~ K1I1 -K2I2
Δ屮=arccos—— I^jKJxK2I2即可计算出马赫-泽德尔光纤干涉仪两光纤臂的初相位差。式中ItlU1U2分别为 第一、二步测得的光电流强度；Kp K2是常数，大小由第一光纤耦合器(2)两臂的损耗决定， 是光纤耦合器的一种固有参数，损耗与K的换算关系为
损耗二 20.lg(‘)。 K实施例3检测两光纤干涉臂之间的相位差变化量△歹与温度变化量Δ T的关系从理论上可知，在两个不同温度下马赫_泽德尔光纤干涉仪两光纤干涉臂之间的 相位差变化量Δ歹与温度变化量ΔΤ成线性关系。通过本发明的相干相位检测方法可以验 证上述理论的正确性，并以此实施例作为本发明的一个具体的检测过程。本实施例中，激光光源1选用中心波长为1. 55 μ m,功率为ImW的F-P同轴激光器 YSLD5125 ；第一光纤耦合器2和第二光纤耦合器3均选用标准单模光纤耦合器(1X2)，第 一光纤耦合器2两臂的损耗分别为3. 04dB和3. OldB ；第一光纤干涉臂4和第二光纤干涉 臂5均选用10米单模光纤；第一光电二极管探测器6、第二光电二极管探测器7和第三光 电二极管探测器8均选用尾纤型YSPD715探测器。将马赫-泽德尔光纤干涉仪的第一光纤干涉臂4和第二光纤干涉臂5经第二光纤 耦合器3合并激光，同时放入恒温度控制系统中，调节恒温控制系统使光纤干涉仪的两臂 处于同一温度(本实施例中为18. IO0C )，由第一光电二极管探测器6测得光电流强度Itlt5将马赫-泽德尔光纤干涉仪的第一光纤干涉臂4和第二光纤干涉臂5分别连接第 二光电二极管探测器7和第三光电二极管探测器8，在恒温度控制系统中两干涉臂处于同 一温度(本实施例中为18. IO0C )，分别测得光电流强度Ip 12。
按照实施例2的第三步进行计算由第一光纤耦合器2两臂的损耗分别为3. 04dB 和3. OldB,由损耗与K的换算关系的公式可得K1 = 0. 7047、K2 = 0. 7071。由测得的光电流强度I。、I1, I2用公式
权利要求
一种基于马赫 泽德尔光纤干涉仪的相干相位检测方法，采用的装置包括激光光源(1)、第一光纤耦合器(2)、第二光纤耦合器(3)、第一光纤干涉臂(4)、第二光纤干涉臂(5)，激光光源(1)发出的光经第一光纤耦合器(2)分为两路，分别由第一光纤干涉臂(4)、第二光纤干涉臂(5)传输；将第一光纤干涉臂(4)和第二光纤干涉臂(5)同时放入同一恒温度控制系统中；其特征在于，第一光纤干涉臂(4)和第二光纤干涉臂(5)的初相位差检测方法有三个步骤第一步，经第二光纤耦合器(3)将第一光纤干涉臂(4)和第二光纤干涉臂(5)的两路激光合并为一路，用光电二极管探测器探测合并激光的光电流强度记为I0；第二步，断开第二光纤耦合器(3)，再用光电二极管探测器分别探测第一光纤干涉臂(4)和第二光纤干涉臂(5)输出的光电流强度，记为I1和I2；第三步，利用公式计算出马赫 泽德尔光纤干涉仪第一光纤干涉臂(4)和第二光纤干涉臂(5)的初相位差；式中K1、K2是常数，大小由第一光纤耦合器(2)两臂的损耗决定，损耗与K的换算关系为FSA00000253353500011.tif,FSA00000253353500012.tif,FSA00000253353500013.tif
2.按照权利要求1所述的基于马赫_泽德尔光纤干涉仪的相干相位检测方法，其特征 在于，所述的第一光纤干涉臂(4)和第二光纤干涉臂(5)均是单模光纤；所述的光电二极管 探测器是尾纤型YSPD715探测器。
全文摘要
本发明的基于马赫-泽德尔光纤干涉仪的相干相位检测方法属于光学量检测的技术领域。激光光源(1)发出的光经第一光纤耦合器(2)分为两路，分别由第一光纤干涉臂(4)、第二光纤干涉臂(5)传输；将第一光纤干涉臂(4)和第二光纤干涉臂(5)同时放入同一恒温度控制系统中；初相位差检测过程有两路激光合并为一路，用光电二极管探测器探测合并激光的光电流强度I0；再分别探测两光纤干涉臂输出的光电流强度I1和I2；利用公式计算出两光纤干涉臂的初相位差。本发明不需使用压电晶体等移相器，操作简单，成本低，不需要计算机辅助计算，测量精度优于0.04°，在较大的激光器驱动电流下可以得到更好的精度。
文档编号G01J9/02GK101957238SQ201010270088
公开日2011年1月26日 申请日期2010年9月2日 优先权日2010年9月2日
发明者单江东, 吴戈, 汝玉星, 田小建, 高博 申请人:吉林大学