1阶反馈稳定光纤3×3耦合器干涉测量系统

引言

    光纤干涉仪由于体积小、重量轻、抗电磁干扰、能波分复用、高度集成、价格低廉等优点被广泛应用于精密测量领域，对位移、振动、速度、加速度、应变以及温度等参量进行测量[1-10]。

    对于光纤干涉位移测量系统，光纤仅是用来传光，干涉信号的相位的变化应只由被测位移的变化引起，但是由于光纤长度对温度等环境干扰非常敏感，这些干扰将引起干涉信号的相位随机地变化。这种随机变化将降低测量精度，甚至使测量系统无法正常工作。为了提高测量精度，需要对环境干扰引起的相位的随机变化进行补偿。

作者研究一个具有自我补偿功能的复合光纤迈克尔逊干涉测量系统，能有效地补偿环境干扰所带来的随机相位漂移，使测量系统具有很强的抗干扰能力。该系统利用一个光纤3 x3藕合器，即光纤光栅作为反射镜构成光路复合在一起的两个光纤迈克尔逊干涉仪;其中一个光纤迈克尔逊干涉仪通过1阶反馈电路处理后驱动一个压电陶瓷管调节参考臂的光程，使该干涉仪始终保持在正交状态(相位差保持在π/2 )，从而实现对环境干扰进行补偿，使整个测量系统保持在稳定状态;另一个干涉仪用来完成测量工作。1阶反馈的带宽为0Hz一21 Hz，该测量系统适合用于在线实时测量。

1测量系统的原理

1. 1测量原理

系统的测量原理如图1所示。利用一个光纤3x3藕合器和光纤布喇格光栅(fiber Bragg grating, FBG)作为反射镜，构成两个光路重合的光纤迈克尔逊干涉仪。两支中心波长分别为λ1, = 1557. 32nm和λ2=1558.52nm的分布反馈式激光器(distributed feed-back , DFB)发出的光由于光纤布喇格光栅的波分复用分别作用于这两个光纤迈克尔逊干涉仪中。一个光纤迈克尔逊干涉仪用于完成稳定测量系统的工作，另一个光纤迈克尔逊干涉仪用于完成测量工作。两支激光器发出的光在20dB的谱宽为0. 2nm。光纤布喇格光栅FBG1, FBG2和FBG3的中心波长为1557. 32nm，布喇格反射谱3dB带宽为0. 3nm; FBG4的中心波长为1558.52nm，布喇格反射谱3dB带宽为0. 3nm.

    第1个以FBG1和FBG2为反射镜的光纤迈克尔逊干涉仪用于补偿环境干扰。波长为λ1= 1557. 32nm的DFB激光器发出的光经过3dB藕合器，光纤隔离器，光纤3 x3祸合器后被分为3路，其中两路光分别被FBGz和FBG2反射，这两束光在3 x3藕合器相遇并发生干涉。第1路干涉信号由于光纤隔离器的作用无法到达光源，因此，不会对光源产生影响;第2路干涉信号经过环行器1后被FBG3反射，再由环行器1导出测量系统;第3路干涉信号经过环行器2及FBG4后，被探测器(photodetector , PD ) PD2探测，PD2探测到的信号经过反馈环节处理后输出一个修正电压驱动压电陶瓷管(piezoelectric ceramics , PZT )，管长35 mm，外径35mm，壁厚2mm , PZT上缠有约11m的参考臂的光纤。修正电压驱动PZT调节参考臂的光程，使此干涉仪的两个臂的相位差始终保持在π/2，由此实现对该干涉仪的稳定。