一种基于3×3耦合器构造干涉仪的被动解调新方法

　　1　引　　言

　　1981年,Sheem[1]提出用3×3耦合器构造光纤干涉仪来解决由于2×2耦合器带来的π/2相位偏差,提高系统的灵敏度。此后,用3×3耦合器构造干涉型光纤传感器由于其特殊的优越性,已越来越受到重视。此类光纤传感器大多可以得到至少2路具有一定相位差的干涉输出信号。因此,如何快速准确的提取出相位信息成为一个至关重要的因素。

　　目前干涉型光纤传感器的解调一般采用相位生成载波(PGC)技术和基于3×3光纤耦合器干涉的被动解调技术。PGC技术的主要缺点是:低通滤波器的使用,都是以忽略高阶Besse1函数为代价的,有时会造成解调结果的严重失真;有限的载波频率,使得相位生成载波技术动态范围受到限制;采用外调制产生载波时,光路比较复杂。基于3×3光纤耦合器干涉的被动解调方案主要有3个:利用2路信号构造相位差为90°的被动解调方案[2];基于3×3光纤耦合器干涉信号的对称[3-4];基于上述2种方案的改良,用于解决耦合器的不对称性[5]。这些方案都不需要载波信号调制,可设计成解调电路,也可以利用软件进行程序计算,灵敏度比较高。但是,他们都用到了大量的微分积分运算电路,数学运算复杂,所以很难保证精度,大多需要标定参数,给实地应用带来很大困难。下面逐一具体分析。

　　方案1[2]:具有90°相位差的2路干涉信号通过微分交叉相乘电路后,得到的交流信号的幅度会随偏振态的改变而变化,在某一偏振态下,实际应用中必须标定出交流信号的幅度,即使标定成功,也无法克服光源的输出功率不稳定等微扰动对解调结果的影响。

　　方案2[3-4]:解调需要3路信号空间对称,即要求输出信号间产生绝对120°的相位差,3×3光纤耦合器分光比均一,然而,3×3耦合器一般都不具有理想分光比,所以这一点几乎成为该解调方案没有广泛应用的致命缺陷。

　　方案3[5]:虽然理论对上述2种方案进行改良,提出了基于非对称3×3耦合器的被动解调方案,并部分克服了方案2中的缺点。但是引入了增益控制因子,这些因子决定于初始相位的变化,解调过程更加复杂,没有给出具体实验验证,几乎没有实际应用的例子。文中首次提出了一种用于干涉型光纤传感器相位解调的新方法,在满足采样fs Aω的情况下,该方法只需要输出2路具有一定初始相位差的干涉信号,而且初始相位可以任意(相位差为π的除外);实际应用过程中无需标定任何参数;同时,能够有效克服光源输出功率不稳定造成的相位畸变;数学运算简单,没有积分、微分、反三角函数等复杂运算,方便了电路设计;解调精度高;而且,不需要载波,光路结构简单。该解调技术能够满足实际应用的要求,具有一定的实践意义。