干涉型光纤传感器偏振衰落动态补偿技术

本文提出的动态补偿偏振衰落技术，是在相位生成载波零差解调技术的基础上，通过在 参考臂中引入可旋转控制的半波片就可较好地动态补偿偏振衰落，由于其依然有 3dB 的信 号衰落，此装置适用于灵敏度要求不高的情况下。
图 2：混合效率变化图 Fig 2: Mixing efficiency variation graph
零差解调技术较好地消除相位衰落的基础上，利用旋转的半波片可以动态补偿由环境变化引 起的偏振衰落。通过计算模拟证明了理论分析的正确性。该方案具有结构简单，成本低廉的 特点。
二 结构与分析
如图 1 所示，低频振荡的PZT1 用来模拟待测信号，高频振荡的PZT2 结合相位生成载波 零差解调电路用来补偿相位衰落[3]。本装置创新地在参考臂上加入了可旋转控制的半波片， 把干涉信号通过驱动电路反馈给步进电机以控制半波片的旋转，从而达到动态补偿偏振衰落 的目的，以下对其进行理论分析。
干涉型光纤传感器偏振衰落动态补偿技术
吴许强 俞本立 孟军 穆姝慧 孙维亚
安徽大学物理系 230039 摘要：由单模光纤制作的光纤传感器常会因外部环境扰动而引起相位衰落和偏振衰落。目前 相位补偿技术已经比较成熟，而偏振衰落已成为阻碍其实用化的重要因素。本文在相位补偿 的基础上提出了一种动态补偿偏振衰落的方法并对其进行了理论分析。本技术的关键是在干 涉仪的参考臂中引入一个可以旋转控制的半波片。把干涉信号的幅值变化通过驱动电路反馈 给步进电机，步进电机旋转该半波片以调整干涉信号的幅值。据此可实现偏振衰落的动态补 偿，可使偏振衰落造成的信号幅度波动不大于 3dB。 关键词：光纤干涉仪 动态补偿 偏振衰落 半波片
Dynamic Compensation Technique for Polarization Fading in
Interferometric Optical Fiber Sensors
MU Shuhui, YU Benli, MENG Jun, WU Xuqiang， SUN Weiya Physics Department, Anhui University, 230039
⎡ ⎢1
+
⎣
sin 2
2φ(cos 4β
2
− 1)⎤
⎥ ⎦
，
其值在 0 到 1 之间任意变化。 由于 Y 值不易控制，如果不
对α 进行限制，就可能出现
混合效率为 0 的失效状态。 若反馈旋转控制半波片，使
sin(2α + δ ') 始终保持为 1，
混合效率的取值范围可以在 0.707 到 1 之间，此时偏振衰落被较好地补偿。在实验中观察到的现象与理论分析一致。其 详细实验结果将另文发表。
（7）
如果系统中没有半波片，当信号光和参考光的偏振态相同时，混合效率 A' 为 1，当环 境改变而使两束光偏振态正交时，混合效率 A' 为 0，此时无干涉信号输出，即干涉仪处于
失效状态，则此干涉仪无法正常工作。系统中加入可旋转控制的半波片后，可使混合效率在 0.707 到 1 之间变化，不会有失效状态的出现。对应电信号幅度的波动不大于 3dB。由以上
吴许强， E-mail：atlaswoo@ 通讯联系人，俞本立，安徽大学物理系光波导实验室，电话：0551-5108155， E-mail：benliyu@ 安徽省优秀青年基金项目资助
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如结构复杂，信噪比降低等[8]。 本文介绍了一种新颖简易的干涉型传感器偏振衰落的动态补偿技术。在相位生成载波
分析可看出本技术可以从很大程度上消除偏振衰落。(4)式中的传感信号ψ 解调可参考文献
[3]，此处不再赘述。
三 结果与讨论
计算模拟如图 2 所示，X 轴表示 (2α + δ ') ，其中α 随半波片旋转而变化，δ ' 随环境变
61
化。Z 轴表示混合效率 A。Y 轴表示一个随环境扰动变化 的随机量，代表（5）式中的
r 由于普通单模光纤干涉仪中光的偏振态是随机的，可以假设信号臂和参考臂的电场矢量 Es
和
r Er
是偏振角和相位角为α
，ϕ
和β
，φ
的椭圆偏振态，其琼斯矩阵为[9]：
⎡ E sx ⎢⎣Esy
⎤ ⎥ ⎦
=
Es
⎡cos αe-iϕ/ 2
⎢ ⎣
sin
αe
iϕ/
2
⎤ ⎥e
-iψi
2
⎦
(1)
⎡ E rx ⎢⎣Ery
由于 − 2 ≤ cos 4β − 1 ≤ 0 所以可以得到：
0 ≤ 1 + sin 2 2φ(cos 4β −1) ≤ 1
2
(6)
实验中可以根据干涉信号幅值变化旋转半波片，总能找到 sin(2α + δ ') 为 1 的状态，此
时结合（5）式和（6）式可以得出混合效率 A 的取值范围为： 0.707 ≤ A ≤ 1
−
β)
2
A 为混合效率[10]，
A = ⎜⎛sin φ − ϕ cos(α + β )⎟⎞2 + ⎜⎛ cos φ − ϕ cos(α − β )⎟⎞2
⎝2
⎠⎝ 2
⎠
= 1 [1 + sin(2α + δ ')] 1 + sin 2 2φ(cos 4β −1)
2
2
（5）
其中 tan δ ' = sin 2β cos 2φ cos 2β
Fig.1. Principle experiment setup；
PZT, piezoelectric transducer; D, photo detector; GRIN, gradient index lens; C, coupler, A, pre-amplifier, HOM,
homodyne demodulation circuit, LPF, low pass filter
⎤ ⎥ ⎦
=
Er
⎡cos βe-iφ / 2
⎢ ⎣
sin
βe iφ/2
⎤ ⎥e
iψ/2
⎦
(2)
其中
Es
，Er
为
r Es
和
r Er
的振幅，ψ
为信号光和参考光的相位差。当半波片旋转时，α
随之改变。由光电检测器检测的干涉仪的光强为：
( ) ( )( ) ( ) I = Esx + Erx
E
* sx
+
E
* rx
Abstract: Interferometric sensors fabricated with single mode fiber are subject to polarization fading and phase fading induced by environmental fluctuations. At present time, the techniques for phase compensation have been mature, while polarization fading becomes an important factor which limits the applicability of the sensors. Based on the technique for phase compensation, a novel dynamic compensation technique for polarization fading is proposed and analyzed theoretically. The key point of the technique is introducing a spin controllable half-wave plate to the interferometer. Through a driving circuit, the interferometer output signal amplitude variation is fed back to a stepping motor and the stepping motor rotates the half-wave plate to adjust the amplitude. In this way the dynamic compensation for polarization fading is achieved. The theoretical results show that the amplitude fluctuation of this technique is no more than 3dB. Key words: optical fiber interferometer; dynamic compensation; polarization fading; half-wave plate
参考文献
[1] Li Zhineng, Shen Liang, Ye Xianfeng, “Polarization-induced Signal Fading Eliminating with in The Optical Fiber Sensor” Opto-Electronic Engineering, vol.28. No.3, p.25-28(2001) [2] D.J.Hill, P.J.Nash. et al. "A fiber laser hydrophone array" SPIE vol.3860 1999 [3] Anthony Dandridge, Alan B. Tveten, and Thomas G. Giallorenzi, “Homodyne Demodulation Scheme for Fiber Optic Sensors Using Phase Generated Carrier” IEEE J. Quantum Electron. , vol.18, p.1647-1653 (1982) [4] James H. Cole, Bruce, A. Danver, and Joseph A. Bucaro, “Synthetic-Heterodyne Interferometric Demodulation” IEEE J. Quantum Electron. , vol.18, p.694-697(1982) [5] Klaus Fritsch,Grigory Adamovshy,“Simple circuit for feedback stabilization of a single-mode optical fiber interferometer” Rev.Sci.Instrum. vol.52. No.7, p,996-1000, Jul.1981 [6]N.J.Frigo,A.Dandridge,eten, “Technique for elimination of polarization fading in fiber interferometers”,Electron.Lett.,1984,vol.20,No.8,319-320 [7]T.Okoshi,“Polarization-state control schemes for heterodyne or homodyne optical fiber communication.”IEEE J.Lightwave Technology.1985,Vol.3,No.6,1232-1237 [8] A. D. Kersey, M. J. Marrone, and A. Dandridge, “Polarization diversity detection for fiber interferometers using active feedback control of output polarization-mode selection” OPTICS LETTER, vol.15, p.1315-1317(1990) [9] 矩阵光学 魏光辉编，1999，144-156 [10] DAVID W.STOWE, et al, “Polarization Fading in Fiber Interferometric Sensors” IEEE J. Quantum Electron. , vol.18, p.1644-1657 (1982)
Driving Circuit
Laser C1
Simulated Signal
Stepping Motor
GRIN λ/2 GRIN
C2
PZT1
PZT2
Dec
HOM Output
图 1 实验原理图
PZT,压电陶瓷管; D,光电探测器; GRIN, 自聚焦准直器；C，耦合器；A，前置放大器；HOM，零差解调电 路；LPF,低通滤波器
+ Es y + Ery
E
* sy
+
E
* ry
=
E
2 s
+
E
2 r
+
2Es Er
cosα
cos β
cos⎜⎛ψ ⎝
−
φ
−ϕ 2
⎟⎞ ⎠
+
2Es Er
sin α
sin
β
cos⎜⎛ψ ⎝
+
φ
−ϕ 2
⎟⎞ ⎠
（3）
60
其中干涉信号为：
I'=
2Es Er
cosα
cos β
cos⎜⎛ψ ⎝
+
φ
−ϕ 2
⎟⎞ + ⎠
一 引言
在传感技术中干涉型光纤传感器以其高灵敏度早就引起了人们的重视。经过二十多年的 研究，这类传感器已在诸多领域如：压力，振动，速度，加速度的测量取得了广泛的应用， 光纤水听器﹑光纤陀螺已成为成功的典型[1,2]，此类传感器中的相位衰落问题已经得到了很 好的解决，而偏振衰落问题均是通过采用保偏光纤来克服。目前保偏光纤及相应保偏器件成 本高昂,人们希望用单模光纤来制作此类传感器以降低成本并拓展其应用领域。在普通的单 模光纤干涉传感器中，同样会受环境影响而引起相位衰落和偏振态衰落。相位衰落可以通过 多种解调方式如：零差解调法[3]，合成外差法[4]，相位跟踪法[5]加以补偿。近二十年，许多 学 者 在 抗 偏 振 衰 落 方 面 做 了 大 量 工 作 ， 如 N.J.Frigo 等 人 提 出 了 偏 振 分 集 检 测 技 术 [6] ， T.Okoshid提出了用法拉第旋转镜抗偏振衰落技术【7】等。但这些方法都存在一定的局限性，
2Es Er
sin α
sin
β
cos⎜⎛ψ ⎝
−
φ
−ϕ 2
⎟⎞ ⎠
=
2Es
Er
cosψ
cos
φ
−ϕ 2
cos(α
−
β
)+
2Es Er
sinψ
sin
φ
−ϕ 2
cos(α
+
β
)
= 2Es Er Acos(ψ + δ )
（4）
sin φ − ϕ cos (α + β )
其中 tan
δ
=
cos
φ
2 −ϕ
cos (α