（光学专业论文）可见光光纤machzehnder空间干涉系统研究.pdf

丫5 8 6 4 5 3 摘要 光纤m a c h - z e h n d e r 干涉仪是一种 非常 重要的 光纤 无 源器件， 现在被广 泛应用于光纤通信及传感领域， 如光纤光开关、 光纤滤波器、 光纤调制器、 波分复用器、 光纤传感器等。 尽管当 前有很多光纤m a c h - z e h n d e r 干涉仪的 文章及相关产品的 报道， 但真正制作出的 可见光的光纤m a c h - z e h n d e r 干涉 仪却没有， 本课题主要是研制空间可见光的光纤m a c h - z e h n d e : 干涉仪。 本 文首先介绍了课题的目 的和意义及国内外研究的现状:为了 解决光祸合功 率的问 题，在第二章详细介绍了 光纤的 祸合方法: 根据实际的实验， 在第 三章至第五章对空间可见光的光纤 ma c h - z e h n d e r 干涉仪各部分结构进行 介绍; 第六章对2 x 2 光纤m a c h - z e h n d e : 干涉仪的输出 谱、空间千涉场进 行了 理论推导，理论结果与实验现象符合较好。 第七章根据实际 研制的 光 纤m a c h - z e h n d e r 空间干涉仪对千涉系统结构及各部分功能 进行介绍， 并详 细介绍了调试方法;最后在第八章得出结论，虽然空间可见光的光纤 m a c h - z e h n d e r 干涉仪已 经 得到， 但其在稳定性 上还 存在一定问 题， 有 待进 一步研究。 关键词: 光纤m a c h - z e h n d e r 干涉仪、 祸合器、 偏振控制器、 压电陶瓷、 光 开关、滤波器、波分复用器 未经作青、 勺师问总 勿全文公布 ab s t r a c t o p t i c a l f i b e r ma c h - z e h n d e r i n t e r f e r o m e t e r i s a n i m p o rt a n t p a s s i v e d e v i c e . t o d a y i t i s u s e d i n f ib e r c o m m u n i c a t io n a n d s e n s o r s , s u c h a s f i b e r s w i t c h , f i b e r f i l t e r , f i b e r m o d u l a t o r , w a v e l e n g t h d i v is i o n m u lt i p l e x e r , o p t i c a l f i b e r s e n s o r s e t c . t h o u g h t h e r e a r e s o m e a rt i c l e s a n d r e p o r ts a b o u t o p t ic a l f i b e r m a c h - z e h n d e r i n t e r f e r o m e t e r , t h e p r a c t i c a l o p t i c a l f i b e r m a c h - z e h n d e r i n t e r f e r o m e t e r f o r v i s i b l e l i g h t h a s n o t b e e n m a n u f a c t u re d . t h e d i s s e r ta t i o n i s d e v o t e d t o t h e s t u d y o f o p t i c a l f i b e r m a c h - z e h n d e r i n t e r f e r o m e t e r f o r v i s ib l e l i g h t . i n c h a p t e r o n e t h e m e a n s o f t h e t h e s i s a n d t h e r e s e a r c h s i t u a t i o n w e r e i n t r o d u c e d ; t h e c o u p l i n g m e t h o d s w a s g i v e n i n c h a p t e r t w o ; b a s e d o n t h i s e x p e r i m e n t , a l l c o m p o n e n t s o f t h e i n t e r f e re n c e s y s t e m w e r e d e t a i l e d i n c h a p t e r t h r e e t o c h a p t e r f i v e ; i n c h a p t e r s ix , t h e i n t e r f e r e n c e f i e l d o f t h e o p t i c a l f i b e r 2 x 2 ma c h - z e h n d e r i n t e r f e r o me t e r wa s s t u d i e d a n d t h e t h e o r e ti c a l res u l t s w a s c o n s i s t e n t w i t h t h e e x p e r i m e n t a l re s u lt s . i n c h a p t e r s e v e n , a l l c o m p o n e n t s f u n c t i o n o f t h e i n t e r f e r e n c e s y s t e m w e re g i v e n a n d t h e m e t h o d s t o a d j u s t t h e i n t e r f e r e n c e s y s t e m w e re d w e l l e d o n ; a t l a s t , a c o n c l u s io n w a s r e a c h e d i n c h a p t e r e i g h t t h a t t h e f a t h e r re s e a r c h s h o u l d b e c o n d u c t e d t o s o l v e t h e p ro b l e m o f s t a b i l i t y t h o u g h t h e o p t i c a l f i b e r m a c h - z e h n d e r i n t e r f e ro m e t e r f o r v i s i b le l i g h t h a v e b e e n m a n u f a c t u r e d . k e y w o r d s : o p t i c a l f i b e r m a c h - z e h n d e r i n t e r f e r o m e t e r , c o u p l e r , o p t i c a l fi b e r p o l a r i z a t i o n c o n t r o l l e r , p z t , o p t i c a l s w i t c h , o p t i c a l f i l t e r , w a v e l e n g t h d i v i s i o n m u lt i p l e x e r , 北方交通人学倾 论文 第一章 绪论 . 1引言 2 8 1 光纤m a c h - z e h n d e r 干涉仪是以普通光学m a c h - z e h n d e r 干涉的基本原 理为基础而制成的。而普通光学的 m a c h - z e h n d e r干涉是由德国的 l . z e h n d e r和l . m a c h 分别于1 8 9 1 年和1 8 9 2 年设计的， 它是一种双光束干 涉的试验装置， 其结构如图1 - 1 所示。 可移动反射镜 专 感器 实际上它是迈克尔逊千涉仪的一种变形， 一束光经分束器后， 一半透 射， 一半反射，分成两束光，再经各自 的光路， 汇集到另一个分束器上干 涉，这两束光具有不同的相位，因而在探测端有干涉条纹出现，这种结构 的 干涉仪称为 m a c h - z e h n d e r 干涉仪。 这是普通光学相位调制型干涉仪之 一。利用这种干涉仪可以 对环境的 变化进行检测，据报道可以 检测出小至 i 0 - r a d 的相 位变化， 对于0 .8 3 n m的 光波， 意 味着光程差约为1 0 i知。 最初， m a c h - z e h n d e r 干涉仪中的相干光是在空气中 传播的。 空气易 受环境温度的影响，引起空气折射率扰动及声波干扰。 这些影响都可能导 致空 气中光程的变化， 从而使干涉测量状态不稳定， 工作精度降 低。 为 此， 我们选择波导管作为干涉仪的 光路。 到目 前为止， 波导管的材料主要有三 种:l . 半导体材料， 如常采用的g a a s / a i g a a s 电光波导 材料; 2 . t i 注入 的l in b 0 3 波导: 3光导纤维。 采用前两种材料制成的导波器件易于与其 它电子或光电 器件如品体管、半导体激光器、 探测器等集成，同时具有体 积小、 重景轻、生产过程高度可控， 可重复 性等 优点。 但同时 它们也存在 一些共同的弱点，即插入损耗大 ( 一般大于 1 0 d b ) ，对偏振敏感，f - 艺比 较复杂。 选川光导纤维做成波导管，在插入损耗方面具有了不可比 拟的优 势。光纤 i _ 艺的日 臻完善是在二十世纪七十年代，并且到了八十年代初期 1 55b m波段窗口 的单模光纤损耗己降到了理论的极限值 。 .2 d b / k m ，井且 它还具有不易受电磁干扰，保密性好，可靠性高，设备t : 4 轻等优点，因 北方交通大学倾 论文 而成了 光 传播的 理想 传输媒质。 光纤型m a c h - z e h n d e r 干 涉仪 在8 0 年代也 成了 光纤传感器、测量研究的一 种经常被采用的 干涉装置，并目 _ 在高 速发 展的光纤通信网络中起着重要的作用。 m a c h - z e h n d e : 干涉仪的用途最早是在传感器中。 它的两个干涉臂， 一个称之为参考臂，另 一个称之为探测臂，探测臂用来放入我们待测的环 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千涉条纹的 移动，从这个移 动中，我们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。 m a c h - z e h n d e r 干涉仪的 另一重要用途是在光通信中。 m a c h - z e h n d e r 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m a c h - z e h n d e r 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。 1 .2 课题目的 研究光纤m a c h - z e h n d e 干涉仪空间千涉现象， 得到清晰的空间干涉条 纹。 1 .3 课题意义 光纤 ma c h - z e h n d e r 干涉现象是光纤研究中的一个基础而又重要的现 象，许多光纤元器件都是基于 m a c h - z e h n d e r 干涉现象而成的。如: m a c h - z e h n d e r 型光开关， m a c h - z e h n d e r 型光纤 滤波器， m a c h - z e h n d e r 型波分 复用器， m a c h - z e h n d e r 型调制器， m a c h - z e h n d e r 型光纤传感器等。 l 高 速全光开关 高速全光开关对于将来的高速光通讯及数据处理， 特别是在波分复用/ 解复用这样的过程中有着重要意义。 如图， 这是一个m - z 干涉仪型全光开 关 1 1 ， 它由 两个光纤 祸合器串 联而 成， 在每 一臂中 分别有一 个半 导体 光放 大器和一个相移器。 依靠m - z干涉仪的两臂相位差的关系， 可以 控制信号 光从交又端口p x 或直通端口尸 _ 输出， 两臂相位差的改 变是 通过控制脉冲p . i 利p 2 输入到s o a : 和s o a 2 引起的。 p c 卜 玛p/in护pcz、 图1 - 2 . 高速全光开关 七 方交通大学硕 卜 论文 z .光纤滤波器 琴j 几 l i n b o : 材料制作一个 均衡m - z结构的滤波器l 2 1如图 所示 . 已 的两臂路径长 度不等，因此输出谱对频率的影响是周期性的。在两臂加 有电极，加上电压后，由于材料的光电特性，波导的折射率发生改变，从 而使两路光获得了新的相位差，透射曲线也随之移动。利川这个特点，选 择合适的电压，使想要的波r y 2 如锥面坡度不大，即圆 锥长 度! ( a , a t ) 时，则 近似有 s in y , s i l l 2z 图2 - 4 圆锥透镜祸合的光路简图 由 此 可 得 有 圆 锥 时 的 孔 径 角 8 .和 平 端 光 纤 的 孔 径 角 8 . 之 间 的 关 系 如 下 : s m y , s i n了 n a , a 2 = s in y , s i n y 2 s i n y _ , s i n 7 2 s i n 7 3 s i n) , , 夕一0 n一n a . _ , a a 2 a , a a , 上式说明: 有圆 锥透镜的光纤的数值孔径比 平端光纤增加了a / a ， 倍。 实验结果表明， 用这种办法祸合效率可高 达9 2 %， 对于多 模光纤这是一种 行之有效的办法。因为此法要求光纤前端直径 t a i 比 激光器发光面大些. 以获最仕祸合效果。而单模光纤芯径太小， 无法满足这一要求。 为此人们 又提出 如图 所示的倒锥形的祸合办法，使端面直径增加，以 满足激光器和 单模光纤祸合的要求。目 前这种办法祸合， 其效率以 达9 0 %以 上。 ( 2 .5 ) t厂 b n厂- 司百二了 - -一一 -，-一-艺二翻口卜 一 一 图2 - 5 倒锥光纤祸合简图 i l 方交通人学硕 v1 文 第三章光纤橘合器 圣 3 . 1 光纤 祸合理 论分析1 9 1 在光波导中， 绝大部分光都集中j 飞 芯层， 但总有很小部分能量散布于 包层。 当两个光波导相互靠近时， 一个光波导的光能将祸合到另一个之中， 从而改变另一个光波导的场分布， 而这种变化反过来对原光波导发生影响， 这就是两光波导的横向祸合。 两个光波导的横向祸合现象，常常用来制作光波导横向祸合器，例如 光纤秘合器等。山于光波导可分为止规光波导和i i 正规光波导两大类，所 以 横向 祸合也可分为正规型 横向 祸合和非正 规型 横向祸合。止规型横向祸 合，小仅要求两光波导都是正规的，而且纵向坐标轴也应一致，也就是说 两者应相互平行。所以止规型横向祸合，意味着由两光波导组成的复合光 波导是一个正规光波导。 正规犁的横向 祸合，因两光波导的 相互作用体现在模式上， 可用模式 v ri 合方程来描述。 在弱祸合条件卜 ， 模式祸合方程可以 线性化。 所谓 “ 弱 锅合”是指两光波导的间距与光波导相比足够大，以至于邻近光波导的存 在，不改变两个参与祸合的光波导模式场的分布形式，只改变其幅度。 非正规型横向祸合问题要复杂的多，由于侮一个光波导都处于空间过 渡态，自 身内部已经处于纵向模式祸合状态，加上外部光波导的存在，使 这种模式祸合现象更加复杂。只有在缓变近似的条件下，利用局部模式可 以得到一些有用的结果。 3 . 1 . 1 正规光波导的 横向 祸合 ( 1 )模式祸合方程 在两个正规光波导互相平行靠近时， 它们光场的 横向 祸合可川模式的 横向祸合来描述。在弱祸合条件 卜 ，即在两波导的间距足够大，以 及在不 改变各自 模式场分布形式的条件下，可以证明.存在线性的模式祸合方程 m o d a , ( z ) d z = j aa i ( z ) + j k , ,a z ( z ) ( 3 . 1 ) d a , ( z ) d z = j k iz a , ( z ) + j ,8 z a , ( z ) 式中a , = c ( z ) e x p ( j 戏力， i = 1 .2 为 两 个 模 式的 波动 项， 包 括了 模 式的 缓 变 包络项 和迅变e x p 白 ,6 z ) 项: 材 表示 横向 祸合 系数 实际 上， 一 卜 式亦可 从 北方交通大学硕 卜 论文 物理概念直接写出。 图3 - 飞两光波导的横向祸合 设两相互平行靠近的光波导1 与2 ， 如图8 - 1 - 1 ， 它们的芯层为f , , f 2 , 两 芯层以 外的公共包层为f 3 。 当只有光波导1 孤立存在时， 它的光场在f , ,f 2 与f 3 三个区域都为 e ( r ) = e , ( r ) e x p ( j ,o , z ) ( 3 2) h ( r ) = h , ( r ) e x p ( j a , z ) 式中e i , h i 为它的模式场。 只有光波导2 独立存在时， 它的光场在f,f 2 和凡三个区域都为 e ( r ) = e ( r ) e x p ( j /g 2 z ) ( 3 . 3) e ( r ) = e ( r ) e x p ( j f 2 z ) 在弱祸合近似条件 卜 ，两个光波导互相平行靠近后形成的复合光波导 的场为 e m = c , ( z ) e , e x p ( j ,6 , z ) + c 2 ( z ) e 2 e x p ( j r 2 z ) h , = c , ( z ) h , e x p ( j a , z ) + c 2 ( z ) h 2 e x p ( j 8 2 z ) ( 3 . 4 ) 注意， 此处增加了一些附加条件。 第一个附加条件是合成场处于空间过渡 态。这是因为虽然我们考虑的是模式祸合问题，但合成的光波导本质上是 一个正规光波导， ( 无损的)正规光波导在稳态条件下模的幅度是不变的， 所以 ， c i ,c 2 随: 变化的 写 法就意 味着承认处 于空间 过渡态。 但此处的 空间 过渡态有别于 卜 正规光波导的空间过渡态，它是由于两个光波导最初的模 式场与合成的模式场有差异而形成的。 第止个附加条件是， 尽管c i , c , 是随 北方交通大学硕 1 二 论文 z 变化的， 但a c / a z 1 ，是缓变得。 这可以 将 e ,。 的 表达式代入麦克斯 韦方程 h 二 一 上v x f , ( 3 . 5) j刃j o 得 n n = c , ( z ) h , e a 一 (z)h ,e a = + 登 i x e ,(r )一臀 z x e 2(r )一 ( 3 . 6) 由以上式可知，必 须 a c * 0 0 3 . 1 .2 藕合波的 特性 由于两个光波导的模式相互祸合而形成的复合场处于空间过渡态，不 可再称为模式， 但仍具有明显的波动性， 可称为“ 祸合波” ，卜 面研究它的 特性。 山干* 9 z c 拙合大程所规定的模耗合系数，具有如 卜 对称性 k ,2 = k z , = k ( 37 ) 这 一 点 ， 可 从 无 损 光 波 导 的 能 量 守 恒 直 接 导 出 。 因 为 a ,州， 与 la g 州， 分别代表了 两个光波导中各模式的功率， 如果模式祸合只发生于这两个光 波导之间， 而且光波导本身又是无损的，那么两个模式的总功率应保持不 变，从而 d . : ，, 2 1 - y a , l +l a , l ( -v d z” ( 3 . 8 ) 将 ( 3 - 1 - 1 ) 式代入上式，即可得到上述结果。于是模式祸合方程可化 简为 鉴 = jf ,a ,(z ) jka 2(z ) ( 3 . 9 ) d a ,. 。 。 ，、 . 。，、 ， 工 了=j k a , l z ) + j p 2 a 2 l z ) u z 模祸合系数只取决于模式场的横向分布，而与z 无关，所以模式祸合 方程( 3 .9 ) 为常系数方程，不难求出 它的 解为 北方交通人y 硕 卜 论文 厂leeesesl 门lesesesesj ，卜今1 双u a , ( z ) a , ( z )一u 2 a , ( 0 ) a 2 ( 0 ) ( 3 . 1 0) 尸，.卫lesesl 户 ， e - 1.，esj 式中 u , ( z ) =c o s(pz ) + j 婴s in (f ) z z ( 3 . 1 1 ) u 2 ( z )一 j 生 s in (f ) y 合 (戏 + ,6 2) ( 3 . 1 2) 刀= ( 3 . 1 3) 似 =八一 y z ( 3 . 1 4) , 胡, 2 . 1 , 1 2 ，=i l l 下 二， 寸叫 y z ( 3 . 1 5 ) 可 知 模 式 祸 合 只 能 在 两 个 相 互 简 并 的 模 之 间 发 生 ， 必 须 ja ,6 1 q = 绍， 表 现为 逆压电 效应， 此时 式 ( 5 . 1 0 ) 1 11 式 ( 5 . 1 1 ) 可简 化 : 一 q - q , 二 里 竺_ q ,p e o s k s o k e , k ( 5 . 1 3 ) ( 2 ) 当q i q 一 e e不成立时， 逆压电效应及电 致仲缩效应均存在， 通常 位移一电压曲线为蝶型曲线。 北方交通人学硕 丁 论 文 第六章光纤m a c h - z e h n d e r 干涉场理论研究 6 . 1 个光纤 2 x 2 ma c h - z e h n d e r 干涉仪的输出谱 图6 - 1 . 光纤ma c h - z e h n d e r 干涉仪 全光纤 ma c h - z e h n d e r 干涉仪由 两个 3 d b祸合器串接而成，如图6 - 1 所示。 祸合器c . 和c z 起着能量分束的作用， 这样一个结构的传输矩阵为 忽略所有损耗) : x 月.leelwej 了 1 一 k , 一 j k , 一 j k , 了 1 - k , e x p ( - j j 3 , l , ) 0 0 e x p ( - j ,6 2 l 2 ) 厂lesesesl.l - .lesj ，jj咔 ee 尸lesesesll 了 1 一 k , 一 j k , 一 j 撅i e l 1 1 - k , j l e 2 1 ( 6 . 1 ) 厂.，lesl 式 ( 6 . 1 ) 中k , , k : 分别为两光纤祸合器的 分光比，为两干涉臂的传 播因子，l , . l :为两干涉臂的儿何 长度 一 j k , 心 1 - k , 了 1 一 k 2 一 j k , 一 j k 2 , f l k 万 分别 为两光 纤祸合 器 、2 的传 输矩 阵 l. e x p (一 r , l , ) l。 0 e x p ( - j /6 2 l z ) “ 光 纤 段 的 传 输 矩 阵 ， 两 ” 合 ” 的 分 “ 比 k , 和k 2 相对于 相位差4 4p 来说 随 波一长 变化比 较缓 慢， 这 里暂且认为 其为常 数， 所以 投射能黄曲 线 对波长 的 响 应主要由 相位差4 (p = kn l ， 一 k n 几 决定，其中k ,) 为 真空中 波数。 这个 透射曲 线对 波l 响应周期 为 北方交通人学硕 t - 论文 a = - 2 z t d rp l d a ( 6 2) 有 两 种 基 本 的 办 法 调 节 相 位 差 ( 1 2 1 , 既 然 a q 一 k o n l , - k o n l 2 ) ， 那 么 第一 种办法是干 涉臂的 儿何k 度 相等， 而 传播因子 不同， 即l s p 构型。 如 图6 - 2 所示。 m 6 - 2 . a l l - f i b r e d e n s e w d m i n t h e l s pc o n f i g u r a t i o n w i t h a t a p e r 1 d ( 朔) / d l 其中 l为拉细的长度 阮-l i n o n e b r a n c h 此时透射光谱的周期a= s p = p . t. p- d 一 p iaa + d 。 当 l = 7 m ， 时 ， a = 1 0 0 n m ， 如 图6 - 3 所 示 1 . 0 a. 8 o6 0. 4 的u。长匕助c一dn0o 0 . 2 0 . 0 1 2 0 0 1 3 0 0 1 4 0 0 1 5 0 0 1 6 0 0 1 7 0 0 图 6 - 3 t r a n s m i s s i o n o f a d e v ic e i n t h e l 6 b c o n f i g u r a t i o n 第二种办法是传播因子相同， 而儿何l . 度不同， 即p s l构型， 如图6 - 4 所 z 8 i 七 方交通人学硕 卜 论文 示，此时其中一臂略氏s l，这时的光谱周期a 2 n 1 况 d / 3 / d a 由此种办 法可获得任意周期的输出函数。当s l=6 5 0“ m 时，a =2 n m ， 如图6 - 5 所 不 p i 、一 一 p z 1 )1 _ 一 一 . . 留 二二 二 二，一 石! 一 一 / p , . 叫 一一叹协 p 4 n 6 - 4 . a l l - f i b r e d e n s e w d m i n t h e (3 8 l c o n f i g u r a t i o n w i t h a r m s o f d i f f e r e n t l e n g t h s 9日产65)呀 o00o0n曰 。uoll巴6应一dn。0 030201 1 4 5 0 1 45 5 1 4 6 0 1 4 6 5 1 4 7 0 1 4 7 5 1 4 8 0 wa v e l e n g t h ( r u n ) 图6 - 5 t r a n s mi s s i o n o f d e v i c e i n t h e r 6 l c o n f i g u r a t i o n 6 . 2 全光纤2 x2 m a c h -