（光学专业论文）光纤machzehnder干涉仪及其相位补偿的研究.pdf

韭塞窑亚太堂亟堂位监奎虫奎撞墓 中文摘要 摘要：光纤m a c h - z e h n d e r 干涉仪( m z i ) 因其具有干涉现象，及体积小，重量轻， 结构紧凑，灵敏度高等特点，可应用于光纤传感和光纤通信领域但是，因为参 与干涉的两路光经历了完全不同的光路，这两个光路相位和偏振的任何不稳定性 都将导致m a c h - z e h n d e r 干涉仪不稳定这使得很多对于光纤m a c h - z e h n d e r 干涉仪 的研究都停留在实验阶段，很难运用到实际工作中因此，解决m a c h - z e h n d e r 干 涉仪的稳定问题，就成为它在实际系统中应用的一个关键问题本文主要研究以 下几方面的内容首先文章阐述了光纤m a c h - z e h n d e r 干涉仪的基本原理，并从理 论上分析环境因素对于光纤m a c h - z e h n d e r 干涉仪干涉效果的影响。然后，本文针 对光纤m a c h - z e h n d e r 空间光干涉仪的相关原理、关键器件以及制作过程作了详尽 的介绍在本论文的后半部分，阐述了针对m a c h - z e h n d e r 干涉仪相位补偿的研究 在此部分，文章描述了两种不同的补偿方式第一种补偿方式可以将有效地将光 功率稳定在干涉仪输出曲线的峰值处，但对于大多数m a c h - z e h n d c x 干涉仪的应用 环境来说，更希望光功率能稳定在输出曲线的线性区域。因此，文章提出了第二 种相位补偿方式在理论上，这种方式能很好的将输出功率稳定在输出曲线的线 性度最好的区域 关键词lm a c h - z e h n d e r 干涉仪：相位调制；相位补偿；空间光干涉 分类号lt n 2 5 3 ，t n 9 1 a b s t r a i c r t h eo p t i c a lf i b e rm a c h - z e h n d e ri n t e r f e r o m e t e ri su s e di nf i b e r c o m m u n i c a t i o na n d 翻m s o 幅f o ri t s 自 i t e t f e l f n c ep h e n o m e n o n , s m a l ls i z ea n dc o m p a c t s t r u c t u r e b f c a u f l eo ft h et w oo p t i c a lb e a m si ni n t e r f e r o m e t e rt h r o u g ht w od i f f e r e n t o p t i c a lp a t h s , t h ei n t e r f e r e n c em a yb ei n f l u e n c e db yi n s t a b i l i t yo f p h a s ea n dp o l a r i z a t i o n o f t h et w oo p t i c a lb e a m s i tm a d em a n ys t u d yo nm a c h - z e h n d e ri n t e r f e r o m e t e rs t o p p e d i nl a ba n dh a m p e ri 扭a p p l i c a t i o n s os o l v i n gt h i sp r o b l e mi st h ek e yo fm a c h - z e h n d e r i n t e r f e r o m e t e ra p p l i c a t i o n 1 1 i i sa r t i c l ee x p a t i a t et h o s es t u d i e s 船f o l l o w s i nc h a p t e rt w o t h et h e o r yo fm a c h - z e h n d e ri n t e r f e r o m e t e ri sd e p i c t e d t 1 l ei i l f l u e r c eo fc i r c u m s t a n c e o nm a c h - z e h n d e ri n t e r f e r o m e t e ri sa n a l y z c dt o o i nc h a p t e rt h r e et h es t r u c t u r ea n dt h e k e yc o m p o n e n t so fi n t e r f e r e n c es y s t e mi ss t u d i e d i ng h a p t c rf o u rt h e 蛐眦i yo np h a s e c o m p e n s a t i o no fm a c h - z e h n d e ri n t e r f e r o m e t e ri | d 叩i c 涮t w op h a s ec o m p e n s a t i o n m e t h o d sa r ei n t r o d u c e di nt h i sp a r t o n ei ot h et r a d i t i o nc o m p e n s a t i o nm e t h o d t h i s m e t h o dc s nm a k et h eo p t i c a lo u t p u ts t a b i l i z e do nm a x i m u mo rm i n i m u m b u tt h i sr e s u l t i sn o to u re x p e c t a t i o n s oan o v e lc o m p e n s a t i o nm e t h o di sp u tf o r w a r d mf e a s i b i l 时 o f t h i sm e t h o di sa n a l y z e d k e y w o r d s ：m a c h - z e h n d e ri n t e r f e r o m e t e r , p h a 辩m o d u l a t i o n , p h a s ec o m p e n s a t i o n ， i n t e r f e r e n c es y s t e m c l a s s n 0 lt n 2 5 3 。t n 9 l 致谢 在本论文即将完成之际，我也将告别硕士研究生这段令我难忘的岁月本论 文的工作是在我的导师吴重庆教授和王瑞峰副教授的悉心指导下完成的，两位教 授严谨的治学态度和科学的工作方法给了我极大的帮助和影响在此衷心感谢两 年半来吴重庆老师和王瑞峰老师对我的关心和指导 盛新志教授悉心指导我们完成了实验室的科研工作，在学习上和生活上都给 予了我很大的关心和帮助。在此向盛新志老师表示衷心的谢意 王智教授对于我的科研工作和论文都提出了许多的宝贵意见，在此表示衷心 的感谢 在实验室工作及撰写论文期间，衷心感谢李亚婕博士、王拥军博士、程木博 士、魏斌博士、李政勇博士，他们严谨的治学态度、孜孜不倦的求是精神已潜移 默化的影响了我，鞭策着我在未来的人生之路上要不断进取；感谢已毕业的孙世 杰、倪东、盛积业、高华丽、陈春桢师哥和师姐们曾给予我的在学习和生活上的 帮助；感谢季江辉、姜楠、王丹、李赞、刘衍飞、刘晓冬、刘琦，与他们两年半 朝夕相处的日子是我一生的精神财富感谢赵爽、彭鹏、杨双收、王亚乎、高凯 强、赵阳、张建亮、张立军、余贶碌等师弟师妹，在与他们相处的一年里，我感 受到了兄弟姐妹般的关怀，让我沐浴在家庭般温馨的环境中学习生活 另外也感谢我的家人，虽然他们不在我的身边，但正是他们的理解和支持使 我能够在学校专心完成我的学业 最后，感谢所有曾经关心和帮助过我的朋友! 第一章引言 1 1光纤m a c h - z e h n d e r 干涉仪的研究现状 全光纤的m a c h - z e h n d e r 干涉仪是一种重要的干涉器件，它可以作为光时分复 用器或者光纤传感器等等传统的m a c h - z e l l i l d 盯干涉仪由两个3 d b 的光纤耦合器串 联而成，如图l - l 所示l t 嗣由激光器发出的相干光，分别送入两根长度基本相同 的单模光纤( 1 1 m a c h - z e h n d e r 光纤干涉仪的两臂) ，其一位探测臂，另一为参考臂 两臂中传输的光在第二个耦合器中发生干涉，将两干涉臂的相位差信息转换成为 光功率信息，这样就能通过观测光功率的变化判断探测臂上产生的变化 圈1 - 1m a c h z e h n d e r 干涉仪的基本结构 m a c h - z e h n d e r 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，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 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 分复用器等下面从光纤传感和光纤通信中的实例来说明m a c h - z e h n d e r 干涉仪在 这两个领域中的应用 1 1 1 高压电流传感科3 1 在发电、输电、变电等电力系统中，为了提高设备的运行安全可靠性及效率， 必须对电流、电压、功率等电器参数进行测量在测量过程中，由于高压，大电 流存在强电磁场的干扰，及绝缘不良发生短路的危险为避免伤害，一般使用的 电子测量系统结构复杂，价钱昂贵、设备庞大为了克服这些缺点，人们正在研 究用光纤传感器取代电子传感器因为光纤传感器有绝缘性能好、不受电磁干扰、 体积小、灵敏度高等优点，作为电力系统测量的敏感元件具有独特的优势 采用m a c h - z e h n d e r 干涉仪实现高压电流传感器的结构框图如图l - 2 所示 静电蠢 - _ _ _ _ _ _ _ o 一 压电一鼍 圈1 2基于m a c h - z e h n d e r 干涉仪的高压电流传感器 m a c h - z e h n d e r 干涉仪的两个臂分别为探测臂和参考臂，探测臂上有一个具有 磁致伸缩效应且绕有裸光纤的铁镶合金筒，由其充当对磁场产生感应变化的敏感 器件；参考臂有一个绕有裸光纤的压电陶瓷( p z t ) 筒，它的作用是调整两臂的光 程差，使干涉仪工作在任何相位差的初始状态在该种方案中，应使得这两个臂 的光程差相差四分之一个波长或相差四分之一波长的奇数倍 在信号处理电路中，采用了差分放大器的共模抑制作用来消除激光振幅噪声 和光路噪声等因素的影响。两个光探测器接收到相干光可以分析如下： 霉置p f b i r + s ( ，) + 一b 乞一e 2e x p 瞄2 f + t i ( 1 1 ) ( 1 2 ) 式中表示参考臂光波；s ( f ) 是待测场引起的相位调制；t 表示固定相位延迟；毛表 示探测臂光波；一表示相应的固定相位延迟当这两束光经耦合器组合在一起时， 满足干涉条件，产生干涉现象，出现是光电探测器上的合成光波可写为 p 【r ) = 融c x p d o ( f ) + 一) 】+ 丘麟p p ( a 耐+ 一强e x p p q d ( 1 3 ) 式中哆一q s ( 鸭，q ) 因此，光电探测器的输出电流为 i ( t ) o c i o 1 + k c o s ( a e a t + s ( t ) + # , 一 ) 1( 1 4 ) 2 式中k 为比例系数，k s l 若置，属，则t t l 光电探测器输出电流的交流分量为 ；) t s 【甜+ “f ) + 以一一l( 1 5 ) 要提取的信号是式中的即) 显然，提取j ( f ) 的方法和a 国有关：当a 珊o 时。 称为外差检测；当a m t 0 时，称为零差检测在许多实际情况中，信号臂和参考比 光波频率相同，即：a = o 这时监测器输出的电压信号为 y ) t c o 啦耐+ ，( ，) + 以一 】 ( 1 6 ) 显然，调整压电陶瓷的负荷电压，使干涉仪的两臂处于正交状态，即 t t = z 1 2 ，则 当s ( ，) o 1 时，则 v ( t ) o cs i n s ( t ) r ( ，) j ( ，) ( 1 7 ) ( 1 8 ) 即：输出交流电压信号正比于相位调制信号可见，由输出交流电压信号可 以检测出待测场引起的相位调制信号，从而可进一步推算出待测场的变化 1 1 2m a c h - z e h n d e r 干涉仪在光相位调制中的应用f 4 】f 5 】 基于相位调制原理的光信号调制是通过调制器将所需要传输的信息调制在光 信号的相位上由于这种调制格式一般采用平衡检测，相位调制提供了更高的接 收机灵敏度，这使得相位调制信号可以传输更远的距离并减少对光功率的要求； 由于接收机判决阈值电平为零，与接收机输入信号功率无关，所以相位调制信号 的平衡检测相比强度信号接收而言，对光信号的功率变化提供了更高的容忍性， 可以使接收机保持在最佳判决的工作状态：由于光功率均匀分布在相位调制信号 的每个比特中，结果使得码间串扰所导致的信号失真大大降低。所以在抗噪声性 能以及信号频带利用率等方面，基于相位调制原理的光调制格式比基于强度调制 的光调制格式优越，因而逐步应用到高速光纤通信系统中 3 韭塞奎适 太堂 亟 土差位j 幺塞 一 i l直 k ( f ) i ( ，) 圈1 4i v l z 干涉型l i n b 0 3 调制器结构示意图 ( r ) 图1 3 为l v l a c h - z e h n d e r 干涉型l i n b 0 3 调制器结构示意图设输入光场为 e ( ，) t 眩p ”，式中q 为光信号在波频率，经过调制器后输出信号为 l ( f ) = 竽妒】s 驯桦 掣半( 1 9 ) 设两调制臂的输入电压信号为k ( ，) 和k ( ，) ，则由此所导致的相位变化为 烈r ) = k 矿( ，) 1 ，k ，式中屹为调制器单臂工作是输出光强由最大变为最小所需要的开 关电压，所以 a c o 瑚，咄( 塑气盟卅截删 ( 1 t o ) 输出调制光信号有幅度调制和相位调制两部分组成为使调制器工作在无啁 啾状态，两调制臂的调制电压通常选择为“推挽( p u s h - p u l l ) ”工作方式，即通过在 两调制臂之间施加一个固定的偏置电压p 0 ，则有k ( ，) - k ( f ) + 吃。如果令匕= 2 k ， 这时调制器输出光信号保留一个常数相移项为 露二；e 咖 参帆( f ) 一吃哥s 麓( 1 1 1 ) 通过对不同偏置电压和输入电压信号的选择，调制器可以工作于数据加载或 时钟方式 1 当偏置电压为零，输入频率为峨，振幅为k 的电时钟信号圪= v s i n d 0 0 t 时， 输出调制信号为 l ( f ) = e ( r ) 淄仨s m ) ( 1 1 2 ) 气( ，) 。竽n + c o s ( 嘲吧r ) 】 ( 1 1 3 ) 输出调制光信号频率为2 吃的脉冲串，脉冲宽度( 半高全宽f w h m ) 为x 3 0 j o ( 即占空比为3 3 ) 由于余弦函数的特性，输出信号相邻脉冲之间的相位保持 一致上述工作方式通常应用于归零码( r z ) 半比特率工作方式时的时钟 2 当偏置电压为v 2 ，输入频率为q 、振幅为v 2 的时钟信号；k ，( 2s i n 峨r ) 时，输出调制光信号为 l ( 忙t ( r ) c 。e ( s i n 鲜一l 小弓 乞t 竿蜘小 ( 1 1 4 ) ( 1 1 5 ) 输出调制光信号频率为蛾脉冲串，脉冲宽度( f w h m ) 为z t o o ( 即占空比为 5 0 ) 上述工作方式通常应用于产生r z 码全比特率工作方式时的时钟信号 对于非归零码( n r z ) 调制，输入点信号为圪= 以，啦( f ) ，4 ( f ) 。l ，则输出 调制信号为 ( 1 1 6 ) ( 1 1 7 ) 3 当偏置电压为屹、输入频率为q 、振幅为屹的电时钟信号匕= v , s i n a ，o t 时， 输出调制信号为 丸( ，) = 以( f ) s i n ( 三s i n 哪) ( 1 1 8 ) 删= 竽。一c o s ( x s i n w j ) ( 1 1 9 ) 输出调制光信号频率为2 峨的脉冲串，脉冲宽度( f w h m ) 为2 x 3 a , ( 即占 空比为6 6 ) 由于正弦函数的特性，输出信号相邻脉冲之间的相位取反，实现 了载波的抑制。上述工作方式通常应用于产生载波抑制归零码( c s r z ) 的时钟 5 毋 l丐、”， - + o 1 j k “ 卜k h e s n 灿l _ 一 “：，n 、j 瓦 舶1 = 对于差分相移键控( d p s k ) ( 也称之为n r z - d p s k ) 信号调制，输入信号为 预先差分编码的伪齄机n r z 信号虼z k 口o ) ，口( ，) t l ，d p s k 的“l 。，“0 ”码 之间相位相差1 8 0 ，信号频谱中的离散分量受到抑制，则输出调制光信号为 瓦( f ) t e ( ，) 唯缸中 气( f ) t 半垂一淄如b = 舶) ( 1 2 0 ) ( 1 2 1 ) 调制后信号输出光功率为常数，可减小由于信号功率变化而导致的光纤非线 性的影响 1 2 课题的目的和意义 现在大多数研究机构都是通过铌酸锂的m a c h - z e h n d e r 干涉仪来实现光的相位 调制的，但这种方式在速率非常高( 超过4 0 g b i t s ) 可能就会遇到电子瓶颈问题， 速率很难提高因此，我们希望通过光对光的相位进行调制，这样一来就突破了 由于电子瓶颈对速率的阻碍要利用光对光的相位进行调制。就必须利用光纤 m a c h - z e h n d e r 干涉仪和相关非线性器件来实现而光纤m a c h - z e h n d e r 干涉仪易受 环境因素的影响，特别是环境温度对相位的影响非常显著对于光相位调制，信 息都承载于光的相位之上，因此，环境的变化很可能影响调制信号的质量，甚至 得不到相位调制信号 1 2 1 课题目的 课题针对m a c h z e h n d e r 干涉仪易受环境影响了的问题，采用了基于3 x 3 耦合 器的m a c h - z e h n d e r 干涉仪，提出了一种新型的相位自动跟踪补偿方法通过上述 技术来解决环境因素对m a c h - z e h n d e r 干涉仪干涉效果影响的问题，使得其可以在 高速调制中得到应用 1 2 2 课题意义 对于m a c h - z e l m d e r 干涉仪，参与干涉的两路光经历了完全不同的光路，不像 s a g n e c 干涉仪那样，两路光经历同一光路只是传输方向不同而已这两个光路相 6 位和偏振的任何不稳定性都将导致m a c h - z e h n d e r 干涉仪不稳定这使得很多对于 光纤m a c h - z e h n d e r 干涉仪的研究都停留在实验阶段，很难运用到实际工作中因 此，解决m a c h - z e h n d e r 干涉仪的稳定闯题，就成为它在实际系统中应用的一个关 键问题通过本课题的研究，可以很好的解决这一问题，使m a c h - z c h n d c x 干涉仪 在光纤传感和光纤通信领域得到广泛的应用 1 3主要工作内容 本人的工作主要分为m a c h - z e h n d e r 空问光干涉仪研制和光纤m a c h z c h n d c r 干涉仪相位稳定的研究两个部分 1 3 1 光纤m a c h - z e h n d e r 空间光干涉仪的制作 本人根据实验室已有的资料和实验装置，独立完成了三套空间光 m a c h - z c h n d c r 干涉仪的制作，并对以前系统的不足进行了改进，使得干涉条纹更 加明显。本人的主要工作分为以下几个方面： 1 相关文献的查阅，了解m a c h - z e h n d e r 干涉仪的基本理论； 2 研究以前制作的m a c h - z e h n d e r 干涉仪，了解m a c h - z e l m d e r 干涉仪的基本构成 和特性； 3 找出存在的不足提出相应的修改意见； 4 提出改进后的设计方案，并进行光学器件的机械设计； 5 搭建光路，系统性能测试及优化 现在三套全光纤m a c h - z e h n d e r 空问光干涉仪已全部投入使用，性能优良，成 为实验室一项重要的本科实验教学仪器 1 3 2 光纤m a c h - z e h n d e r 干涉仪相位补偿的研究 另一项主要工作是进行光纤m a t h z e h n d e r 干涉仪相位补偿的研究在该课题 中，作者主要负责以下几个方面的工作： 1 查阅相关文献、资料，了解研究背景； 2 在导师吴老师的指导下，完成相位补偿的总体方案设计； 3 搭建光路。检测是否有干涉现象。并分析环境因素对干涉效果的影响； 4 电路原理图及电路板设计，并进行电路板焊接、调试； 5 系统测试及优化 7 第二章理论分析 2 1由两个2 x 2 耦合器串联而成的m a c h - z e h n d e r 干涉仪【1 1 , 1 6 1 全光纤的m a c h - z e h n d e r 干涉仪是一种重要的干涉器件，它可以作为光时分复 用器或者光纤传感器等来测定光源的干涉长度它由两个3 d b 的光纤耦合器串联 而成如图2 - 1 所示 豳2 - lm a c h - z e h a d e r 干涉仪的基本结构 耦合器c l 和c 2 起着光分路的作用，在忽略所有损耗的条件下，这样一个结 构的传输矩阵为： 卧城匮 ( 2 1 ) 式中，乃和乃分别为两光纤耦合器c l 和c 2 的传输矩阵；口为中间两根光纤传输特 性联合在一起的传输矩阵这里我们只考虑了某个偏振方向的耦合，在忽略各自 的双折射和偏振态演化的前提下，有 z = 陌矧 瓦= 隋矗 丑吖啪茹厶， ( 2 2 ) ( 2 3 ) ( 2 4 ) 式中，q ，钙分别为两光纤耦合器的分光比；属，屈为两干涉臂的传输常数：上- ， z 】为两干涉臂的长度于是得到 i 鼢隋周一印品t ，i 僖习劫， 可以看出，在所考虑的波长上，输出的光功率主要由分光比和相位差 2 a 矿= a 厶一屈厶所决定( 注意，此处的矿与一般文献上定义为属一厦厶相差一个2 倍) 。在实际的系统中，两耦合器的分光比均相同，为l 2 ，两根光纤的传输常数也 相同，即卢一饥，于是有 和 2 a , p t 芦k 厶一厶) = 届心 匮 咄9 匮嚣麓嚣= 绷 ( 2 7 ) 式中，芦；风上l + 厶) ，2 为两个光纤臂的平均相移，不影响干涉的效果如果只有光 纤耦合器c 1 的l 端有光输入，最= o ，则从式( 2 1 ) 可以看出光功率将在两个输出 端不断地随驴变化而变化，即有 阡曙瑟矧 上述分析都是指稳定光源长期工作的情形当输入到干涉仪的是脉冲时，干 涉情况还要受到群速度差( 称为走离) 和色散的影响，尤其是当高速系统( p s 级) 中和光纤干涉臂较长时情况更严重设有一个理想的单频光 e x p ( j o o t ) ，如果不对 它调制，那么它的相干长度为无穷大现在对它进行调制，设调制信号为，( r ) ，调 之后的光信号为在光纤m a c h z e h n d e r 干涉仪中，它被分成两部分，即 。( ，) e x p 缸8 p + 蟊) 和z ( ，) 唧t i ( 咄+ 魏) ，其中以和致分别为分解时的相移( 比如半 波相移) 二者经历两个不同路径的干涉臂，假设不考虑偏振态演化以及色散引起 的调制信号的失真，达到干涉点时二者分别为 和 f , c t 一芦上1 ) 唧 j ( q h ，9 一p ) ( 2 9 ) 9 叠加的结果( 功率) 为 z o 一，。厶) e x p ；( 峨- ，一厶) ( 2 i o ) 笔峨盖嚣胬2苗坼：at-依p)lo(t-p x z。厶) c o s 帆也一厶) + 慨一依j j 、 这时是否相干，主要看合成的光信号是按功率相加还是按幅度相加如果相干( 按 幅度相加) ，必须满足两个条件，即 2 心一伊。4 ) x f , ( t - 零。 伦1 2 ) 和矿。( 厶一) + 瓴一吼) 是一个确定的值前一条件就表示走离。后一条件表示传输 过程引入的非相干性有时，走离的要求更苛刻一些 2 2基于3 3 耦合器的m a c h - z e h n d e r 干涉仪 用3 x 3 耦合器构成的m a c h - z e h n d e r 干涉仪如图2 - 2 所示， 图2 - 2m a c h - z e h n d e f 干涉仪的基本结构 对于图2 - 2 所示的光纤m a c h - z e n h d c r 干涉仪，设两耦合器均具有理想的对称结 构，即其分光比分别为：1 ：l 和1 ：l ：1 3 x 3 耦合器的一端输入悬空干涉仪的整个传 输矩阵可表示为m = r , e x r , ，其中正为2 x 2 耦合器的传输矩阵，p 为干涉仪两个干涉 臂的传输矩阵，z 为3 x 3 耦合器的传输矩阵对于3 d b 的2 x 2 耦合器，若不考虑偏振 的影响，其传输矩阵可以写为： ( 2 1 3 ) 当连续光由耦合器1 端口输入，并经过一段光纤传输即m z i 的两个臂后，其光 压l生：亚五i叫一 场的表达式为； 识斟陲社胤鬻) ( 2 其中识，仍为m z i 两干涉臂所引起的相移上式正是3 x 3 耦合器l 、3 端口输 入光场的表达式对于分光比为l ：l ：l 的3 3 耦合器，其传输矩阵表示如下1 7 l ： 礴睦 因此，m z i 的输出可以表示如下： 可得： 卧 唧字 唧譬 唧孚 l 唧了j 2 x e x p 孚 唧譬 l ( 2 i s ) 斤r 墨酬羁) 1 x 半i o i ( 2 1 6 ) 卜偶“p ( j 缟) j 耻孚置h 孚一劫d j ( 丑手+ 劫 乃 耻孚州学一劫吨警+ 铡 动 弘孚置h 乎一剀d j ( 警十劫 由此可得输出功率的表达式为： 塑，丝， 唧 唧 堕， 唧 石一， 肛小斗矿+ 剀 只t 冬( 1 + s h a 力 ( 2 2 0 ) j 己= 小s ；卜剀 式中：6 9 = 张一一为两干涉臂的相位差，也可以写为p = 2 a n 4 a l 2 , 。其中 为光纤的有效折射率，越为干涉仪两臂的长度差，五为输入连续光的波长当 a 尹z a 2 时。鼻，0 t e 6 ，此时0 2 己3 ；当a 尹；3 x 2 只= 0 t 置2 ，此时 只= 0 通过上述分析可知，干涉仪三个端口的输出均为正弦函数，相互之间有1 2 0 。 的相位差若e - - i m w ，可以将三个端1 3 输出光功率描述如图2 3 从公式a 9 t 2 z n c a l 一t 可以看出，输入光波长的变化，光纤折射率的变化和干 涉仪两臂长度差的变化都可以引起输出光功率变化从上式可以估算出光纤的相 移常数大约在1 0 m 1 的量级，而石英的温度系数在l o 。的量级，这意味着温度的 微小变化将导致a 矿的很大变化同时，由于外界的振动，甚至空气的对流都可能 影响到光纤干涉臂的偏振态因此外界环境的不稳定，也必将导致干涉不稳定 此外，对于实际的光源，由于相干长度很有限，比如某些分布反馈式( d f b ) 激 光器，它的相干长度只有几十厘米，超过这个长度就不会相干，因此，两个干涉 臂的长度差不能太大1 1 1 图2 - 3m a c h - z e h n d e r 干涉仪输出光功率 2 3 温度对光纤m a c h - z e h n d e r 干涉仪的影响 在上文中已经简单介绍过，环境的温度，外界的振动，甚至是空气的流动都 可能对m a c h - z e h n d e r 干涉仪的干涉效果产生影响在这些因数之中，温度对 m a c h - 7 _ e h n d e r 干涉仪的影响最为明显下面从温度对石英光纤的影响，进而得到 温度对m a c h - z e h n d e r 干涉仪输出光功率的影响 温度发生变化，光纤会产生热胀冷缩效应，考虑在长度为l 的光纤中传播光波 的相位为【村 一。九+ 屯，l 三。屯兰兰以 ( 2 2 1 ) 式中九为光进入光纤前的初始相位，毛为传播常数，其值为2 x 3 ；为光在真空中 的波长；上为光纤纤芯的折射率为光纤的长度对于图2 - 2 所示的双光纤光路，两 臂分别为上l ，厶光经厶后，光波的相位一，以分别为 ，九+ 蝎。屯孥匾 ，屯+ k o n l ：。屯孕咄 ( 2 2 2 ) ( 2 2 3 ) 当光路z i ( 设定，厶温度不变化) 由于温度变化了d t 折射率h 和光纤长度 分别有增量d ，和札( 此处没有考虑温度对光纤直径的影响) ，公式( 2 2 2 ) 中t 与温 度r 的关系可用全导数表示为 i 的全微分为： 兽=盟竺+丝等；才2jrf一dnd o nd to z , dd t + 一些d t ) ( 2 2 4 ) rr ， 、 丢盟=等(罟+量石dl, f ，v o 增大， 直到一v o 一+ 吃，即运放输出电压的最大值圪受直流电源电压的限制，致使运放进 入饱和状态t 保持不变，而停止积分 d ( i ) 嘞 p o d 图4 6 积分电路的阶跃响应 ( i ) 输入波形o ，) 输出波形 差分的积分电路如图所示由p i n 检测出的电流通过高阻放大，电流信号转 换成电压信号，：输入 根据积分电路的原理，上图所示电路的输出可以表示为： 工 圈4 7 差分积分电路 3 8 。嘉妣一弦 ( 4 9 ) 从上式可以看出，当两输入信号不相等时，积分电路工作，输出电压不断增 大；而当两输入信号相等时，输出电压不再变化，稳定在当前值因此，可以将 积分电路的输出电压加到压电陶瓷上，以调节光的相位。当两路光信号功率不相 同时，输出电压增大，压电陶瓷发生伸缩，改变光纤的长度，进而改变光的相位， 直到两路光信号功率相同，输出电压稳定在当前值，压电陶瓷不发生形变，因此， 光的相位此刻也不发生改变 4 3 3 关键器件 1 光电探测器( p i n ) 表1 光电探测器性能参数 暗电漉( i l 相应度电容 产品序号 r l ( d b ) e 酬v l l = s vv r ，s v , 1 = 1 3 1 0 n me 龇v r t s v , f = l m h z s w t - w 0 0 5 5 7 1 4o 0 0 60 硒0 ，7 0- 5 2 o s w t w 0 0 5 5 7 1 5o 0 0 20 9 0o 舒4 7 s 实验中所用的光电探测器( p i n ) 产品型号：p d s l 4 3 一c f a b 0 2 ，表1 列出了 两个p i n 的主要性能参数 该型号p i n 的响应度和机械结构如下图所示闭： 图4 _ 8p i n 的封装结构图围4 - 9p i n 的响应度与波长的关系 2 运算放大器 电路中用到两类运算放大器，一类是用于信号处理的低压运算放大器，另一 类是用于放大电压信号，得到高电压输出的高压运放下文将分别对它们进行介 绍 电路中的低压运放用的是l m 3 2 4 它将4 个同样的运放集成在一块芯片上， 这样傲可以使得4 个运放的性能基本相同，不会有太大的差异l m 3 2 4 的管脚定 义如图4 - 1 0 所示叨l nc o n 只g u r 用k 燃 图4 - 1 0l m 3 2 4 管脚定义图4 - 1 1l m 3 2 4 典型应用电路 l m 3 2 4 可0 - 3 0 v 单电源供电或士1 5 双电源供电，开环增益1 0 0 d b ，带宽i m h z ， 图4 - 1 1 为其典型应用电路 电路中的高压运放使用的是高压、大电流放大器o p a 5 4 8 可使用+ 8 + 6 0 的单 电源供电或者+ 4 - + 3 0 的双电源供电，最大输出电流5 a ，完全满足本实验电路的 需要图4 - 1 2 为其引脚定义图，图4 - 1 3 为典型应用电路嘲 图4 - 1 20 p a 5 4 8 管脚定义图4 - 1 3o p a 5 4 8 典型应用电路 4 0 韭赢奎盈太堂亟芏位i 金塞出红m h ：圣h 4 王透退担盈赴篮殴班豇 4 3 a 实验结果 本实验的光路和电路原理如图4 - l 和图4 _ 2 所示实验所用激光器为精密可调 激光器，波长从1 5 3 0 r i m 1 6 1 0 n m 可调，入射光波长为1 5 5 3 3 2 4 n m ，功率下降3 d b 时的波长宽度为0 0 1 2 r i m 根据公式a 工，z 可计算出此激光器的相干长度为2 2 c m ； 2 x 2 耦合器的分光比为4 9 9 ：5 0 1 ，3 x 3 耦合器的分光比为3 3 3 ：3 4 1 ：3 2 6 ； m a c h - z e h n d e r 干涉仪两臂长度相差为2 7 6 c m ，远小于相干长度；电路所用高压运 放( o 队5 4 8 ) 是2 0 v 电源供电，其他元件均由+ 5 v 电源供电。图4 - 1 4 为电路的 实物图 图4 - 1 4 相位补偿电路实物图图4 - 1 5 未加补偿时4 端口输出波形 图4 - 1 6 加补偿后4 端口输出波形图4 - 1 7 加补偿前后4 端口输出波形 图4 1 5 为未加相位补偿电路时，4 端口的输出信号从图4 - 1 6 中可以看出， 4 1 未加相位补偿电路前，4 端口输出的信号很不稳定，呈现出缓慢变化的情况，分析 是由于外界环境的振动或温度变化所引起的，变化频率很慢，基本都在1 0 h z 以下， 而且都是随机变化圈4 - 1 6 为加上相位补偿电路后，4 端口的输出情况，可以看 到加了相位补偿电路之后，输出基本稳定下来，变化幅度很小图4 - 1 7 为两种情 况的对比，波形的前半部分为未加相位补偿电路时，3 x 3 耦合器4 端口的输出值； 后半部分为加上相位补偿电路之后，4 端口的输出值，稳定在5 1 0 m v 已知p i n 及其外围电路的参数，可以求得此时4 端口的输出光功率约为1 0 9 p w m z i 输出 稳定后，测得5 端口的输出值为3 9 2 p w ，可以算出。此时3 3 耦合器三个端口的 输出功率之比约为l ：4 ：l ，这与上文的理论推导有较好的吻合 4 3 5 存在的问题 上述实验和分析均在未加调制信号时对m a e h - z e h n d e r 干涉仪干涉效果的分 析，下面分析将讨论加入调制信号后，m a c h - z e h n d e r 干涉仪的干涉情况，并指出 上述实验方式的不足之处 设用户加入的调制信号引起的相位差为a 屯，式( 4 1 ) 可以改写为： 只，= 手 1 + s j l l ( 卸+ a y + 警+ 训 只= 手【l + s i i i ( 妒+ 妒+ 钆( f ) ) 1 ( 4 1 0 ) 。= 弛s + y 一警哪) ) 上述实验是将5 端口输出稳定在功率最高点位置，此时c * 2 足3 ， 9 + a 妒= o 从图2 - 3 可以看出该稳定工作点处于输出曲线的非线性区，对于输出 曲线的非线性区域，存在以下两点不足，这也正是上述实验的不足之处 1 由于该工作点处于输出曲线的非线性区，这将影响m a e h - z e h n d e r 干涉仪 的检测结果对于非线性区域( 即输出曲线的峰值处) ，从图中可以看出，相位很 大的变化只能引起功率的微小变化，而当工作点处于输出曲线的线性区域是，相 位的微小变化便能引起功率的很大变化这将影响m a e h - z e h n d e r 干涉仪的监测灵 敏度。 2 从上文中对积分电路的分析可知，积分电路的调整电压受到电源供电电压 的影响，当输出电压达到供电电压时，积分电路的输出电压便无法继续增大，进 入饱和状态，补偿电路便失去了对光路的调整能力可以通过加大供电电压缓解 这一目题，但并不能从根本上解决电路失调的问题 因此，针对这两点不足之处，本文提出了新型的相位自动跟踪补偿方法 4 4 偏置点位于中点处的相位补偿方法 为了达到预计的要求，并且有效地消除共模干扰，需要使用平衡监测此处 的平衡监测与传统意义上的平衡检测有所不同通常意义上的平衡监测都是将两 个端口接收下来的信号相减，然后将相减后的信号求积分，再输出给p z t ，对光 进行相位调制这也是上文所述方法的原理但此种平衡监测方法并不能将5 端 口的输出稳定在中间值，而是稳定在最大或最小值，而且当积分电路积到供电电 压时，积分电路将会失去对光路的稳定作用，因此不能很好地满足要求下文将 要提出的平衡检测不仅将两个端口的信号相减，同时将两个端口接收下来的信号 相加，用相加得到的信号来控制相减信号的输出此种平衡监测方法既能有效地 去除共模干扰的影响，又能达到稳定输出光功率的目的 由于用户引入的相移尹 f ( f ) ，是一个高速变化的量，处在两个p i n 接收带宽之 外，从而两个p i n 的输出电压值同上文一样，可以表达如下： k 蝴m 专+ s 小少+ 剀+ e 眦岬讣s i n ( a p + a q - 料 ( 4 1 1 ) ( 4 1 2 ) 式中置，焉为前置放大器的电阻，m ，m ：分别为两个p i n 的响应度，t o ) 为 共模干扰电压同样，此实验中两+ p i n 亦是共用一个电源，且采用对称设计，因 此，它们所受的电源共模干扰几乎相同由此可得， 匕。巧一哎t 孚水m 一是m 卜卜m 对小矿+ + 等) 一是鸩s 矿+ 一芋) ) ( 4 1 3 ) 由于两个p i n 不可能完全一样，但是可以通过设定两个电阻值，使得r m 和 罡幔尽可能相等，此时，上式写为： ，2 一2 r m x 冬c l 厶矿+ a 缈) s i n 之! ( 4 1 4 ) jj 经过放大可得：匕t 匕毛为放大系数 同样，可以求出k + 吒的表达式： 乙叫+ k 。删寺 2 他m p + a 哪爿 ( 4 1 5 ) 对吃进行滤波，并进行反向放大，可得： 吃z 乞肼譬划卸+ a d ( 4 1 6 ) 式中毛为放大倍数令k z r m ) ( p , , 1 3 = l ，匕和吃曲线可用1 蔓1 4 - 1 $ 描述 从上述推导和图形中可知，要使a 伊+ a 矿- - i x ，其中七印，1 , 2 ，则需为 最大值或最小值，而k - 0 对于尹+ a 缈e ( - 霄，由，可将其分为4 种情况进行分析： 1 当巳 o ，吃o 时，此时z 2 o ，吃 o 时，此时o a 矿+ y z 2 ，则需要使识减小，纯增大， 使矗p + a 缈尽可能等于“0 ”； 3 当吃 o 时，此时- z 2 a 矿+ a 矿( o ，则需要使识增大，办减小， 使a c + a 妒尽可能等于“0 ”； 4 当乙 o ，吃 0 时。此时一z 0 ，吃 0 时，此时模拟开关l 导通，p z t i 所加为负电压，p z t 2 所 加为正电压，使得蚂减小，见增大，卸+ a 减小相位差的减小，将导致巴增大， 而吃的增大，将使得a 伊+ y 进步减小，使得其趋近于“o ”； 3 当吃 0 时，此时模拟开关2 导通，p 2 r t l 所加为正电压，p z 亿所 加为负电压，使得识增大，吼减小，a 矿+ a y 增大相位差的增大，将导致增大， 而吃的增大，将使得a 尹+ a y 进一步增大，使得其趋近于“0 ”， 4 当吃 0 ，吃0 时，此时模拟开关2 导通，p z t i 所加为负电压，p z t 2 所 加为正电压，使得砚减小，钙增大，a 矿+ a y 减小相位差的减小，将导致匕减小， 而吃的减小，将使得卸+ a y 进一步减小，使得其趋近于。一1 5 ” 从上述分析中可以看出，此种新型的相位平衡检测、自动补偿的方法可以很 好的将输出光功率稳定在输出曲线的线性区域 4 5实验进展以及今后的工作 上文对新型的相位补偿方案进行了详细的理论分析，证明了其可行性和有效 性目前，已经按照图4 - 1 9 所示原理框图制作了更为详