非平衡光纤Mach2Zehnder干涉仪偏振衰落及相位噪声分析

       1　引　言

　　在光纤光栅传感系统中,外界物理量的变化被转变为光纤光栅布喇格中心波长的变化,即传感信号是波长调制的光信号。由于目前还没有直接探测波长变化的解调装置,因此,如何解调出波长的变化成为光纤光栅传感器实用化的一项关键技术。目前所提出的解调方案包括:扫描光纤Fabry2Perot干涉仪解调、非平衡光纤Mach2Zehnder干涉仪解调、斜边滤波器解调、成像CCD解调、双光栅匹配解调等[1]。非平衡光纤Mach2Zehnder干涉仪解调因具有解调分辨率高、适合动态解调的特点,成为光纤光栅传感系统解调技术的一个主要研究方向[2]。非平衡光纤Mach2Zehnder干涉仪本身是一种基于干涉原理的双光束干涉仪。光产生干涉的必要条件之一就是参与干涉的光的振动方向必须一致。由于干涉仪的引导光纤和干涉仪的两干涉臂一般均采用普通低双折射单模光纤,干涉仪的传输特性容易受外界环境的影响。当偏振光在干涉仪中传播时,两束光的偏振态会因干涉仪传输特性的变化而发生随机变化,使两束光光场的振动方向不一致,干涉仪输出端光强信号的可见度发生变化,影响待检测信号幅度,当两束干涉光正交,信号完全消失,即产生偏振衰落现象。干涉仪中,光场偏振态的变化同时还会引入相位噪声。本文详细讨论了输入光场偏振态对光纤Mach2Zehnder干涉仪输出端光强信号可见度的影响以及相位噪声的引入,并提出抑制偏振衰落和相移噪声的方法。

　　2　非平衡光纤Mach2Zehnder干涉仪输出端光强信号计算

　　用于解调光纤光栅传感信号的非平衡光纤Mach2Zehnder干涉仪结构如图1(a)所示,它由两个3dB的2×2耦合器和普通低双折射单模光纤构成。来自光纤光栅的偏振光信号通过引导光纤进入干涉仪,首先经耦合器1分成两束信号光。两束光分别在两干涉臂中独立传播至耦合器2。经耦合器2再次耦合后,在干涉仪输出端发生干涉,最终将波长调制信号解调为相位调制的光强信号送入探测器。

　　将干涉仪中的2×2耦合器近似看作理想元件,分光比为1∶1,并且不改变光的偏振态;低双折射单模光纤符合弱导近似条件,光在其中传播时可近似为TEM波。图1(b)表示了光在干涉仪中传输时,干涉仪各部分的传输矩阵。Rin表示引导光纤的传输矩阵。R1、R2分别为干涉臂1、干涉臂2的传输矩阵。Rout为干涉仪输出端引导光纤传输矩阵。图1(b)可等效转化图1(c)[3],在图1(c)中干涉臂1的传输矩阵转化为R-13R1,R-13为R2·exp(jβL2)的逆矩阵,即R2=R3·exp(-jβL2),其中:β为理想单模光纤的传播系数,L2为干涉臂2长度。因此,干涉臂2简化为理想单模光纤。为便于讨论,在本文中,以Em、E1……Eout分别代表各处光场的琼斯矢量,Ain、A1……A5表示各处光场的复振幅,Cin、C1、C2表示单位琼斯矢量。