基于3×3耦合器的非平衡光纤Mach-Zehnder干涉仪传输特性研究

　　1　引　言

　　在光纤光栅传感系统中,外界物理量的变化被转化为光纤光栅布拉格中心波长的变化,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,如何将波长的变化转化为可探测物理量的变化成为实现传感信号解调的一项关键技术。现有光纤光栅传感信号解调方案包括:扫描光纤Fabry-Perot干涉仪解调、非平衡光纤Mach-Zehnder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Mach-Zehnder干涉仪是一种基于干涉原理的双光束干涉仪,利用其进行解调可实现波长变化向光强变化的转换,同时由于其具有解调分辨率高、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。

　　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。本文运用波导耦合理论和光纤偏振光传输理论,在考虑外界因素对干涉仪产生影响的前提下,对基于3×3耦合器的非平衡光纤Mach-Zehnder干涉仪传输特性进行研究,得出一般性结论,克服了以往理想状态下研究结论的局限性[2-3]。

　　2　干涉仪传输模型的建立

　　基于3×3耦合器的非平衡光纤Mach-Zehnder干涉仪结构如图1(a)所示,它由一个2×2耦合器一个3×3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2×2耦合器分成两束信号光。两束光分别在两干涉臂中独立传播至3×3耦合器。经耦合器再次耦合后,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[4]。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。Routi(i=1,2,3)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),在图1(c)中干涉臂1的传输矩阵转化为的逆矩阵,即其中,β为理想单模光纤的传播系数,L2为干涉臂2长度。

　　3　干涉仪输出端光强信号计算

　　为便于讨论,在本文中,以=1,2,3)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。光信号E0经引导光纤传输至2×2耦合器后,转化为Ein,再经耦合器分束,转化为两路光场E1,E2。光场E1,E2分别在干涉臂中传播后,到达3×3耦合器输入端,转化为光场E3,E4,并可分解为两正交光场之和[5-6]: