应用多模干涉器件的白光干涉仪研究

　　1　引　言

　　多模干涉光波导器件(MMI)是随着光纤通信的迅速发展而研制出来的,以MMI的功分器为例,与单模光纤分束器、Y型波导分束器比较,它具有以下优点[1～3]:(1)非常小的体积;(2)低附加损耗,典型值0.1dB～0.5dB;(3)宽的光波长带宽;(4)较大的制作容差,便于制作;(5)非常一致的分光比,如最大输出值端口与最小输出值端口差0.2dB;(6)可以方便地设计N×M多端口分束器;(7)可以在波导上集成调相器,制作Mach-Zehnder光开关等;(8)MMI是偏振保持器件,若是强约束波导,则是偏振不敏感器件。正是由于以上优点。使得MMI器件和它的变异结构,以及其应用成为光电子学研究的重点之一。由于MMI器件的宽带宽等特性,使之非常适用于集成化的白光干涉仪中。

　　2　多模干涉与白光干涉

　　2.1　MMI的2×2分束器

　　MMI器件的原理是基于波导传播中的自成像性质,即在多模波导传输方向的某些位置上,可以再现一个或多个与输入波场分布函数一样(对称或反对称)的像。对照图1,一个阶梯折射率分布的多模波导,设其可传导m个横模,则第υ个模的传播常数为:

　　由于MMI的2×2分束器具有60nm～100nm的带宽,可以在输入输出的波导上集成起偏器或调相器,更为重要的是传输短相干波时,可以消除光波在MMI器件界面上的反射带来的寄生干涉。例如短相干光超辐射二极管SLD,典型相干长度为50μm,而MMI2×2分束器长达250μm。这些独特优点使MMI器件极为适用于白光干涉仪,特别是集成化的干涉仪中。

　　2.2　白光干涉

　　图2(a)、(b)分别是迈克尔逊白光干涉仪的二个基本应用:

　　其中图2(a)可用于测量背向反射率,短相干光源SLD发出的光入射到2×2MMI的一个单臂上,臂上镀膜以形成约40dB的起偏器,仅有TE波在MMI中传播,MMI将光一分为二,由二个输出单模波导输出。其中一端称为测量臂,假定测量的对象是光纤与LiNbO3波导耦合点反射率,则该光束经光纤至耦合点反射后返回MMI;另一端称为参考臂,臂上集成有调相器M,该光束经微透镜后成平行光,入射到导轨上的可移动反射镜上沿原路返回;这二个臂上的白光返回MMI后,仅当二个光路的光程差相等时,才发生干涉,在原二个输入端口输出,其中一路接有光电管PD,将干涉信号变为电信号。

　　为了避免外界干扰,可以在调相器上加上调制方波,并用锁定放大器同步解调。一般要求光纤与LiNbO3波导的耦合反射率小于-55dB,而白光干涉可以测出-80dB的信号,完全可以满足要求。图2(b)是可以用于测量Y分叉LiNbO3波导在分叉点造成的偏振耦合率。此时,光源起偏后振动面与LiNbO3波导的传播主轴一致,而其输出主轴与MMI主轴成45°角,其原理见文献[4]。同样,MMI也可以用于大坝变形的白光干涉测量仪器[5]。