基于光纤马赫-曾德尔干涉仪的强度测量研究

　　1　引　言

　　光纤马赫-曾德尔(M-Z)干涉仪由于具有抑制光源噪声和模式噪声的特点,在高精度测量中应用越来越广泛,它可以实现对温度、压力、磁场、电流、超声波等多种物理量的测量[1-4]。但并不是所有信号都适合采用干涉测量的方式。本文从原理上推导了干涉测量与非干涉测量各自适用的范围,并且通过实验证明其结果与理论结论一致。

　　2　理论推导与分析

　　相干探测是利用两个或多个光场(空间)相干交叠时,产生的非线性光学效应实现对信号的探测。光外差探测[5]是相干探测中典型的一种。

　　如果照射到探测面上的总波场为

　　其中,LO代表本振量或参考量,S代表信号量,E为电场强度,ω和φ分别为光角频率和相位。则光电转换的光电流为

　　其中,η为量子效率,Z0为自由空间阻抗,A为入射表面面积,ωs、ωLO、ωs+ωLO分别为信号光角频率、参考光角频率以及两者的合频。它们都是光频段频率。因此通过以ω _if=ω _s-ω_LO为中心频率的带通滤波器的瞬间中频光电流为:

　　从式(3)可以看出中频电流的幅度、频率和相位的变化反映待测信号幅度、频率、相位的变化。所以与非相干探测方式相比,外差方式不仅可探测幅度或强度调制的光信号,还可以探测频率调制以及相位调制的光信号。

　　若待测光是振幅调制(信息包含在Es中),则它的相位应与本振光的相位锁定,即0,这时输出光信号电流最大。探测器的输出电功率为

　　可得到相干探测与非相干探测结果如表1所示。可知,对于is<2iLO的弱光信号,适用相干探测;对于i _s≈2i_LO的信号,理论上用相干探测与非相干探测均可,但考虑到非干涉测量系统较为简单,所以可选用直接探测;而对于i _s≥2i_LO的强光信号,适用非相干探测。并且非相干探测的功率测量灵敏度与所加信号is的性质(如线性状况)有关,而相干探测的功率测量灵敏度与所加信号i _s的性质无关

　　此外由式(3)可知,当Δφ=π/2时,有io=0,即无法探测到光强变化信息。所以,强度调制时,必须保证Δφ≠π/2。最好通过相位锁定使Δφ=0,此时输出光电流最大

　　3　实验及结果分析

　　3.1　光纤M-Z干涉仪位移探测系统

　　用50∶50光纤3 dB耦合器构成M-Z干涉仪探测系统如图1所示。激光器工作波长1 550nm,频率270 Hz。在信号臂通过微弯变形器引入强度调制信号,两臂经耦合器合路后通过半导体光电二极管(PD)接入后续电路和示波器处理或直接接入光功率计。