光纤干涉仪输入光偏振态反馈控制理论分析

引　言

光纤光栅分布反馈式(distribated fecdback, DFB)激光器作为传感元件已经被广泛应用于传感领域,特别是输出偏振光的单纵模窄线谱DFB激光器的出现,使得DFB激光器可以用于水声信号的测量。由于DFB激光器的应变灵敏度比较低,在微弱的声压信号作用下,激光器输出光的波长变化较小,为测量水声信号作用下激光器波长的微小变化,必须采用干涉型解调方法,因此,光纤Mach2Zehnder干涉仪解调成为DFB激光器传感信号解调的首选方案。由于光纤Mach2Zehnder干涉仪要对DFB激光器水声传感阵列进行解调,而每个DFB激光器阵元输出的激光具有不同的偏振态,用于解调DFB激光器传感信号的干涉仪须采用普通单模光纤,因此,解调过程中存在信号偏振衰落现象。为获得良好的解调信号,必须克服偏振衰落问题。作者介绍了干涉仪输入光偏振态反馈控制方案,并对其抗偏振衰落理论进行研究,论证了该方案的可行性。

1　干涉仪输入光反馈控制方案

通过理论推导,可得到干涉仪干涉条纹可见度K的计算公式[1~4]:

式中,θ为输入光的偏振态与干涉仪的本征矢量夹角。如图1所示,Cin为干涉仪输入光偏振态,R321为干涉仪本征矢量,Ω321为输入光偏振态绕本征矢量旋转角度。由(1)式可知,当输入光的偏振态与干涉仪的本征矢量夹角θ为0°或180°时,干涉仪干涉条纹可见度为1。

偏振态反馈控制方案[1, 3, 5]是在光纤Mach2Ze2hnder干涉仪的输入端接入一具有调控能力的偏振控制器,通过从干涉仪输出端获得反馈控制信号,控制该偏振控制器的工作状态,使得干涉仪输入光的偏振态与干涉仪的本征矢量夹角θ保持为0°或180°,即干涉仪输入光偏振态能够跟踪干涉仪本征矢量的变化,从而使干涉仪干涉条纹可见度保持为1。

图2所示为具有反馈控制功能的干涉仪系统。该系统包括:偏振控制器、光纤Mach2Zehnder干涉仪、可见度监测器、反馈控制系统。偏振控制器在反馈控制信号的作用下,控制干涉仪输入光的偏振态,跟踪干涉仪本征矢量变化,使干涉仪输入光偏振态与干涉仪的本征矢量夹角θ保持为0°或180°;干涉仪的一干涉臂绕制在压电换能器(piezoelectric transducer, PZT)上,PZT上加载有正弦信号,通过PZT对干涉仪的调相功能,可在干涉仪输出端产生光强的变化,便于对条纹可见度进行测量;干涉仪输出端的探测器和可见度监测器用于监测条纹可见度的变化,并把变化量送入反馈控制系统;反馈控制系统根据可见度的变化量获得控制信号,并将控制信号送入偏振控制器,控制偏振控制器的工作状态,实现对输入光偏振态的控制。

2　偏振控制器的构成及工作原理

干涉仪输入端偏振控制器由绕制在压电陶瓷PZT上的两段高双折射保偏光纤构成[1, 5, 6],如图3所示。