基于马赫-曾德尔原理光纤传感器偏振态的研究

　　0 引 言

　　随着油气管道、水利电力的地下管道以及各种市政工程和工业管网的不断扩建，由于旧管道因腐蚀或其他原因的损坏，爆裂、泄漏事故日益增多，这不仅造成了经济上的巨大损失，污染了环境，还给人民的日常生活带来了极大的不便。利用分布式光纤传感系统进行油气管道的检测，具有测量准确度高、抗电磁干扰、耐腐蚀、可实现远距离分布式传感且有体积小、易于安装埋设等优点，具有广阔的应用前景。

　　基于马赫-曾德尔原理的光纤传感器以光的干涉为基础，光的干涉需要参与干涉的光的偏振方向一致。笔者选用单模光纤作为光的传输介质，从偏振的角度看，理想情况下，单模光纤中可以传输两个相互垂直的模式，它们具有相同的传播常数，彼此简并，可以看成一个单一的偏振电矢量。但是实际的光纤多

　　少会有一些不完善，例如纤芯的椭圆度、内部残余应力以及光纤在成缆、施工过程中会受到一些随机外力和强磁场强电场甚至温度的变化，这些都会引起单模光纤的双折射，导致偏振态不稳定，从而使用于检测观察的干涉条纹可见度下降，即所谓的“偏振诱导信号衰落”。尤其是在文中研究的长距离分布式光纤检测系统中，光纤本身及外部条件所引起的偏振态不稳定度更大，因此需要深入研究该传感系统的偏振态，并寻找解决的方案。

　　1 马赫-曾德尔光纤干涉仪的基本原理

　　马赫-曾德尔光纤干涉仪的基本原理如图1 所示[1]，其中包括1 个DFB 激光器，2 个光电探测器D1 和D2，4 个分光比为1:1 的耦合器C1、C2、C3、C4。

　　C2 和C3 之间的两条光纤分别为检测信号的信号臂和参考臂。由Laser 发射的激光器经C1 分光，一束光在经C2 分光后分别经信号臂和参考臂，通过C3 的耦合，由传输光纤经C4 耦合至D2 探测器内，同理另一束光由D1 探测。当有扰动等外部事件作用于光纤传感器时，通过信号臂和参考臂的光波相位将发生改变，因此探测到的干涉条纹也将会有所变化。在文中研究的分布式光纤传感系统中，各个部件如耦合器、单模光纤等都有不同程度的自身缺陷。尤其是单模光纤，如前所述，其光的偏振稳定度与光纤的制造、铺设以及周围的环境有极大的关系。比如，在外界有电场的情况下，由于克尔效应，单模光纤将产生线偏振光;在外界有强磁场的情况下，又由于法拉第效应，产生圆偏振光[2]。而光缆铺设于地下，这些外界因素都是不可预知的。将光纤上所有的双折射集中表示于一块双折射元件M 上，因而将具有各种不确定因素的单模光纤还原成理想光纤[3]。光波的偏振方向及光路如图2 所示。