光纤干涉仪臂差的测量

　　0　引言

　　光纤Michelson干涉仪和Mach-Zehnder干涉仪能被用来研制光纤传感器,如光纤水听器、磁场计、电流计、灵巧的结构感应计1,2.在某些情况下,例如为了减小噪音,光纤干涉仪要设计成平衡式结构,即零臂差结构,因为相位噪音与干涉仪臂差成正比3;在另一些情况下,如在频率调制相位发生载波系统中,干涉仪要设计成非平衡式结构,即要有合适的臂差存在,以利于信号的处理4.因此,在研制光纤干涉仪时,干涉仪臂差的确定是非常关键的.1983年,Dandridge介绍了测量干涉仪臂差的技术5,即用电流调制光源来确定长臂差(大于1mm),用干涉条纹可见度来确定短臂差(小于1mm).在这里,我们介绍一种更简单的、基于白光干涉原理和光纤Michelson干涉仪技术测量臂差的方法.白光干涉6,也称为光学低相干反射技术,或光相干域反射技术,可以用于分析波导器件中存在的光学不连续部分的反射及其空间的位置分布,例如波导器件中存在的界面反射.目前,这种技术已经在群折射率测量、色散、光纤光栅、DFB器件和半导体光器件分析中得到了广泛的应用7～12.本文介绍白光干涉技术测量光纤Michelson干涉仪Mach-Zehnder干涉仪臂差的方法和实验结果.

　　1　原理和实验

　　文献6对白光干涉原理和Michelson干涉仪技术的原理作了详细的介绍.在这里我们仅简要地介绍一下本实验中所用实验设备的原理和实验设计.在本实验中,使用HP8504A精密反射仪来测量光纤干涉仪的臂差.HP8504A的结构简图如图1所示.它包括一个宽带“白光”光源和一个光纤Michelson干涉仪.HP8504A所用的光源为一个1300nm的LED.Michelson干涉仪由耦合器1和连接在耦合器1上的两根光纤组成.其中一根光纤的尾端连接反射镜,组成参考臂.反射镜可以在400mm范围内移动,用来改变参考臂的光程,所以这一干涉仪又被称为扫描Michelson干涉仪.干涉仪的另一根光纤尾端为测量端口,连接被测量器件,组成测量臂.被测量器件中光学不连续的部分充当测量臂中的反射镜.

　　从LED发出的光经耦合器分光后进入干涉仪的两臂,分别被反射镜和被测器件中光学不连续部分反射,两反射光在耦合器1相遇,输往探测器检测,并将结果显示在仪器的显示器上.由于采用了相干长度很短的“白光”,所以只有当干涉仪扫描镜扫描到某一合适的位置,使参考臂的光程与测量臂的光程相同时,两反射光才能在探测器上产生相干信号,在显示器上出现反射峰.反射峰的大小表示被测器件中光学不连续部分的回损,峰的位置与光学不连续部分的位置对应.本实验中被测器件为光纤Michelson干涉仪和Mach-Zehnder干涉仪,它们的结构简图如图2所示.这两种光纤干涉仪都是用单模光纤制造的,光纤的截止波长为780nm.