马赫-曾德尔光纤干涉仪的研制及应用

　　0　引言

　　马赫-曾德尔光纤干涉仪用于单纵模激光器线宽参数的测量。通过使用自零差技术,光纤干涉仪将光相位偏移或光频率偏移转换成强度变化,这种变化经过光波信号分析仪接收、处理,即可得出被测单纵模激光器的线宽值。测量过程中,通过使用干涉仪手动偏振态调整功能提高信号的信噪比,对偏振态的调整只改变信号的幅度而不改变信号的谱分布。

　　1　工作原理

　　马赫-曾德尔光纤干涉仪主要由长延时光纤和偏振控制器组成,长延时光纤用于扩展线宽的测量范围(主要指向小线宽方向扩展),偏振控制器用于提高干涉效率。原理图如图1所示。

　　马赫-曾德尔光纤干涉仪的原理为:将待测光信号分成两路,一路经过长光纤延时,另一路经过偏振控制器并与第一路合光,发生干涉。输出光即为自零差调制光。改变偏振控制器的偏振方向,就能够改善强度调制光的信噪比,另外延时光纤延时越长,就能够测量越小的线宽。

　　2　马赫-曾德尔光纤干涉仪的设计

　　光纤干涉仪由两个高方向性光纤定向耦合器、一盘5200 m长延时光纤和一个偏振控制器组成。其中偏振控制器是光纤干涉仪的重要组成部分,以下进行详述。

　　2.1　理论知识

　　一般光学系统均采用波片来改变光波场的偏振态。在光纤系统中可以采用更简单的方法:利用弹光效应改变光纤中的双折射,以控制光纤中光波的偏振态。当光纤在x-z平面内弯曲时,由于应力作用,光纤折射率发生变化。对于石英光纤,快轴和慢轴的折射率差为

式中:a为光纤半径;R为光纤圈弯曲半径。

　　其快轴位于弯曲平面内,慢轴垂直于弯曲平面。因此利用弯曲光纤的双折射效应,可以制成波片,对于弯曲半径为R的N圈光纤,如果选择适当的N,R使得

则该光纤圈即成为λ/m波片。可以利用公式(1)和公式(2)求出所需波片对应的光纤圈半径

　　光纤偏振控制器的工作原理为:当改变光纤圈的角度时,便改变了光纤中双折射轴主平面方向,产生的效果与转动波片的偏振轴方向一样,因此在光纤系统中加入这种光纤圈,并适当转动光纤圈的角度,就可以控制光纤中双折射的状态。常用的偏振控制器一般由λ/4光纤圈和λ/2光纤圈组成。适当调节此两光纤圈的角度,就可获得任意方向的线偏振光。

　　2.2　偏振控制器的设计

　　依据光纤偏振控制器理论,我们自行研制了光纤偏振控制器,它由两个λ/4光纤圈和一个λ/2光纤圈组成,可以将任意输入光偏振态转变为任意输出光偏振态。我们知道,单模光纤的输出通常呈椭圆偏振,发射的场矢量形成一个椭圆。第一个λ/4光纤圈将输入椭圆偏振光转变为线偏振光,接着λ/2光纤圈旋转该线偏振光,然后第二个λ/4光纤圈再将线偏振光转变为输出椭圆偏振光。