用全光纤马赫-曾德尔干涉仪测量光敏光纤的光致双折射

　　0　引　　言

　　1985年M. Parent等人首先发现光敏光纤在曝光后具有双折射效应[1],但在当时没有引起人们太大的关注;到了九十年代初,人们开始将光敏光纤的光致双折射特性应用于偏振模转换滤器[2,3],并测得光致双折射率可达10-6;1991年Francois Ouellette等人用经典光学的方法对光敏光纤的光致双折射现象进行了研究[4],实验表明光致双折射效应可以通过增加纤芯中的锗的掺杂浓度或者载氢的方法得到增强.光敏光纤的光致双折射效应除了可以用做偏振模转换滤波器之外,还可以用于偏振模色散补偿[5]、偏振模转换的梳状滤波器[6]、光开关[7]等.

　　采用全光纤马赫-曾德尔(Mach-Zehnder)干涉仪测量了光敏光纤光致双折射率,这种方法具有插入损耗低、连接兼容性好、简单易行、测量精度高等特点.

　　1　理论分析

　　实验装置如图1所示.系统包括宽带光源(BBS),光纤起偏器(FP),偏振控制器(PC),两个用于构成马赫-曾德尔干涉仪(MZI)的3 dB耦合器,以及光谱分析仪(OSA).马赫-曾德尔干涉仪的两臂由光敏光纤构成,其中臂1经KrF准分子激光器发出的248 nm的紫外光照射,臂2不经紫外光照射.宽带光源发出的光经过起偏器后,成为线偏振光,且其偏振方向可以由偏振控制器控制,光由耦合器1一分为二,经马赫-曾德尔干涉仪的两臂后,两路具有位相差的光由耦合器2汇合,相干光输入到光谱分析仪.

　　建立一个正交坐标系,其中Z轴方向沿光纤的纵轴方向,X轴和Y轴分别沿非寻常光方向和寻常光方向.设进入马赫-曾德尔干涉仪端口1的线偏振光的振动方向和X轴的夹角为α,则通过耦合器1分束后,电场可表示为:

　　其中A是光的振幅.假设n0和ne分别为寻常光和非寻常光的折射率,则经过臂1后的电场为

　　其中k=2πλ,λ是真空中的波长;l是光敏光纤的长度.而臂2中的电场为

　　这里δ是由于两臂长度不同所带来的相位差;n是未经紫外光照射的光敏光纤的折射率.两束光通过耦合器2后,总电场为

　　总光强即为

（5）

　　转动PC时,可使α发生变化.当α= 0时,上式可简化为

　　当α=π2时,可得

　　这两种情形下,输出光强的对比度均达到最大值

　　而当α=π4时,则得到

　　此时,光强对比度达到最小值

　　由式(8)和式(10)可得

　　B即为光敏光纤的归一化光致双折射率.通过转动偏振控制器,运用光谱分析仪,可以测得光强对比度的最大值和最小值,从而计算得出B.