Mach-Zehnder光纤干涉仪相位载波调制及解调方案的研究

　　1　前言

　　Mach-Zehnder光纤干涉仪在测量过程中要受到周围环境干扰因素的影响,而随机干扰因素会引起干涉仪的信号臂和参考臂相位产生随机波动,这种相位漂移将会引起检测信号的消隐或畸变,直接影响到干涉仪的测量精度。

　　本文提出一种采用相位载波调制与解调技术的检测方案。方案使用压电陶瓷PZT产生相位调制(φDC+φAC),其中φDC用于补偿干涉仪两臂固有相位差,保证干涉仪工作在正交状态,以获得最高灵敏度;φAC作为被测信号调制载波,携带有被测信号相位调制信息。采用相位载波调制技术,防止了信号的消隐或畸变,可有效抑制随机干扰信号的影响。该方案利用贝塞耳函数对干涉仪输出进行傅里叶分解,数学推导证明,解调电路输出正比于被测信号引起的相位变化,因此可实现相位调制信号的解调。

　　2　相位载波调制

　　2·1　Mach-Zehnder光纤干涉仪检测原理

　　Mach-Zehnder光纤干涉仪检测原理如图1所示。激光器发出的光通过3 dB耦合器分成两束光,分别传输到信号臂和参考臂,被测信号作用于信号臂,使信号臂中传输的光波发生相位变化,两束光在第二个3 dB耦合器发生相干,此时,照射到光电二极管D1和D2的光强分别是

式中:A、B为正比于干涉仪输入光强的系数;φ为干涉仪信号臂与参考臂的相位差。

　　由式(1)和(2)可知,当信号臂和参考臂中传输的光波合成干涉后,就把反映被测量的相位调制信号变成强度调制信号,这样,通过光电探测器检测干涉信号的强度变化就可实现对被测信号的检测。

　　2·2　相位载波调制

　　为防止环境温度、光纤弯曲及振动等随机干扰因素对相位测量的影响,可采用相位载波调制进行

　　检测。相位载波调制方案的系统框图如图2所示。干涉仪的参考臂使用了一个相位调制器,它是在圆柱形的压电陶瓷上绕制光纤组成。当压电圆柱受到调制电压作用时,柱体就会在调制电压的作用下产生电致伸缩效应,引起干涉仪参考臂的光纤长度、折射率发生变化,导致干涉仪输出光波的相位差随调制信号有规律地变化,从而实现了相位载波调制。

　　为保证宽的线性范围和高的灵敏度,干涉仪应工作在正交偏置状态,即在无测量信号时,两干涉臂的初始相位差保持为π/2。调整PZT的直流激励,使φn=(φDC-φ0)=π/2,将φn=π/2代入式(4)得

　　从式(5)、式(6)和式(7)可以看出:当Ψ(t)=0时,在输出信号的频谱图上,奇(偶)数倍的角频率ω的信号出现在偶(奇)数倍载波角频率ω0两侧;当Ψ(t)=π/2时,奇(偶)数倍的角频率ω的信号出现在奇(偶)数倍载波角频率ω0两侧。这些在频谱图上出现在奇数倍或偶数倍载波角频率ω0两侧的边带信号携带着被测信号的相位调制信息。当没采用载波进行测量时,干涉仪输出光强I1=A+BcosΦ(t),若Φ(t)=Dcosωt+Ψ(t)=π/2,则cosΦ(t)=0;若Φ(t)=0,则cosΦ(t)=1,由于Ψ(t)的存在,信号将发生消隐或畸变。当采用载波ω0进行测量时,若Φ(t)=0或Φ(t)=π/2,由式(5)可知,被测信号将由载波角频率ω0的奇数倍或偶数倍频率分量携带,不会出现信号消隐或畸变。