输入光偏振态对光纤干涉仪条纹可见度的影响

　　1　引　言

　　光纤Mach2Zehnder干涉仪无论作为传感元件或是光纤光栅传感系统的解调元件[1]均存在信号的偏振衰落问题,大量实验都清楚地显示了这种偏振衰落现象。在研究抗偏振衰落技术的过程中,发现利用干涉仪的本征矢量的概念可以很好地分析偏振衰落和相位噪声现象,并发现通过控制干涉仪输入光的偏振态可以实现可见度的优化,避免偏振衰落现象。本文从实验现象和理论分析两个方面出发,验证了输入光偏振态对干涉仪条纹可见度及相位的影响。

　　2　理论分析光纤Mach2Zehnder干涉仪结构如图1(a)所

　　示[2],它由两个3dB的2×2耦合器和普通低双折射单模光纤构成。来自激光器的偏振光信号经引导光纤进入干涉仪,在耦合器1处分成两束信号光。两束光分别在两干涉臂中独立传播至耦合器2,经耦合器2在干涉仪输出端发生干涉,最终将光强信号送入探测器。

　　图1(b)表示了光在干涉仪中传输时,干涉仪各部分的传输矩阵。Rin表示引导光纤的传输矩阵;R1、R2分别为干涉臂1、干涉臂2的传输矩阵;Rout为干涉仪输出端光纤传输矩阵。图1(b)可等效地转化为图1(c),将干涉臂2简化为理想单模光纤。设L2为干涉臂2长度,则干涉臂1的传输矩阵为,其中:的逆矩阵,即R2=β为理想单模光纤的传输系数。传输矩阵表征了整个干涉仪对偏振光的传输特性,该矩阵称为干涉仪的传输矩阵,它在邦加球上所对应的矢量称为干涉仪的本征矢量。如图2中所示,为传输矩阵对应的矢量,即干涉仪的本征矢量。

　　利用本征矢量概念,根据偏振光的传输原理,经理论推导可得干涉仪的输出为[2-3]:

　　其中,I0为干涉仪输入端光强量;θ为输入光琼斯矢量与干涉仪本征矢量的夹角;为两束光在两干涉臂传输时产生的相位差;Ω3-1在邦加球上可表示为输入光琼斯矢量绕本征向量旋转角度,如图2(a)。

　　从(1)式可知,干涉仪条纹可见度K和相移γ分别为:

　　从(3)式可知,可见度K依赖于输入光场偏振态与干涉仪本征矢量相对位置。|Ω3-1|≠π时,对于不同的θ角,可见度将在:Kmax=1,Kmin= cos(Ω3-1/2)之间变化。这意味着外界环境变化所导致的输入光场偏振态与干涉仪本征矢量相对位置发生变化(即θ角发生变化),将引起干涉仪输出端条纹可见度的变化,甚至产生偏振衰落。在光纤光栅传感系统中,由于探测器无法识别光强变化是由波长变化引起还是由偏振态变化引起,故解调信号中存在干扰。同样由(4)式可知,当θ角变化时,相移γ将随输入光偏振态的变化而变化,也对传感信号产生干扰。图3、4分别表示了Ω2-1取不同值时,可见度K、相移γ随θ的变化情况。理论分析表明:通过控制输入光的偏振态,可使输入光的偏振态与干涉仪本征矢量的夹角在0附近取值(即θ角在0附近取值),从而可抑制干涉仪的偏振衰落及相位噪声。