模式分裂对法布里-珀罗型光纤水听器谐振曲线的影响

　　1 引言

　　现行的压电式水听器的灵敏度已接近极限,而潜艇的噪声又日益降低,在这种情况下,加强光纤水听器的研制具有重要的战略意义。光纤水听器的研究已经脱离了方案论证阶段,正向阻碍其实用化进程的各个关键性技术方向寻找突破。其中模式扰动及衰落是影响水听器单元稳定工作的重要因素之一。在单模光纤中,只传输一个基模HE11,但实际上这个基模可由两个偏振方向互相垂直的HEX11和HEY11模式构成。在理想的单模光纤中,HEX11和HEY11的传播常量相等,这两个模式完全简并[1]。但实际光纤是不完善的,例如,纤芯椭圆化,纤内残余应力,光纤弯曲扭转等微扰引起的应力应变,都将使HEX11和HEY11模的简并受到破坏,引起传播常量不再相等,这就是单模光纤的双折射现象。

　　作为构成法布里-珀罗(Fabry-PÜrot,F-P)干涉[2~8]水听器的单模光纤,不可避免地要受到应力、弯曲等因素的影响[9]而产生线性双折射,使本来简并的单模分裂,随之产生两套谐振曲线,叠加后造成法布里-珀罗谐振曲线的畸变,最终影响水听器的工作点的选择及声场测量的稳定。

　　2 法布里-珀罗型光纤水听器的工作原理

　　2.1 法布里-珀罗型光纤水听器的透射光功率

　　如图1所示,法布里-珀罗型光纤水听器谐振腔端的两个反射镜面M1、M2垂直于光纤轴,M1、M2的透射系数及反射系数分别为t1、t2和r1、r2。令入射光的振幅为Ai,经M2镜p次透射后所有透射光叠加而成的光振幅为At(p), 为谐振腔损耗因子,则

　　式中,n为纤芯折射率,l为腔长。令F=4aR/(1-aR)2[10],Φ=δ/2。由斯托克斯定律:t1t2+R =1[11],当≈1,令透射率为T(Φ)

　　2.2 法布里-珀罗型光纤水听器的工作点选择

　　设Φ=Φ0时,dT/d5达到最大,这就是水听器工作点的位置[12],由[d²T/dΦ²]Φ=Φ0=0给出,F很大时,略去1/F²项,得

　　由(3)式可见,法布里-珀罗光纤谐振腔的工作点是它的谐振曲线上斜率最大值所对应的相位值,且只与该法布里-珀罗腔的精细度F有关,此点水听器的光强相位灵敏度最大。

　　2.3 法布里-珀罗型光纤水听器工作过程及谐振曲线的获得

　　如图1所示,单纵模稳频激光器的出射光经由光隔离器耦合至法布里-珀罗腔,在腔内进行多光束干涉,待测信号通过改变干涉相位调制出射光强,经PIN二极管光电转换,送入检测电路,再经分频放大,将待测信号送至示波器,同时将分频后的噪声信号送至反馈信号源,经反相、积分放大等处理,加载于压电陶瓷换能器(PZT),使绕在PZT上部分法布里-珀罗腔的光纤产生伸缩,抵消噪声的干扰,稳定法布里-珀罗腔的工作点。