三分量光波导加速度传感器中双M-Z干涉仪结构设计

　　引　言

　　光传感技术能实现力、位移、加速度等多个物理量的检测[1,2],利用各种光学效应实现加速度检测的光加速度传感器具有灵敏度高、频带宽、动态范围宽等优点[3,4],以光弹效应为基础的光纤加速度传感器,多采用多模或单模光纤与受力的LiNbO3晶体、偏振器件、PIN管构成偏光干涉光路实现一维加速度的检测[5-7],这类加速度传感器的光耦合效率低、抗横向谐振性差而降低了其频响范围、信号失真度大,无法满足高频高精度的地震勘探。同时由于采用晶体器件,使传感器总体结构大,稳定性差。本文提出了一种新型的三分量光波导加速度传感器,它具有性能稳定、抗横向谐振性好、集成化程度高、体积小,可满足高频高精度地震勘探的要求,且在易燃易爆的恶劣环境下能可靠工作等独特优点,有望解决传统光纤传感器向微型化和批量生产时遇到的装配困难及长期稳定性问题。

　　本文对三分量光波导加速度传感器的工作原理、双M-Z干涉仪结构设计及参数计算进行了阐述,并利用BPM进行了仿真。实验结果与理论相符。

　　1　工作原理

　　基于双M-Z干涉仪的三分量光波导加速度传感器的结构如图1所示,它由LD激光器、固定在基底上的三维简谐振子和外处理器组成。三维简谐振子是敏感元件,由沿X、Y、Z三方向布置的三个双M-Z干涉芯片构成。图1(a)给出了传感器结构的俯视图,图中只显示了沿Y方向的双M-Z干涉芯片,图 1(b)为波导受力图。

　　在入射波导处集成了偏振器(1)。当波长为1.3μm的激光耦合进双M-Z干涉仪的输入端后,经偏振器(1)起偏后成为TE偏振光,在输入Y分支波导处经两次等强度的分束分为四路,在波导中传播。同时在四条均匀波导的其中两支波导(2)、(5)上,还有感受外界加速度的质量块(6)。当传感器受某一方向加速度作用时,在该方向上的惯性力和与该方向垂直的重力作用下,波导(2)和(5)产生与加速度方向相对应、大小与加速度产生的惯性力成一定比例的拉、压应力。当光波通过两波导后会产生光相位变化。而非被测加速度方向的其它加速度分量对波导(2)和(5)产生同方向的拉、压应力,它所产生的电信号通过信号处理消除。所以,只能检测到被测方向的加速度。出双M-Z干涉仪的输出端后,经过合束产生的光波分别通过偏振器(9)(10)产生干涉光,然后经光检测器(11)(12)产生的电信号输入信号处理单元(13)经处理得到所测加速度。

　　偏振器(1)使从波导出射的光发生偏光干涉,产生TE偏振光。偏振器(9)、(10)保证输出光的偏振方向与受力方向垂直,同时滤出非检测方向的光信号。相位调制器(7)(8)对未受力波导(3)(4)进行相位调制使之产生90°的相移并起到提高信号分辨率的作用。将以上元件集成在LiNbO3 晶体上,探测加速度变化引起的光强变化,经信号处理,实现高灵敏度、宽频带的加速度信号的适时检测。