少模光纤干涉仪中光纤对准偏差的研究

　　近年来,光纤干涉仪在通信、测量等领域获得了广泛的应用[1].常见的Michelson光纤干涉仪和Mach2Zehnder光纤干涉仪的两 光臂分别用两段单模光纤(SMF:single mode fiber)构成,由于两光臂的空间位置不同,空间分布不均匀的温度和振动等环境干扰作用于两光臂,造成干涉仪的输出误差,而少模光纤干涉仪基于同一根少 模光纤(FMF:fewmode fiber)中传播的两个导模之间的干涉,有利于减弱两光臂的不等干扰[2].近20年来,少模光纤干涉仪的研究一直受到关注[225].早期的少模光纤 干涉仪采用LP01模和LP11模相干涉.由于LP11模是四重简并的,这些简并模式之间的相互耦合使得干涉仪的输出不稳定.K. A. Murphy等人采用椭圆芯少模光纤使LP11奇模和偶模的简并解除,并使干涉仪工作在LP11奇模截止状态,利用LP01模和LP11偶模相干涉构成干 涉仪,从而减弱了简并模的相互耦合,提高了干涉仪的稳定性[5].但椭圆芯少模光纤干涉仪需要输入和输出圆芯单模光纤与之偏心连接,才能在少模光纤中激励 等强度的LP01模和LP11偶模,以确保较高的干涉调制深度(DM:depth of modula2tion),这不但造成了干涉仪制作的困难,也带来了显著的偏振敏感性[3].近年来,基于LP01模和LP02模相干涉的少模光纤干涉仪 得到了关注[223].由于LP01模和LP02模中没有相互简并的模式(偏振简并除外),因此干涉仪的稳定性较好.另外LP01模和LP02模都是轴对 称的,在适当的光纤参数下,普通圆芯单模光纤与少模光纤对准熔接就能够激励等功率的LP01模和LP02模,从而得到较高的调制深度,并且偏振敏感性也较 低.

　　基于LP01模和LP02模干涉的少模光纤干涉仪的结构如图1所示.少模光纤干涉仪由顺序熔接的三段光纤构成.中间为LP03模截止的少模光 纤,其两端分别熔接单模光纤.少模光纤和单模光纤的折射率剖面都是轴对称的,保持入射单模光纤与少模光纤同轴对准,使得少模光纤中只有轴对称的LP01模 和LP02模得到激励.这两个模式在少模光纤的出射端耦合入出射单模光纤并相互干涉[3].在单模光纤和少模光纤的熔接处,不可避免地会产生对准偏差.这 主要是由于少模光纤和单模光纤的芯径不等造成的,现有熔接机的纤芯自动对准程序不适用于异种光纤,因此只能采用精度较低的包层外径自动对准程序.少模光纤 干涉仪中光纤对准偏差的存在,使得少模光纤中LP11和LP21等非圆柱对称模式也得到激励,将导致干涉仪的调制深度降低.因此,有必要研究少模光纤干涉 仪中光纤对准偏差对干涉仪性能的影响,确定干涉仪中光纤对准偏差的容限.据我们所知,目前还没有有关少模光纤干涉仪对准偏差研究的报道.

　　本文基于阶跃折射率光纤的矢量模式解[8],用数值仿真的方法研究少模光纤干涉仪中对准偏差对少模光纤干涉仪调制深度的影响.