计测技术 新技术新仪器 ・29・
马赫-曾德尔光纤干涉仪的研制及应用
张洪喜
(中国电子科技集团公司第41研究所,山东青岛266555) 摘 要:介绍了作者在测量单纵模激光器线宽参数的过程中,研制的马赫-曾德尔光纤干涉仪,并给出了实验结果。关键词:单纵模激光器;线宽;光纤干涉仪;偏振中图分类号:TH744.3 文献标识码:B 文章编号:1002-6061(2006)01-0029-02TheDevelopmentandApplicationofFiber-opticMach-ZehnderInterferometer
ZHANGHong-xi(The41stInstituteofCETC,Qingdao266555,China)
Abstract:Thispaperintroducesthedevelopmentoffiber-opticMach-Zehnderinterferometerduringmeasuringlinewidthparameterofsingle-frequencylasers,andtheexperimentresulthasbeengiven.Keywords:single-frequencylasers;linewidth;fiber-opticinterferometer;polarization0 引言
马赫-曾德尔光纤干涉仪用于单纵模激光器线宽参数的测量。通过使用自零差技术,光纤干涉仪将光相位偏移或光频率偏移转换成强度变化,这种变化经过光波信号分析仪接收、处理,即可得出被测单纵模激光器的线宽值。测量过程中,通过使用干涉仪手动偏振态调整功能提高信号的信噪比,对偏振态的调整只改变信号的幅度而不改变信号的谱分布。
马赫-曾德尔光纤干涉仪的原理为:将待测光信号分成两路,一路经过长光纤延时,另一路经过偏振控制器并与第一路合光,发生干涉。输出光即为自零差调制光。改变偏振控制器的偏振方向,就能够改善强度调制光的信噪比,另外延时光纤延时越长,就能够测量越小的线宽。
2 马赫-曾德尔光纤干涉仪的设计
光纤干涉仪由两个高方向性光纤定向耦合器、一盘5200m长延时光纤和一个偏振控制器组成。其中偏振控制器是光纤干涉仪的重要组成部分,以下进行详述。
2.1 理论知识
一般光学系统均采用波片来改变光波场的偏振态。在光纤系统中可以采用更简单的方法:利用弹光效应改变光纤中的双折射,以控制光纤中光波的偏振态。
当光纤在x-z平面内弯曲时,由于应力作用,光纤折射率发生变化。对于石英光纤,快轴和慢轴的折射率差为
Dn=$nx-$ny=-0.133(a/R)
2
1 工作原理
马赫-曾德尔光纤干涉仪主要由长延时光纤和偏振控制器组成,长延时光纤用于扩展线宽的测量范围(主要指向小线宽方向扩展),偏振控制器用于提涉效率。原理图如图1所示。
(1)
图1 光纤干涉仪原理图
式中:a为光纤半径;R为光纤圈弯曲半径。
其快轴位于弯曲平面内,慢轴垂直于弯曲平面。因此利用弯曲光纤的双折射效应,可以制成波片,对于弯曲半径为R的N圈光纤,如果选择适当的N,R使得
ûDnû2PNR=K/m(m=1,2,3…)(2)
收稿日期:2005-05-13;收修改稿日期:2005-06-23
作者简介:张洪喜(1973-),男,工程师,在职工程硕士研究生,主要从事光电子计量及课题研究等方面的工作。・30・ 新技术新仪器 2006年第26卷第1期
纵模激光器线宽参数的实验,实验结果如图2所示。
则该光纤圈即成为K/m波片。可以利用公式(1)和公式(2)求出所需波片对应的光纤圈半径
R=0.133m×2PNa2/K (m=1,2,3…)
(3)
光纤偏振控制器的工作原理为:当改变光纤圈的角度时,便改变了光纤中双折射轴主平面方向,产生的效果与转动波片的偏振轴方向一样,因此在光纤系统中加入这种光纤圈,并适当转动光纤圈的角度,就可以控制光纤中双折射的状态。常用的偏振控制器一般由K/4光纤圈和K/2光纤圈组成。适当调节此两光纤圈的角度,就可获得任意方向的线偏振光。2.2 偏振控制器的设计
依据光纤偏振控制器理论,我们自行研制了光纤偏振控制器,它由两个K/4光纤圈和一个K/2光纤圈组成,可以将任意输入光偏振态转变为任意输出光偏振态。我们知道,单模光纤的输出通常呈椭圆偏振,发射的场矢量形成一个椭圆。第一个K/4光纤圈将输入椭圆偏振光转变为线偏振光,接着K/2光纤圈旋转该线偏振光,然后第二个K/4光纤圈再将线偏振光转变为输出椭圆偏振光。
/4光纤圈所对应的光纤圈半径计算如下:K已知m=4,N=1,a=62.5Lm,K=1.55Lm,代入公式(3)得
2P×62.5-3
R=4×0.133××10=8.4(Lm)
1.55
/2光纤圈所对应的光纤圈半径计算如下:K
已知m=2,N=1,a=62.5Lm,K=1.55Lm,代入公式(3)得
-32P×62.5R=2×0.133×1.55×10=4.2(Lm)
22
图2 自制光纤干涉仪干涉效果实验
图中实线是自制光纤干涉仪干涉效果最大时的线宽参数测量曲线,虚线是自制光纤干涉仪干涉效果最小时的线宽参数测量曲线(由于上述两条曲线的测量点数均为401,所以看上去均为实线)。可以看出:在测量单纵模激光器线宽参数的过程中,调整干涉仪上的偏振控制器,即可得到不同的干涉效果。
将上述扫描曲线数据代入到线宽计算公式(6),即可准确求出单纵模激光器的线宽参数。(linewidth)=
2
2
(∑Pi)(∑Pifi2)-N(∑P2ifi)
[2]
N(∑P2i)-(∑Pi)(∑Pi)
(6)
式中:N为测量点数;fi,Pi分别为第i个测量点对应的
频率和功率。
作者测量了美国惠普公司的83424ADFB激光器的线宽,测量了8次,每次测量都重新插拔了各光接头和电接头。8次线宽测量结果分别为11.369,11.200,11.319,11.057,11.096,11.098,10.675,11.562MHz。
本光纤干涉仪的长光纤延时可由计算得到L0=S=C′
1×3×108
1.46
5200=25(Ls)
(4)
经计算,平均值为11.172MHz;标准偏差为0.26MHz。
4 结论
综上所述,研制的马赫-曾德尔光纤干涉仪在测量单纵模激光器线宽参数时取得了良好的干涉效果,改善了测量结果的不确定度。同时它还可以广泛地应用于其他领域。
式中:S0为延迟时间;L为光纤长度;C′为光在光纤中的传播速度。
当公式(5)[1]成立时,线宽测量不确定度小于10%。
2P$MS0>5
式中:$M为被测激光器的线宽。
18
×3×101.46计算得$M>=32(kHz),所以该2P×5200
光纤干涉仪最小能够测量32kHz的线宽。
5×
(5)
参考文献
[1]Agilent11980AFiberOpticInterferometerOperationandServiceManual[EB/OL].2000-04.
[2]HP70880ALinewidthMeasurementPersonality[EB/OL].1992-10.
3 实验结果
使用研制的马赫-曾德尔光纤干涉仪进行了测量单