基于马赫-曾德尔干涉仪的可调谐掺镱光纤激光器
摘要：通过使用一个由两个3dB光纤耦合器构成的光纤马赫-曾德干涉仪作为内腔滤波器，展示了一个调谐范围超过20 nm的可调谐掺Yb环形腔全光纤激光器。在下文中将会详细叙述制作马赫-曾德光纤干涉仪的技术。光纤激光器在1050 nm~1071 nm的频率范围内具有稳定的mW量级的输出功率，频带抑制率超过45dB，而且带宽小于0.1 nm。
关键词：可调谐光纤激光器；环形腔光纤激光器；掺镱光纤；马赫-曾德干涉仪连续波（CW）和脉冲高功率光纤激光器在近几年取得了很大的进展。在所有的高功率光纤激光器中，掺Yb光纤激光器因为它们较高功率量级和效率而尤为重要。这些光纤激光器可以用作次级激光的基本泵浦源来完成谐波或参数转换。这主要是考虑到高光线质量与光纤激光器有联系。光纤激光器可以实现一个合理范围内的较宽的可调谐性，例如，掺Er光纤激光器波长范围有100 nm，但却被限制在一个小的范围内。和光纤激光器相比，光学参量振荡器（OPO）是一种可以在红外光谱区提供更宽的调谐范围的可调谐激光器。一般的，OPO的波长调谐可以通过调整所包含的非线性晶体的相位匹配角度或一些周期区域反向非线性光学晶体的光栅周期譬如PPLN和PPMgLN。如果泵浦激光器（可以是固体激光器或光纤激光器）调谐范围很宽，那么OPO的输出可以很快速的进行调谐。因此，一个由主震荡功率放大器（MOPA）构成的可调谐掺Yb光纤激光器泵浦的OPO将会有敏捷的宽的可调谐性。
参考以前可调谐波长掺铒光纤激光器可以通过多种方法实现的工作，包括光纤法布里-伯罗（FFP）调谐滤波器，宽范围内可调谐布拉格光纤光栅和多层薄膜干涉带通滤波器的应用。这些应用于掺铒光纤激光器系统的光栅或滤波器在市场上可以买到而且通常成本低廉。例如，工作在1550 nm带宽的FFP可调谐滤波器拥有超过100 nm的自由光谱范围，因此制作一个掺Er光纤激光器会很容易的覆盖一个款的调谐范围。
与上面所提到的技术相比，一个工作在1 μm带宽的掺Yb光纤激光器的调谐方法实因为在1μm波长范围附近的内腔滤波器的限制而施起来很困难。工作在1μm的FFP滤波器比那些工作在1.5μm的滤波器昂贵很多，而且仅具有一
个很窄的调谐范围。尽管曾经报道过一个用声光滤波器作为可调谐滤波器的外腔波长可调谐掺Yb光纤激光器，但是它包含大体积的光学组件并且使用起来太复杂。另外，由可调谐布拉格光纤光栅（FBG）构成的掺Yb光纤激光器覆盖了很宽的45 nm可调谐范围，展示了很好的表现。然而它的长期可持续性需要进一步的测试因为对布拉格光纤光栅应用高应力很可能会损坏布拉格光纤光栅。
本文展示了最近在由马赫-曾德干涉仪作为内腔滤波器构成的持续可调谐掺Yb光纤激光器发展方面的工作。马赫-曾德干涉仪作为可调谐成分起决定激光器振荡波长的作用。这种全光纤激光器仅由几件普通的光学器件组成而且很容易构造。它为发展一种由二极管激光器泵浦的低成本高效率的可调谐光纤激光器提供了可能性，这种激光器具有高调谐率，中等功率，并且在1μm附近具有窄线宽。这种激光器具有较广的可调谐性，可以作为高功率掺Yb光纤放大器的种源。它可能会适合于全光纤调Q环形激光系统，而这种激光系统对测距，刚度测量和激光定位器比较有吸引力。光纤激光器在1050 nm~1071 nm的频率范围内具有稳定的mW量级的输出功率，频带抑制率超过45dB，而且带宽小于0.1 nm。另外它可以作为有主震荡功率放大器（MOPA）结构的包层泵浦高功率掺Yb光纤放大器的小的种源来达到广的调谐性。
图1 基于马赫-曾德干涉仪的环形掺Yb光纤激光器原理图
环形可调谐光纤激光器的结构如图1所示。激光共振器由一片长度1m的掺Yb光纤和用两个中心波长在1064nm的3dB光耦合器简单构成的马赫-曾德干涉仪组成。掺Yb光纤充当增益介质在包层直径为4μm和25μm分别具有在波长976nm吸收系数45dB/m。工作在976nm最大输出功率为100mW的带尾纤的激光二极管叠加到环形腔而泵浦源通过一个980/1060nm波分多路复用（WDM）耦合器。环形腔中包含一个光频隔离器来确保激光单向波长运行。一个光纤偏振控制器应用于腔内来弥补谐振器元素的残余双折射。激光发射输出提取自中心波长在1064nm的10:90输出耦合器。激光输出频谱通过一个光学频谱分析仪（OSA，AQ6317C，from Ando）检测并测量。
环形光纤激光器中包含光纤马赫-曾德干涉仪对于实现稳定的宽的可调谐性是必不可少的。马赫-曾德干涉仪在环形光纤激光器中的特性曾在其应用于掺Er 光纤激光器输出多波长激光的实验中研究过。通常，两个干涉仪的路径长度是不同的，如图1所示。光束在通过两个马赫-曾德干涉仪时的相位差如下式，
(1)
是光在光纤中的传播常数，是在两个干涉仪中的光程差。对
于我们实验中所采用的3dB的耦合器，假定光在光纤输入口被均等的分进两个臂内，在干涉仪的输出口重组。因此，如果我们忽略耦合损耗，干涉仪的传送可以简单的写为，
(2)
因为与有联系，可以得到由两个3dB的耦合器构成的光纤马赫-曾德干涉仪的透射谱的特点是一系列在频域等距的传输峰值而且取决于。波长间隔，即相邻透射峰之间，
(3)
N是激光模式的有效折射率，是在自由空间中的激光波长。相邻透射峰之间的间隔规定了干涉仪的调谐范围。当干涉仪被配置于环形光纤激光器，激光输出波长与透射峰位置一致。通过实现调整干涉仪的路径差，然后轻微的伸展干涉仪的短臂减小两个干涉仪之间的路径差来实现调谐。在两个干涉仪路径差一
定的情况下，可以保证激光稳定震荡在一个特定的波长。
为了使光纤激光器调谐范围最大化，详细说明马赫-曾德干涉仪的特性很重要，因为它是在这个激光系统中限定激光调谐范围和随着时间变化激光稳定输出的关键光学器件。马赫-曾德干涉仪的应用方式如下。其中一个干涉仪的臂（大约10厘米）特意做的比另一个长并且分成两片，然后用熔接工具（爱立信FSU 975）对齐但不要交叠。掺Yb光纤在功率为30mW的发射泵浦下的荧光谱由美国光学协会（OSA）测定。掺Yb光纤在1030nm到1130nm范围内有较宽的荧光谱，在1063nm达到峰值。然后测量穿过光纤干涉仪的来自掺Yb光纤的荧光信
号，如图2所示，
由透射峰谱的波长间隔评价值，根据公式（3），我们可以估计路径差。
如果估计的调谐范围因为夸大的而比预期的窄，应该用一种在文献（14）中提到的光纤劈开技术把额外的路径差去掉。重复之前的过程直到获得的满足应用要求，然后接合两个臂的光纤末端来完成马赫-曾德干涉仪的结构。通过
对马赫-曾德干涉仪的短臂应用张力来实现激光调谐。在目前的报告中，路径差大约36μm。在我们的实验中达到的调谐范围大约21nm，从1050.3nm到
1071.5nm，如图3所示。这样的一个调谐范围与图2（b）中展示的测量到的干涉仪的反应透射峰值相一致。
激光输出特性是在980nm在泵浦光率为75mW的情况下研究的。激光带宽测量为0.07nm如图4所示。可以发现性噪比（SNR）要大于45dB。激光输出功率大约2.5mW，激光边坡效率经计算接近3.3%，这个估计值通过增加输出耦合器的输出比率并且优化光纤长度和泵浦光率可以在未来得到明显提升。
因为在实验中激光腔并不能去除实验环境的干扰，在实验中观察到一些模式跳跃现象。可以通过把马赫-曾德干涉仪放进一个机械阻尼振荡基去除空气和机械震荡来提高激光操作的稳定性。通过把减至10μm水平而使调谐范围延展至80nm变为可能，但对影响光纤激光器稳定操作的环境噪音必须进一步消除。最近报道的一种纳米光纤马赫-曾德干涉仪提供了一种更宽激光调谐范围、稳定激光操作的可能性，因为其在两个干涉仪臂较小的路径差和其不受空气噪音的影响。
总之，一种新型的工作在1064nm持续可调谐环形掺Yb光纤激光器得到发展，实现调谐波长范围达20nm。这种可调谐光纤激光器使用了一个光纤马赫-曾德干涉仪作为其调谐构件，可以很容易的指定激光操作在某一确定的波长。本文分析了这种可调谐光纤激光器的工作原理，对通过改变光纤马赫-曾德干涉仪的路径差来获得宽的调谐能力的技术也作了详细叙述。通过实验论证得到激光波长调谐范围从1050.3nm到1071.5nm，而且这还可以通过减小干涉仪臂的路径差及减轻环境噪音影响得到进一步的拓展。激光输出功率在整个调谐范围内大于2mW，边带抑制率大于45dB，输出激光带宽小于0.1nm。
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(19)中华人民共和国国家知识产权局 (12)发明专利申请 (10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请号 201910323593.8 (22)申请日 2019.04.22 (71)申请人 中山大学 地址 510006 广东省广州市番禺区中山大 学中东校区光电材料与技术国家重点 实验室 (72)发明人 李凡 冯小慧 李朝晖 (51)Int.Cl. H04B 10/2575(2013.01) H04B 10/50(2013.01) H04B 10/524(2013.01) H04B 10/61(2013.01) (54)发明名称 一种基于双臂马赫曾德尔调制器完成I/Q调 制的光纤无线传输系统 (57)摘要 本发明涉及光通信技术领域，使用了一个双 臂马赫曾德尔调制器替换了传统的IQ调制器完 成QPSK信号的I/Q转换，并将产生的信号用于光 纤无线系统的传输。本发明在光学基带发射端， 由于替换了传统的IQ调制器，可以将技术成本减 少，有利于未来光子学的集成。信号生成后先经 过40km的单模光纤，再利用了能容纳较大带宽信 号的ka波段(26.5-40GHz)进行5m无线传输，该波 段目前已广泛使用于5G移动通信网络。传输完成 后信号会进行一系列的离线DSP处理，包括频偏 估计、载波相位恢复、直流项的消除、时钟恢复、 色散补偿等，能较好地将QPSK信号恢复。该系统 能够保证较好的误码率， 具有较高的性能效果。权利要求书2页 说明书4页 附图4页CN 110061783 A 2019.07.26 C N 110061783 A
1.一种基于双臂马赫曾德尔调制器完成I/Q调制的光纤-无线传输系统，其主要由光学基带发射机、基站、无线接收端、离线DSP处理4个部分组成，该系统的具体步骤如下所示： 第一部分，在光学基带发射机阶段，将电上产生的双边带20Gbit/s QPSK信号调制到光上： 步骤1:用80Gsa/s的数模转换器(DAC)产生QPSK信号的I路和Q路，信号的长度为8192，其后再分别接入两个线性电放大器(EA)，放大信号的幅值和功率； 步骤2:将经过放大的I路和Q路分别接入双臂马赫曾德尔调制器的信号口，打开外腔激光器(ECL -1)通光，并调整调制器的直流偏置电压，使其达到半波电压点； 第二部分，在基站阶段，用本振光和经过40km传输的信号光进行拍频，产生中频信号，最后进行5m的无线传输： 步骤3:信号光经过40km的传输，与外腔激光器(ECL -2)产生的本振光进行耦合，本振光耦合前需加入偏振控制器(PC)以保证与信号光的偏振态一致； 步骤4:拍频后的中频信号经过可调光衰减器(VOA)控制其输入光电探测器(PD)的功率，保证在0dBm以下，避免打坏PD； 步骤5：信号经过光电转换后，再接入一个EA进行电信号放大，最后再接入Ka波段的号角天线(HA)把信号发射到自由空间； 第三部分，在无线接收端，收下并采集信号： 步骤6：信号经过5m的无线传输后，调整接收端HA的位置和方向，收集信号，并连接到80Gsa/S的示波器，将数据采集下来，以备后续处理； 第四部分，在离线DSP处理阶段，运用多种算法恢复QPSK信号，使误码率低于硬判决前向纠错的门限3.8×103： 步骤7：将采集的信号的进行DSP处理，并不断调整实验装置的可改变参量，例如输入PD 前的功率、无线传输的距离等，计算出相应的误码率，绘制曲线图。且在DSP计算时也可根据性能和延迟的考虑，不断改变直流消除算法中的抽头长度，选取合适的抽头长度。 2.根据权利要求1第一部分的步骤2，用一个双臂马赫曾德尔调制器来完成I/Q转换，其 输出的表达式为： 当I(t)和Q(t)的值很小时，e j*x 部分可用泰勒公式展开： 经过IQ转换后值的近似于sin(x)的泰勒展开，sin(x)的泰勒展开为： 权 利 要 求 书1/2页2CN 110061783 A
马赫曾德干涉仪 马赫——曾德干涉仪。马赫——曾德干涉仪（Mach-Zehnder; inter-ferometer）是一种重要的光学和光子学器件，广泛应用于干涉计量、光通信等领域；它用分振幅法产生双光束以实现干涉，被广泛用作传感器和光调制器。 一、实验目的 1．掌握马赫曾德干涉仪的原理和结构； 2. 组装并调节马赫曾德干涉仪，观察干涉条纹。 3. 学会调节两束相干光的干涉； 二、实验原理与仪器 He-Ne 激光器、平面反射镜1和平面反射镜2 、分束器、合束器、扩束滤波准直系统、可变光阑、光强衰减片、白屏。 图1 实验装置及光路图 图1为马赫曾德的实验装置图，：由He-Ne激光器发出的激光由扩束镜（显微物镜）、针孔滤波和透镜准直后形成宽口径平面波，经可变光阑后，光斑直径变为1厘米后，再经分束器形成两路：透射光和反射光。透射光被反射镜2反射后垂直入射到原始物平面Po上的物体上，经衍射后的物光经过合束器到达距离z=20厘米处的CCD记录面P H上。经过分束器后的反射光作为参考光被反射镜1和合束器反射到P H面上与物光干涉产生干涉条纹，被CCD记录下来传输到计算机中。 三、实验内容和步骤 1 光学器件的共轴调节 调节激光器水平，调整各器件的高度的俯仰，使其共轴。在调节透镜时要注意反射光点
重合。 2 平行光调节 利用调平的激光器，通过调节扩束准直系统，得到平行光。加入可变光阑，使平行光中心通过光阑的中心。通过针孔滤波和透镜准直获得宽口径平面波后搭建MZ干涉仪，保证两束光在合束器后完全重合并产生平行直条纹的干涉图样。 3.首先在激光束的传播方法放置分束器，将He-Ne激光器的主光束平分得到两个分光束。调整分束器角度，得到两条严格垂直的分光束。在光路1中放置反射镜1，将分光束1的传播方向改变，该反射镜与分光器位于同一列螺纹孔。反复调节反射镜的位置和反射角度，得到严格平行并且等高的两束光线。在光路2中放置反射镜2，如果调节的方法正确，主分光束的反射光和另外一条分光束可以刚好在空间相交，该交点基本可以刚好满足严格的等过程。 4.大致调整好分束镜和反射镜的光路，使两路光在合束器上汇合，并出射在白屏上（确定光斑是否落在各镜面中心，可用擦镜纸轻轻挡在镜面前观察光斑的位置）。 5.固定一路激光，测量记录光路的长度。调整另一路光路，使这路光的长度与刚刚记下的光路一致，固定光路。 6.将白屏移远（至少2m），观察白屏上的两个激光斑，若不重合，调节分束镜的控制钮，使两个光斑完美重合。 7.把白屏移回适合观察的位置，细调分束镜的控制钮并观察白屏上的激光干涉现象，直到现象最明显为止，得到清晰的竖直干涉条纹。 五、思考题 1.如果分束器后两路光光强不同，应该使用什么元件改善？ 2.马赫曾德干涉仪和迈克尔逊干涉仪的区别是什么？各有什么特点？
马赫-曾德光纤干涉实验 光纤传感器是20世纪70年代中期发展起来的一种新型传感器,它是光纤和光通讯技术迅速发展的产物。光纤马赫-曾德干涉仪(MZI)是一种功能型光纤传感器,它在光纤技术中常用作相位、频率等的调制解调器。 一、实验目的 1．学习光纤 马赫-曾德（Mach-Zenhder ） 干涉原理 2．掌握利用马赫-泽德光纤干涉仪对压力和温度的测量。 二、实验器材 OFKM-Ⅳ型多功能全光纤干涉仪，He-Ne 激光器 三、实验原理 1．光纤传感器基本工作原理 光纤 马赫-曾德（Mach-Zenhder ） 干涉仪结构与原理如图 1所示。光源发出的光经过耦合器（DC1），将光束一分为二，光纤一臂为信号臂，另一臂为参考臂。经过耦合器 DC2 进行干涉，干涉光照到探测器上，光强表达式分别为 )(cos 1t B A I Φ+= （1） )(cos 2t B A I Φ-= （2） 在通过对干涉信号相位的获得来推知作用在信号臂上的外界物理量的变化。 2．马赫-曾德光纤温度传感器工作原理 激光束从激光器发出后经分束器分别送入长度基本相同的两条光纤, 而后将两根光纤输出端汇合在一起,产生干涉光, 从而出现了干涉条纹。当一条光纤臂温度相对另一条光纤臂的温度发生变化时, 两条光纤中传输光的相位差发生变化, 从而引起干涉条纹的移动。干涉条纹的数量能反映出被测温度的变化。光探测器接收到干涉条纹的变化信息, 并输入到适当的数据处理系统, 最后得到测量结果。 长度为 L 的光纤中传播光波的相位Φ nL k 00+Φ=Φ （3） 其中0Φ 为光进入光纤前的初始相位， 0k （00/2λπ=k ，0λ为真空中波长）为传播常数, n 为光纤的折射率;L 为光纤的长度。 图1 光纤Mach-Zenhder 干涉仪原理图
LiNbO3马赫曾德调制器在信号调制中的应用 电子信息工程学院 110421305 刘继鹏 摘要：铌酸锂马赫曾德调制器是目前广泛使用的波导型光调制器件。本文从原 理和应用两个方面对马赫曾德调制器进行分析研究，并且对由马赫曾德调制器调制的各种码型信号进行了软件仿真，通过仿真结果验证其可行性，最后给出了应用于大容量DWDM 光通信系统的载波抑制归零－差分相位键控（CSRZ-DPSK）信号的实现和特点。 关键词：LiNbO3马赫曾德调制器，NRZ，RZ，ASK，CSRZ-DPSK 1. 引言 调制器是产生光信号的关键器件。在TDM 和WDM 系统的发射机中，从连续波（CW）激光器发出的光载波信号进入调制器，高速数据流以驱动电压的方式迭加到光载波信号上从而完成调制。 在网络容量呈指数增长和全球一体化的驱动下，光通信系统正朝着大容量高速率长距离传输的方向快速发展。而调制器的性能和效率首要的决定着光通信系统能否实现这个目标。近年来，由于铌酸锂（LiNbO3）波导的低损耗、高电光效率等特性，铌酸锂在2.5Gb/s 及更高速率的光调制器中得到越来越广泛的使用。基于马赫曾德波导结构的LiNbO3 调制器（简称LiNbO3 马赫曾德调制器）更是以其啁啾可调，驱动电压低以及带宽大等优点成为光通信系统中使用最广泛的高速调制器。本文从原理和应用两个方面对马赫曾德调制器(MZM)进行分析讨论。 2. 马赫曾德调制器的原理 马赫曾德调制器是基于马赫曾德干涉原理的波导型电解质光调制器件。其结构示意下图所示 图1 马赫曾德调制器的结构示意图
在马赫曾德调制器中，输入的光信号在Y 分支器(3dB 分束器)上被分成振幅和相位完全相同的两束光，并且随着光波导在上下两支路上进行传输。如果两平行臂完全对称，在不加调制电压时，两支路光束在输出Y 分支器内重新合并成与原输入光信号相同的光束，单模波导输出。如果在调制区上加调制电压，则由于等离子体色散效应，光波导折射率发生改变，从而使得两平行臂中两束光的相位发生改变。设两臂相位差为Δφ，当Δφ为０°（相移为0）时，则光束在输出Y 分支器内发生相长干涉，此时得到代表逻辑‘1’的“开状态”信号；当Δφ为180°（相移为π）时，光束在输出Y 分支器内发生相消干涉，此时得到代表逻辑‘0’的“关状态”信号。这样，通过对调制电压进行调节可以产生不同的信号，从而实现对信号的编码。 在输出端的Y 分支器的信号可以用如下公式表示： (1) 习惯上使用信号光强来表示马赫曾德调制器的传输特性： (2) 这里E o 和E i 分别表示光波的输出电场和输入电场，V(t)是驱动电压（包括直流偏置和电调制信号）， Vπ是半波电压，用于产生光波的π相位偏移。 3.马赫曾德调制器的应用 由于马赫曾德调制器的传输特性是余弦曲线形式的，如下图所示，则调制器可以被偏置在不同的区域并且驱动信号可以层叠在偏置电压上。通过调节偏置电压和驱动信号可以产生NRZ-ASK/NRZ-DPSK 信号，RZ-ASK/RZ-DPSK(包括载波抑制RZ-DPSK)信号等。
实验三：集成波导马赫-曾德尔干涉仪 一、实验目的： 1．掌握MZI 的干涉原理 2．掌握MZI 干涉仪的基本结构和仿真方法 二、实验原理： MZI 干涉原理基于两个相干单色光经过不同的光程传输后的干涉理论。MZI 主要由前后两个3dB 定向耦合器和一个可变移相器组成。最终使不同的两个波长分别沿两个不同的端口输出。其结构示意图如下所示： 图1 MZI 干涉原理简图 马赫－曾德干涉结构可用做光调制器，也可用做光滤波器。 1、马赫－曾德干涉仪的分光原理： 设两耦合器的相位因子分别为12,??,当干涉仪一输入端注入强度为0I (以电场强度表示为0E )光波时，可以推出两个输出端的光场强度12,I I (以电场强度分别表示为12,E E )分别为： 2 2 22 11012122222 2201212cos ()sin(2)sin(2)sin (/2)sin ()sin(2)sin(2)cos (/2)I E E L I E E L ????β????β??==++????==-+?? 式中，β为传输常数；12?=-L L L 为干涉仪两臂的长度差，它在干涉仪两臂之间引入的相位差：2/2/?=?=L n L C F βπυπυ。（υ为光的频率；n 为光纤纤心的折射率：C 为真空中的光速；/=?F C n L 为马赫一曾德干涉仪的自由程。 当构成干涉仪的两耦合器均为标准的3 dB 耦合器(即分光比为1：1)时，两耦合器的相位因子为045，可以得到干涉仪输出端的强度传输系数分别如下：
[][]2 1112002 2222001 1cos(2/)21 1cos(2/)2 ===-===+E I T F I E E I T F I E πυπυ 图2给出了强度传输系数随输入光频率的变化曲线： 图2 马赫－曾德干涉仪强度传输系数随频率变化曲线 从图2可以看出，两个输出端的强度传输系数正好是反相的，也就是说，当在干涉 仪的一个输入端注入单一频率的光波时，调节干涉仪使一个输出端输出光强度达到最大时，则另一输出端输出光强度将达到最小。另外，根据图2，还可以得到一个重要的结论：当在干涉仪一个输入端同时注入两个频率分别为12,υυ的光波时，如果二者的频差 21?=-υυυ与干涉仪自由程 F 满足关系式(1/2)?=+K F υ (0,1,2,=???K )，则可以实现两 个频率不同的光波分别在不同的输出端输出，即实现不同频率光波的分离。 2、马赫－曾德干涉仪的滤波原理 马赫－曾德滤波器结构如图3所示： 图3 马赫－曾德干涉仪滤波器原理图 输入光功率i P 经第一个3dB 耦合器等分为1i P 和2i P 两部分，他们分别在长度为1L 和 2L 的光波导中传输后，经过第二个3dB 耦合器合在一起。 设输入光功率i i i P E E *∝?，则输入光的电场强度可以表示为： i t i l E Ae i ω= 其中l i 表示光的偏振方向上的单位矢量。经过第一个3dB 耦合器将输入光分成两束，每
基于马赫曾德干涉仪的传感器应用
H a r b i n I n s t i t u t e o f T e c h n o l o g y 基于马赫曾德干涉仪的传 感器应用 课程名称：近代光学创新实验 院系：航天学院 专业：电子科学与技术 姓名： 学号：
哈尔滨工业大学 1 马赫曾德干涉仪的原理 马赫曾德干涉仪原理图如图1所示。结构上，马赫曾德干涉仪主要由2个3dB耦合器和2段光纤L1和L2组成，其中L1称为信号臂，L2称为参考臂。光源发出的光经耦合器1时被分成2束，一束经过信号臂L1，一束经过参考臂L2，然后在耦合器2处发生干涉，在输出端观察干涉图样。经过传输矩阵法分 析可得输出端的光强为 )) ( cos 1( 2 1 t a I I? + = ， )) ( cos 1( 2 2 t a I I? - = [1]。 图1 马赫曾德干涉仪的结构 2 非平衡马赫曾德光纤干涉仪传感器的原理 来自激光器的光束经透镜准直后在耦合器1上分成光强相同的两束光，两光分别经信号臂和参考臂在耦合器2相遇产生干涉光，并出现干涉条纹。当信号臂光纤因温度、应力等原因相对另一条参考臂光纤发生变化，引起传感臂光纤的长度、折射率变化，从而使传感臂传输光的相位发生变化，产生干涉条纹移动。由于干涉条纹的数量可以反映出被测量,通过光探测器接收到干涉条纹的变化信息，并输入到数据处理系统，即可得到测量被测量的目的。 3 马赫曾德干涉仪传感器的应用 光纤传感器是伴随着光导纤维及光通信技术的发展而逐步形成的，与传统
的传感器相比，光纤传感器具有灵敏度高、抗电磁干扰、耐腐蚀等优点。光纤传感器就是利用光纤将待测量在光纤内传输的光波参量进行调制，并对被调制过的光波信号进行解调检测。光纤传感器就调制方式来分有波长调制型、相位调制型、偏振态调制型等，其中马赫曾德干涉仪传感器属于相位调制型传感器[1]。各种光纤传感器中，马赫曾德干涉仪由于有抑制光源噪声和模式噪声的特点，在高精度测量中越来越受到重视[2]。马赫曾德干涉仪传感器主要是应用于温度和应力传感，由于温度变化可有电流、电压的变化引起，应力的变化可由磁场、电场引起，故马赫曾德干涉仪传感器也可以应用于磁场、电流、电压等领域的传感。 3.1 基于马赫曾德干涉仪的温度传感器 利用全光纤马赫-泽德干涉仪设计温度传感器的原理图参见图3。由激光器发出的相干光，经分束器分别送入两根长度相同的单模光纤。其中，参考臂光纤不受外场作用，信号臂放在需要探测的温度场中。同时，采用两个不同焦距的透镜以增强光的耦合程度。依据马赫曾德干涉仪的原理，由两个光纤出射的两个激光束在耦合出口处发生干涉，产生干涉条纹，经传感器接收后将温度变化时干涉条纹的变化规律传输到监视器，通过测量此干涉效应的变化，即可确定外界温度的变化[3]。 图3 全光纤马赫-曾德干涉仪温度传感器原理图
马赫—曾德（M—Z）光纤干涉实验 随着信息技术进入新时期，传感技术也进入了新阶段。“没有传感器技术就没有现代科学技术”的观点已被全世界所公认，因此，传感技术受到各国的重视，特别是倍受发达国家的重视，我国也将传感技术纳入国家重点发展项目。传感器定义：能感受规定的被测的量，并按照一定规律转换成可用的输出信号的器件或装置称为传感器。 光纤传感器有两种，一种是通过传感头(调制器)感应并转换信息，光纤只作为传输线路：另一种则是光纤本身既是传感元件，又是传输介质。光纤传感器的工作原理是，被测的量改变了光纤的传输参数或载波光波参数，这些参数随待测信号的变化而变化，光信号的变化反映了待测物理量的变化。 以光纤取代传统马赫—曾德 (M-Z)干涉仪的空气隙，就构成了光纤型M-Z干涉仪，如图1所示。这种干涉仪可用于制作光纤型光滤波器、光开关等多种光无源器件和传感器，在光通信、光传感领域有广泛的用途，其应用前景广阔。 图1 光纤型M-Z干涉仪 一、实验目的 1、了解马赫—曾德M—Z干涉的原理和用途；实验操作调试M—Z干涉仪并进行性能测试。 2、了解压力传感的原理，操作光纤压力传感原理实验。 3、了解温度传感的原理，操作光纤温度传感原理实验。 二、实验仪器用具 He-Ne激光器1套；光纤M-Z干涉仪1套；633nm单模光纤1根；光纤切割刀1套等。
三、M-Z干涉仪原理实验 1、原理 光纤型M-Z干涉仪实际上是由分束器构成。当相干光从光纤型分束器的输入端输入后，在分束器输出端的两根长度基本相同的单模光纤会合处产生干涉，形成干涉场。干涉场的光强分布(干涉条纹)与输出端两光纤的夹角及光程差相关．令夹角固定，那么外界因素改变的光程差直接和干涉场的光强分布(干涉条纹)相对应。 2、实验操作 (1)按图2所示仔细将光耦合进光纤分束器的输入端，此时可用光能量指示仪监测，固定好位置；精心调试分束器输出端两根光纤的相对位置，使其在会合处产生干涉条纹。 (2)固定调试好的相对位置，分析观察到的现象。 图2 聚光器件耦合原理示意图 四、光纤压力传感原理实验 1、原理 M—Z干涉仪型传感器属于双光束干涉原理，如图3所示。由双光束干涉的原理可知，干涉场的干涉光强为： ∝ I ) + 1(δ cos δ为干涉仪两臂的光程差对应的位相差，δ等于2π整数倍时为干涉场的极大值。压力改变了干涉仪其中一臂的光程，于是改变了干涉仪两臂的光程差，即位相差，位相差的变化由按上式规律变化的光强反映出来。 2、实验操作 本实验中传感量是压力，压力改变了光波的位相，通过对位相的测量来实现对压力的测量。具体的测量技术是运用干涉测量技术把光波的相位变化转换为强度(振幅)变化，实现对压力的检测。操作方案采用光纤干涉仪进行对压力传感的测量，利用干涉仪的一臂作参考臂，另—臂作测量臂（改变应力)，配以检测显示系统就可以实现对压力传感的观测。本操作只对压力引起光波参数改变作定性的干涉图案的变化观测。详细的量化可参考专门资料。
开放式光纤马赫—曾德尔干涉仪折射率传感器的研究 光纤折射率传感器具备体积小、质量轻、抗电磁干扰、耐高温、灵敏度高和化学稳定性好等优点,在化工生产、环境监测和生物医学等领域中具有很好的应用前景。其中,开放式光纤马赫-曾德尔干涉仪(MZI)折射率传感器因其超高折射率灵敏度和紧凑的结构受到业界高度关注。本文针对当前开放式光纤MZI存在的传输损耗大和折射率测量范围窄等问题,提出一种基于多模干涉耦合原理降低传输损耗的方法和一种折射率测量范围扩展方法。分别进行了传感器的设计制作、扩展折射率测量范围和该传感器在浓差极化原位监测等方面的研究。 研究工作包括以下三个方面:(1)研究了开放式光纤MZI折射率传感器的理论基础。分析了多模干涉耦合原理、马赫-曾德尔干涉原理和传感原理。通过数值模拟分析了该结构的特征参数对透射谱的影响,优化了制作工艺参数。(2)研究了开放式光纤MZI折射率传感器的传感特性。 搭建了折射率测量实验平台,实验结果表明:在1.333-1.3468的范围内,折射率灵敏度约为-1360nm/RIU,实现了高折射率灵敏度测量。利用干涉谱自由光谱范围与折射率的关系,研究了测量范围扩展方法,并对其正确性进行了实验研究。实验结果表明:折射率测量范围可以扩大到0.07RIU,折射率测量误差为±4.173 ×10-5 RIU。(3)设计了基于该传感器的浓差极化原位监测应用系统。 研究了基于折射率传感原理的浓差极化原位监测方法,搭建了浓差极化原位监测实验平台并进行了实验研究。实验结果表明:通过观察膜面的浓度变化可以实现浓差极化现象的检测,验证了开放式光纤MZI原位监测浓差极化的可行性。本文的研究成果表明优化的开放式光纤MZI达到了降低传输损耗的目的,同时提出的折射率测量范围扩展方法有效扩大了开放式光纤MZI的测量范围。另外,该传感器的应用也为研究膜表面浓差极化现象和膜污染机理提供新的技术手段。