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20130829基于迈克尔逊干涉的远程光纤传感技术


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文献报告
Polarization-Insensitive Fiber Optic Michelson Interferometer

日期 编制

2013.08.29 杨江

偏振无关光纤迈克尔逊干涉仪 摘要:本文提出一种偏振无关的光纤迈克尔逊干涉仪。主要方法是通过使用法拉

第旋转镜在光纤返回路径 中作双折射补偿。 关键字:光纤传感器;偏振;干涉仪。 1 引言 在使用传统低双折射结构的干涉型光纤传感器中,偏振态(SOP)的随机波动影响输出条纹对比度的变化, 以及检测到的干涉信号的随之衰落。这种偏振诱导衰落,是在很多应用场合影响干涉型传感器实际应用的 重要问题。有许多原理被提出用来解决这种效应,包括在光纤干涉仪的臂上使用简单的人工或者自动偏振 控制器,基于输入偏振控制(或调制)的方法,偏振多样性检测原理。直观的方法是使用高双折射的保偏 光纤(PMF)去构造干涉型传感器。由于结构复杂,成本过高,很少使用保偏元器件制作干涉仪。 最近,Martinelli 和 Pistoni 论述了一种技术补偿一段光纤内的双折射效应。这种技术的基本工作原理是利用 法拉第旋转镜(FRM)将光纤路径中的光信号反射回去。使用这种单次通过旋转角度为 45°的元件,沿光 纤单方向的偏振旋转在反向回归时基本没有损失,产生的回归 SOP 是稳定的,并与光纤链路的双折射属性 时间无关(假设双折射属性的变化速率越低于光在光纤中的回程传输时间) 。这是一种有用的技术,能够生 成无源的基于反射结构的偏振无关的光纤干涉仪。本文使用迈克尔逊干涉结构首次提出这种系统。 2 原理 图 1 显示了偏振无关干涉仪的基本实验结构。该结构除了在末端反射镜前面加入 45°法拉第旋转器件,结 构与通常使用的一样。这些元件通过在光纤远端通过两次穿越 90°改变 SOP。另外,SOP 的旋光性在镜面反 射时反转。

图 1 偏振无关迈克尔逊干涉仪结构

光纤中的净折射率可以通过琼斯矩阵方程表示

? ? ? a ?b* ? R? ? ? d ? b a* ?
其中*表示共轭,α 表示光纤损耗,

d ? ? a ? a * ? b ? b* ?
且 a 与 b 由光纤中的双折射属性决定。在光纤的反方向,光的传输率由 R 的转置 Rt 决定,可以在两个方向 上使用相同的坐标。该条件满足系统的互易性。随着反射时坐标的旋转,光纤可以用以下形式的矩阵表示

? ? ?a R? ? * d ?b
经过 FRM 的效应可以表示为

?b ? a* ? ?

? 0 ?1? T ?t? ? ? ?1 0 ?
其中 t 是标量幅值代表损耗与反射镜系数。光沿着光纤传输并通过 FRM 反射回来的路径表达示,通过运算

? ? ? 0 ?1? R ' ? RTR ? ? 2t ? ? ? ?1 0 ?
由于 R’是常数,输入 SOP 与返回 SOP 与光纤的双折射特性无关。在迈克尔逊结构中,结论在系统的双臂上 都成立,保证系统的两束输出 SOP 一致。干涉仪的输入光纤或者其它分支臂上,得到输出干涉条纹对比度 常数与双折射引起的扰动时间无关。 3 结果 在该原理的实验认证中,波长 830nm 的二极管激光光源耦合到如图 1 所示的迈克尔逊结构中。输入光纤光 源末端探测回来的干涉条纹对比度, 通过在干涉仪单臂使用以 2π 弧度扫描频率为 20KHz 的压电相位调制器 来扫描干涉相位差。使用峰峰值探测器来记录干涉条纹幅值。光纤分波片(FFWP)偏振控制器置于输入端 (PC1)和干涉仪的单臂(PC2)用来调证系统的双折射特性。干涉仪两臂末端的光都是平行光,通过 45° 法拉第旋转器,然后从反射镜返回,再通过旋转器并重新耦合至光纤。使用的法拉第旋转器是去掉输入输 出起偏镜的单通道隔离器(OFR 型号 OI-5-NIR) 。 图 2 显示在没有使用 FRM 的系统中,人工调整输入偏振态带来的随机效应。在这种传统的操作方式中,这 种偏振随机变化导致输出干涉条纹幅值(对比度)的变化,并且引发偏振诱导衰落。输入 SOP 变化带来的 衰落尝试由两光纤臂双折射属性的差值决定,因此会产生相对强烈的衰落条件(约 0.05) 。将 FRM 引入系统 中,输出对比度接近整数(约 0.95) ,并且在调整 PC1 与 PC2 时仍然保持稳定。

图 2 典型的当系统中没有 FRM 时,输入 SOP 的随机调整干涉条纹强度的变化

图 3 显示了输入 SOP(通过 PC1)的随机变化时,观察到的条纹强度的随机变化,变化范围降低到<±5%, 论证了该结构的偏振无关性。

图 3 典型的当系统中使用 FRM 时,输入 SOP 的随机调整干涉条纹强度的变化

4 总结 本文首次提出在干涉仪两臂末端的反射镜前,使用 FRM 作用双折射补偿技术,并得到了偏振无关的迈克尔 逊干涉仪。结构完全无源,得到与系统双折射扰动时间无关的较好输出条纹。本文描述的系统使用大体积 光器件论述工作原理,在传统与偏振无关两种工作原理上进行了直接的对比。可以生产出一种类似光纤类 隔离器的微型带尾纤的 FRM 单元,应用在实际的传感系统中,比如 1.3um 或者 1.5um 的系统。这种双折射 补偿技术在其它传感中的应用也正在研究当中。 附录 1 术语 偏振态(state of polarization,SOP) 偏振诱导衰落(polarization-induced fading) 法拉第旋转镜(Faraday rotator mirror,FRM)


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