非平衡马赫泽德尔干涉仪传输特性及其优化

非平衡马赫泽德尔干涉仪传输特性及其优化
刘志强;王旭
【摘要】利用干涉解调法分析了非平衡马赫泽德尔干涉仪以及有源反馈非平衡马赫泽德尔干涉仪的特性，对其相位探测灵敏度、系统传输特性进行了模拟，结果表明利用新型结构能够提高马赫泽德尔干涉仪的检测灵敏度，可以应用于各种干涉型传感器和传感器网络中。

%Unbalanced and active feedback Mach-Zehnder interferometer characteristics are analyzed by using the interference demodulation law. The phase detection sensitivity and the system transmission characteristics are simulated. The results show that the novel structure MZI detection sensitivity is improved and it is applied to a variety of interferometric sensors and sensor networks.
【期刊名称】《河南科学》
【年(卷),期】2013(000)002
【总页数】3页(P152-154)
【关键词】马赫泽德尔干涉仪;干涉解调法;有源反馈;传输矩阵法
【作者】刘志强;王旭
【作者单位】河南师范大学物理与电子工程学院，河南新乡 453007;河南师范大学物理与电子工程学院，河南新乡 453007
【正文语种】中文
【中图分类】TH741
传感器技术是现代技术竞争的核心技术之一.光纤传感器就是调制待测量在光纤内
传输的光波参量，并对调制光波信号进行解调检测，从而获得待测量值.全光纤的
马赫泽德尔干涉仪是一种重要的干涉器件，广泛用于光纤传感和光纤通讯领域.
1 非平衡马赫泽德尔干涉仪的光谱特性
全光纤马赫泽德尔干涉仪如图1所示，只考虑某个偏振方向的耦合，忽略各自的
双折射和偏振态演化，根据耦合模理论，光纤马赫泽德尔干涉仪的传输特性由下式给出[1]：
图1 Mach-Zehnder光纤干涉仪的结构示意图Fig.1 Schematic diagram of a Mach-Zehnder optical fiber interferometer
干涉仪的相位探测灵敏度取决于传输函数的斜率，即对相位差的导数：
由图2，传统马赫泽德尔干涉型传感器的最大传输率为 Tmax=1，最大灵敏度在
Δφ=π/2处获得，Mmax=0.5，且3 dB探测带宽为2.0994 rad，如图3所示.在Δφ=π/2附近，干涉仪传输曲线具有良好的线性，即T=0.5（即图2中的斜率）.
由干涉输出的光强可直接计算出产生的相位改变.
图2 T随Δφ的变化规律曲线Fig.2 Variation curve of T function withΔφ
图3 M随Δφ的变化规律曲线F ig.3 Variation curve of M function withΔφ
在生物传感、医疗微探测传感中，需要超高精度的短距离分布式检测，可考虑采用准分布传感，但要求复用传感单元具有极高的检测灵敏度.在这种微弱信号传感中，0.5的灵敏度已达不到要求，可采用光纤反馈[2]，将马赫泽德尔的一部分干涉输出信号耦合到输入端，从而不断地发生干涉，提高马赫泽德尔检测灵敏度.
2 有源环路反馈型的马赫泽德尔干涉仪的传输特性
有源环路反馈型的马赫泽德尔干涉仪结构如图4，信号臂中的换能器通过压力作用产生Δφ的光相位变化.理论上，马赫哲德尔的干涉输出通过光纤环反馈给输入发生类似多光束干涉现象，具有更高的相位检测灵敏度.采用传输矩阵法分析带环路反馈马赫泽德尔干涉结构的传输特性[3].简化分析过程，忽略马赫泽德干涉仪偏振变化特性，信号臂和参考臂中传输的光信号反射和光纤耦合器光功率损耗，信号臂和参考臂光纤长度相等.则带环路反馈马赫泽德尔干涉结构的传输函数为：
图4 有源反馈环路的马赫泽德尔干涉型传感结构Fig.4 Mach-Zehnder interference type sensing structure with active feedback loop
式中：半导体激光器输出相干光光强为I in，C2输出光强为I out.C1端口1的入射光光场E1，C2端口3的出射光光场E3.α为反馈环路光纤的损耗系数，反馈光纤中光传输的相位改变为θ，光在两干涉臂光纤中传输时产生的相位变化φ，信号臂和参考臂光纤的两光路之间产生相位差Δφ.
3 数值模拟及讨论
根据（4）式，可对有源环路反馈型马赫泽德尔干涉传感结构灵敏度进行数值模拟.反馈臂光纤中的有源器件光放大器，使反馈光信号在传输过程中获得增益，反馈臂损耗系数α＞1.系统传输系数T＞1，（4）式极限情况是分母趋于0，使T→∞.图5描绘了有源反馈马赫泽德尔干涉结构在α=1.001，1.01，1.1和1.5时的传输率曲线簇，图6描绘了相应的相位检测灵敏度曲线簇.α值越大，敏感区域的范围越大，最大相位灵敏度也越高.如果提高反馈环路中的光放大器增益，可获得更高的有源环路反馈型马赫泽德尔干涉传感器相位检测灵敏度和较大的探测范围.理论分析认为，α值越大，相位检测灵敏度越高.
图5 有源反馈传输率曲线簇Fig.5 Active feedback transmission rate curve cluster
图6 有源反馈相位灵敏度曲线簇Fig.6 Active feedback phase sensitivity curve cluster
环路反馈型马赫泽德尔干涉结构传感器通过信号臂和参考臂光纤之间的臂长差调谐非平衡干涉结构最大灵敏度的位置，敏感区域则分布于最大灵敏度位置附近.
4 结论
数值模拟分析显示：如果选择合适的反馈光纤参数，这种传感器与传统马赫泽德尔干涉结构相比，相位检测灵敏度能够提高2～3个数量级.这种新型结构可以应用于各种干涉型传感器和传感器网络中，适合生物传感、化学传感和医疗诊断应用中的小信号探测.
【相关文献】
［1］佘守宪.导波光学物理基础［M］.北京：北方交通大学出版社，2002.
［2］周广，赵春柳，黄勇林，等.光纤环对非平衡马赫－曾德尔干涉仪型波长交错滤波器性能的改善［J］.光学学报，2002，22（6）：702－705.
［3］孙琪真.分布式光纤传感与信息处理技术的研究及应用［D］.武汉：华中科技大学，2008.。