光纤Michelson干涉仪

第23卷　第1期2005年3月 广西师范大学学报(自然科学版)JOU R NA L OF GU A N GX I NO RM A L U N IVER SI T Y

V ol.23 N o.1M arch 2005收稿日期:2004-09-25

基金项目:国家自然科学基金资助项目(60277015)

作者简介:江天府(1969—),男,四川宜宾人,中国民用航空飞行学院副教授,博士.

光纤光栅M ichelson 干涉仪

江天府1,郝邦元1,江　毅2

(1.中国民用航空飞行学院计算机与信息工程系,四川广汉618307;2.北京理工大学光电工程系,北京100081)

摘　要:提出了一种基于光纤布拉格光栅(光纤光栅)的光纤M ichelso n 干涉仪.它使用光纤光栅作为干涉仪

的反射器,宽带光代替激光作为光源,是一种可以波分复用的M ichelson 干涉仪.用3×3耦合器作为分光器,

并结合软件解调技术从干涉仪的输出信号中解调出了外部振动信号.

关键词:M ichelson 干涉仪;光纤光栅;3×3耦合器

中图分类号:T N 929.11 文献标识码:A 文章编号:1001-6600(2005)01-0099-03

传统的光学干涉仪主要有M ichelson,Mach-Zehnder,Pabry-Perot 和Sagnac 4种基本形式.随着光纤的出现,也出现了对应的4种光纤干涉仪.相对于传统的光学干涉仪,全光纤干涉仪没有光路对准的要求,结构稳定,可以随意搬动.在光纤干涉仪中,一般用耦合器代替传统的半反半透镜,并在光纤端面镀膜来作为反射器.

本文提出了一种用光纤布拉格光栅(光纤光栅,FBG )来作为反射镜的光纤M ichelson 干涉仪.光纤光栅是用紫外光照射光敏光纤,使光纤纤芯的折射率产生周期性变化而形成的一种芯内体光栅[1].它能够反射某一特定波长的光( =2n ,其中n 是纤芯折射率, 是光栅栅距).这种光纤光栅干涉仪与普通的M i-chelson 干涉仪不同之处在于由于反射器具有波长选择特性,因此可以用宽带光作为光源,另外也可以用波分复用技术在2个光臂上复用多个Michelson 干涉仪.

1　实验

这一光纤光栅Michelson 干涉仪的结构如图1所示.它包括了光纤光栅干涉仪和干涉信号的解调系图1　光纤光栅M ichelson 干涉仪系统F ig .1　F iber gr ating M ichelson interferometer 统.在这里,用2只光纤光栅作为反射器,它们的波

长相同 1= 2.光源也不必使用激光器,可用宽带

光源,这里使用超辐射光纤光源(ASE),其光谱如

图2所示.ASE 使用980nm 的泵浦激光,掺铒光纤

12m 长,掺杂浓度 (Er )=0.04%.在驱动电流70

mA 时,光源出光功率为370!W.为了从干涉仪输

出信号中直接解调出外部调制信号,使用3×3耦

合器代替了通常的2×2耦合器作为分光器.

光纤光栅1的中心波长 1=1551.166nm,线

宽∀ 1=0.247nm,光纤光栅2的中心波长 2=1

551.142nm ,线宽∀ 2=0.215nm .两光栅中心波

长相距∀ =0.024nm.我们知道,激光的相干长

度由这个公式确定:L = 2/∀ .

因此可以得到在这种光纤光栅Michelson 干涉仪中,两干涉臂允许的最大光程差为:

D =n × 1+ 222

∀ 12+∀ 22+∀ =n ( 1+ 2)22(∀ 1+∀ 2+2∀ ).(1)其中n

是纤芯折射率.将相关参数代入(1)式,得D =13.7mm .因此为了获得干涉条纹,两光纤光栅距离耦合器的距离之差应小于13.7mm ,否则不能获得干涉条纹.图2　超辐射光纤光源A SE 光谱图 图3　干涉仪的2路输出 图4　干涉仪输出相位成120°

　F ig .2　T he spectrum of A SE Fig .3　T he 2o utputs of F ig .4　T he phase relationship o f

interferometer the interfero met er out puts

实验中,将Michelson 干涉仪的一个臂保持静止,另一个臂上20cm 的光纤粘贴到100mm ×35m m ×0.3mm 的铜片上.铜片一端固定5g 的质量块,另一端固定到振动台上.当振动信号加到干涉仪的这个臂上时,从3×3耦合器就可以得到干涉仪的2路输出信号,图3所示是振动频率为220Hz 时干涉仪的2路输出信号.

由于是3×3耦合器作为分光器,2输出成120°相位差,相位关系如图4所示.2路成120°相位差的输出信号使我们能够立刻简单的解调出外部的振动信号.

图5

　加到振动台的信号 图6　干涉仪的解调输出

F ig.5　T he v ibr ation signal Fig.6　T he demodulation output

图7　复用光纤光栅M ichelson 干涉仪

F ig .7　M ultiplex fiber g rating M ichelson interfer ometer 信号解调原理如图1所示[2].本文中使用了软件解

调技术[3],即将2路干涉输出信号放大后A/D 转换,送

入计算机,用软件来实现图1所示的计算.图5是振动台

的输入波形,图6是干涉仪的解调输出.此方法从干涉

仪的输出中将外部的振动信号很好地解调了出来.

这一光纤M ichelson 干涉仪也可以复用,原理如图

7所示,这里复用了3个Michelson 光纤光栅干涉仪.将

波长相等的光纤光栅成对连接到耦合器的2个臂上,每一对光纤光栅到耦合器等距离,在输出端用密集型波

分复用器(DWDM)将每个波长上的光取出,再作与前

面相同的计算即可得到每一个干涉仪的输出.100 广西师范大学学报(自然科学版) 第23卷