马赫_曾德尔干涉仪的应用研究_陈勇

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1、专题策划DOI:10．3969/j．issn．1001-3824．2012．06．005马赫-曾德尔干涉仪的应用研究陈勇，王坤(重庆邮电大学自动化学院，重庆400065)摘要:主要介绍马赫-曾德尔干涉仪在传感和解调方面的应用及其优势。在传感领域，应变和温度都会引起马赫-曾德尔干涉仪相位的变化，基于此提出一种利用马赫-曾德尔干涉仪和光纤布拉格光栅测量应变和温度的传感系统，并分析系统的工作原理。关键词:马赫-曾德尔干涉仪;传感;解调中图分类号:TN919文献标识码:A文章编号:1005-3824(2012)

2、06-00018-03I00引言I2=(1－αcosφ(t))(2)2光滤波器是光通信和光电子领域不可或缺的重要元器件，在波长锁定、波分复用/解复用、波长路由、色散补偿、增益平坦等技术中都有广泛的应用。在众多光滤波器中，马赫-曾德尔(M-Z)干涉仪图1M-Z干涉仪的结构型滤波器因其结构简单，可多级串联，以及具有梳2M-Z应用于传感解调状和带通滤波特性等优点，在WDM系统中备受关［1］注。马赫-曾德尔干涉仪主要应用于传感解调、传解调系统是整个传感系统的核心，解调是指通感器、全光波长转换等领域，而且马赫-曾

3、德尔干涉过检测信号波长的偏移量来检测被测参数的变化，［2-3］仪可级联的特性，可以使滤波器通带顶部的宽图2为M-Z干涉仪用于传感解调的系统图。度和平坦性大大改善，从而降低器件对光源波长的M-Z干涉仪用于解调的原理是利用非平衡M-Z敏感性，提高其输出的稳定性。光纤干涉仪将传感FBG的波长变化转化为干涉仪两臂的相位差变化，通过测量M-Z光纤干涉仪输出1M-Z原理的相位差大小就可以确定相应的FBG共振波长。M-Z干涉仪原理图如图1所示。结构上，M-Z如图2所示，宽带光源输出的光由传感FBG反射光纤干涉仪主要由

4、2个3dB耦合器和2段光纤L1后，经过3dB耦合器后进入非平衡M-Z光纤干涉［3-6］和L2组成，其中L1称为信号臂，L2称为参考臂。仪。由于干涉仪的两臂长不相等，相应的光程光源发出的光经耦合器1时被分成2束，一束经过差为nd，其相位差可以表示为信号臂L1，一束经过参考臂L2，然后在耦合器2处2πnd(3)φ(λ)=λB发生干涉，在输出端观察干涉图样。经过传输矩阵式(3)中:λB为FBG的共振波长，因此由FBG传感法分析可得输出端的光强为器的波长漂移ΔλB引起的相位变化Δφ(λ)可以表I0I1=(1+α

5、cosφ(t))(1)示为22πndΔφ(λ)=2ΔλB(4)收稿日期:2012-11-01λB—18—DIGITALCOMMUNICATION/2012.12专题策划从公式(4)可以看出，只要测得非平衡干涉仪纤的相位。的相位变化就可方便地算出相应的FBG波长漂移，温度可直接引起干涉仪中的传输臂光纤长度从而得到被传感量的大小。其中相位补偿反馈模和折射率的发生变化。块驱动PZT，可以消除系统的直流零点漂移。以M-Δφ1δn1=+{ε3－Z干涉仪为解调方案具有较高的分辨率。φΔTnδTΔT12n［(p11+

6、p12)ε1+p12ε3］}(6)2式(6)中:p11和p12为光纤材料的弹光系数;ε1和ε3分别是径向应变和轴向应变。由式(6)可知，干涉仪的谱线移动和温度变化成线性关系。图2M-Z用作解调时的系统图图3M-Z干涉仪传感器温度传感系统图马赫-曾德尔干涉仪作为传感器虽测量范围小，3M-Z应用于传感但测量精度高，适用于高精度测量。光纤传感器是伴随着光导纤维及光通信技术4双参量测量系统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、耐腐蚀等优图3测温系统只是测一个参量，有些情况需

7、要［7-8］对多个参量进行测量，直观的想法就是多传感器多点。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参量测量。例如，利用FBG和LPG实现对温度和浓信号进行解调检测。光纤传感器就调制方式来分度的测量，这种方法存在的主要问题就是要解决多有波长调制型、相位调制型、偏振态调制型等，其中个传感器之间的交叉敏感问题，交叉敏感又是传感M-Z干涉仪传感器属于相位调制型传感器。系统的一个难题。但是对于M-Z干涉仪，近几年应M-Z干涉型传感器目前已经应用于温度、应力、用于传感器方面

8、双参量测量的系统较少，基于此本电流、电压等传感［9-11］，在传感领域，它的2个干涉文提出了一种结合M-Z干涉仪和FBG实现温度、应臂，一个称为参考臂，一个称为传感臂，传感臂用来力双参量测量方案，系统框图如图4所示。放入待测环境中。由于待测环境的影响，在传感臂宽带光源发出的光经过耦合器C1进入信号臂和中传输的光相对参考臂中的光获得了新的相位差参考臂，在2个臂上加2个FBG，这2个FBG的中心后，在输出的探测器上可观察到干涉条纹的移动，波长是