全光纤马赫-曾德尔干涉仪

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1、南开大学博士学位论文第六章马赫－曾德尔干涉型光复用/解复用技术6.1引言波分复用通信旨在把原来的光纤通信中每根光纤只传输一个波长光源所携带信息的状态，通过波分复用技术改变为在一根光纤中能够传输不同波长的光源所携带的多波长信息的状态，因此在光波分复用通信中，光复用/解复用技术是第一重要的。为此，需要发展相关的光子器件，如光调制器、滤波器、分波器、合波器、关开关等，这些新型光子器件的主要特征是具有优良的波长选择和控制特性。1994年5月，英国南安普特Gambling教授首次提出了“集成纤维光学”的概念[6.1,6.2]，它是以光纤为基质，研究并开发光通信系统中所必须的有源和无

2、源器件，并加以小型化和集成化。因为利用光纤做基质，一方面可以降低单元器件的成本，降低器件的偏振灵敏度，同时还可以大大的降低与光纤系统的插入损耗。随着光纤技术的成熟，基于全光纤的马赫－曾德尔（Mach-Zehnder）干涉仪的多种光纤器件由于其插损小，与光纤的兼容性好、具有梳状滤波特性等优点而在波分复用光纤通信系统和光纤传感等方面有着重要的应用价值。光传感领域的应用主要集中在利用它作为相位滤波器件对多点、多参量的光纤光栅传感信号检测；光通信领域主要的应用如上下路复用/解复用器、波长交错器(Interleaver),声光滤波器，多波长光纤激光器中的选模器件、光开关等等。因此，

3、近年来光纤型Mach-Zehnder干涉仪结构颇受关注[6.3－6.6]。6.2Mach-Zehnder干涉仪复用/解复用器的理论和实验研究6.2.1Mach-Zehnder干涉仪复用/解复用器的理论分析Mach-Zehnder型波分复用器具有高的耦合效率、较低的附加损耗和相对高的隔离度等优点。从结构上讲，集成纤维型的Mach-Zehnder干涉仪主要由两个耦合器和两段光纤和构成，如图6.1所示。图6.1Mach-Zehnder干涉仪的结构示意图Coupler1Coupler2l2port1port2port3port4l1E3E4E2E1对于一个熔融拉锥型耦合器，其散射

4、矩阵可表示为[6.7]：92南开大学博士学位论文(6.1)其中，，是耦合器的耦合系数，是器件的熔锥区的有效耦合长度。对特定波长的光，在单模传输时，可用来代替，令Φ＝。在理想情况下，对特定的工作波长尽量满足Φ＝π/4，这就是3dB耦合器，它的散射矩阵为（6.2）在图6.1中，假设输入E2=0，则对于输入E1＝1，经过第一个耦合器有（6.3）而两个耦合器中间的两个臂可用传输矩阵表示为：（6.4）其中，是干涉仪两臂的位相差，为两臂的几何长度差()。设矩阵，若耦合器为3dB耦合器，由式（6.2）和（6.4）则有（6.5）干涉仪两个输出（port3和port4）的输出场为92南开大

5、学博士学位论文＝（6.6）因此，其输出光功率分别为（6.7）（6.8）可见，两个输出端的输出谱，都是的余弦函数，而且两者是互补的。的变化取决于的改变，当发生变化时，输出谱也要变化。为了分析两个臂长差的漂移对器件的影响，我们对取不同值时干涉仪的归一化输出功率的影响进行了数值运算。假设两个臂长均为10cm，信道间隔为0.8nm，考虑两臂长差漂移0~250nm的范围内，相对变化量为0~2.5´10-6，这个量相当于两个臂的温度差约为5~10K(光纤的温度系数约为0.2~0.5´10-6/K)，实际系统的工作温度范围约为90K，所以考虑两个臂长差在0~250nm之间是合理的。图6

6、.2是不同的臂长差漂移所引起的归一化输出功率漂移，从左到右的五条曲线依次对应=0nm、50nm、100nm、200nm和250nm。显然，随着的增大，输出谱向长波方向移动。图6.2不同的对应的归一化输出功率155015511552155315540.0.2.4.6.81.0Normalizedoutputpower6.2.2Mach-Zehnder干涉仪的电压调谐特性研究根据上面的分析，对于由两个3dB耦合器构成的非等臂Mach-Zehnder干涉仪（见图6.3），port3和port92南开大学博士学位论文4的归一化的输出端功率由式（6.7）和（6.8）表示。改变干涉仪

7、臂长差的方法很多，比如用压电陶瓷(PiezoelectricTranslators,PZT)，磁致伸缩材料，薄膜加热法等等。图6.3非等臂Mach-Zehnder干涉仪的电压调谐实验装置图1234l1l2Coupler1Coupler2PZTPC图6.4非等臂Mach-Zehnder干涉仪的输出谱线由于全光纤Mach-Zehnder干涉仪对温度变化、空气流动、机械振动等外界环境的扰动非常敏感，在实际应用中必须加以稳定化。我们在实验中，为了减少环境扰动的影响，将大约各为2米长的两臂尽可能近地环绕起来，并封装在一个密封盒中，保证两