第6章光纤干涉结构

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1、第第6章 光纤干涉结构章 光纤干涉结构6.1 法布里法布里-珀罗（珀罗（Fabry-Perot）干涉仪）干涉仪 6.2 马赫马赫-曾德（曾德（Mach-Zehnder）干涉仪）干涉仪 6.3 萨格纳克萨格纳克(Sagnac)干涉仪干涉仪 6.4 迈克尔逊迈克尔逊(Michelson)干涉仪干涉仪2作业作业l1.5 根据光学信息论，你如何理解单模光纤根据光学信息论，你如何理解单模光纤 系统和多模光纤系统传递信息量的大小？系统和多模光纤系统传递信息量的大小？一个光场（系统）传递信息量的表达式可写成一个光场（系统）传递信息量的表达式可写成NDOF称为结构信息或称总自由度数，在一定程度 上与复用结构相

2、联系2log (1OSNR)DOFIN=+3作 业作 业l2.4 基于法布里-珀罗腔中多光束干涉原理， 可以分析基于F-P腔的激光器、光滤波器以及 半导体光放大器的特性，也可以用于分析法 布里-珀罗腔干涉仪的传感特性等，它们利用 的是透射率公式，还是反射率公式？()22222(1)(1) (1)4 sin12cos 4t FP iIRRTIRRLRRL=+() ()222221cos 44 sin1(1)4 sin12cos 4FPFPRLRLRTRRLRRL = =+4作业作业l3.4 说明半导体激光器的直接调制特说明半导体激光器的直接调制特 性，如何理解频率啁啾、弛豫振荡、电性，如何理解频

3、率啁啾、弛豫振荡、电 光延迟、码型效应、自脉动等现象？光延迟、码型效应、自脉动等现象？5作业作业l4.1 什么什么是是光纤的模式，光纤的模式，HE11（或或LP01） 模的特模的特点是点是什么？什么？描述描述单模单模及及多模光纤的多模光纤的结结 构构特特点点，分析归分析归一一化化频率频率V 与与光纤传光纤传输输模式模式 （包括包括模模数数）的）的关关系系。l4.3 什么什么是是G.652和和G.655光纤，光纤，比较它们比较它们 的的非线非线性特性性特性。l4.9 在在光光子子信息信息处处理理领域领域，光，光子晶子晶体光纤体光纤 （PCF）倍受关注倍受关注，为为什么？什么？6作业作业l5.1

4、光纤耦合理论是研究光纤中两个或多个电磁波模式之 间耦合的一般规律的理论，请简述光纤耦合模理论的本质 特征；它能否衍生出新的模式分量信息？l5.5 通过光纤光栅的耦合模分析，说明“正反向导波光之间 的耦合”是Bragg光栅而非长周期光纤光栅的特性。l5.7 光纤中的克尔效应是指非线性极化导致的光纤折射率 随传输光功率变化的现象，请根据n阶电极化强度矢量的表 达式，说明光纤中克尔非线性效应的来源。l5.10 查阅文献，回答光学双稳态现象产生的条件是什么？ 体会光学双稳态效应在光信息处理中的应用潜力。7 7概 述概 述l光纤干涉结构具有极高灵敏度和稳定性，且 易于与光纤系统耦合连接，在相位调制技术

5、和光信息处理技术中都有广泛的应用。l包括法布里-珀罗(Fabry-Perot, F-P)干涉仪、 马赫-曾德（Mach-Zehnder）干涉仪、萨格 纳克(Sagnac)干涉仪和迈克尔逊 （Michelson）干涉仪。l它们往往通过改变光纤物理长度、光纤折射 率及其分布、光纤横截面几何尺寸等实现相 位的调整。8 86.1 法布里法布里-珀罗珀罗 （Fabry-Perot）干涉仪）干涉仪l法布里法布里-珀罗（珀罗（Fabry-Perot, F-P）腔由两腔由两 个个彼此平行彼此平行的的镜面构镜面构成的多光成的多光束束干涉干涉结构结构， 耦合输入到耦合输入到F-P腔中腔中光光波在两镜面间波在两镜面

6、间多多次反次反 射射，一，一部分部分光光从另从另一一镜面输出。镜面输出。M1 M2 1it E j 1k L it Eej 1 2k L it t Eej 1 2k L it r Ee2j 1 2k L it r Ee2j 1 1 2k L it rr Ee3j 1 1 2k L it rr Ee3j 1 2 1 2k L it t rr EeiEL 9 9透射透射光场光场与与F-P腔两端腔两端的的功功率率反射反射率、单率、单程增益有关。程增益有关。l有几有几个个重要重要的光信息的光信息处处理器理器件与件与F-P腔腔的特性的特性有有 关关，如，如F-P激光器激光器F-P干涉干涉滤波滤波器器F-

7、P半导体光半导体光放放大器大器光纤法珀干涉仪光纤法珀干涉仪（Fabry-Perot interferometer， FPI）在在光纤传光纤传感方面感方面，已经被逐步已经被逐步应应用到了温度用到了温度、应、应 力力、压力压力等等领域领域的传的传感测感测量量中。中。j()/2 121 2 2j() 1 212(1)(1)exp( j)11exp( 2j)LL s tiiLL sRR GLt t eeEEErr eeGR RL =10光纤法珀干涉仪（光纤法珀干涉仪（FPI）l光纤法珀干涉仪是由端面上镀上反射膜的两根 光纤组成的F-P谐振腔结构，主要有三种光纤法 珀腔的结构形式 。l本征型 （传感一体

8、）：11l非本征型通过改变导管长度D控 制传感器的敏感性l复合型微腔加工12光纤光纤FPI传传感感器器原原理理l当镜面反射率很低时，透射谱线的精细度不再适合 衡量FPI的性能，可根据F-P腔的反射谱公式来考察 FPI的特性。l如果腔长L变化，将会导致输出光强随波长分布发 生变化；或者说，当我们测量到输出光强或者波长 分布发生变化的时候，可以通过分析计算得到腔长 的变化量。() ()2222221 cos 44 sin1(1)4 sin12 cos 444 sin21 cosFPFPRLRLRTRRLRRLRLRL = =+=13l根据解调时所利用的光学参量，光纤F-P传 感器的信号解调主要有强

9、度解调与相位解调 两大类。强度解调一般利用单色光源（波长固定），即 直接利用输出光强公式求解出L。相位解调则是应用宽带或波长可调谐光源，利 用输出光强随波长的变化特点求出L。244 sin21 cosFPRRLRL=14（1）条纹计数条纹计数法的解调法的解调原原理理, 3 , 2 , 12= =+qqLqmmmqm 15（2）傅立叶变换傅立叶变换法的解调法的解调原原理理()22422( )( )21 cos2( )()()jt RiFPjtL icLL iiccF tI RedI RedI RtI Rtt=+ 2IiR IiR 2L/c 0 2L/c t 16（3）相相关关法的解调法的解调原原

10、理理2( )( )jt RiFPF tI Red=( )( ) ( , )RRlR lIyl d=根据相关的性质，当时l=L，RR(l)应取极大值， 因此构造合理的变换函数，是这种方法 成败的关键。优优点点：一是不严格要求离散光频率采样是均匀间隔，二 是变换后的相关结果最大值的横坐标就是腔长L，比傅立 叶变换结果更直接、准确。互相互相关关函函数数：( , )lyl176.2 马赫马赫-曾德曾德 （Mach-Zehnder）干涉仪）干涉仪l马赫-曾德干涉仪（MZI）在光子信息处理中应用广泛，可 用于制作波导调制器、滤波器、复用/解复用器、全光开关 等。l常用两个3dB的定向耦合器通过两个不同长度

11、的路径互连而 成，即输入端分波器将光束分成两路，分别进入干涉仪两 臂，经各自光路传输后再通过耦合器干涉输出两路信号。耦合耦合器器 耦合耦合器器 1 =21 2 信号光输出 B2 B1 A1 A2 信号光输入 2cos (2)T=18光纤光纤耦合耦合器器l光纤耦合器的分类如下：（1）从功能上看，它可分为光功率分配器以及 光波长分配（合/分波）耦合器；（2）从端口形式上划分，它包括X形（22）耦 合器、Y形（12）耦合器、星形（NN，N2） 耦合器以及树形（1N，N2）耦合器等；（3）从工作带宽的角度划分，它分为单工作窗 口的窄带耦合器、单工作窗口的宽带耦合器和双 工作窗口的宽带耦合器；（4）根据

12、传导光模式的不同又有多模耦合器和 单模耦合器之分。19光纤光纤耦合耦合器制作器制作方方法法l实现两个单模光纤之间的光耦合可采用两种方法： 研磨/抛光法和熔融拉锥法。l用光纤熔融拉锥法制作单模光纤耦合器，己形成了 成熟的工艺和一套很实用的理论模型。耦合耦合区区 出端出端锥锥体体 入端入端锥锥体体 20耦合耦合模模微扰微扰理论理论分析分析l在单模光纤中，传导模是两个正交的基模 （HE11）信号。 i() 1122( , )( , )( , )( , )( , )zttA z t F x yA z t F x y e=+E re22 222 022( , )0mm mmmFFnx y kFxy+=1

13、1 1221 122 2112 21i+i1iiggAAAAzvtAAAAzvt+=+= 1020()()2 =()2 22*0 2mppmpknnF F dxdy=21对称对称耦合耦合器器式中为直直通通效率效率，即单端口输入时直通 臂的输出光功率所占的比例 。l对于单端口输入的对称耦合器情形熔锥光纤耦合器的耦合耦合效率效率（或称耦合比） 是拉伸长度和耦合系数的函数，而耦合系数又是波长和 两纤芯间距离的函数。1122i 1( )(0)( )(0)i 1A LA A LA=2cos ()L=1121( )(0)cos() ( )i(0)sin()A LAL A LAL = =202( )sin

14、()cP LPL=22总总结结:光纤光纤耦合耦合器特性器特性l（1）单端口输入时，直通臂的输出光功率所占的 比例（直通效率）为l（2）定向耦合器在两输出端口间引入了90的相 移，这个相移在光纤干涉仪的设计中起到了重要 作用。 l（3）输出分光比与密切相关当时输出分光比为50:50，称为3dB耦合器；当输入能量全部转移到另一个光纤中（交叉状态）时的 长度称为耦合长度，它依赖于耦合系数；当输入能量又全部返回到原来的光纤中（阻碍状态）。l这种器件的特点是插入损耗和串扰很小，但制作 多路密集解复用器的难度很大，因此，对DWDM 系统，光纤方向耦合器被广泛用于复用器。L2cos ()L=21( )i(0

15、)sin()A LAL=23光纤型马赫光纤型马赫-曾德干涉仪（曾德干涉仪（MZI）耦合器 耦合器 1 =21 2 信号光输出 B2 B1 A1 A2 信号光输入 1122MZIBATBA=12i 1 i 2i 1i 100i 1i 1BBAA MZIBBAAReTR e=24l若121ii()2 211 1(1)i(1)1(1)BA AB ABRBAReeR=+ 0.5AB=121RR=2 111 2 121sin (2)cos (2)PPPP= =12ii1 2i2ABee=+25（1）l幅幅度度调制功能，通常将相位偏置12= 412ii1 2i2ABee=+26（2）l相位相位调制，且与耦合器的功率分配无关12=12