專利名稱：保偏光纖耦合器構(gòu)造的短周期Mach-Zehnder光干涉儀的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種保偏光纖耦合器構(gòu)造的短周期Mach-Zehnder光干涉儀。本發(fā) 明的核心思想是為了構(gòu)造小FSR的Mach-Zehnder光干涉儀，解決由于光纖中偏振態(tài) 和環(huán)境溫度的變化而造成的光干涉效果差而不穩(wěn)定的這個(gè)技術(shù)難題。采用了兩個(gè)保偏光 纖耦合器，利用保偏光纖耦合器的保偏尾纖來形成兩支臂差A(yù)L，并用保偏光纖熔接機(jī)來 進(jìn)行熔接，確保了被熔接的兩段光纖的偏振方向在熔點(diǎn)是重合的。為了確保輸入光波是 線偏振光，在光波進(jìn)入保偏光纖耦合器之前還加了一個(gè)起偏器，并且設(shè)計(jì)制作了高精度 的溫控電路來穩(wěn)定光干涉儀的性能，確保不同環(huán)境溫度下Mach-Zehnder光干涉儀的FSR 保持不變。在FSR =10GHz，Tmz = 0.1ns，兩支臂的長度差超過20mm的情況下， Mach-Zehnder光干涉儀的消光比達(dá)到了 17dB。
背景技術(shù)：
Mach-Zhender光干涉儀是一種常用的光學(xué)器件，利用兩條不同長度的干涉路徑 來分辨不同波長的干涉儀器，可作為濾波器、復(fù)用器和解復(fù)用器使用。通常的Mach-Zehnder光干涉儀由兩個(gè)3dB耦合器及兩路傳導(dǎo)分支組成， 其中一個(gè)分支比另一個(gè)分支更長，以不同的路徑延遲來控制光波的相位差。目 前，Mach-Zehnder光干涉儀主要是利用集成光學(xué)方法來制造，但是這種方法制造的 Mach-Zehnder光干涉儀的兩支臂的長度差」L很小，導(dǎo)致延遲差Tmz很小，所以FSR(1/ τ·)很大。而為了制造小FSR的Mach-Zehnder光干涉儀，其兩支臂的長度差zl L勢必很 大，由于光纖中光波的偏振態(tài)隨機(jī)械擾動(dòng)和環(huán)境溫度的變化，會(huì)造成光干涉效果差而且 不穩(wěn)定。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于解決由于光纖中偏振態(tài)和環(huán)境溫度的變化而造成大AL、短周 期Mach-Zehnder光干涉儀的光干涉效果變差而且不穩(wěn)定的問題。提供一種保偏光纖耦合 器構(gòu)造的短周期Mach-Zehnder光干涉儀。本發(fā)明易于實(shí)現(xiàn)，性能穩(wěn)定，成本低廉，適用 于實(shí)用產(chǎn)品的開發(fā)與推廣。為達(dá)到上述目的，本發(fā)明采用下述技術(shù)方案一種保偏光纖耦合器構(gòu)造的短周期Mach-Zehnder光干涉儀，包括一個(gè)激光器和 一個(gè)起偏器，其特征在于所述的激光器與起偏器相連，所述的起偏器和一個(gè)2*2的保 偏光纖耦合器的一個(gè)輸入端通過保偏尾纖相連；而所述的這個(gè)2*2保偏光纖耦合器的兩 個(gè)輸出端與另一個(gè)2*2保偏光纖耦合器的兩個(gè)輸入端通過保偏尾纖相連；這兩段由保偏 尾纖構(gòu)成的傳導(dǎo)分支的長度是不同的，它們的長度差ZL就是Mach-Zehnder光干涉儀的 兩支臂的長度差，光信號(hào)經(jīng)過兩個(gè)干涉臂會(huì)經(jīng)受不同的時(shí)延，最后在輸出端疊加。由于 采用了保偏光纖耦合器與保偏光纖，使偏振態(tài)固定，避免了偏振態(tài)變化對(duì)干涉效果的影 響。
將上述的激光器、起偏器、2*2保偏光纖耦合器安裝在一個(gè)鋁盒內(nèi)固定，并在鋁 盒中緊貼上用于溫度控制和監(jiān)測的溫度傳感器和熱敏電阻，再配以溫控電路；由于使用 了保偏耦合器和溫控電路，就可以克服在兩支臂的長度差很大的情況下，由于光纖中偏 振態(tài)和環(huán)境溫度的變化而使光干涉效果差而不穩(wěn)的問題，得到良好的干涉效果。上述的溫控電路的結(jié)構(gòu)是首先，通過穩(wěn)壓芯片L7812CV為模擬電路提供一 個(gè)穩(wěn)定的+12V電源電壓；由lppm/°C低噪聲的參考電壓芯片MAX6350輸出的5V基準(zhǔn) 電壓被一個(gè)電阻和一個(gè)滑動(dòng)變阻器分壓，分壓后的電壓值是用來設(shè)定Mach-Zehnder光 干涉儀具體被穩(wěn)定在哪一個(gè)溫度，并將該電壓值加到運(yùn)放LM311的正端；精密溫度傳 感器LM335的輸出經(jīng)過滑動(dòng)變阻器的校調(diào)之后，得到一個(gè)表示實(shí)際溫度的電壓值，該電 壓值經(jīng)過作為電壓跟隨器的低溫漂運(yùn)放MAX4239后加到運(yùn)放LM311的負(fù)端；如果運(yùn)放 LM311的負(fù)端電壓小于正端電壓，即實(shí)際溫度比設(shè)定的溫度低時(shí)，運(yùn)放輸出高電壓使三 極管9013導(dǎo)通，三極管9013又驅(qū)動(dòng)達(dá)林頓管 Ρ132導(dǎo)通，這樣就有電流流過電熱絲， 對(duì)Mach-Zehnder光干涉儀進(jìn)行加熱；反之如果運(yùn)放LM311的負(fù)端電壓大于正端電壓，即 實(shí)際溫度比設(shè)定的溫度高時(shí)，運(yùn)放便輸出低電壓，三極管9013和達(dá)林頓管TIP132都不會(huì) 導(dǎo)通，電熱絲停止加熱；為避免電熱絲加熱時(shí)，大電流對(duì)其他器件的干擾，電熱絲由獨(dú) 立的電源PVDD供電。這樣就可以使Mach-Zehnder光干涉儀不受環(huán)境溫度的影響，保 持溫度穩(wěn)定，精度可以達(dá)到o.rc。以下對(duì)本發(fā)明的原理作進(jìn)一步的說明Mach-Zehnder光干涉儀的結(jié)構(gòu)如附圖1所示。其中兩個(gè)干涉臂長度是不同的，
所以光信號(hào)經(jīng)過兩個(gè)干涉臂會(huì)產(chǎn)生不同的延時(shí)。兩路光信號(hào)的延時(shí)差tmz=n△l/c，其中△l
為干涉臂的長度差，η為材料的折射率，c為真空中的光速。輸入的光信號(hào)首先分成兩路，然后兩路光信號(hào)分別經(jīng)過不同的延時(shí)，最后在輸 出端疊加。所以Mach-Zehnder光干涉儀的沖擊響應(yīng)hmz(t)應(yīng)當(dāng)為hmz(t) = 1/2[S(t) + S(t-Tmz)](1)將hmz (t)進(jìn)行傅里葉變換后可以得到Mach-Zehnder光干涉儀的傳遞函數(shù) Hmz (f)hmz(f) = 1/2(l+e(-jωtmz))(2)而Mach-Zehnder光干涉儀的功率傳遞函數(shù)為|hmz(f)|2=1/2(1+cosωtmz)。(3)功率傳遞函數(shù)|Hmz(f)|2的圖形如附圖4所示，其中&是濾波器的中心頻率，F(xiàn)SR 是自由光譜范圍FSR = 1/tmz = c/n△l(4)從圖中可以看出，當(dāng)輸入光信號(hào)的頻率滿足f0= f0±k · FSR時(shí)，即延時(shí) 差Tmz是光信號(hào)半周期的偶數(shù)倍，則光信號(hào)的能量可以全部通過；而當(dāng)光信號(hào)的頻率+ 時(shí)，即Tmz是光信號(hào)半周期的奇數(shù)倍，那么輸出光信號(hào)的能量為零。
制作小FSR的Mach-Zehnder光干涉儀的難點(diǎn)在于FSR小，τ mz大，相應(yīng)的」L也大。
例如本發(fā)明所制作的Mach-Zehnder光干涉儀的FSR= IOGHz,那么按照公式⑷可以得 出τ· = 0.1ns，L=20. 5mm。這么大的兩支臂長度差在光纖受到外界的機(jī)械擾動(dòng)和環(huán)境溫 度變化時(shí)，會(huì)造成光波偏振態(tài)的變化和Tmz的波動(dòng)，引起兩路干涉效果變差。本發(fā)明采用兩個(gè)保偏光纖耦合器，利用保偏光纖耦合器的保偏尾纖來形成兩支 臂的長度差ZlL,并用保偏光纖熔接機(jī)來進(jìn)行熔接，確保了被熔接的兩段光纖的偏振方向在 熔點(diǎn)是重合的；并且為了確保輸入光波是線偏振光，在保偏光纖耦合器之前還加了一個(gè) 起偏器，這樣來使偏振態(tài)固定，避免了因偏振態(tài)變化而造成的對(duì)干涉效果的影響。另一方面，為了克服外界環(huán)境溫度的變化而引起的Mach-Zehnder光干涉儀τ· 的波動(dòng)，設(shè)計(jì)制作了高精度的溫控電路來穩(wěn)定光干涉儀的溫度，確保了在不同環(huán)境溫度 下的Mach-Zehnder光干涉儀的FSR保持不變。溫控電路的設(shè)計(jì)原理在于溫度傳感器 LM335將光干涉儀內(nèi)部的溫度轉(zhuǎn)化為一個(gè)電壓值VT，該電壓值經(jīng)過滑動(dòng)變阻器校調(diào)，得 Vt與實(shí)際溫度的關(guān)系為Vt=絕對(duì)溫標(biāo) *IOmV (5)即在25°C時(shí)為2.982V，Vt經(jīng)過作為電壓跟隨器的低溫漂運(yùn)放MAX4239后輸入 運(yùn)放LM311的負(fù)端；LM311的正端輸入一個(gè)由所需設(shè)定的溫度經(jīng)公式(5)轉(zhuǎn)化而來的電 壓值Vs。本發(fā)明選定的溫度為40°C，所以Vs = (40+273.2) *10mV = 3.132V。LM311 作為一個(gè)比較器，當(dāng)負(fù)端的電壓V^j、于正端的電壓Vs，即實(shí)際溫度比設(shè)定的溫度低時(shí)， 運(yùn)放輸出高電壓使NPN三極管導(dǎo)通，三極管又驅(qū)動(dòng)達(dá)林頓管TIP132導(dǎo)通，這樣就有電流 流過電熱絲，對(duì)Mach-Zehnder光干涉儀進(jìn)行加熱。反之，如果負(fù)端的電壓Vt大于正端 的電壓Vs，即實(shí)際溫度比設(shè)定的溫度高時(shí)，運(yùn)放便輸出低電壓，NPN三極管和達(dá)林頓管 都不會(huì)導(dǎo)通，電熱絲停止加熱。為避免電熱絲加熱時(shí)，大電流對(duì)其他器件的干擾，電熱 絲由獨(dú)立的電源供電。通過測量VtW變化，發(fā)現(xiàn)平衡后，Vt只有士 ImV的變化，即 Mach-Zehnder光干涉儀內(nèi)部溫度只有士0.1 °C的偏差，說明溫控精度達(dá)到了 0.1°C。實(shí)驗(yàn)證明，使用本發(fā)明制造的小FSR的Mach-Zehnder光干涉儀在FSR = IOGHz, τ mz = 0.1ns,兩支臂的長度差超過20mm的情況下，Mach-Zehnder光干涉儀的 消光比達(dá)到了 17dB，得到良好的干涉效果，并且不受環(huán)境溫度的干擾。本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有以下突出特點(diǎn)和顯著優(yōu)點(diǎn)(1)本發(fā)明采用的 制造原理與方法，可以制造小FSR的Mach-Zehnder光干涉儀。(2)經(jīng)過本發(fā)明的 Mach-Zehnder光干涉儀內(nèi)部兩支臂的光波的偏振態(tài)不變。(3)本發(fā)明的Mach-Zehnder光 干涉儀性能不受周圍環(huán)境溫度的影響。(4)本發(fā)明的Mach-Zehnder光干涉儀的響應(yīng)波長 可以通過改變溫度來調(diào)諧。


權(quán)利要求
1.一種保偏光纖耦合器構(gòu)造的短周期Mach-Zehnder光干涉儀構(gòu)造原理，包括一個(gè)激 光器(1)和一個(gè)起偏器(2)，其特征在于所述的激光器(1)與起偏器(2)相連，所述的 起偏器(2)和一個(gè)2*2的保偏光纖耦合器(3)的一個(gè)輸入端通過保偏的尾纖相連；而所述 的這個(gè)2*2保偏光纖耦合器(3)的兩個(gè)輸出端與另一個(gè)2*2保偏光纖耦合器(6)的兩個(gè)輸 入端通過保偏尾纖(4、5)相連；這兩段由保偏尾纖(4)和(5)構(gòu)成的傳導(dǎo)分支的長度是 不同的，它們的長度差ZlL就是Mach-Zehnder光干涉儀的兩支臂的長度差，光信號(hào)經(jīng)過兩 個(gè)干涉臂會(huì)產(chǎn)生不同的延時(shí)，最后在輸出端疊加。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的保偏光纖耦合器構(gòu)造的短周期Mach-Zehnder光干涉儀，其 特征在于所述激光器(1)、起偏器(2)、2*2保偏光纖耦合器(3、6)安裝在一個(gè)鋁盒 (9)內(nèi)固定，并在鋁盒(9)中緊貼上一個(gè)用于溫度控制和監(jiān)測的溫度傳感器(7)和一個(gè)熱 敏電阻(8)，并配以溫控電路；由于使用了保偏耦合器(3、6)和通過溫控電路的控制， 克服在短周期，兩支臂的長度差很大的情況下，由于光纖中偏振態(tài)和環(huán)境溫度的變化， 使光干涉效果差而不穩(wěn)的問題，得到良好的干涉效果。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的保偏光纖耦合器構(gòu)造的短周期Mach-Zehnder光干涉儀， 其特征在于所述溫控電路的結(jié)構(gòu)是模擬電路部分供電的電源(AVDD)通過一個(gè)穩(wěn) 壓芯片L7812CV(Ul)為模擬電路部分提供一個(gè)穩(wěn)定的+12V電源電壓；一個(gè)lppm/°C 低噪聲的參考電壓芯片MAX6350(U2)輸出的5V基準(zhǔn)電壓被一個(gè)電阻(R4)和一個(gè)滑動(dòng) 變阻器(RP2)分壓，分壓后的電壓值是用來設(shè)定所要控制Mach-Zehnder光干涉儀具體 穩(wěn)定在多少度，并將該電壓值輸入一個(gè)運(yùn)放LM311(U4)的正端；一個(gè)精密溫度傳感器 LM335(U5)的輸出經(jīng)過一個(gè)滑動(dòng)變阻器RPl的校調(diào)之后，得到一個(gè)表示實(shí)際溫度的電 壓值，該電壓值經(jīng)過一個(gè)作為電壓跟隨器的低溫漂運(yùn)放MAX4239(U3)后輸入一個(gè)運(yùn)放 LM31KU4)的負(fù)端；如果所述運(yùn)放LM311(U4)的負(fù)端電壓小于正端電壓，即實(shí)際溫度 比設(shè)定的溫度低時(shí)，運(yùn)放輸出高電壓使一個(gè)三極管9013(Q1)導(dǎo)通，該三極管9013(Q1) 又驅(qū)動(dòng)一個(gè)達(dá)林頓管TIP132(Q2)導(dǎo)通，這樣就有電流流過一個(gè)電熱絲(HEATER)對(duì) Mach-Zehnder光干涉儀進(jìn)行加熱；反之如果運(yùn)放LM311 (U4)的負(fù)端電壓大于正端電 壓，即實(shí)際溫度比設(shè)定的溫度高時(shí)，運(yùn)放便輸出低電壓，三極管9013 (Ql)和達(dá)林頓管 TIP132(Q2)都不會(huì)導(dǎo)通，電熱絲(HEATER)停止加熱；為避免電熱絲(HRATER)加熱 時(shí)，大電流對(duì)其他器件的干擾，電熱絲(HEATER)由獨(dú)立的電源(PVDD)供電。這樣 就可以使Mach-Zehnder光干涉儀不受環(huán)境溫度的影響，保持溫度穩(wěn)定，精度可以達(dá)到 0.1°C。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種保偏光纖耦合器構(gòu)造的短周期Mach-Zehnder光干涉儀。本光干涉儀由起偏器、2*2的保偏光纖耦合器構(gòu)成，并配以保證其穩(wěn)定性的溫控電路。本發(fā)明采用了兩個(gè)保偏光纖耦合器，利用保偏光纖耦合器的保偏尾纖來形成兩支臂差并且設(shè)計(jì)制作了高精度的溫控電路來穩(wěn)定光干涉儀的性能，確保不同環(huán)境溫度下Mach-Zehnder光干涉儀的FSR保持不變。在FSR＝10GHz，τmz＝0.1ns，兩支臂的長度差超過20mm的情況下，Mach-Zehnder光干涉儀的消光比達(dá)到了17dB，獲得了很好的效果。
文檔編號(hào)G02B6/26GK102012566SQ20101029108
公開日2011年4月13日 申請(qǐng)日期2010年9月21日 優(yōu)先權(quán)日2010年9月21日
發(fā)明者葉家駿, 宋英雄, 李迎春, 林如儉, 鄒是桓, 魏林 申請(qǐng)人:上海大學(xué)