CN104360445A - 一种基于光纤环谐振结构的高灵敏度干涉仪 - Google Patents

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张敬
刘中凡
李正华
郭丽娇
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    • G02B6/2808—Optical coupling means having data bus means, i.e. plural waveguides interconnected and providing an inherently bidirectional system by mixing and splitting signals forming multipart couplers without wavelength selective elements, e.g. "T" couplers, star couplers using a mixing element which evenly distributes an input signal over a number of outputs
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Abstract

本发明公开了一种基于光纤环谐振结构的高灵敏度干涉仪，它包括第一3dB耦合器、第二3dB耦合器、第一谐振腔环，第二谐振腔环，谐振臂和参考臂；第一3dB耦合器左端作为光输入端，右端上侧连接谐振臂，下侧连接参考臂；第二3dB耦合器左端上侧连接谐振臂，下侧连接参考臂，右端作为光输出端；谐振臂与第二谐振腔环相互耦合，第二谐振腔环与第一谐振腔环相互耦合；所述第一谐振腔环的长度等于第二谐振腔环的长度的二倍；所述谐振臂与所述参考臂相位差为π的整数倍。本发明与传统Mach-Zehnder干涉仪相比，本发明的灵敏度提高了207倍，基于光纤环谐振结构的灵敏度显著增加。

Description

一种基于光纤环谐振结构的高灵敏度干涉仪
技术领域
本发明涉及一种基于光纤环谐振结构的高灵敏度干涉仪。
背景技术
在现代很多领域，比如：高精度测量、地球物理环境观测、天体物理中的引力波探测、生物工程以及量子信息处理等领域，都对干涉仪测量的灵敏度和光谱分辨本领提出了很高的要求。另一方面，将光纤环谐振结构应用到干涉仪中的技术将大幅度地提升干涉仪的灵敏度。
有文献表明，利用镶嵌式光纤环谐振结构能够同时产生慢光(正常色散)和快光(反常色散)。理论和实验上证明：与传统Mach-Zehnder干涉仪的灵敏度相比较，镶嵌式光纤环谐振结构耦合Mach-Zehnder干涉仪的灵敏度可以提高80倍。镶嵌式光纤环谐振结构耦合Mach-Zehnder干涉仪灵敏度的提高主要取决于镶嵌式光纤环谐振结构自身产生的色散灵敏度，既光纤环的色散响应。此结构的色散灵敏度是由正常色散灵敏度和反常色散灵敏度的总和所决定的。
高灵敏度的干涉仪将在实际工程应用中发挥重要作用。因此，开展以光纤环谐振结构为基础的干涉仪研究具有重大的理论价值和潜在的应用价值。
发明内容
本发明的目的在于提出一种基于光纤环谐振结构的高灵敏度干涉仪，它是由两个光纤环谐振结构与Mach-Zehnder干涉仪耦合而成。两个光纤环谐振结构耦合Mach-Zehnder干涉仪灵敏度的提高主要取决于双环谐振结构自身产生的色散灵敏度，既光纤环的色散响应。此结构的色散灵敏度是由正常色散灵敏度决定的。通过进一步优化两个光纤环谐振结构的结构参数，增强双环谐振结构自身产生的色散灵敏度，从而可以实现基于双环谐振结构的高灵敏度干涉仪。
为了解决上述存在的技术问题实现发明目的，本发明是通过以下技术方案实现的：
一种基于光纤环谐振结构的高灵敏度干涉仪，它包括第一3dB耦合器1、第二3dB耦合器3、第一谐振腔环5，第二谐振腔环6，谐振臂4和参考臂2；第一3dB耦合器1左端作为光输入端，右端上侧连接谐振臂4，下侧连接参考臂2；第二3dB耦合器3左端上侧连接谐振臂4，下侧连接参考臂2，右端作为光输出端；谐振臂4与第二谐振腔环6相互耦合，第二谐振腔环6与第一谐振腔环5相互耦合；
所述第一谐振腔环5的长度等于第二谐振腔环6的长度的二倍；在所述第一谐振腔环5和第二谐振腔环6构成的环型谐振结构中，所述第二谐振腔环6和第一谐振腔环5之间的透射系数为0.85-0.88，所述谐振臂4和第二谐振腔环6之间的透射系数为0.34-0.36；所述谐振臂4与所述参考臂2相位差为π的整数倍。
通过这种特殊设计来满足在谐振区域输出光强度的条件。
本发明的结构是由两个光纤环谐振腔与Mach-Zehnder干涉仪相互耦合而成。光从输入端输入进入第一3dB耦合器1，经第一3dB耦合器1进行分光，一路光称为“谐振臂”4，另一路光称为“参考臂”2。光沿谐振臂4传输，在谐振臂4与第二谐振腔环6的耦合区域，一部分仍然沿着谐振臂4传输，另一部分光被耦合进入到第二谐振腔环6中逆时针传输。在第一谐振腔环5和第二谐振腔环6的耦合区域，光又被耦合进入到第一谐振腔环5中顺时针传输。再次传输到第一谐振腔环5和第二谐振腔环6的耦合区域时，光又被耦合到第二谐振腔环6中逆时针传输，在第二谐振腔环6和谐振臂4的耦合区域，光又被重新耦合回谐振臂4传输。经过谐振臂4和参考臂2的两路光在第二3dB耦合器3处汇合，二者发生干涉，最终通过第二3dB耦合器3的另一端作为光的输出端进行输出。
本发明主要是由双光纤环谐振结构耦合Mach-Zehnder干涉仪组成，当双环谐振结构耦合Mach-Zehnder干涉仪的谐振臂和参考臂的相位相差为π的整数倍时，干涉仪输出的光谱在谐振频率区域左右对称，而在非谐振区域无光谱输出，或输出光谱强度非常微小。在狭窄的谐振频率区域，输出光谱的光强度发生急剧变化，会由极小值突变到极大值，再回到极小值的变化过程。光强变化的急剧程度完全取决于双环谐振结构的色散灵敏度，而干涉仪灵敏度提高的倍数又与双环谐振结构的色散灵敏度成正比。通过优化双光纤环谐振结构的结构参数，比如两环长度比，双环之间的耦合和双环内部的传输损耗，来增强双环谐振结构自身产生的色散灵敏度，从而实现与传统的Mach-Zehnder干涉仪的灵敏度相比，可以明显提高基于双环谐振结构的干涉仪的灵敏度，使得基于光纤环谐振结构的高灵敏度干涉仪成为可能。
双光纤环谐振结构耦合Mach-Zehnder干涉仪，在谐振频率处具有较高的色散灵敏度、高选择性和高灵敏的光谱响应能力，又不易受外界环境干扰。可以通过双环谐振结构的色散灵敏度(色散响应)来反映出与传统Mach-Zehnder干涉仪的灵敏度相比，双环谐振结构耦合Mach-Zehnder干涉仪的灵敏度提高倍数η2。通过进一步在理论上优化双光纤环谐振结构的结构参数，在谐振频率处获得强烈的色散响应。再次通过实验验证得到光纤环谐振结构的色散灵敏度最大值为207，因此与传统Mach-Zehnder干涉仪相比，双环谐振结构耦合Mach-Zehnder干涉仪的灵敏度提高了207倍(η2＝207)，充分证明了基于光纤环谐振结构的干涉仪具有高灵敏度、高选择性和高稳定性的干涉特性，可以作为高性能的干涉仪应用于航空、航天、航海等实际工程领域中。
由于采用上述技术方案，本发明提供的一种基于光纤环谐振结构的高灵敏度干涉仪，与现有技术相比具有这样的有益效果：
一方面，虽然双环谐振结构本身具有很高的色散灵敏度，但是谐振结构易受外界环境(譬如温度、压力、折射率等因素)影响，使得输出光谱不稳定，对外界环境的要求高。另一方面，虽然Mach-Zehnder干涉仪的灵敏度不高，但是其对输入波长不敏感，结构稳定。因而，本发明不但仅在谐振频率处具有极高的灵敏度，增强了基于光纤环谐振结构的干涉仪的高选择性，而且具有很好的稳定性，谐振臂与参考臂相互干涉后可加强相干相消效应，能消除部分背景噪声。这样，既保证了结构具有较高的色散灵敏度、高选择性和高灵敏的光谱响应能力，又不易受外界环境干扰。对于双环谐振结构来说，只有在谐振频率处才会出现强烈的色散响应，对应于较大的色散灵敏度。因而可以通过测量双环谐振结构的色散灵敏度(色散响应)来反映出双环谐振结构耦合Mach-Zehnder干涉仪的灵敏度比传统Mach-Zehnder干涉仪的灵敏度提高倍数η2。实验中得到光纤环谐振结构的色散灵敏度最大值为207。因此，本发明与传统Mach-Zehnder干涉仪相比，本发明的灵敏度提高了207倍(η2＝207)，基于光纤环谐振结构的的灵敏度显著增加。因而，我们的研究不仅能够加深对干涉仪物理本质的认识，还能促使光学谐振结构应用在其他研究领域。其光纤环谐振结构的强色散特性使得高灵敏度、高选择性的新型干涉仪成为可能。
附图说明
图1是本发明的结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图与具体实施方式对本发明作进一步详细描述：
一种基于光纤环谐振结构的高灵敏度干涉仪，如图1所示，它包括第一3dB耦合器1、第二3dB耦合器3、第一谐振腔环5，第二谐振腔环6，谐振臂4和参考臂2；第一3dB耦合器1左端作为光输入端，右端上侧连接谐振臂4，下侧连接参考臂2；第二3dB耦合器3左端上侧连接谐振臂4，下侧连接参考臂2，右端作为光输出端；谐振臂4与第二谐振腔环6相互耦合，第二谐振腔环6与第一谐振腔环5相互耦合；
所述第一谐振腔环5的长度等于第二谐振腔环6的长度的二倍；在所述第一谐振腔环5和第二谐振腔环6构成的环型谐振结构中，所述谐振腔环6和谐振腔环5之间的透射系数为0.85-0.88，所述谐振臂4和谐振腔环6之间的透射系数为0.34-0.36；所述谐振臂4与所述参考臂2相位差为π的整数倍。

Claims (1)

1.一种基于光纤环谐振结构的高灵敏度干涉仪，其特征在于：它包括第一3dB耦合器(1)、第二3dB耦合器(3)、第一谐振腔环(5)，第二谐振腔环(6)，谐振臂(4)和参考臂(2)；第一3dB耦合器(1)左端作为光输入端，右端上侧连接谐振臂(4)，下侧连接参考臂(2)；第二3dB耦合器(3)左端上侧连接谐振臂(4)，下侧连接参考臂(2)，右端作为光输出端；谐振臂(4)与第二谐振腔环(6)相互耦合，第二谐振腔环(6)与第一谐振腔环(5)相互耦合；
所述第一谐振腔环(5)的长度等于第二谐振腔环(6)的长度的二倍；在所述第一谐振腔环(5)和第二谐振腔环(6)构成的环型谐振结构中，所述第二谐振腔环(6)和第一谐振腔环(5)之间的透射系数为0.85-0.88，所述谐振臂(4)和第二谐振腔环(6)之间的透射系数为0.34-0.36；所述谐振臂(4)与所述参考臂(2)相位差为π的整数倍。
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