光纤干涉仪的理论分析与设计

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干涉现象是光学中的基本现象,而且干涉仪的存在也有着较长的历史。传统干涉仪的原型大多出现于19世纪末20世纪初。现在,虽然那些干涉仪在光谱学和基本量度学方面还有一些应用,但在更为广泛的物理量的测量中的应用却非常少,这主要是由于为保证传统干涉仪的工作,各个光学元件的相对位置要仔细校正,这样,就会出现一些不可避免的随机扰动而影响其性能。而光纤干涉仪(Optical Fiber Interferometer)的出现弥补了这一不足。与传统的干涉仪相比,光纤干涉仪因其结构简单、体积小、重量轻、耐腐蚀、灵敏度高、特别是抗电磁干扰能力强等众多优点在光纤通信和传感领域有着非常广泛的应用。常用的光纤干涉仪有以下几种结构形式:马赫-增德尔(Mach-Zehnder)干涉仪,迈克尔逊(Michelson)干涉仪,法布里-珀罗(Fabry-Pcrot)干涉仪、Sagnac干涉仪及光纤环形谐振腔(Fiber Ring Resonator)干涉仪等。本文基于光纤耦合器的耦合理论,分别对相干光及非相干光在马赫-曾德尔光纤干涉仪、单耦合器光纤谐振环(single-coupler Fiber Ring)和双耦合器光纤谐振环(Double-coupler Fiber Ring)中的传输特性进行了理论研究,并从理论和实验两方面研究了光纤中的受激布里渊散射慢光对光纤干涉仪的输出特性的影响。本论文的主要内容分为以下四个方面: 首先,介绍了光纤中的光脉冲的传输及光纤耦合器的耦合机理等光纤干涉仪的基本理论。这是论文后面部分进行分析讨论的基础。 其次,基于相干光耦合理论分别对光波在马赫-曾德尔光纤干涉仪、单耦合器光纤谐振环和双耦合器光纤谐振环中的传输特性进行了理论分析,讨论了耦合器的各个参量对它们的输出特性的影响。 再次,基于非相干光传输模型,对光强调制在光纤干涉仪中的传输过程进行较系统理论分析和计算机仿真,得到了射频及微波信号在光纤Mach-Zenhder干涉仪、单耦合器光纤谐振环和双耦合器光纤谐振环中的传递函数,并给出了相应器件取得零点、极点所需要的条件。这对微波光子滤波器的研究和设计有一定的参考价值。 最后,描述了光纤中的受激布里渊散射效应及其产生慢光的物理机理,回顾了近几年来光纤中受激布里渊散射慢光技术研究的进展状况。对其在光纤通信和传感方面的应用前景及目前研究中存在的问题进行了讨论,并研究了其对光纤干涉仪的自由光谱宽度的影响。最后对受激布里渊散射慢光对双耦合器光纤谐振环传输特性的影响进行了实验研究。 通过对相干光和非相干光在这几种光纤干涉仪中的传输情况的讨论,得到了干涉仪的各个参量对其输出特性的影响。这对光纤传感系统和光纤通信系统的优化设计提供了理论依据。
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