[發(fā)明專利]一種基于光纖環(huán)諧振結(jié)構(gòu)的高靈敏度干涉儀

在審

• 申請?zhí)枺?/td>: 201410572057.9
• 申請日: 2014-10-23
• 公開（公告）號: CN104360445A
• 公開（公告）日: 2015-02-18
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 張敬;劉中凡;李正華;郭麗嬌;馮志慶
• 申請（專利權(quán)）人: 大連民族學(xué)院
• 主分類號: G02B6/28
• 分類號: G02B6/28
• 代理公司: 大連一通專利代理事務(wù)所(普通合伙) 21233
• 代理人: 秦少林

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及一種基于光纖環(huán)諧振結(jié)構(gòu)的高靈敏度干涉儀。

背景技術(shù)

在現(xiàn)代很多領(lǐng)域，比如：高精度測量、地球物理環(huán)境觀測、天體物理中的引力波探測、生物工程以及量子信息處理等領(lǐng)域，都對干涉儀測量的靈敏度和光譜分辨本領(lǐng)提出了很高的要求。另一方面，將光纖環(huán)諧振結(jié)構(gòu)應(yīng)用到干涉儀中的技術(shù)將大幅度地提升干涉儀的靈敏度。

有文獻表明，利用鑲嵌式光纖環(huán)諧振結(jié)構(gòu)能夠同時產(chǎn)生慢光(正常色散)和快光(反常色散)。理論和實驗上證明：與傳統(tǒng)Mach-Zehnder干涉儀的靈敏度相比較，鑲嵌式光纖環(huán)諧振結(jié)構(gòu)耦合Mach-Zehnder干涉儀的靈敏度可以提高80倍。鑲嵌式光纖環(huán)諧振結(jié)構(gòu)耦合Mach-Zehnder干涉儀靈敏度的提高主要取決于鑲嵌式光纖環(huán)諧振結(jié)構(gòu)自身產(chǎn)生的色散靈敏度，既光纖環(huán)的色散響應(yīng)。此結(jié)構(gòu)的色散靈敏度是由正常色散靈敏度和反常色散靈敏度的總和所決定的。

高靈敏度的干涉儀將在實際工程應(yīng)用中發(fā)揮重要作用。因此，開展以光纖環(huán)諧振結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ)的干涉儀研究具有重大的理論價值和潛在的應(yīng)用價值。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的在于提出一種基于光纖環(huán)諧振結(jié)構(gòu)的高靈敏度干涉儀，它是由兩個光纖環(huán)諧振結(jié)構(gòu)與Mach-Zehnder干涉儀耦合而成。兩個光纖環(huán)諧振結(jié)構(gòu)耦合Mach-Zehnder干涉儀靈敏度的提高主要取決于雙環(huán)諧振結(jié)構(gòu)自身產(chǎn)生的色散靈敏度，既光纖環(huán)的色散響應(yīng)。此結(jié)構(gòu)的色散靈敏度是由正常色散靈敏度決定的。通過進一步優(yōu)化兩個光纖環(huán)諧振結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)參數(shù)，增強雙環(huán)諧振結(jié)構(gòu)自身產(chǎn)生的色散靈敏度，從而可以實現(xiàn)基于雙環(huán)諧振結(jié)構(gòu)的高靈敏度干涉儀。

為了解決上述存在的技術(shù)問題實現(xiàn)發(fā)明目的，本發(fā)明是通過以下技術(shù)方案實現(xiàn)的：

一種基于光纖環(huán)諧振結(jié)構(gòu)的高靈敏度干涉儀，它包括第一3dB耦合器1、第二3dB耦合器3、第一諧振腔環(huán)5，第二諧振腔環(huán)6，諧振臂4和參考臂2；第一3dB耦合器1左端作為光輸入端，右端上側(cè)連接諧振臂4，下側(cè)連接參考臂2；第二3dB耦合器3左端上側(cè)連接諧振臂4，下側(cè)連接參考臂2，右端作為光輸出端；諧振臂4與第二諧振腔環(huán)6相互耦合，第二諧振腔環(huán)6與第一諧振腔環(huán)5相互耦合；

所述第一諧振腔環(huán)5的長度等于第二諧振腔環(huán)6的長度的二倍；在所述第一諧振腔環(huán)5和第二諧振腔環(huán)6構(gòu)成的環(huán)型諧振結(jié)構(gòu)中，所述第二諧振腔環(huán)6和第一諧振腔環(huán)5之間的透射系數(shù)為0.85-0.88，所述諧振臂4和第二諧振腔環(huán)6之間的透射系數(shù)為0.34-0.36；所述諧振臂4與所述參考臂2相位差為π的整數(shù)倍。

通過這種特殊設(shè)計來滿足在諧振區(qū)域輸出光強度的條件。

本發(fā)明的結(jié)構(gòu)是由兩個光纖環(huán)諧振腔與Mach-Zehnder干涉儀相互耦合而成。光從輸入端輸入進入第一3dB耦合器1，經(jīng)第一3dB耦合器1進行分光，一路光稱為“諧振臂”4，另一路光稱為“參考臂”2。光沿諧振臂4傳輸，在諧振臂4與第二諧振腔環(huán)6的耦合區(qū)域，一部分仍然沿著諧振臂4傳輸，另一部分光被耦合進入到第二諧振腔環(huán)6中逆時針傳輸。在第一諧振腔環(huán)5和第二諧振腔環(huán)6的耦合區(qū)域，光又被耦合進入到第一諧振腔環(huán)5中順時針傳輸。再次傳輸?shù)降谝恢C振腔環(huán)5和第二諧振腔環(huán)6的耦合區(qū)域時，光又被耦合到第二諧振腔環(huán)6中逆時針傳輸，在第二諧振腔環(huán)6和諧振臂4的耦合區(qū)域，光又被重新耦合回諧振臂4傳輸。經(jīng)過諧振臂4和參考臂2的兩路光在第二3dB耦合器3處匯合，二者發(fā)生干涉，最終通過第二3dB耦合器3的另一端作為光的輸出端進行輸出。

本發(fā)明主要是由雙光纖環(huán)諧振結(jié)構(gòu)耦合Mach-Zehnder干涉儀組成，當(dāng)雙環(huán)諧振結(jié)構(gòu)耦合Mach-Zehnder干涉儀的諧振臂和參考臂的相位相差為π的整數(shù)倍時，干涉儀輸出的光譜在諧振頻率區(qū)域左右對稱，而在非諧振區(qū)域無光譜輸出，或輸出光譜強度非常微小。在狹窄的諧振頻率區(qū)域，輸出光譜的光強度發(fā)生急劇變化，會由極小值突變到極大值，再回到極小值的變化過程。光強變化的急劇程度完全取決于雙環(huán)諧振結(jié)構(gòu)的色散靈敏度，而干涉儀靈敏度提高的倍數(shù)又與雙環(huán)諧振結(jié)構(gòu)的色散靈敏度成正比。通過優(yōu)化雙光纖環(huán)諧振結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)參數(shù)，比如兩環(huán)長度比，雙環(huán)之間的耦合和雙環(huán)內(nèi)部的傳輸損耗，來增強雙環(huán)諧振結(jié)構(gòu)自身產(chǎn)生的色散靈敏度，從而實現(xiàn)與傳統(tǒng)的Mach-Zehnder干涉儀的靈敏度相比，可以明顯提高基于雙環(huán)諧振結(jié)構(gòu)的干涉儀的靈敏度，使得基于光纖環(huán)諧振結(jié)構(gòu)的高靈敏度干涉儀成為可能。