温度和振动对光纤马赫-曾德干涉仪的影响与动态补偿研究

环境温度变化和振动会引起光纤马赫-曾德干涉仪两臂相差随机性变化,致使干涉仪输出不稳定.本文研究了自然条件下外界温度和振动对基于3×3耦合器干涉仪的影响,分析结果表明,温度和振动所引起的干扰主要集中于100 Hz以下的低频成分中.为了消除这些干扰,设计了单臂补偿的反馈回路以稳定输出信号,并提出了一种利用象限判决方法来区分反馈正负性的动态补偿方法.实验中利用3×3耦合器3个输出端中其中2个进行光电变换、差分放大等反馈电路后驱动管状压电陶瓷,使缠绕在其上的光纤伸缩,动态补偿干涉仪相差的漂移,稳定干涉仪输出即3×3耦合器第三输出端口的信号.针对自然环境下温度和振动引起的干扰,本文研制了一种稳定的动态补偿装置,能有效抑制160 Hz以下的低频干扰,实时补偿干涉仪两臂的相差漂移,干涉仪输出稳定的干涉信号,波动幅度小于5.64%.     

基于光纤3×3耦合器干涉仪及相位跟踪的振动测量系统

研究了基于光纤3×3耦合器迈克尔逊干涉仪及反馈跟踪相位变化的振动测量系统。该测量系统包含两个反馈控制环节:一个反馈控制环节用于补偿由于环境干扰引起的相位随机漂移;另一个反馈控制环节用于跟踪由于振动引起的相位变化,从而实现对振动幅值及振动方向的测量。该系统可对频率为1.5~200Hz的振动进行测量,测量分辨率可达到10nm。     

用3×3耦合器的干涉仪直接解调光纤光栅传感器的信号

为了简单直接地解调出光纤光栅的波长移动 ,提出了另外一种非平衡马赫曾德尔干涉仪的直接解调技术。用一只 2× 2耦合器和一只 3× 3耦合器组成非平衡的马赫曾德尔光纤干涉仪 ,作为光纤光栅的波长移动解调器。解调器输出的 3路信号 ,互成 12 0°相位差。通过对 3路输出信号计算的方法 ,就可以直接解调出光纤光栅的波长移动。将 3路信号采集送入计算机 ,用软件实现了信号的解调。测量结果表明 ,在干涉仪两臂长度相关 5mm时 ,测量动态应变的分辨率达到了 0 5 1nε/Hz1/2 。还得到了输出信号的频谱和输入输出信号的关系。     

基于3×3耦合器的迈克耳孙干涉仪相位特性分析

研究了基于3×3耦合器的非平衡迈克耳孙干涉仪的相位特性.由光纤耦合器的散射矩阵理论,推导出了当3×3耦合器分光比不均匀时,干涉仪三路输出信号相位差的表达式.根据实际使用的3×3耦合器各通道的插入损耗,经计算与修正得到其散射矩阵,并求出干涉仪三路输出信号的相位差分别为120.21°、120.77°和119.02°,与理想值120°的偏差在1°以内.实验测得的干涉仪三路输出信号的相位差随时间随机变化,经分析是由光偏振态随机变化引起的.相位差与理想值120°的偏离均在1°以内,符合理论分析得到的结论.     

全光纤Mach-Zehnder干涉仪相位补偿的研究

阐述了一种由2×2耦合器和3×3耦合器构成的光纤Mach-Zehnder干涉仪(MZI),推导了干涉仪三个输出端光功率的表达式.由于光纤本身的特性,光纤构成的MZI容易受到外界环境的影响,针对这一问题,采用了一种平衡检测相位补偿方法.该方法是通过两个PIN分别对3×3耦合器两路光信号进行接收,并对两路光信号进行差动放大.实验表明该方法可以很好地消除外界环境对MZI干涉效果的影响.     

3×3光纤耦合器解调方法

介绍了3×3光纤耦合器输出解调方法的原理,推导出了3×3光纤耦合器输出解调信号的数学表达式,给出了3×3光纤耦合器输出解调算法的解调频率范围,分析了外界干扰信号、耦合器的不对称性、以及信号中存在高次谐波对解调结果的影响。分析结果表明:该方法有比较宽的频率解调范围,能够克服温度变化等外界因素的干扰,能够消除3×3耦合器3个输出端存的偏差对解调结果的影响以及在信号中存在高次谐波的影响。该方法具有性能稳定、不需要载波、不需要稳定的工作点以及抗干扰能力强等优点,具有较强的实用性和可行性,对解调电路的数字化设计具有理论指导意义。     

采用3×3耦合器的分布反馈式光纤激光传感器解调技术

为了实现分布反馈式光纤激光传感器(DFB FL)大动态范围、稳定解调,建立了基于3×3耦合器的迈克尔逊干涉仪解调系统。对该系统所采用的对称解调算法(NPS)和反正切解调算法进行了深入研究。首先,介绍了基于3×3耦合器解调算法的原理及耦合器不对称时的调校方法。接着,对干涉仪所需最小非平衡路径长度的选取与系统强度噪声、激光器频率噪声的关系进行了分析。最后,针对NPS算法与反正切算法最大可解调信号幅度进行了分析对比,并研究了微分器对对称解调方法解调范围的影响。实验结果表明:NPS算法动态范围高于反正切算法,微分器的幅频特性不理想会减小解调动态范围。在采样频率为125 k Hz、信号频率为1 k Hz、干涉仪非平衡路径为100 m时,NPS算法与反正切算法的动态范围分别达到96 d B和90 d B。用解调前调校的方法,基于3×3耦合的解调方法动态范围大,能够实现稳定解调,满足工程应用要求。     

一种确定光纤传感器中3×3耦合器输出信号相位差的新算法

本文提出了一种基于Bessel函数展开,在频域内精确确定光纤传感器3×3耦合器输出信号相位差的算法。在Mach-Zehnder干涉仪原理的基础上,通过建立3~3耦合器输出信号的数学模型和利用耦合器输出光功率的Bessel展开,完成了算法的理论推导,并且在实验室中进行了声学实验。数据处理结果表明,该算法能够较精确地确定3×3耦合器输出信号的相位差,且相位差与调制频率无关,与理论相符。     

基于3×3耦合器干涉仪的正负反馈判断及高频振动探测研究

研究了基于3×3耦合器的光纤马赫-曾德尔干涉仪的三路输出干涉信号的特点,针对相位衰落问题,提出了一种根据所得的正交信号来判断反馈正负性的方案。实验通过LabVIEW软件来实现正交信号的获得及反馈输出信号的处理。测量和分析得到了直接输出反馈信号时会出现干涉信号短暂偏离稳定点的情况,整个过程的时间约为35 ms,而采用所提反馈正负判断方案后,相位稳定所需时间约为18 ms。通过一个光纤准直聚焦系统把光入射到被测物体表面并接收反射光,探测到了与输入信号频率一致的1.5 MHz的高频振动信号。验证了正负反馈判断方案及设计干涉系统的可行性和有效性。     

克服光纤Mach-Zehnder干涉仪信号衰落的新方法及分析

为了克服光纤Mach-Zehnder干涉仪易受环境因素影响而引起偏置相位漂移从而导致输出信号衰落(波动)的问题,提出一种新的简单方法,即:将干涉仪输出信号分为直流和交流两个分量,通过直流分量的大小来计算交流信号的补偿因子,以达到克服交流信号衰落、稳定检测传感信号的目的在小信号测量情况下,该方法在很大范围内能有效抑制随机温度涨落等因素引起的信号衰落的问题文中对补偿方法的误差和局限性也做了分析和讨论.     

Stable single-photon interference in a 1 km fiber-optic Mach-Zehnder interferometer with continuous phase adjustment

We experimentally demonstrate stable and user-adjustable single-photon interference in a 1 km long fiber-optic Mach-Zehnder interferometer, using an active phase control system with the feedback provided by a classical laser. We are able to continuously tune the single-photon phase difference between the interferometer arms using a phase modulator, which is synchronized with the gate window of the single-photon detectors. The phase control system employs a piezoelectric fiber stretcher to stabilize the phase drift in the interferometer. A single-photon net visibility of 0.97 is obtained, yielding future possibilities for experimental realizations of quantum repeaters in optical fibers and violation of Bell's inequalities using genuine energy-time entanglement.     

相位调制量子密钥分配系统中低频振动相移的实时跟踪补偿

环境变化引起的相位漂移是双Mach-Zehnder量子密钥分配系统中误码和不稳定性的主要来源.相位漂移由高频振动和低频振动两部分组成，大部分这类振动的影响采用隔振措施(如用泡沫、橡皮包垫隔音)可以消除，而周期为3±0.32 min的低频振动依然存在.报道了对这种低频固有振动引起的相移进行实时跟踪和补偿的方法.实验表明，采用这种方法实验室内实现75 km量子密钥分配和量子保密通信，在24 h内能长期稳定运行，误码率低于6%. 关键词： 量子保密通信 量子密钥分配 低频振动 实时相位补偿     

Passively stabilized single-photon interferometer

A single-photon interferometer is a fundamental element in quantum information science. In most previously reported works, single-photon interferometers use an active feedback locking system to stabilize the relative phase between two arms of the interferometer. Here, we use a pair of beam displacers to construct a passively stable single-photon interferometer. The relative phase stabilization between the two arms is achieved by stabilizing the temperature of the beam displacers. A purely polarized single-photon-level pulse is directed into the interferometer input port. By analyzing and measuring the polarization states of the single-photon pulse at the output port, the achieved polarization fidelity of the interferometer is about 99.1 ±0.1%. Our passively stabilized single-photon interferometer provides a key element for generating high-fidelity entanglement between a photon and atomic memory.     

A Novel Method to Calculate the Initial Phase Difference between the Two Fibre Arms of Laser Homodyne Iuterferometer

We suggest a novel method to calculate the initial phase difference between two fibre arms of a laser homodyne interferometer. Put the two fibre arms in a temperature controller, whose short term stability is 0.02° C （measured in an hour）, then measure the interference photocurrent and the photocurrents from the two fibre arms at a fixed temperature. With these three photocurrents we can calculate the value of the initial phase difference. We set up a simple laser homodyne interferometer to test the theory. The experimental results are repeatable and the measurement precision is about 0.04°. It is theoretically and experimentally proven that this method is potentially easy and practical.     

Frequency quadrupling using an integrated Mach–Zehnder modulator with four arms

In this paper, a novel technique to realize frequency quadrupling in the radio over fiber system is proposed. The frequency quadrupling is achieved by using an integrated Mach–Zehnder modulator (MZM) consisting of a 1 × 4 multimode interference (MMI) coupler and four optical phase modulator arms. Due to the inherent optical splitting ratio and phase relations between the outputs of the MMI coupler, the optical harmonics at + 1 order and ? 3 order are generated corresponding to four times frequency of the microwave drive signal, only by setting the DC bias voltage of the main MZM at the minimum transmission point. That leads to the integrated MZM with reduced complexity compared with the conventional dual-parallel MZM. The effect of the nonideal integrated MZM, including the splitting imbalance and the bias drift, on all the sidebands is also analyzed theoretically. The following simulation results show that the slight deviation of the ideal values would not cause great degradation of the generated optical millimeter-wave signal.