Bachelor's Thesis

Design and Implementation of a Mach-Zehnder Interferometer with Optical Fibers for Sensing Applications

Final Thesis 11.57 MB

Author of thesis: Dominik Hejda

Acad. year: 2025/2026

Supervisor: Ing. Petr Dejdar, Ph.D.

Reviewer: Ing. Ondřej Klíčník

Abstract:

This bachelor thesis deals with the design and realization of a fiber Mach-Zehnder interferometer for sensing applications and its use in a laboratory exercise. The theoretical part summarizes the basic principles of fiber optics, interference, optical phase, optical path length and coherence. The practical part describes the realization of two measurement setups. The first measurement verifies the acoustic-vibration sensitivity of the interferometer and compares its behavior in balanced and unbalanced arm configurations. The results show that the recorded interference signal changes due to external mechanical action on the optical fiber and that exceeding the coherence length reduces the stability of the interference signal. The second measurement evaluates the influence of heating the measuring arm on the interference signal. The temperature experiment showed phase drift and sensitivity to ambient acoustic and mechanical disturbances, which affected its suitability for a student laboratory exercise. Based on the results, a laboratory manual was prepared, focused mainly on acoustic detection, coherence length and measurement of optical path length using time delay.

Keywords:

acoustic-vibration measurement, coherence length, fiber interferometer, fiber optics, laboratory exercise, Mach-Zehnder interferometer, optical path length, optical sensors, phase shift, temperature dependence

Date of defence

16.06.2026

Result of the defence

Defended (thesis was successfully defended)

znamkaAznamka

Grading

A

Process of defence

Student prezentoval výsledky své práce a komise byla seznámena s posudky. Student obhájil bakalářskou práci a odpověděl na otázky členů komise a oponenta. Otázky: 1) Jaký vliv mají změny polarizace na interferometrická měření a jakým způsobem se to v praxi řeší? 2) Co se stane v případě interference dvou vln s odlišnou frekvencí? 3) Jaky vliv na parametry interferometru ma vlnova delka? 4) Jaké jsou limity funkčnosti interferometru? 5) Jaká je celková délka trasy? 6) K akusticko-vibračnímu měření, vybral jste dvě frekvence, bylo to za nějakým účelem? 7) Uvažujete o budoucím rozvoji práce z pohledu akustiky?

Language of thesis

Czech

Faculty

Department

Study programme

Telecommunication and Information Systems (BPC-TLI)

Composition of Committee

prof. Ing. Jaroslav Koton, Ph.D. (předseda)
prof. Mgr. Pavel Rajmic, Ph.D. (místopředseda)
Ing. Petr Dejdar, Ph.D. (člen)
Ing. Jan Karásek, Ph.D. (člen)
Ing. Ondřej Krajsa, Ph.D. (člen)
Ing. Ondřej Pavelka (člen)
Ing. Alžbeta Kostelanská (člen)

Supervisor’s report
Ing. Petr Dejdar, Ph.D.

Student se ve své bakalářské práci zabýval návrhem a realizací vláknového Machova–Zehnderova interferometru pro senzorické aplikace a jeho využitím v laboratorní úloze. V rámci práce navrhl a realizoval funkční experimentální sestavu interferometru a provedl měření zaměřená na akusticko vibrační citlivost i teplotní závislost interferenčního signálu. Dosažené výsledky byly vhodně zpracovány, interpretovány a vedly k návrhu laboratorní úlohy využitelné ve výuce.
Student pracoval samostatně, průběžně konzultoval navržené postupy a aktivně přistupoval k řešení dílčích problémů vzniklých při realizaci experimentu. Prokázal schopnost nejen porozumět teoretickým principům interferometrie a vláknové optiky, ale také je prakticky aplikovat při návrhu experimentálního uspořádání.
Práce je po obsahové i formální stránce na velmi dobré úrovni. V textu se místy objevují drobné typografické a jazykové nepřesnosti (překlepy, stylistické neobratnosti), které však nesnižují srozumitelnost práce ani její odbornou úroveň.
Student prokázal schopnost systematické práce, samostatného řešení technického problému i interpretace experimentálních dat. Práci doporučuji k obhajobě a hodnotím stupněm A / 95 bodů. Points proposed by supervisor: 95

Grade proposed by supervisor: A

Reviewer’s report
Ing. Ondřej Klíčník

Student Dominik Hejda se ve své bakalářské práci věnuje návrhu a realizaci Machova–Zehnderova interferometru s optickými vlákny pro senzorické aplikace. Cílem práce bylo seznámit se s principem vláknového interferometru, navrhnout a ověřit experimentální sestavu a na základě získaných výsledků připravit laboratorní úlohu demonstrující interferenční jevy ve vláknové optice.

Práce se v zásadě skládá ze tří hlavních částí. První část je věnována obecné teorii optických vláken, interferenčních jevů a různých typů vláknových interferometrů. Tato část je obecně zpracována v pořádku a poskytuje potřebný základ pro pochopení navazujících experimentů. Podle mého názoru by však mohla být místy podrobnější, zejména v oblasti samotného fyzikálního a matematického popisu interference. Vhodné by bylo například lépe vysvětlit, jak se výkon rozděluje a skládá při konstruktivní a destruktivní interferenci, kam se v případě destruktivní interference „ztrácí“ část výkonu, případně jaký vliv má vzájemná polarizace a frekvence interferujících polí. Současně je například viditelnost znázorněna na interferenčním obrazci na obrázku 2.1, který podle mého názoru jednak není zcela přesný a jednak úplně nekoresponduje s pojmem viditelnosti v kontextu vláknových interferometrů. U schématu Machova–Zehnderova interferometru na obrázku 3.5 pak chybí čtvrté rameno.

Z hlediska použité literatury je práce zpracována v pořádku. Student využívá relevantní zdroje, nicméně vzhledem k odbornému charakteru tématu by bylo vhodné doplnit o něco větší množství odborných článků, zejména z oblasti vláknových interferometrických senzorů a jejich praktických aplikací. Po formální stránce je práce na dobré úrovni. Zásadnější připomínku mám pouze k zápisu některých matematických vztahů, například ve vzorci 1.3, kde je pro násobení použito znaménko „ד. V českém odborném textu se tento způsob zápisu běžně nepoužívá a vhodnější by bylo použít tečku, případně implicitní násobení.

Druhá část práce je praktická a zabývá se experimentálním ověřením Machova–Zehnderova interferometru. Student testoval akusticko-vibrační citlivost sestavy a následně také vliv teploty na interferenční signál. Tuto část hodnotím pozitivně. Měření jsou popsána srozumitelně, použitá sestava je zdokumentována a výsledky ukazují funkčnost navrženého uspořádání. Oceňuji také to, že student porovnává různé provozní scénáře, zejména vyvážené a nevyvážené uspořádání ramen interferometru.

Třetí částí práce je návrh samotné laboratorní úlohy. Ta obsahuje všechny podstatné části, tedy teoretický úvod, pokyny k měření, zadání i část určenou k vypracování. Úloha je podle mého názoru použitelná ve výuce a vhodně demonstruje citlivost vláknového interferometru na vnější působení. Podobně jako v teoretické části by však bylo vhodné doplnit podrobnější vysvětlení některých fyzikálních souvislostí. Například by bylo přínosné uvést, co se děje v případě, kdy interferující signály nemají stejnou frekvenci nebo polarizaci, jak se tyto situace projeví na výsledném signálu a jak se s nimi v praktickém měření vypořádat. Rovněž by bylo vhodné doplnit alespoň základní matematický popis skládání polí a výsledné intenzity. Za slabší stránku považuji také to, že práce neobsahuje vyplněné odpovědníky nebo vzorově zpracované výsledky laboratorní úlohy. Ty by usnadnily kontrolu správnosti měření a umožnily lepší replikovatelnost úlohy při jejím budoucím nasazení ve výuce.

Celkově však práci považuji za zdařilou. Student splnil zadání, navrhl a ověřil funkční vláknový Machův–Zehnderův interferometr a připravil laboratorní úlohu, která může být po drobných úpravách využita ve výuce. Uvedené připomínky se týkají převážně míry detailu teoretického výkladu, přesnosti některých schémat a doplnění podkladů pro snadnější kontrolu laboratorní úlohy.

Práci doporučuji k obhajobě a navrhuji hodnocení A, 90 bodů. Topics for thesis defence:
  1. Jaký vliv mají změny polarizace na interferometrická měření a jakým způsobem se to v praxi řeší?
  2. Co se stane v případě interference dvou vln s odlišnou frekvencí?
Points proposed by reviewer: 90

Grade proposed by reviewer: A

Responsibility: Mgr. et Mgr. Hana Odstrčilová