一种基于Sagnac干涉仪的保偏光纤拍长测试方法及测试装置

摘要

一种保偏光纤拍长测试方法及装置，根据一种由光纤耦合器和待测保偏光纤组成的混合光纤Sagnac干涉仪的透射谱的光谱调制特性，基于透射光谱的极值点特征，建立保偏光纤拍长测试的数值模型，对使用光谱测试装置获得的透射光谱的相邻极值点间的波长差进行测试，实现拍长的测试。对待测保偏光纤长度参数进行优化，建立获取光纤最佳测试长度的数学模型，在此长度下进行光纤的高精度拍长测试。本发明提供的保偏光纤拍长测试方法原理简单，在最佳测试长度下进行的拍长测试，精度可达到0.01mm。测试装置采用全光纤结构，成本低，适应性强，抗干扰能力强，对待测光纤的拍长没有限制，测试方法和装置适用于各种范围的保偏光纤的拍长测试，装置结构简单，操作方便。

说明书

技术领域

本发明涉及一种保偏光纤测试方法及测试装置，更特别地说，涉及一种基于Sagnac干涉仪的保偏光纤拍长测试方法及测试装置，属于保偏光纤测试及光纤传感领域。

背景技术

保偏光纤由于对线偏振光具有较强的偏振保持能力和对一般单模光纤极好的兼容性，在光纤传感技术和光纤通信领域得到了广泛的应用。保偏光纤的偏振保持能力是通过在光纤中产生一种强双折射而得到，双折射是保偏光纤的基本特征，是在保偏光纤研制、生产和应用过程中都需要精确测量和控制的特性。通常采用拍长L_B来描述保偏光纤的双折射性能，一般定义为：在光纤中，当两个相互正交的偏振模在传输过程中产生2π的相位差时，光在光纤中所传输的距离。在保偏光纤中，定义两个正交的应力轴为快轴(f)和慢轴(s)，设快轴和慢轴对应的折射率为n_f、n_s，则保偏光纤的拍长可以表示为：L_B＝λ/|n_f-n_s|＝λ/Δn，其中λ为传输光的波长，Δn为保偏光纤快、慢轴折射率差。

目前据相关文献资料报道，保偏光纤拍长参数的测试技术和方法主要有：

1、电磁法：它是利用电光效应或磁光效应对光纤的局部施加一个振荡的横向电场或纵向磁场作为扰动来测量保偏光纤双折射的方法。此种方法虽然是非接触性测量，但要求电极板的尺寸不能太小，影响了测量的下限和精度。

2、压力法：它是基于光弹效应，对输出光的偏振态进行测试根据其变化规律求出拍长。此种方法原理简单，精度高但被测光纤包层和外敷层的工艺好坏以及光纤放置是否无扭曲等均会给测试带来一定的影响。

3、瑞利散射法：它是将大功率激光器发出的光耦合进被测光纤，通过观察被测光纤上周期变化的亮、暗条纹的间距测出拍长。此种方法设备简单，方便易行，但只能测量可见光，空间分辨率低。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：克服以上现有技术的不足，提供一种新型的基于Sagnac干涉仪的保偏光纤拍长测试方法和装置，能够进行高精度、低成本，对待测保偏光纤的拍长没有限制地保偏光纤拍长测试。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：根据一种由光纤耦合器和待测保偏光纤组成的混合光纤Sagnac干涉仪的透射谱的光谱调制特性，基于其透射光谱的极值点特征，建立拍长参数测试的数学模型，对待测保偏光纤长度参数进行优化，获得待测保偏光纤最佳测试长度，建立待测光纤最佳测试长度的数学模型，在此长度下进行保偏光纤拍长的高精度测试。根据本发明测试方法进行保偏光纤的拍长测试，包括如下步骤：

(1)测量待测保偏光纤的长度L；

(2)获取由光纤耦合器和待测保偏光纤组成的混合光纤Sagnac干涉仪的透射谱中相邻两个极大值或两个极小值间的波长差Δλ；

(3)获取所选的透射谱中相邻两个极大值或两个极小值间的平均波长λ；

(4)将L，Δλ，λ值代入建立的保偏光纤拍长测试数学模型$L_B=\frac{\mathrm{\Delta \lambda }·L}{\bar{\lambda }}$中，得到粗测拍长值L_B0，其中L_B表示待测保偏光纤的拍长；

(5)利用待测保偏光纤最佳测试长度的数学模型$L_p=\sqrt{\bar{\lambda }·L_{B0}·e_L/e_{\lambda }},$获得待测保偏光纤最佳测试长度L_o，其中λ表示透射谱中所选相邻两个极大值或两个极小值间的平均波长，L_B0表示待测保偏光纤的粗测拍长值，e_L表示待测保偏光纤长度测量误差，e_λ表示光谱测试装置的波长测量误差；

(6)在步骤(5)中得到的待测保偏光纤最佳测试长度L_o下，重复上述步骤1、2、3、4、5，直至获得高精度测量的保偏光纤拍长值。

本发明中基于Sagnac干涉仪的保偏光纤拍长测试装置包括：光源(1)、光纤耦合器、待测保偏光纤(5)、光谱测试装置(8)、计算处理单元(15)和光纤长度测量装置(16)；光源(1)通过第一根光纤(2)与光纤耦合器(3)的第一输入端熔接，待测保偏光纤(5)的两端分别通过第二根光纤(4)和第三根光纤(6)与光纤耦合器(3)的第一输出端和第二输出端连接，光谱测试装置(8)通过第四根光纤(7)与光纤耦合器(3)的第二输入端连接；光源(1)发出的光经过光纤耦合器(3)后分为两路光，进入待测保偏光纤(5)的Sagnac环，沿顺时针和逆时针方向传输，在光纤耦合器(3)中发生干涉，干涉信号从光纤耦合器(3)的第二个输入端输出；光谱测量装置(8)测试后得到透射谱中的相邻两个极大值或两个极小值间的波长差Δλ和透射谱中相邻两个极大值或两个极小值间的平均波长λ，计算处理单元(15)根据光谱测量装置(8)测试后得到透射谱中的相邻两个极大值或两个极小值间的波长差Δλ和透射谱中相邻两个极大值或两个极小值间的平均波长λ及光纤长度测量装置(16)得到的待测保偏光纤的长度L，通过数字模型$L_B=\frac{\mathrm{\Delta \lambda }·L}{\bar{\lambda }}$和$L_o=\sqrt{\bar{\lambda }·L_{B0}·e_L/e_{\lambda }}$获得待测保偏光纤最佳测试长度L_o，在此L_o下重复上述过程，即实现保偏光纤拍长的高精度测试；其中L_B0表示待测保偏光纤的粗测拍长值，e_L表示待测保偏光纤长度测量误差，e_λ表示光谱测试装置的波长测量误差，L_B表示待测保偏光纤的拍长。

本发明的原理：由光纤耦合器和待测保偏光纤组成的混合光纤Sagnac干涉仪，光源发出的光经过混合光纤Sagnac干涉仪的传播后在光纤耦合器处发生干涉，基于其反射谱和透射谱的光谱调制特性，根据透射光谱的极值点特征，建立拍长参数测试数学模型：$L_B=\frac{\mathrm{\Delta \lambda }·L}{\bar{\lambda }}$(L_B表示待测保偏光纤的拍长，λ表示透射谱中所选相邻两个极大值或两个极小值间的平均波长，L表示待测保偏光纤的长度，Δλ表示透射谱中所选相邻两个极大值或两个极小值间波长差)。根据此数学模型只要准确测定透射光谱的相邻极值的波长间隔、透射谱相邻峰值间的平均波长和待测保偏光纤的长度，即可实现拍长的精确测量。建立确定待测保偏光纤最佳测试长度的数学模型：$L_o=\sqrt{\bar{\lambda }·L_{B0}·e_L/e_{\lambda }}$(L_o表示最佳测试长度，λ表示透射谱中所选相邻两个极大值或两个极小值的平均波长，L_B0表示待测光纤的粗侧拍长值，e_L表示待测光纤长度测量误差，e_λ表示光谱测试装置的波长测量误差)。在最佳长度下进行待测光纤的高精度拍长测试。

本发明与现有技术相比所具有的优点是：

(1)本发明一种基于的保偏光纤拍长测试方法基于光纤干涉仪的基本原理，由光纤耦合器和保偏光纤组成的混合光纤Sagnac干涉仪的反射谱和透射谱，针对其透射光谱的极值点特征，建立拍长参数测试数学模型和建立确定待测保偏光纤最佳测试长度的数学模型，在待测保偏光纤最佳测试长度L_o下实现了高精度保偏光纤拍长值的测量，且原理简单，可靠性高，精度高，可达到0.01nm。

(2)本发明的基于Sagnac干涉仪的保偏光纤拍长测试装置为全光纤Sagnac干涉仪，全光纤结构，易于实现，成本低，适应性强，抗干扰能力强，对待测保偏光纤的拍长没有限制。

附图说明

图1是本发明的保偏光纤拍长测试装置结构图；

图2是本发明中使用掺铒光纤光源测试得到的光源光谱及透射谱；

图3是本发明中在待测保偏光纤最优测试长度下测试得到的透射谱，

图中：1.光源，2.第一根光纤，3.光纤耦合器，4.第二根光纤，5.待测保偏光纤，6.第三根光纤，7.第四根光纤，8.光谱测试装置，9.掺铒光纤光源光谱，10.使用掺铒光纤光源测试得到的透射谱，11.第一个极值点，12.第二个极值点，13.第三个极值点，14.第四个极值点，15.计算处理单元 16.光纤长度测量装置。

具体实施方式

如图1所示，本发明的基于Sagnac干涉仪的保偏光纤拍长测试装置。光源1通过第一根光纤2与光纤耦合器3的第一输入端，即A端连接，待测保偏光纤5的两端分别通过第二根光纤4和第三根光纤6与光纤耦合器3的第一输入端，即C端和第二输出端，即D端连接，光谱测试装置8通过第四根光纤7与光纤耦合器3的第二输入端，即B端连接。使用光纤长度测量装置16测量得到待测保偏光纤的长度值，光谱测量装置8测试后得到透射谱中的相邻两个极大值或两个极小值间的波长差Δλ和透射谱中相邻两个极大值或两个极小值间的平均波长值都将被送入计算处理单元15中。

光源1发出的光经过光纤耦合器3后分为两路光，进入包含待测保偏光纤5的Sagnac环，沿顺、逆时针方向传输，在光纤耦合器3中发生干涉，干涉信号从光纤耦合器3的第二个输入端，即B端输出；

干涉后的光强为：

$I_T=K^2{\alpha }^2\left(\lambda \right)[1-\cos \left(\frac{2\mathrm{\pi \Delta nL}}{\lambda }\right)]---\left(1\right)$

式(1)中所示的干涉光谱的极大和极小值条件为$\frac{2\mathrm{\pi \Delta nL}}{{\lambda }_m^P}=2\mathrm{m\pi }$及$\frac{2\mathrm{\pi \Delta nL}}{{\lambda }_m^N}=(2m+1)\pi ,$式中m为整数。调制光谱相邻极值间波长差为：

$\mathrm{\Delta \lambda }=\frac{{\bar{\lambda }}^2}{\mathrm{\Delta nL}}---\left(2\right)$

式(2)中，λ为透射谱中相邻两个极大值或两个极小值间的平均波长值，L为保偏光纤长度，Δn表示保偏光纤快慢轴折射率之差。

保偏光纤拍长的定义公式为：

L_B＝λ/Δn    (3)

式(3)中Δn表示保偏光纤快慢轴折射率之差，λ为光波长。

根据式(2)(3)，建立拍长测试计算模型：

$L_B=\frac{\mathrm{\Delta \lambda }·L}{\bar{\lambda }}---\left(4\right)$

式(4)中，L_B表示被测保偏光纤的拍长，λ表示透射谱中所选的相邻两个极大值或极小值间的平均波长，L表示被测保偏光纤的长度，Δλ表示透射谱中所选的相邻两个极大值或极小值间的波长差。

光纤Sagnac干涉仪的输出光谱的相邻极值间隔与所用保偏光纤的折射率差均相关。在光谱测试装置8处获得光源发出的光经过Sagnac干涉仪后的透射谱。请参见图2为掺铒光纤光源光谱9及使用掺铒光纤光源发出的光经过测试装置在透射端得到的光谱10，其中11为使用掺铒光纤光源发出的光经过测试装置在透射端得到的光谱的一个极值点，12为与11相邻的透射谱的另一个极值点。Δλ具体的指第一个极值点11和第二个极值点12间的波长差。

对于确定的待测保偏光纤，拍长L_B为定值，在拍长计算模型(4)中，Δλ·L亦为定值，在此约束下，存在最佳的待测光纤长度，使测量结果精度最高。确定最佳待测光纤长度的数值模型为：

$L_o=\sqrt{\bar{\lambda }·L_{B0}·e_L/e_{\lambda }}---\left(5\right)$

式(4)中，L_o表示最佳测试长度，λ表示所选的透射谱中相邻两个极大值或两个极小值间的平均波长，L_B0表示待测光纤的粗侧拍长值，e_L表示待测光纤长度测量误差，e_λ表示光谱测试装置的波长测量误差。

在本发明中，光源1为宽谱光源，可采用掺铒光纤光源(SFS)，其中心波长为1545nm，输出功率大于10mW，带宽大于40nm；也可采用超辐射发光二极管(SLD)，其中心波长为1310，输出功率大于5mW，带宽大于60nm.

在本发明中，光纤耦合器3可采用单模光纤耦合器，其具有典型的4端口结构，具有50/50的分光比；光纤耦合器3也可采用保偏光纤耦合器。

在本发明中，光谱测试装置8可采用光谱分析仪，其分辨率最高可达到0.02nm；或固态光谱仪(BaySpec Spectral Engine Display Panel)，其分辨率可达到0.1nm；或可调谐F-P(Fabry-Perot)滤波器，其分辨率可达到0.017nm，自由光谱范围是106nm。

本发明中基于Sagnac干涉仪的保偏光纤拍长测试方法步骤如下：

1.精确测量被测保偏光纤的长度，请参见图1搭建测试装置，将待测保偏光纤与测试装置中的光纤耦合器的两根尾纤分别熔接，构成Sagnac光纤环。

2.打开光源，使用光谱测试装置在透射端接收透射谱。

3.精确获取透射谱中所选的相邻两个极大值或两个极小值间的波长差，精确获取透射谱中所选的相邻两个极大值或两个极小值间的平均波长值。利用保偏光纤拍长测试数学模型(4)，可获得粗测的拍长结果。

4.根据所得的粗测拍长结果，利用最佳待测光纤长度的数值模型(5)，获得待测光纤最佳测试长度。

5.在待测光纤最佳测试长度下，重复测试步骤1、2、3、4，得到精确的待测保偏光纤拍长值。

利用本发明的保偏光纤拍长测试方法及装置对多种拍长参数的保偏光纤的拍长进行测试，具体实施例如下：选取任意长度的一段熊猫型保偏光纤，在本实施例中使用最小刻度值为1mm的直尺作为光纤长度测量工具，精确测量其长度L＝141.00mm，参见图1，搭建测试装置，其中光源选用掺铒光纤光源(SFS)，光谱测试装置选用光谱分析仪，光纤耦合器选用单模光纤耦合器。SFS光源发出的光经过整个测试装置的传播后在光谱分析仪接收到透射谱，分析得到在中心波长附近的相邻两个极值点间的波长差Δλ＝21.91nm，λ＝1545nm，将测试得到的L，Δλ，λ值带入保偏光纤拍长测试数学模型(4)中，将初步确定保偏光纤的拍长为2.00mm，再根据最佳待测光纤长度计算模型(5)，其中L_B0＝2.0mm，λ＝1545nm，e_λ＝0.02nm，e_L＝0.5mm，计算得到待测保偏最佳的测试长度为L_B0＝277.92mm，取待测保偏光纤长度为277.92mm，重复上述测试过程，请参见图3光谱仪得到的透射谱，此时在拍长计算模型(4)中L＝277.92mm，透射谱相邻两个极值点间13和14间的波长差Δλ＝11.16nm，λ＝1545nm，最后精确测量得到的保偏光纤拍长值为L_B＝2.01mm。

总之，本发明基于Sagnac干涉仪的保偏光纤拍长测试技术及装置能够进行高精度、低成本地保偏光纤拍长测试。本发明提供的保偏光纤拍长测试方法原理简单，在最佳测试长度下进行保偏光纤的拍长测试，精度可以达到0.01mm。整个测试装置采用全光纤结构，成本低，适应性强，抗干扰能力强，对待测保偏光纤的拍长没有限制，测试方法和装置适用于各种范围的保偏光纤的拍长测试，同时装置结构简单，操作方便。