一种减小双折射色散对保偏光纤偏振耦合测量影响的装置

摘要

本发明提供的是一种减小双折射色散对保偏光纤偏振耦合测量影响的装置。包括宽谱光源(1)、待测保偏光纤(3)、偏振耦合检测装置(4)、第一连接光纤(53)、第二连接光纤(54)，还包括三端口光环行器(2)、半反半透光束偏振旋光器(6)、旋光器(7)、第一旋转连接器(51)和第二旋转连接器(52)。半反半透偏振旋光器将宽谱光分成均匀两束，同时从正向和逆向通过待测光纤，利用同一偏振耦合检测装置，同时获得扫描位置对称地两幅偏振耦合测量数据。本发明对于光纤陀螺敏感环的参数测量与性能评价具有非常重要的实用价值，也可广泛应用于分布式保偏光纤传感系统中。

说明书

技术领域

本发明涉及的是一种光纤偏振耦合测量装置，具体涉及到一种减小双折射色散对保偏光 纤偏振耦合测量影响的装置。

背景技术

保偏光纤是一种特殊功能的光纤波导，是指当一个偏振模式被激励后，在该光纤内传输 的过程中能始终保持原偏振态不变的光纤。在干涉型光纤传感技术中，保偏光纤的使用可以 克服外界环境对光纤中传输光波偏振态的影响，抑制干涉测量产生的偏振衰落现象。特别是 在一些高精度的光纤传感器中，例如光纤陀螺，光纤水听器等等。

评价保偏光纤性能的参数主要有损耗、拍长、模式耦合系数、偏振串音等参数。然而这 些参数描述的都是一段长度的保偏光纤的整体性能，或者说是平均性能。对于这段光纤的某 一段或者上述指标和性能的分布参数，则无法给出评价。而光纤的偏振耦合现象为光纤分布 参数的测量提供了一种手段，并且上述参数都与偏振耦合相关。特别是在一些高精度的光纤 干涉传感与测量系统中，偏振耦合随外界环境(温度、振动等)的变化，导致光纤性能下降， 会常常表现为噪声、漂移、以及信号衰落等，是影响系统整体性能的最重要因素，如光纤陀 螺、分布式光纤水听器等。

对于保偏光纤偏振耦合的测量已经发展了多种检测原理和方案，其中法国Herve Lefevre 等人[Method for the detection of polarization couplings in a birefringent optical system and  application of this method to the assembling of the components of an optical system，US Patent  4893931]公开的基于白光干涉原理的光学相干域偏振计(OCDP)是一种最有前途的技术方案。 OCDP一般采用低相干、宽谱光源，如超辐射发光二极管(SLD)、自发超辐射光源(ASE) 等，经过起偏后注入待测保偏光纤中形成问询光信号，偏振方向与保偏光纤的慢轴或者快轴 对齐，保偏光纤中存在的耦合点会使问询光从光传输轴(如慢轴)耦合到另外一个特征轴(即 快轴)。耦合光的强度与耦合点的作用强度(保偏光纤存在缺陷或者经受外界应力)有关；由 于快慢轴之间存在折射率差异，问询光和耦合光从保偏光纤中出射时，所累计的光程差与耦 合点的位置一一对应。问询光和耦合光经过旋光器和检偏器后叠加，被送入非平衡的迈克耳 逊(Michelson)干涉仪中。干涉仪两臂的光程差在扫描臂的带动下，可以实现连续的光程扫 描。当问询光和耦合光之间的光程差被Micheslon干涉仪两臂光程差相互补偿时，则产生白 光干涉峰，此时扫描臂的光程扫描位置对应保偏光纤耦合点的空间位置，其干涉信号强度对 应耦合点的强度。此方法可以实现长度几公里保偏光纤、空间分辨率几厘米，耦合强度-80～ -90dB的偏振耦合。

保偏光纤中除快轴与慢轴的折射率不同，其色散特性也不同，由于光纤制造工艺等问题， 纤芯的圆度会引起快慢轴色散特性的变化。偏振模式耦合测量时采用宽带光源，在对长达几 公里的保偏光纤进行测试时，即使微小的色散作用其累积值也是不能忽略的。研究表明： (Tianhua Xu，Wencai Jing，Hongxia Zhang，et.al.Influence of birefringence dispersion on a  distributed stress sensor using birefringent optical fiber，Optical Fiber Technology，Volume 15，Issue 1，January 2009，Pages 83-89，以及Feng Tang，Xiang-zhao Wang，Yimo Zhang，Wencai Jing， Influence of birefringence dispersion on distributed measurement of polarization coupling in  birefringent fibers，Opt.Eng.，Vol.46，075006(2007))双折射色散对白光干涉信号具有包络展宽 和干涉峰值下降的双重影响，即降低了偏振模式耦合的空间分辨率，也降低了耦合强度探测 灵敏度。并且双折射色散的影响是动态的，他与耦合点距离光纤起点的距离有关，随着距离 的增加，耦合点测试空间分辨率和耦合强度探测灵敏度均下降。以长度1000米、双折射6× 10^-4的，色散系数0.01ps/(km nm)的保偏光纤为例，采用光源半谱宽度50nm的光源进行问 询，干涉条纹将展宽27.5倍幅值以上，幅值下降为原来的0.2，即从原来的相干从长度34μm 增加到0.94mm，使保偏光纤的偏振耦合的空间分辨率从5.6cm下降到严重降低了1.6米，严 重影响了测量精度。因此，减小和降低双折射色散的影响，对于以保偏光纤耦合检测的重要 应用如：光纤陀螺敏感环的参数检测、分布式保偏光纤传感应用而言具有极其重要的意义。

发明内容

本发明的目的在于提供一种能提高保偏光纤偏振耦合的测量精度，用于光纤陀螺环的参 数测试与性能评价和分布式保偏光纤传感系统中的减小双折射色散对保偏光纤偏振耦合测量 影响的装置。

包括宽谱光源1、待测保偏光纤3、偏振耦合检测装置4、第一连接光纤53、第二连接光 纤54，还包括三端口光环行器2、半反半透光束偏振旋光器6、旋光器7、第一旋转连接器 51和第二旋转连接器52；

由宽谱光源1发出的低相干偏振光通过三端口光环行器2和第一旋转连接器51，注入待 测保偏光纤3的某一偏振保持轴(快轴或者慢轴)，传输光及其在耦合点产生的微弱耦合光通 过第二旋转连接器52后，被半反半透偏振旋光器6分成透射光和反射光两束，透射光直接进 入偏振耦合检测装置4，反射光经旋光器6对调传输光的传播偏振轴后沿原路返回、再次经 过待测保偏光纤3后由三端口光环行器2的反射端c3输入到偏振耦合检测装置4中。

透射光和反射光分别携带待测光纤正向测量和反向测量的耦合点位置和幅度信息，由偏 振耦合检测装置4同时完成光程扫描，测量得到关于待测光纤中点对称测量数据，通过对测 量数据的处理和综合，达到抑制双折射色散影响的目的。

所述的半反半透偏振旋光器6由输入光纤60和输出光纤66、输入光纤准直器61和输出 光纤准直器65、45°旋光晶体62、磁环63、半反半透镜64组成。

所述的半反半透偏振旋光器6也可以由输入光纤60和输出光纤66、输入输出光纤准直 器61和输出光纤准直器65、22.5°放置的半波片67、半反半透镜64组成。

所述的旋光器7连接光环行器反射端口c3和偏振耦合检测装置4，用于将反向通过待测 光纤3的反射光束的传输偏振轴旋转45°，并送入偏振耦合检测装置4中。

所述的三端口环形器2、半反半透偏振旋光器6、旋光器7、偏振耦合检测装置4、第一 旋转连接器51、第二旋转连接器52、第一连接光纤53、第二连接光纤54的波长工作范围能 够覆盖宽谱光源1的发射光谱。

所述的第一旋转连接器51、第二旋转连接器52可以在0～360°范围内连续旋转，第一旋 转连接器51将由三端口环形器2发出的偏振光，经过旋转注入到待测保偏光纤的传输主轴中； 第二旋转连接器52将从待测保偏光纤3中的输出光束，注入到半反半透偏振旋光器6中。

所述的偏振耦合检测装置4是由分光器44、固定反射镜45和移动反射镜46组成一个 Michelson干涉仪，干涉仪的固定臂与移动臂之间的光程差可以从零其连续扫描到一个最大 值，此数值大于待测光纤3全长引起传输光和耦合光之间的最大光程差。

所述的偏振耦合检测装置4中第一光电探测器47、第二光电探测器48分别独立接收来 自于正向测量透射光和反向测量反射光的白光干涉信号。

所述的，宽谱光源1、旋转连接器51、52、连接光纤53、54、偏振耦合检测装置4的特 征是：均工作在单模、偏振保持状态。

本发明是对基于白光干涉原理的光学相干域偏振计(OCDP)的一种技术改进。ODCP 的工作原理如图1所示。由光源1发出的高稳定宽谱偏振光注入到一定长度的保偏光纤3的 慢轴(快轴时，原理相同)。信号光沿慢轴传输时，光纤中的某一点由于制作时几何结构存在 缺陷，预先施加应力的非理想作用，或者在外界温度和载荷的作用，当信号光传输到此点时， 慢轴中的一部分光能量就会耦合到快轴中。光纤存在线性双折射Δn(例如：5×10^-4)，使慢 轴的折射率大于快轴折射率，当光纤的另外一端输出时(传输距离为L)，则传输在慢轴的信 号光和传输在快轴的耦合光将引入一个光程差(ΔnL)。上述光束通过旋转连接头52，将光束 的偏振态旋转45°后，进入偏振耦合检测装置4中。在偏振耦合检测装置4中，分束器44、 固定反射镜45、移动反射镜46组成一个Michelson光学干涉仪。输入光束被透镜401准直后， 由分光器402分成两束，其中较小能量的一束到达CCD图像探测器403，另外较大能量的一 束经过起偏器43后又被分光器44均匀分成两束，一束经过固定反射镜45的反射平移后回到 分光器44成为测量光束1，另外一束同样经过移动反射镜46的反射平移后也回到分光器44， 成为测量光束2。两光束经过透镜404聚焦后，汇聚在探测器405上被其接收，将光信号转 换为电信号。测量计算机49的作用是控制移动反射镜46实现光程扫描，采集光电探测器405 的信号用于解算耦合点的位置和耦合功率幅度，同时采集CCD图像探测器的图像，用于判断 旋转连接头52的旋转角度是否正确。在计算机49的控制下Michelson干涉仪的移动反射镜 46使干涉仪两臂的光程差从零到L’(如图1所示)进行连续的光程扫描。当慢轴传输光和快 轴耦合光之间的光程差ΔnL被Micheslon干涉仪两臂光程差L’补偿时，则产生白光干涉峰， 此时扫描臂的光程扫描位置对应保偏光纤耦合点的空间位置，其干涉信号强度对应耦合点的 强度。

如果在理想情况下，偏振耦合点的位置检测分辨率L_x主要取决于光源的相干长度L_c，即：

                                           L_x＝L_c/Δn                    (1)

但是由于保偏光纤的快轴和慢轴的色散系数不同，双折射色散使白光干涉信号的包络展 宽了，同时使干涉峰值的幅度也有所下降，降低了偏振模式耦合的空间分辨率，也降低了耦 合强度探测灵敏度。展宽后的光源相干长度L′_c变为：

$\frac{L_c^{\prime }}{L_c}={[1+{(2\pi \frac{{\mathrm{\Delta \lambda }}^2}{{\lambda }^2}c·\mathrm{\Delta D}·l)}^2]}^{1/2}---\left(2\right)$

式中λ为光源的中心波长，Δλ为光源的半谱宽度，c为真空中的光速，ΔD为保偏光纤的快 轴和慢轴之间的色散系数，l为耦合点到光出射点的距离。

可见，色散对测量的影响是与光纤的长度有关的，保偏光纤的长度越长，则色散对光纤 起点的影响越大，对末端终点的影响越小，当光纤长度较长时这种影响几乎成正比。这也提 示我们：如果能够等效地降低光纤的长度，则色散的影响可以相应地减小。

本发明抑制色散影响的方法是基于对称性原理，即从正向、反向同时对保偏光纤的偏振 耦合各测量一次。如图2是一种可行的双向同时测量的光路方案，假设待测保偏光纤3为熊 猫光纤，长度为L，慢轴折射率为n_x，快轴折射率为n_y，慢轴和快轴之间的折射率差(线性 双折射)为Δn＝n_x-n_y＝5×10^-4，慢轴传输光用实线表示，快轴传输光由虚线表示。初始时，在 待测光纤3的起始端将偏振光注入到光纤慢轴中，在距离初始端x处偏振光发生耦合，一定 分量传输光耦合到快轴中，则在光纤3的末端，传输光303和耦合光304的光程分别对应为：

                                             n_xL                      (3a)

                                           n_xx+n_y(L-x)                (3b)

如果在光纤的末端将光束发射，并且将传输光的偏振轴对调，则传输光303和304在光 纤的起始段出射变为光束305和306，光束305在返回光纤始点的过程中，经过耦合点x同 样会发生耦合，一部分光信号回重新耦合到慢轴成为307，此处我们忽略掉在同一耦合点的 二次耦合效应。因此信号光305，耦合光306、307，对应的光程分别为：

                                     (n_x+n_y)L                         (4a)

                                     n_xx+n_y(L-x)+n_xL

                                                                      (4b)

                                     n_xL+n_y(L-x)+n_xx

由(4b)式可知，306和307的光程相同。

对于正向测量，由(3a)和(3b)可知，传输光和耦合光的光程差为：

                                   (n_x-n_y)(L-x)                       (5)

对于反向测量，由(4a)和(4b)可知，传输光和耦合光的光程差为：

                                   (n_x-n_y)x                           (6)

由(5)和(6)式可知，上述光路方案中，正向和反向同时测量时，得到的关于偏振耦 合点的位置信息是关于光纤中点对称的。为了实现上述光路方案，首先需要将来从光纤3出 射的信号光分成两束，其中一束再沿原路返回，其次是为了是必须让返回保偏光纤3的问询 光，与同向问询光分别传输在不同的保偏传输轴中。

由于正向测量时，光纤起点处耦合光与传输光经历的光纤比较长，因此色散对其影响最 大；但在反向问询时，由于传输光与耦合光经历的传输光纤接近与零，则色散对测量的影响 最小；只有光纤的中点位置的耦合在正向和反向测量时结果相同，没有改变。

与现有技术相比，本发明的优点在于：

1.同时实现正向和反向光纤偏振耦合点的测量，极大地抑制了对称中点之前这段光纤中色散 对测量的影响，测量的保偏光纤越长，对起点光纤的色散抑制作用越明显，该方法简单、 有效。

2.获得偏振耦合的对称特性。特别是对于高精度光纤陀螺敏感环(环长一般都在几公里)的 参数检测等测量应用，光纤偏振耦合点关于光纤中点的对称性对于敏感环性能具有极其重 要的影响。由于能够同时实现进行正反侧问询，并且保证严格的对称性，可以得到保偏光 纤的两幅关于中点对称的偏振耦合测量结果，在全部光纤测量长度上都可以精确地确定耦 合点的空间位置是否关于中点对称，消除了色散展宽对耦合点对称性的影响。

3.同时问询方法降低了系统的测试时间，不需要复杂的换向机构，结构简单。

本发明利用半反半透偏振旋光器将宽谱光分成均匀两束，同时从正向和逆向通过待测光 纤，利用同一偏振耦合检测装置，同时获得扫描位置对称地两幅偏振耦合测量数据。通过对 测量数据的处理和综合，其最终结果等效地将待测光纤降低为原长度的一半，极大地增强了 光纤耦合点位置和幅度的测量精度，抑制了双折射色散的影响；同时利用双向测量数据，可 以精确地判定耦合点关于中点的对称性。本发明结构简单、操作简便，稳定可靠。

附图说明

图1是基于白光干涉原理的光学相干域偏振耦合测量系统的原理示意图。

图2是信号光正反向问询时光程示意图。

图3是利用法拉第旋镜和部分反射镜组成的半反半透偏振旋光器结构示意图。

图4是双向同时问询保偏光纤偏振耦合测量原理示意图。

图5是利用半波片和部分反射镜组成的半反半透偏振旋光器结构示意图。

具体实施方式

下面举例对本发明做更详细的描述。发明的核心内容是能够半反半透偏振旋光器，使对 保偏光纤的偏振耦合的测量能够从正向、反向同时进行，并且要求装置结构简单，操作简便， 对称性好。

具体实施方式一：

如图3所示，半反半透偏振旋光器6可以利用磁场的旋光作用实现。半反半透偏振旋光 器6由输入和输出保偏光纤60、输入和输出保偏光纤准直器61、45°旋光晶体62、永磁环 63、半反半透镜64组成，工作波长均选择为1550nm。光束由光纤60输入，被准直器61变 成平行光，经过放置在磁场(由磁环63产生)中的旋光晶体62后，光束偏振态被旋转45°， 经过半反半透镜64输入光束被分成两束，透射光束由出射准直器65聚焦后，进入出射光纤 66；反射光束再次经过旋光晶体62，偏振态旋转90°，由入射准直器61聚焦后，沿入射光 纤60沿路返回。

如图4为双向同时问询保偏光纤偏振耦合测量的系统结构图。不失一般性，假设需要检 测光纤1550nm传输波长处的偏振耦合特性。宽谱光源选择高功率SLD，出纤功率大约5mW， 谱宽大于30nm；保偏环行器的工作波长为1550nm，单次通过的插入损耗小于1dB。由宽谱 光源1发出的1550nm的低相干偏振光通过三端口光环行器2和旋转连接器51，注入到待测 保偏光纤3的慢轴，传输光及其在耦合点产生的微弱耦合光通过旋转连接器52后，被半反半 透偏振旋光器6均匀地分成两束，透射光直接进入偏振耦合检测装置4；反射光经旋光器6 对调传输光的传播偏振轴后沿原路返回，再次经过待测保偏光纤3后由光环行器2的反射端 c3输入到偏振耦合检测装置4中。透射光和反射光分别携带待测光纤正向测量和反向测量的 耦合点位置和幅度信息，二者关于待测光纤中点具有严格的对称性。由偏振耦合检测系统4 同时完成光程扫描，测量得到关于待测光纤中点对称测量数据。通过对测量数据的处理和综 合，具体方法是以测量光纤长度L的中点L/2为临界点，将上述两幅测量结果分别分为前L/2 和后L/2两部分，将第二幅(后向)测量结果的后L/2数据，关于L/2中点对称翻转后，与第 一幅的前L/2测量结果合并，获得新的一幅待测光纤L的偏振耦合测量结果。

具体实施方式二：

如图5所示，半反半透偏振旋光器6还可以利用半波片的旋光作用实现。半反半透偏振 旋光器6由输入和输出保偏光纤60、输入和输出保偏光纤准直器61、半波片67、半反半透 镜64组成，工作波长均选择为1550nm。光束由光纤60输入，被准直器61变成平行光，经 过偏振主轴放置在22.5°的半波片67后，光束偏振态被旋转45°，经过半反半透镜64输入 光束被分成两束，透射光束由出射准直器65聚焦后，进入出射光纤66；反射光束再次半波 片67，偏振态旋转90°，由入射准直器61聚焦后，沿入射光纤60沿路返回。

采用如图5所示的利用半波片实现的半反半透偏振旋光器6替换图4中如图3所示的利 用磁光效应构成的半反半透偏振旋光器6，同样可以实现本发明专利的目的。