用于消除白光干涉仪干涉信号二阶伪耦合点的方法

摘要

本发明涉及一种用于消除白光干涉仪干涉信号二阶伪耦合点的方法，针对采用白光干涉法对保偏光纤偏振耦合效应进行测量的实验装置而提出，所述的实验装置包括光源模块、检偏器和迈克尔逊干涉仪，在检偏器之前添加延时模块，的延时模块包括偏振分束棱镜、可调光延迟线和偏振合束棱镜三部分，偏振分束棱镜的入射端与保偏光纤熔在一起，快轴与快轴对准，慢轴与慢轴对准。偏振分束棱镜将保偏光纤中一束两个偏振方向的光在空间上分成两束线偏振光，使得原慢轴上传播的光经过可调光延迟线，通过设置可调光延迟线的延迟量，实现快轴传播模式和慢轴传播模式光程差的调节，将两种模式在时域上分开，从而避免二阶伪耦合点的产生。

说明书

技术领域

本发明涉及白光干涉信号伪耦合点的消除方法，属于光学测量和光纤传感技术领域。

背景技术

保偏光纤是一种特殊的单模光纤，可保证沿其主轴入射的线偏光的偏振态不发生变化。广泛应用于光纤陀螺、光纤水听器、应力温度传感、结构健康监测等领域。由于保偏光纤内部几何形状的不完全对称，或者外部扰动，会使本来属于各向同性物质表现出各向异性。这将使得沿保偏光纤某一主轴传播的线偏振光的部分能量耦合到与其正交的另一个主轴上，这种效应被称为偏振耦合效应。偏振耦合效应将降低仪器(如光纤陀螺)的测量精度，因此对保偏光纤中耦合点的位置和强度的测量尤为重要。

白光波谱范围广、连续、相干长度短，只有光程差很小时，才会发生干涉。当光程差为零时，白光光谱内各个谱线双光束完全重合，各种波长光重叠，形成对比度最大的中央零级条纹，即最佳干涉位置，通过干涉现象实现对参量高精度测量。白光干涉法可用于测量保偏光纤内部的偏振耦合情况。通过迈克尔逊干涉仪扫描臂对光程差做补偿，形成干涉信号。

当保偏光纤中有2个及以上的耦合点时，干涉信号中除了有本征耦合点(一阶耦合点)存在外，还将有伪耦合产生。伪耦合点会对本征耦合点的判别形成干扰，同时会对消光比等保偏光纤相关参数的测量造成影响，降低其测量精度。因此消除伪耦合点成为提高系统测量精度的关键。提高保偏光纤偏振耦合测量精度也有很多种方法，如公开号为102288388A的发明专利“提高保偏光纤偏振耦合测量精度和对称性的装置与方法”中提出由宽谱光源发出的低相干光经过光信号可控换向机构进入待测光纤后，传输光及其产生的耦合光一并进入到偏振耦合检测系统中；通过偏振耦合检测系统中获得的传输光和耦合光的白光干涉信号的扫描位置和信号幅度计算得到保偏光纤偏振耦合点的位置和幅度信息，以及待测光纤的长度”。此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。又如公开号为102680211A的发明专利“基于偏振分束干涉技术的保偏光纤偏振耦合强度测试方法”提供了一种基于偏振分束干涉技术的测试方法，能够有效消除光源功率波动对测量结果的影响，显著提高保偏光纤偏振耦合强度的测量准确度。

发明内容

针对采用白光干涉法对保偏光纤偏振耦合效应进行测量过程中，当有多个本征耦合点存在时，会有伪耦合点产生，从而影响测试系统性能，降低其测量精度，本发明提出的一种可以移除二阶伪耦合点，得到相对纯净的信号的方法，为后续的数据处理和相关参量的计算奠定基础。技术方案如下：

一种用于消除白光干涉仪干涉信号二阶伪耦合点的方法，针对采用白光干涉法对保偏光纤偏振耦合效应进行测量的实验装置而提出，所述的实验装置包括光源模块、检偏器和迈克尔逊干涉仪，光源发出的光，经过起偏器后变为线偏振光，线偏振光与保偏光纤的某一个主轴对准入射并沿其传播，保偏光纤输出的光经过检偏器后送入迈克尔逊干涉仪，其特征在于，在检偏器之前添加延时模块，

所述的延时模块包括偏振分束棱镜、可调光延迟线和偏振合束棱镜三部分，偏振分束棱镜的入射端与保偏光纤熔在一起，快轴与快轴对准，慢轴与慢轴对准。偏振分束棱镜将保偏光纤中一束两个偏振方向的光在空间上分成两束线偏振光，使得原慢轴上传播的光经过可调光延迟线，通过设置可调光延迟线的延迟量，实现快轴传播模式和慢轴传播模式光程差的调节，将两种模式在时域上分开，从而避免二阶伪耦合点的产生，然后通过偏振合束器将两束光汇聚到同一根光纤里。可调光延迟线延迟量的设定分如下两种情况：

(1)当保偏光纤上本征耦合点的位置已知时，设有N个本征耦合点，且本征耦合点之间的距离分别为L₁，L₂……L_N，Δn为待测保偏光纤的模式双折射，可调光延迟线的延时偏置量D的设定，分如下三种情形：

1)当L₁+L₂+L₃+…L_N-1>L_N时，D≥Δn|L_N-(L₁+L₂+L₃+…L_N-1)|；

2)当L₁+L₂+L₃+…L_N-1＝L_N时，延时偏置处于临界值，D＞0；

3)当L₁+L₂+L₃+…L_N-1<L_N时，不需要设置延时偏振，D＝0；

(2)当保偏光纤上本征耦合点的位置未知时，应先测出耦合点在保偏光纤上的位置，再按照(2)里的三种情形情形进行设定。

本发明提出了一种用于移除白光干涉仪干涉信号二阶伪耦合点的方法，通过在待测保偏光纤的出射端接入偏振分束棱镜可将一束沿保偏光纤快轴、慢轴两个偏振方向的光分成两束线偏振光，在偏振分束棱镜慢轴一路引入可调光延迟线，再通过偏振合束器将两束光汇聚到一根保偏光纤中，控制可调光延迟线的延时量，可实现快轴波列和慢轴波列光程差的调节。从而使快轴波列和慢轴波列在时域上分开。由此可将本征耦合点之间的二阶伪耦合点进行移除，效果显著，为耦合强度、消光比等有关参数的计算奠定基础。

附图说明

图1伪耦合点消除原理图

图2保偏光纤快轴、慢轴上的模式分布

图3本征耦合点在光纤上的分布图

图4不接入延时模块时固定臂和移动臂上的波列分布

图5引入延时量后，固定臂和移动臂上的波列分布

图6耦合点产生实验装置图

图7无延时模块时的干涉图样

图8无延时模块时的耦合强度计算图

图9接入延时模块时的干涉图样

图10接入延时模块时的局部干涉图样

图11接入延时模块时的耦合强度

图12接入延时模块时的局部耦合强度

具体实施方式

本发明采用的实验装置如图1所示。该装置由光源模块、待测保偏光纤、延时模块、检偏器、迈克尔逊干涉仪、光电探测器、数据采集卡、计算机8部分组成。

第一部分为光源模块，由光源和起偏器构成，光源发出的光，经过起偏器后变为线偏振光。

第二部分为待测保偏光纤。线偏光与保偏光纤的某一个主轴对准入射并沿其传播，传播过程中会有偏振耦合现象发生。由于模式双折射的存在，两个轴上传播的光，在保偏光纤的出射端产生一定的光程差，在一定的条件下快慢轴上的模式分布如图2所示。

第三部分为延时模块，是该装置的核心模块。延时模块由偏振分束棱镜、可调光延迟线、偏振合束棱镜三部分构成。偏振分束棱镜的入射端与保偏光纤熔在一起，快轴与快轴对准，慢轴与慢轴对准。偏振分束棱镜将保偏光纤中一束两个偏振方向的光在空间上分成两束线偏振光，使得原慢轴上传播的光经过可调光延迟线。通过设置可调光延迟线的延迟量，可实现快轴传播模式和慢轴传播模式光程差的调节，将两种模式在时域上分开，从而避免二阶伪耦合点的产生。然后通过偏振合束器将两束光汇聚到同一根光纤里。可调光延迟线延迟量的设定分如下两种情况：

(1)当保偏光纤上本征耦合点的位置已知时，如图3所示，有N(N≥2，且N为正整数)个本征耦合点，且耦合点之间的距离分别为L₁，L₂……L_N，Δn为待测保偏光纤的模式双折射，可调光延迟线的延时偏置量D的设定，分如下三种情形：

1)当L₁+L₂+L₃+…L_N-1>L_N时，D≥Δn|L_N-(L₁+L₂+L₃+…L_N-1)|；

2)当L₁+L₂+L₃+…L_N-1＝L_N时，延时偏置处于临界值，D＞0；

3)当L₁+L₂+L₃+…L_N-1<L_N时，不需要设置延时偏振，D＝0；

(2)当保偏光纤上本征耦合点的位置未知时，应先测出耦合点在保偏光纤上的位置，再按照上述3情形进行设定。

第四部分为检偏器，快轴上的光和慢轴上的光将投影到检偏器的透光轴上。

第五部分为迈克尔逊干涉仪，迈克尔逊干涉仪固定臂和移动臂上的模式耦合分布如图4所示。移动臂沿移动方向扫描时，将产生一系列耦合点，本征耦合点和伪耦合点交错在一起。调节可调光延迟线的延迟量，实现迈克尔逊干涉仪固定臂和移动臂上的模式耦合分布产生图5所示的L(L＞0)的光程差。控制移动臂进行扫描，产生干涉图样，由此可将本征耦合点之间的二阶伪耦合点移除，本征耦合点之间仅剩三阶和更高阶伪耦合点。一般情况下，三阶耦合点很小，甚至被实验系统的本底噪声淹没。

第六部分为光电探测器，光电探测器可将探测到的光信号转化为电信号。

第七部分为数据采集卡，对光电探测器输出的模拟电压信号进行数据采集，并上传至计算机。

第八部分为计算机，可进行数据处理。

下面结合实施例进一步说明。

SLD白光光源发出的光经起偏器后变为线偏光，该线偏光与保偏光纤慢轴对准，入射到保偏光纤中；在轴对不准处和扰动处，会有偏振耦合现象发生。在每一个耦合点，光能量不但从慢轴耦合到快轴，同样也从快轴耦合到慢轴。由于光纤模式双折射Δn_b的存在，快轴上的传播模式和慢轴上的传播模式在光纤出射端产生了一定的光程差；经过检偏器后，入射到麦克尔逊干涉仪。光电探测器将光信号转变为电信号，再由数据采集卡进行信号采集，输入到计算机进行信号处理。在图1中，光源模块由SLD光源(中心波长为1310nm)和起偏器组成。起偏器为光纤类型的起偏器。待测保偏光纤工作于1310nm，长度为12m。延迟模块由偏振分束棱镜、偏振合束棱镜和可调光延迟线构成，偏振分束棱镜的入射端与保偏光纤熔在一起，快轴与快轴对准，慢轴与慢轴对准，在慢轴上融入可调光延迟线。通过调节可调光延迟线的延迟量，可实现快轴传播模式和慢轴传播模式光程差的调节。检偏器的检偏角度设为60度。迈克尔逊干涉仪的扫描臂由步进电机驱动。光电探测器为Thorlabs的PDA10CS-EC型。数据采集卡采用NI>

实验产生3个本征耦合点，其实验装置如图6所示。分别由A点起偏器对轴不准，B点起偏器与法兰对轴不准，C点外部应力引起。其中L1＝1米,L2＝6.9m，L3＝5.1米。

当实验系统无延时模块时，其干涉图样如图7所示。耦合强度计算结果如图8所示。A1’、A2’和F1’为本征耦合点，A2’和F1’之间存在二阶伪耦合点G1’、G2’。

当实验系统接入延时模块，且延时量为39mm时，其干涉图样如图9所示。耦合强度计算结果如图11所示。局部干涉图样如图10所示，局部耦合强度计算如图12所示。对比图8和图12发现，当延时量为39mm时，A2’和F1’之间仅存在三阶伪耦合点G，二阶伪耦合已被消除。

实验表明，该方法有效的移除了本征耦合点之间的二阶伪耦合点。