一種基于偏振控制的單模光纖線性雙折射測量裝置及方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種基于偏振控制的單模光纖線性雙折射測量裝置及方法，屬于單模 光纖偏振測量技術(shù)領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002] -束線偏振光波在單模光纖中傳播時會分解成兩個相互垂直的偏振模式，在理想 情況下，這兩個正交的偏振模式具有相同的傳播常數(shù)，換言之，這兩個正交的偏振模式能夠 簡并；然而，在實際單模光纖中，這兩個正交的偏振模式一般不具有相同的傳播常數(shù)，它們 的合成偏振將沿著單模光纖長度方向不斷變化，形成單模光纖的線性雙折射。
[0003] 單模光纖的線性雙折射可分為固有線性雙折射和誘導(dǎo)線性雙折射，其中；固有線 性雙折射來自于單模光纖制備過程中纖芯由圓變成橢圓產(chǎn)生的波導(dǎo)形狀雙折射以及單模 光纖內(nèi)部應(yīng)力引起的應(yīng)力雙折射；誘導(dǎo)線性雙折射通常由單模光纖受彎曲或者非對稱的橫 向壓力等因素導(dǎo)致。
[0004] 單模光纖的線性雙折射常見于各種精密光學(xué)傳感系統(tǒng)，比如光纖電流互感器的核 心部分是基于低雙折射單模光纖的敏感環(huán)路，因外界溫度波動或振動等因素導(dǎo)致的線性雙 折射不僅會湮沒有用信號，降低測量靈敏度，而且會破壞系統(tǒng)的線性性質(zhì)，降低測量精度。
[0005] 目前，單模光纖的線性雙折射可以通過引入圓雙折射進(jìn)行抑制，圓雙折射能夠采 用多種有效的引入方法，包括采用結(jié)構(gòu)螺旋光纖、扭轉(zhuǎn)低雙折射光纖或者扭轉(zhuǎn)高雙折射光 纖等，然而，引入的圓雙折射還不能夠準(zhǔn)確量化，這就直接弱化了對線性雙折射的抑制效 果；由于精密光學(xué)傳感系統(tǒng)測量精度、圓雙折射和線性雙折射這三者的數(shù)學(xué)關(guān)系往往能夠 被建立，并且系統(tǒng)測量精度要求通常是事先確定，所以準(zhǔn)確量化圓雙折射的基礎(chǔ)是實現(xiàn)線 性雙折射的準(zhǔn)確測量。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006] 針對上述現(xiàn)有技術(shù)存在的問題，本發(fā)明提供一種基于偏振控制的單模光纖線性雙 折射測量裝置及方法，能夠?qū)崿F(xiàn)單模光纖線性雙折射的準(zhǔn)確測量。
[0007] 為了實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案是：一種基于偏振控制的單模光纖線 性雙折射測量裝置，它包括：
[0008] 寬帶光源、偏振控制器、高速偏振態(tài)分析儀、待測單模光纖、偏振分束器、光譜分析 儀以及工控機；
[0009] 所述寬帶光源的輸出接口與偏振控制器的輸入尾纖連接，偏振控制器的輸出尾纖 與高速偏振態(tài)分析儀的輸入接口連接，高速偏振態(tài)分析儀的輸出接口與待測單模光纖連 接；
[0010] 所述待測單模光纖同時作為偏振分束器的輸入尾纖，偏振分束器的輸出尾纖I和 偏振分束器的輸出尾纖II分別與光譜分析儀連接，光譜分析儀通過RS232數(shù)據(jù)線與工控機 連接。
[0011] 所述的寬帶光源的輸出光波的波長范圍為1550±20nm，3dB譜寬彡50nm〇
[0012] 所述的偏振控制器為三環(huán)型機械式偏振控制器。
[0013] 所述的高速偏振態(tài)分析儀最大采樣速率為625KS/S，能夠?qū)崟r監(jiān)測輸入光波的偏 振態(tài)變化。
[0014] 所述的待測單模光纖為長度4. Om的低雙折射單模光纖。
[0015] 所述的偏振分束器的消光比彡30dB。
[0016] 所述的光譜分析儀的波長測試范圍為600nm至1700nm，功率測試量程為+20dBm 至-90dBm，波長測試分辨率為0· 02nm，波長測試精度為±0.0 lnm0
[0017] 本發(fā)明還包括一種基于偏振控制的單模光纖線性雙折射測量方法，
[0018] 寬帶光源的輸出光波被偏振控制器調(diào)制，調(diào)制光波輸入高速偏振態(tài)分析儀，高速 偏振態(tài)分析儀實時監(jiān)測調(diào)制光波的偏振態(tài)，當(dāng)高速偏振態(tài)分析儀監(jiān)測到的調(diào)制光波為所需 的偏振光波時，停止偏振控制器的調(diào)制；
[0019] 從高速偏振態(tài)分析儀輸出的偏振光波進(jìn)入待測單模光纖，由于待測單模光纖存在 線性雙折射，輸入的偏振光波經(jīng)過待測單模光纖后將演化成橢圓偏振光波輸出；
[0020] 輸出的橢圓偏振光波進(jìn)入偏振分束器并被分解成兩束正交的線偏振光波，這兩束 正交的線偏振光波分別通過偏振分束器的輸出尾纖I和偏振分束器的輸出尾纖II輸出，依 次由光譜分析儀進(jìn)行測試，最后將測試數(shù)據(jù)通過RS232數(shù)據(jù)線傳輸?shù)焦た貦C上進(jìn)行處理；
[0021] 其中，所述寬帶光源輸出的光波經(jīng)過兩次調(diào)制：
[0022] 1)利用偏振控制器和高速偏振態(tài)分析儀將寬帶光源輸出的光波調(diào)制成0°線偏 振光波，并輸入待測單模光纖；
[0023] 定義寬帶光源輸出光波的波長范圍為11至λ 2，對于波長為A1的光波 λ i e [ λ λ 2]，在工控機上對光譜分析儀傳送的兩路正交信號數(shù)據(jù)Plx ( λ J和Ply ( λ J進(jìn) 行處理，得到的輸出結(jié)果為：
[0024]
[0025] 其中，Θ為線偏振光波的偏振方向與待測單模光纖的雙折射主軸之間的夾角，κ 為待測單模光纖的雙折射主軸和偏振分束器的偏振主軸之間的夾角， δ (Xi)為在輸入光 波的波長等于A1時待測單模光纖的線性雙折射；
[0026] 2)利用偏振控制器和高速偏振態(tài)分析儀將寬帶光源輸出的光波調(diào)制成45°線偏 振光波，并輸入待測單模光纖；對于波長為λ i的光波，在工控機7上對光譜分析儀傳送的 兩路正交信號數(shù)據(jù)Ρ2χ( λ J和P2y( λ J進(jìn)行處理，得到的輸出結(jié)果為：
[0027]
[0028] 3)求解出輸出結(jié)果ceshil ( λ J和ceshi2 ( λ J的平方和output ( λ J為：
[0029] output ( λ ;) = I- {sin [δ (Ai)])2* (sin2 κ )2
[0030] 4)在上述output ( λ J的表達(dá)式中，（sin2 κ )2為定值，{sin[ δ ( λ ;) ]}2隨著波長 A1E [λ η λ 2]的變化呈現(xiàn)出周期性變化；
[0031] 當(dāng){sin[ δ ( λ ;)]}2等于1時，〇utput( λ J最小，并將其定義為min，據(jù)此求解出 (sin2 κ)2，即：
[0032] (sin2 κ )2= 1-min
[0033] 5)根據(jù)上述結(jié)果，可以求解出特定波長λ[ λ λ 2]對應(yīng)的待測單模光纖的線 性雙折射S (λ。)，并且考慮到δ (λ。）e [0, π/2]，則有：
[0034]
[0035] 從而得出線性雙折射δ (λ。）的值。
[0036] 與現(xiàn)有的技術(shù)相比，本發(fā)明不僅能夠消除線偏振光的偏振方向與單模光纖的雙折 射主軸之間的夾角對線性雙折射測量的影響，也能夠量化單模光纖的雙折射主軸和偏振分 束器的偏振主軸之間的夾角，實現(xiàn)單模光纖線性雙折射的高精度測量；
[0037] 此外，這種測量裝置的光路結(jié)構(gòu)簡單，均采用常規(guī)組件，可廣泛應(yīng)用在實際操作 中；
[0038] 測量方法具有較高的測量精度，能夠為光學(xué)傳感系統(tǒng)的偏振誤差抑制策略研究提 供技術(shù)支撐，為進(jìn)一步提高光學(xué)傳感系統(tǒng)的測量性能進(jìn)行技術(shù)準(zhǔn)備。
【附圖說明】
[0039] 圖1是本發(fā)明原理示意圖。
[0040] 圖中：1、寬帶光源，2、偏振控制器，2-1、偏振控制器輸入尾纖，2-2、偏振控制器輸 出尾纖，3、尚速偏振態(tài)分析儀，4、待測單模光纖，5、偏振分束器，5-1、偏振分束器的輸出尾 纖I，5-2、偏振分束器的輸出尾纖II，6、光譜分析儀，7、工控機，8、RS232數(shù)據(jù)線。
【具體實施方式】
[0041] 下面結(jié)合附圖對本發(fā)明作進(jìn)一步說明。
[0042] 其中，本發(fā)明以附圖1為基準(zhǔn)，附圖1的左、右、上、下、中心、焦點為本發(fā)明的左、 右、上、下、中心、焦點。應(yīng)注意到的是：除非另外具體說明，否則本實施例中闡述的部件的相 對布置、數(shù)值等不限于本發(fā)明的范圍。
[0043] 如圖1所示，一種基于偏振控制的單模光纖線性雙折射測量裝置，它包括：
[0044] 寬帶光源1、偏振控制器2、高速偏振態(tài)分析儀3、待測單模光纖4、偏振分束器5、光 譜分析儀6以及工控機7 ;
[0045] 所述寬帶光源1的輸出接口與偏振控制器的輸入尾纖2-1連接，偏振控制器的輸 出尾纖2-2與高速偏振態(tài)分析儀3的輸入接口連接，高速偏振態(tài)分析儀3的輸出接口與待 測單模光纖4連接；
[0046] 所述待測單模光纖4同時作為偏振分束器5的輸入尾纖，偏振分束器的輸出尾纖 I 5-1和偏振分束器的輸出尾纖II 5-2分別與光譜分析儀6連接，光譜分析儀6通過RS232 數(shù)據(jù)線8與工控機7連接。
[0047] 其中，所述的寬帶光源1的輸出光波的波長范圍為1550±20nm，3dB譜寬彡50nm ; 所述的偏振控制器2為三環(huán)型機械式偏振控制器。
[0048] 高速偏振態(tài)分析儀3最大采樣速率為625KS/S，能夠?qū)崟r監(jiān)測輸入光波的偏振態(tài) 變化。
[0049] 所述的待測單模光纖4為長度4. Om的低雙折射單模光纖。
[0050] 所述的偏振分束器5的消光比彡30dB。
[0051] 光譜分析儀6的波長測試范圍為600nm至1700nm，功率測試量程為+20dBm 至-90dBm，波長測試分辨率為0· 02nm，波長測試精度為±0.0 lnm0
[0052] 其中，一種基于偏振控制的單模光纖線性雙折射測量方法，該方法利用上述的測 量裝置進(jìn)行測量：
[0053] 寬帶光源1的輸出光波被偏振控制器2調(diào)制，調(diào)制光波輸入高速偏振態(tài)分析儀3， 高速偏振態(tài)分析儀3實時監(jiān)測調(diào)制光波的偏振態(tài)，當(dāng)高速偏振態(tài)分析儀3監(jiān)測到的調(diào)制光 波為所需的偏振光波時，停止偏振控制器2的調(diào)制；
[0054] 從高速偏振態(tài)分析儀3輸出的偏振光波進(jìn)入待測單模光纖4,由于待測單模光纖4 存在線性雙折射，輸入的偏振光波經(jīng)過待測單模光纖4后將演化成橢圓偏振光波輸出；
[0055] 輸出的橢圓偏振光波進(jìn)入偏振分束器5并被分解成兩束正交的線偏振光波，這 兩束正交的線偏振光波分別通過偏振分束器的輸出尾纖I 5-1和偏振分束器的輸出尾纖 II 5-2輸出，依次由光譜分析儀6進(jìn)行測試，最后將測試數(shù)據(jù)通過RS232數(shù)據(jù)線8傳輸?shù)焦?控機7上進(jìn)行處理；
[0056] 其中，所述寬帶光源1輸出的光波經(jīng)過兩次調(diào)制：
[0057] 1)利用偏振控制器2和高速偏振態(tài)分析儀3將寬帶光源1輸出的光波調(diào)制成0° 線偏振光波，并輸入待測單模光纖4 ;
[0058] 定義寬帶光源1輸出光波的波長范圍為λ 1至λ 2，對于波長為λ ;的光波 (A1G [λ λ2]，在工控機7上對光譜分析儀6傳送的兩路正交信號數(shù)據(jù)Plx(A i)和 Ply(A1)進(jìn)行處理，得到的輸出結(jié)果為：
[0059]
[0060] 其中，Θ為線偏振光波的偏振方向與待測單模光纖4的雙折射主軸之間的夾角， κ為待測單模光纖4的雙折射主軸和偏振分束器5的偏振主軸之間的夾角，δ (Ai)為在 輸入光波的波長等于λ ^寸待測單模光纖4的線性雙折射；
[0061 ] 2)利用偏振控制器2和高速偏振態(tài)分析儀3將寬帶光源1輸出的光波調(diào)制成45° 線偏振光波，并輸入待測單模光纖4 ;對于波長為λ ;的光波，在工控機7上對光譜分析儀6 傳送的兩路正交信號數(shù)據(jù)Ρ2χ( λ J和P2y( λ J進(jìn)行處理，得到的輸出結(jié)果為：
[0062]
[0063]