CN101236127A - 保偏光纤拍长测量仪 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种保偏光纤拍长测量仪，包括光路系统、施力装置、数据采集及处理系统。光路系统含有光源、晶体起偏器、聚焦透镜、晶体检偏器，其作用是为测量提供线偏振光；施力装置采用带有高精度双向步进电机的移动机构、带有保护措施的夹紧机构和带有分厘卡的施力机构，其作用是固定被测保偏光纤，并沿被测保偏光纤的长度方向以移动方式给其径向施加一定的压力，使经过被测保偏光纤后输出的光功率出现周期性变化；数据采集及处理系统通过光功率计采集被测光纤输出的光功率，由计算机对光功率计的输出进行相应的处理和解算后，得出被测保偏光纤的平均拍长以及光功率随采集时间的变化曲线。本发明的主要优点是，结构简单，操作方便，测量精度高。

Description

保偏光纤拍长测量仪

技术领域

本发明属于惯性器件测量技术领域，主要涉及一种保偏光纤拍长测量仪，尤其涉及一种以消光比测试部件为核心且采用调制压力移动功率法原理的保偏光纤拍长测量装置。

技术背景

保偏光纤属于单模光纤的一种，它是指故意使光纤的纤芯截面成椭圆形，或利用非轴对称产生双折射以使正交的两个偏振波以不耦合方式独立传输的光纤。保偏光纤广泛应用于光纤传感领域，其主要应用包括光纤陀螺等。拍长是保偏光纤的重要技术指标，它表征了保偏光纤的双折射性能。

保偏光纤纤芯并非是理想的圆形，存在一定的椭圆度，同时其剖面的折射率也不是绝对的各向同性而具有一定的差异。事实上，在保偏光纤中传输的并不是真正的单模，而是传输两个偏振模，即HE₁₁ ^x模和HE₁₁ ^y模。随着光纤长度的不同，以简并态传输的两个正交偏振模之间的相位差也会随之发生变化。因此，当入射光为一线偏振光时，在单模光纤的输出端截面上，由这两个正交偏振模合成的出射光是偏振方向随光纤长度而变化的偏振光，其偏振态在线偏振、椭圆偏振和圆偏振之间周期性地演化。偏振演化周期是相位差为2π的横截面间距L_B，即拍长L_B。根据保偏光纤这一特性，若给一段保偏光纤施加一个周期性变化的调制压力，那么随着施力部分沿保偏光纤长度方向的移动，该保偏光纤输出光的偏振态(以某一偏振方向的光功率大小来表征)就会发生周期性的变化，而且通过光功率计是可以采集到该偏振态变化的波形和波数(参见图1)，将光功率计采集到的这些特征送入编有测试程序的计算机中，就可以根据调制压力机构沿光纤长度方向移动的距离，计算出偏振态变化一个周期的光纤长度，也就是保偏光纤的拍长。

中国专利申请CN1912564A公开了我国南开大学发明的一种压力微扰法保偏光纤拍长测量仪。该拍长测量仪包括精密位移控制装置、信号处理分析控制系统、液晶触摸屏、上位及分析处理系统、光纤传输偏振态直接耦合调节装置、施力机构、带有准直透镜和检偏器件的光路系统，其中，夹持光纤的施力机构的动力源采用了磁体控制，通过电流的大小改变压力的大小，压力块直接同裸光纤接触。同时，检偏器件采用了光纤型的偏振器，光路系统末端设置光信号前置处理模块。但是，该拍长测试仪还存在以下几个问题：采用磁体控制施力机构，由于近距离磁场的存在，磁场对保偏光纤中光线偏振态的影响不可忽视；施力机构与光纤直接接触，光纤易于受损；检偏器件采用光纤偏振器件，偏振性能不够好；光路系统采用准直透镜和光信号前置处理模块，其结构过于复杂。以上问题都影响到该拍长测量仪的测量精度，且给操作带来不便。

发明内容

本发明要解决的技术问题是，针对现有技术存在的不足，提供一种采用全晶体偏振器件和全机械施力装置的保偏光纤拍长测量仪，该测量仪不仅结构组成简单，具有模块化特色；而且测量精度较高，操作简单。

为解决上述技术问题，本发明提供的保偏光纤测量仪包括光路系统、施力装置、数据采集及处理系统，所述的光路系统含有光源、起偏器、聚焦透镜、检偏器、光纤适配器，所述光纤适配器与被测保偏光纤连接，光源发出的光束通过起偏器后形成第一线偏振光，再经聚焦透镜聚焦在光纤适配器的接口端面后进入被测保偏光纤，所述第一线偏振光经过因施力发生弹性变形的被测保偏光纤传输后其偏振特性发生改变，再经所述检偏器后则成为与第一线偏振光有相同偏振特性的第二线偏振光；所述的施力装置含有夹紧机构、位移机构、调压机构、底板：所述的夹紧机构含有固定在底板上的条形体和两个锁紧机构，两个锁紧机构以一定的间距分置在条形体上，被测保偏光纤放置在条形体的上端面上并在条形体与锁紧机构的配合作用下保持平直不动状态；所述的位移机构含有双向步进电机、齿条传动组件、导轨组件，导轨组件中的固定部分与所述的底板固连，其滑动部分与齿条传动组件的齿条固连，双向步进电机为齿条传动组件提供动力；所述的调压机构含有分厘卡、接头和连接板，分厘卡直立于接头上方且其伸缩头与接头上端固连，连接板的两端分别与分厘卡和所述导轨组件的滑动部分固连，并使接头下端的凹槽正对所述的条形体；双向步进电机的旋转运动通过齿条传动组件转换成平移运动并通过导轨组件带动分厘卡在被测保偏光纤上移动；所述数据采集及处理系统含有光功率计、内置有测量软件包的计算机，光功率计输入端通过光纤跳线和所述的检偏器连接，输出端通过电缆与计算机连接；所述的测量软件包含有控制模块，数据采集模块，写有双向步进电机步长、光功率极值判据、光功率极值采集累加数的参数模块，置有保偏光纤拍长算法的计算模块，该软件的主要功能是，控制双向步进电机的运行与停止，采集光功率计输出的光功率极值并记录其对应的时刻，根据公式计算出被测保偏光纤的平均拍长。

根据本发明，所述的起偏器为晶体起偏器，所述的检偏器为晶体检偏器。

根据本发明，所述条形体与所述锁紧机构之间相接触的两个端面以及所述条形体与所述接头之间相接触的两个端面上均装有弹性垫片。

本发明的有益效果体现在以下几个方面。

(一)本发明采用了纯机械式的施力装置并在施力装置与被测保偏光纤的接触部位均增设了用于保护光纤的弹性垫片，与现有技术相比，不存在附加磁场对保偏光纤双折射测量结果的影响，保证在测量过程中被测保偏光纤不会发生断裂现象，而且也简化了本发明的组成结构。

(二)本发明采用了模块化设计思想，即整个测量仪由三个独立部分组成，其中消光比测试装置中的大部分功能件为成熟技术，不仅降低了本发明的设计成本，而且还拓展了消光比测试装置的应用范围，同时携带方便。

(三)消光比测试装置中选用了带有集成电路控制的光源驱动电路，使得光源的光功率输出精度达到0.5％，同时采用了高精度双向步进电机和高消光比的晶体起偏器和晶体检偏器，从而保证了本发明测量结果的准确性。

附图说明

图1是光功率随采集时间变化的曲线图。

图2本发明保偏光纤拍长测量仪组成示意图。

图3是本发明优选实施例中的光源驱动电路图。

图4是图1中所示的施力装置组成示意图。

图5a、图5b是图3中所示的加紧机构组成示意图。

图6a、图6b是图3中所示的位移机构组成示意图。

图7是发明优选实施例中的电机驱动电路图。

图8a、图8b是图3中所示的调压机构组成示意图。

图9是本发明测量软件包的工作流程图。

具体实施方式

下面结合附图及优选实施例对本发明作进一步的详述。

正如图2所示，本发明优选实施例包括光路系统、施力装置4、数据采集及处理系统。光路系统含有光源、晶体起偏器、聚焦透镜、晶体检偏器，其中，光源、晶体起偏器、聚焦透镜单独集成为一个消光比测试装置。光源由半导体激光器和光源驱动电路构成。通过实验分析发现，光功率的波动性主要由环境温度和恒流源共同决定，当环境温度在制冷控制范围内，恒流源起主要作用，当环境温度变化较大时，后者起主要作用。本优选实施例的光源驱动电路从恒流源和控制半导体激光器的功率环境温度入手，设计了以集成芯片为核心的驱动电路，从而为半导体激光器提供恒定的直流电源和稳定的工作温度以驱动光源发出恒定的功率，其详细电路参见图3。光源输出功率的稳定保证了测试过程的光功率阈值不会发生超出误差范围的飘移，影响测试结果。晶体起偏器和晶体检偏器均由高消光比晶体材料制作。聚焦透镜通过一个三维可调支架安装在消光比测试装置的内部，消光比测试装置壳体外部装有光源开关以及与三维可调支架连接的三个调节旋钮，消光比测试装置通过光纤适配器2与被测保偏光纤3的一端连接，被测保偏光纤3的另一端则通过另一个光纤适配器2与晶体检偏器5连接(被测保偏光纤的长度一般为2m)。打开光源开关，发光二极管在光源驱动电路的驱动下，发射足够功率的激光光束；光束通过晶体起偏器形成第一线偏振光并通过聚焦透镜聚焦；通过转动三个调节旋钮，可以使聚焦透镜的焦点准确位于光纤适配器2的输入端面上，第一线偏振光通过被测保偏光纤3后进入晶体检偏器5。当第一线偏振光束经过被测保偏光纤3传输时，由于施力装置沿长度方向以移动方式对被测保偏光纤3的径向施加有压力，使被测保偏光纤3发生弹性变形，因而导致在其中传输的第一线偏振光的偏振特性发生改变，因此，被测保偏光纤3输出的光束已不再是第一线偏振光束。而设置晶体检偏器5的作用就是要使晶体检偏器5输出的光束再次成为与第一线偏振光具有相同振动方向的线偏振光，以保证光功率计接收的是同一振动方向的光功率，正确反映出被测保偏光纤3从线偏振光-椭圆偏振光-线偏振光的变化周期(拍长)，确保测试精度。

根据图4所示，本优选实施例中的施力装置4为一个独立装置，主要由夹紧机构、位移机构、调压机构、底板10构成。底板10为方形且由铝材制作。根据图5a、图5b所示，夹紧机构含有条形体13、两个锁紧机构以及厚度为0.5mm的第一毛毡片12。条形体13的底部位于底板10的一个纵向凹槽中且通过螺钉与底板10固连，其上端面用橡胶液粘接第一毛毡片12。锁紧机构含有弯头压板14、固定块16、直销15。弯头压板14一端上向的弯头带有U形端套和销孔，另一端带有向下突台，中间位置的底部开有与条形体13宽度相对应的凹槽，且凹槽底面占有0.5mm厚的第二毛毡片。两个弯头压板14以10cm的间距分置在条形体13上，每个弯头压板14的向下突台通过螺钉11固连在底板10上且其凹槽卡在条形体13的两侧，另一端的U形端套则套在与底板10固连的固定块16的两侧，用直销15将弯头压板14的U形端套与固定块16配合串接在一起。被测保偏光纤3的其中一段放置在第一毛毡片12上，通过调节螺钉11，将弯头压板14凹槽底面的第二毛毡片与第一毛毡片12压紧，并确保两个锁紧机构之间的被测保偏光纤3保持平直不动状态。

根据图6a、图6b所示，位移机构包括双向步进电机27、电机驱动电路、含有直齿轮25和齿条24的齿条传动组件、含有燕尾槽22和燕尾23的导轨组件。燕尾23通过螺钉固连在底板10上，其长度方向与条形体13的长度方向平行；燕尾槽22与燕尾23滑动配合。双向步进电机27通过压扣28固连在底板10上，其传动轴与直齿轮25通过销钉26固连，直齿轮25与齿条24啮合，齿条24固连在燕尾槽22的上端面上。图7示出了本优选实施例的电机驱动电路图。该电路的主要功能，是接收数据采集及处理系统给出的测试指令，驱动双向步进电机27正、反向转动，控制双向步进电机27的转速以及确定双向步进电机27的步长。步进电机的步长是直接影响测量精度的一个重要参数，根据多次试验测试，本优选实施例的电机驱动电路所控制的双向电机27的步长为0.164mm。通常，保偏光纤的拍长一般在2～3mm量级，而本发明采用的拍长算法实际上是求取平均拍长，因此，本优选实施例的电机驱动电路和双向步进电机的步长值完全能够满足高精度的测试要求。

根据图8a、图8b所示，调压机构含有接头19、分厘卡20、折线形连接板21以及0.5mm厚的第三毛毡片。接头19的上端面带有盲孔，下端面带有与条形体13宽度对应的凹槽，侧面带有与盲孔相通的销孔。第三毛毡片粘接在接头19的凹槽底面。分厘卡20直立于接头19上方，其伸缩头插入到接头19的盲孔中且通过紧定螺钉顶紧；折线形连接板21的上端竖板与分厘卡20固连，中部横板坐在燕尾槽22的上端面，下端竖直板通过紧固螺钉与燕尾槽22的侧面固连，并且使接头19下端凹槽正对条形体13。通过旋转分厘卡20的上部，其下部伸缩头带动接头19上下运动，由此可对夹在第一、第三毛毡片中间的被测保偏光纤施加压力，并可根据测试需要对施加压力进行调节。电机驱动电路接收数据采集处理系统输出的控制指令，驱动步进电机27转动并通过齿条24带动燕尾槽22在燕尾23上滑动，由此也可以带动分厘卡20在两个加紧机构之间沿着被测保偏光纤3来回运动，从而实现施力装置的最终功能。由于施力装置中与被测光纤接触的部位均加有毛毡片，因此在测试过程中，被测保偏光纤不会发生扭转或被接头19压断的现象，可确保测试结果的准确性或测试过程的完整性。

再参见图2，数据采集及处理系统包括光功率计7、含有测量软件包的计算机8。本优选实施例的光功率计7型号为PMS-12F，其测量精度为±5％，分辨率达到0.001dB，测量范围为10pw～1000uw，满足测试要求。光功率计7的输入端通过光纤跳线6和光纤适配器与晶体检偏器5连接，其输出端通过电缆与计算机8连接。光纤跳线6是一段具有标准长度(通常是1m)的多模光纤束，主要起传输介质和连接的作用。为了减小光功率在光路的损耗，针对此要求，选用了可以无损耗传输光波的光纤跳线6，同时由于光纤跳线6具有柔软性，有利于光路的灵活设计。计算机8的主要功能是，控制双向步进电机27的启动与停转，采集光功率计7的输出信号，并对采集信号进行相应的处理，最终计算出被测保偏光纤3的拍长。计算机8内置的测试软件若按功能划分，包括控制模块、数据采集模块、参数模块、计算模块。数据采集模块采集光功率计7输出的电压信号并通过A/D转换成数字信号。参数模块中写有双向步进电机27的步长值、光功率极值判据、设定的光功率极值采集数。根据光路的能量损耗计算和光功率计7的测试精度，确定出本优选实施例的光功率阈值为165±5％uw，采集光功率极值的数目则依据双向步进电机27的步长0.164mm和夹紧机构的长度计算得到，本实施例的夹紧机构长度为10cm，则采集数目应在50～60之间。计算模块中置有拍长计算公式，即

$L_{\mathrm{\Δ}}=\frac{T_N-T_1}{N-1}\×S$

式中，L_Δ为被测保偏光纤的平均拍长；T_N为采集停止时刻；T₁为采集开始时刻；N为光功率极值的采集数目；S为步进电机的步长。

图9示出了测量软件包的工作流程。根据图中所示，测量时，测量软件包执行以下操作步骤：第一步，对光功率计进行初始化，设定测试参数，即光功率阈值M和光功率极值采集累加数X；第二步，通过控制模块向电机驱动电路发送电机驱动指令，并开始计时；第三步，采集模块采集光功率计7的输出信号并转换成数字信号；第四步，调用参数模块中的光功率阈值判据对当前光功率数据进行判断，若光功率数据大于等于阈值判据，则将该光功率数据及其对应的时刻T_i放入计算机的缓冲区中并将极值采集数加1，i＝1、2、3……N，循环上述操作，直至光功率极值采集数N等于设定的极值采集累加数X；第五步，向电机驱动电路发出停止驱动命令；第六步，计算模块调用参数模块和缓冲区中的相关数据，计算得出被测保偏光纤3的平均拍长；第七步，计算机的显示器显示计算结果和光功率随采集时间变化的曲线图(参见图1)。

通过多次试验得知，本优选实施例可以达到±1％的拍长测试精度。

下面结合本优选实施例简述本发明的使用方法。

(一)校验

用光纤跳线6将消光比测试装置1输出端口的光纤适配器2和光功率计7相连，打开光源和光功率计7的开关，按要求预热稳定十分钟后，若光功率计7输出为300uw以上并稳定，视为正常，并保持该状态。

(二)调试

用被测保偏光纤3替换光纤适配器2与光功率计7之间连接的光纤跳线6，通过消光比测试装置1壳体上的调节旋钮调节其内聚焦透镜的位置，直至光功率计7的输出值不小于150uw；将被测保偏光纤3输出端与光功率计之间的连接断开并与晶体检偏器5的一端连接，晶体检偏器5的另一端则通过光纤跳线6与光功率计7连接，调整晶体检偏器5的检偏角度，使透过晶体起偏器和透过晶体检偏器5的线偏振光的偏振方向一致，开启功率计7并保证透过的光功率始终处于最大值。

(三)安装施力装置

首先，抬起两个弯头压板14的U形端套，将被测保偏光纤3的其中一段防置在条形体13上端面粘接的第一毛毡片12上，然后用直销15将弯头压板14的U形端套与固定块16配合串接在一起，通过调节螺钉11，将弯头压板14的凹槽底面与第一毛毡片12压紧，使被测保偏光纤3不能滑动或扭动。其次，调节分厘卡20的螺杆，使与其伸缩头固连的接头向下移动，直至接头底部凹槽粘接的第二毛毡片与被测保偏光纤3接触并按测试要求施加了相应的压力。

(四)测试

打开计算机的电源，通过键盘输入测试命令，计算机向电机驱动电路发出驱动指令，步进电机27开始运转，并通过齿条传动组件和导轨组件带动分厘卡20沿被测保偏光纤3移动，与此同时，光功率计7采集经晶体起偏器、被测保偏光纤3、晶体检偏器5传输后的光功率信号并送入计算机8，计算机中的测量软件包对所采集的光功率信号进行相应的处理和计算，最终得出被测保偏光纤3的平均拍长和光功率虽采集时间变化的曲线图并通过显示器予以显示。

Claims (3)

1. 一种保偏光纤拍长测量仪，包括光路系统、施力装置[4]、数据采集及处理系统：所述的光路系统含有光源、起偏器、聚焦透镜、检偏器[5]、光纤适配器[2]，所述光纤适配器[2]与被测保偏光纤[3]连接，光源发出的光束通过起偏器后形成第一线偏振光，再经聚焦透镜聚焦在光纤适配器[2]的接口端面后进入被测保偏光纤[3]，所述第一线偏振光经过因施力发生弹性变形的被测保偏光纤[3]传输后其偏振特性发生改变，再经所述检偏器[5]后则成为与第一线偏振光有相同偏振特性的第二线偏振光；其特征在于：所述的施力装置[4]含有夹紧机构、位移机构、调压机构、底板[10]：所述的夹紧机构含有固定在底板[10]上的条形体[13]和两个锁紧机构，两个锁紧机构以一定的间距分置在条形体[13]上，被测保偏光纤[3]放置在条形体[13]的上端面上并在条形体[13]与锁紧机构的配合作用下保持平直不动状态；所述的位移机构含有双向步进电机[27]、齿条传动组件、导轨组件，导轨组件中的固定部分[23]与所述的底板[10]固连，其滑动部分[22]与齿条传动组件的齿条[24]固连，双向步进电机[27]为齿条传动组件提供动力；所述的调压机构含有分厘卡[20]、接头[19]和连接板[21]，分厘卡[20]直立于接头[19]上方且其伸缩头与接头[19]上端固连，连接板[21]的两端分别与分厘卡[20]和所述导轨组件的滑动部分[22]固连，并使接头[19]下端的凹槽正对所述的条形体[13]；双向步进电机[27]的旋转运动通过齿条传动组件转换成平移运动并通过导轨组件带动分厘卡[20]在被测保偏光纤[3]上移动；所述数据采集及处理系统含有光功率计[7]、内置有测量软件包的计算机[8]，光功率计[7]输入端通过光纤跳线[6]和所述的检偏器[5]连接，输出端通过电缆与计算机[8]连接；所述的测量软件包含有控制模块，数据采集模块，写有双向步进电机步长、光功率极值判据、光功率极值采集累加数的参数模块，置有保偏光纤拍长算法的计算模块，该软件的主要功能是，控制双向步进电机[27]的运行与停止，采集光功率计[7]输出的光功率极值并记录其对应的时刻，根据公式计算出被测保偏光纤[3]的平均拍长。

2. 根据权利要求1所述的保偏光纤拍长测量仪，其特征在于：所述的起偏器为晶体起偏器，所述的检偏器[5]为晶体检偏器。

3. 根据权利要求1或2所述的保偏光纤拍长测量仪，其特征在于：所述的条形体[13]与所述的锁紧机构之间相接触的两个端面以及所述的条形体[13]与所述的接头[19]之间相接触的两个端面上均装有弹性垫片。

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