CN102121872B - 全自动光纤偏振特性分析系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种全自动光纤偏振特性分析系统，属于信号系统领域。本系统包括偏振光产生装置和检偏装置两部分，偏振光产生装置包括沿光的传播方向依次设置的激光器、第一光纤适配器、第一自聚焦透镜、第一磁旋光装置、起偏器、第二磁旋光装置、第二自聚焦透镜和第二光纤适配器。第一磁旋光装置和第二磁旋光装置均由电磁线圈和设置在线圈内部的晶体组成。本发明用YIG晶体的磁致旋光特性，通过信号控制电磁线圈产生的磁场大小，能够精准地控制入射光的偏振面偏转角大小，同时避免了机械转动可能产生的对轴误差。

Description

全自动光纤偏振特性分析系统

技术领域

本发明涉及信号系统领域。具体地说是一种用于光信号处理、激光器输出激光偏振特性分析或偏振保持光纤偏振特性测试的全自动光纤偏振特性分析系统。

背景技术

目前的光学自动偏振分析系统产品中所使用的起偏或检偏装置都是利用机械装置旋转起偏器、检偏器或波片来实现对入射光偏振特性分析的结构。对于自动偏振分析系统，其旋转起偏器、检偏器或波片的部件由步进电机或伺服电机配合角度分辨装置来实现。对于手动偏振分析系统，其旋转起偏器、检偏器或波片的部件由手动旋转配合固定角度分辨盘来实现。这种结构一方面必须严格设计起偏器、检偏器或波片的旋转轴共轴，否则在起偏器、检偏器或波片旋转过程中的转轴错位将使通过其光斑画圆，从而导致输出光强不再与起偏器主轴和检偏器主轴方向的夹角成一一对应关系，由此产生测量信号的失真。另一方面，光路系统的设计越来越精密，同时还要讲究结构简约和成本低廉。由于转动电机稳定性较差，以及构造过于复杂等特点，不利于系统的实用化和集成化。

发明内容

本发明的目的在于提供一种全自动光纤偏振特性分析系统，该系统利用改变与起偏器及检偏器共轴的磁旋光晶体轴向上所施加的磁场的大小对通过其中的偏振光的偏振方向进行旋转，读取360°旋转角中检偏器输出光的两个最大值和最小值，并计算得出被测光纤的偏振特性参数。由此避免了机械旋光装置的非同轴测量误差，大大提高了测量精度。

本发明采取了如下技术方案。本发明包括偏振光产生装置和检偏装置两部分，偏振光产生装置和检偏装置通过待测光纤001相连接，所述偏振光产生装置包括激光器101、第一光纤适配器102、第一自聚焦透镜103、第一磁旋光装置、起偏器106、第二磁旋光装置、第二自聚焦透镜109、第二光纤适配器110、第一驱动信号合成器111、第二驱动信号合成器112和第一计算机113，所述第一磁旋光装置和第二磁旋光装置均由电磁线圈和设置在线圈内部的晶体组成，其中：激光器101输出的激光依次经过第一光纤适配器102、第一自聚焦透镜103后转换成平行光，平行光通过第一磁旋光装置中的晶体，第一磁旋光装置调整其出射光的主偏振轴方向与起偏器106的偏振主轴方向一致，通过第一磁旋光装置中晶体的出射光经过起偏器106后输出线偏振光，线偏振光依次通过第二磁旋光装置中的晶体、第二自聚焦透镜109和第二光纤适配器110后输入给检偏装置，第二磁旋光装置中的晶体的出射线偏光的偏振方向与外接的待测光纤001双折射主轴方向保持一致。所述第一计算机113通过控制第一驱动信号合成器111来调节第一磁旋光装置中的电磁线圈中的电流进而控制第一磁旋光装置输出光方向，第一计算机113通过控制第二驱动信号合成器112来调节第二磁旋光装置中的电磁线圈中的电流进而控制第二磁旋光装置输出光方向。

所述检偏装置包括第三光纤适配器201、第三自聚焦透镜202、第三磁旋光装置、第一检偏器205第三自聚焦透镜206、第一光电探测器207、第三驱动信号合成器208、计算机209和数据采集卡210，所述第三磁旋光装置由电磁线圈和设置在线圈内部的晶体组成，其中：偏振光产生装置的输出光依次经过第三光纤适配器201、第三自聚焦透镜202后被转变成平行光，平行光依次经过第三磁旋光装置、检偏器205后被第一光电探测器207接收，第一光电探测器207将每个偏转角度下出射光在检偏器205的偏振主轴上的光强分量转变为电信号，并通过数据采集卡210传送给第二计算机209，第二计算机209对其进行处理得到入射光的主偏振方向。所述第二计算机209通过控制第三驱动信号合成器208来调节第三磁旋光装置中的电磁线圈中的电流进而控制第三磁旋光装置输出光方向。

所述检偏装置包括沿光的传播方向依次设置的第四光纤适配器301、第五自聚焦透镜302、第四磁旋光装置、1/4玻片305、第五磁旋光装置、第二检偏器308、第六自聚焦透镜309和第二光电探测器310，第二光电探测器310的输出端通过数据采集卡313与第三计算机314相连，所述第三计算机314通过控制第四驱动信号合成器311来调节第四磁旋光装置中的电磁线圈中的电流进而控制第四磁旋光装置输出光方向；所述第三计算机314通过控制第五驱动信号合成器312来调节第五磁旋光装置中的电磁线圈中的电流进而控制第五磁旋光装置输出光方向。

所述各磁旋光装置均有一个电磁线圈和设置在电磁线圈内部的YIG晶体组成，电磁线圈与YIG晶体同轴布置。

所述上述各磁旋光装置均由一YIG晶体和四个电磁线圈组成，四个电磁线圈对称分布于YIG晶体的上、下、前、后四个方向，并且四个电磁线圈所围形状的轴线与YIG晶体轴线重合。

相对于现有技术而言，为了适用于输出具有一定消光比的部分偏振光的激光器作为光源，本发明在起偏器的输入端使用了一个磁旋光装置。这个磁旋光装置与位于起偏器与检偏器之间的磁旋光装置在构成上完全一致。激光器输出的部分偏振光经自聚焦透镜变成平行光后，入射到第一个磁旋光晶体中，通过调节其电磁线圈中流过的电流大小，使输出的部分偏振光的偏振主轴方向对准起偏器的偏振主轴，从而使起偏器输出的线偏振光强度达到最大，由此可提高系统测试的分辨率和检测精度。

附图说明

图1(a)为磁旋光装置实施例1结构示意图；

图1(b)为磁旋光装置实施例2结构示意图；

图1(c)为新型全自动光偏振特性分析系统结构示意图；

图2(a)为新型全自动光纤偏振特性分析系统线偏振光产生装置结构示意图；

图2(b)为新型全自动光纤偏振特性分析系统检偏装置实施例一结构示意图；

图2(c)为新型全自动光纤偏振特性分析系统检偏装置实施例二结构示意图；

以上示意图中实线为光路部分，虚线为电路部分。

具体实施方式

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

本发明利用基于YIG晶体的法拉第效应的磁旋光部件，对入射光进行无机械转动式旋转，将YIG晶体磁旋光部件置于起偏器或检偏器之前，通过给电磁线圈施加变化的驱动电压信号，从而在起偏器或检偏器之后得到以相同变化规律的输出线偏振光。通过YIG晶体的磁旋光部件能够实现输出线偏振光偏振方向与待测系统输入端的偏振主轴主动对齐。对待测系统的分析采用线偏振光输入端，检测输出端偏振态相结合的结构。

本发明的具体结构如图1c所示，包括偏振光产生装置和检偏装置两部分，偏振光产生装置和检偏装置通过待测光纤001相连接。如图2a所示，偏振光产生装置包括激光器101、第一光纤适配器102、第一自聚焦透镜103、第一磁旋光装置、起偏器106、第二磁旋光装置、第二自聚焦透镜109、第二光纤适配器110、第一驱动信号合成器111、第二驱动信号合成器112和第一计算机113，第一磁旋光装置和第二磁旋光装置均由电磁线圈和设置在线圈内部的晶体组成。其中：激光器101输出的激光依次经过第一光纤适配器102、第一自聚焦透镜103后转换成平行光，平行光通过第一磁旋光装置中的晶体，第一磁旋光装置调整其出射光的主偏振轴方向与起偏器106的偏振主轴方向一致，通过第一磁旋光装置中晶体的出射光经过起偏器106后输出线偏振光，线偏振光依次通过第二磁旋光装置中的晶体、第二自聚焦透镜109和第二光纤适配器110后输入给检偏装置，第二磁旋光装置中的晶体的出射线偏光的偏振方向与外接的待测光纤001双折射主轴方向保持一致。第一计算机113通过控制第一驱动信号合成器111来调节第一磁旋光装置中的电磁线圈中的电流进而控制第一磁旋光装置输出光方向，第一计算机113通过控制第二驱动信号合成器112来调节第二磁旋光装置中的电磁线圈中的电流进而控制第二磁旋光装置输出光方向。

如图2b所示，检偏装置包括第三光纤适配器201、第三自聚焦透镜202、第三磁旋光装置、第一检偏器205第三自聚焦透镜206、第一光电探测器207、第三驱动信号合成器208、计算机209和数据采集卡210，第三磁旋光装置由电磁线圈和设置在线圈内部的晶体组成。其中：偏振光产生装置的输出光依次经过第三光纤适配器201、第三自聚焦透镜202后被转变成平行光，平行光依次经过第三磁旋光装置、检偏器205后被第一光电探测器207接收，第一光电探测器207将每个偏转角度下出射光在检偏器205的偏振主轴上的光强分量转变为电信号，并通过数据采集卡210传送给第二计算机209，第二计算机209对其进行处理得到入射光的主偏振方向。第二计算机209通过控制第三驱动信号合成器208来调节第三磁旋光装置中的电磁线圈中的电流进而控制第三磁旋光装置输出光方向。

如图2c所示，检偏装置包括沿光的传播方向依次设置的第四光纤适配器301、第五自聚焦透镜302、第四磁旋光装置、1/4玻片305、第五磁旋光装置、第二检偏器308、第六自聚焦透镜309和第二光电探测器310，第二光电探测器310的输出端通过数据采集卡313与第三计算机314相连，第三计算机314通过控制第四驱动信号合成器311来调节第四磁旋光装置中的电磁线圈中的电流进而控制第四磁旋光装置输出光方向。第三计算机314通过控制第五驱动信号合成器312来调节第五磁旋光装置中的电磁线圈中的电流进而控制第五磁旋光装置输出光方向。

外部电磁线圈布置方式可以采用单螺线管内置式，或者带有恒定饱和偏置磁场的外置式。通过给磁旋光部件中的电磁线圈施加变化的驱动电压信号，在检偏器之后得到光强以相同规律变化的输出光。通过光电探测器实时测量不同信号电压下输出光强的变化，从而判断出待测光场的主要偏振态和正交偏振态间的对比度，以及分析出待测系统正交偏振态的串扰情况。

该系统通过改变控制线圈中流过的直流电流来调节线圈中产生的磁场，进而改变磁旋光晶体轴向上作用的磁场强度，由此控制通过磁旋光晶体轴向的偏振光的偏振方向的变化。这种变化通过检偏器后即可变成输出光的强度变化。在这种偏振分析系统中无任何机械旋转部件，测试精度高，重复性好。

将磁旋光晶体置于由电磁线圈产生的磁场中，其位置固定，光轴与分别位于其前后的起偏器与检偏器的光轴共轴。磁旋光晶体出射光偏振方向与入射光偏振方向的夹角由电磁线圈中流过的直流电流所产生的作用于磁旋光晶体光轴方向上的磁场强度大小决定。通过起偏器、磁旋光晶体和检偏器的光线为由自聚焦透镜产生的平行光。磁旋光装置是应用法拉第旋光效应实现旋光功能的装置。当入射的线偏振光在有外加磁场作用的磁旋光晶体中传播时，其偏振方向发生旋转。相对于入射的线偏振光，出射线偏振光偏振方向旋转的角度θ可表示为：θ＝VHL        (1)

(1)式中，H表示外加磁场作用在磁旋光晶体主轴方向上的磁场强度，L表示光在磁旋光晶体内传播的距离，V表示费尔德常数，它与磁旋光晶体的性质、温度以及光的频率(波长)等参数有关。

本发明中的磁旋光装置主要由YIG晶体和电磁线圈构成。根据YIG晶体的磁旋光特性参数设计电磁线圈的截面大小和匝数，以及外置电流源的最大偏置电流，其强度足以使晶体饱和磁化，即最大θ＞2π。利用这一原理，可以获得任意偏振面方向的出射光。电磁线圈的形状和YIG晶体的放置方式可根据需要设计成二种结构。

一种结构如图1a所示，由YIG晶体107和电磁线圈108组成。电磁线圈108由漆包线缠绕在聚四氟乙烯管外壁上构成，YIG晶体107放置于聚四氟乙烯管内部正中，其轴线与电磁线圈轴线同轴。工作时，外部驱动信号合成器112产生的直流电流流过电磁线圈108就会感生出沿YIG晶体107轴向的磁场。入射的线偏振光沿YIG晶体107的光轴通过YIG晶体107时，根据法拉第效应，其偏振方向会发生旋转，旋转角θ可由式(1)表示。

另一种结构如图1b所示，由以下六个部件构成：YIG晶体、电磁线圈1、电磁线圈2、电磁线圈3和电磁线圈4构成。结构为，YIG晶体放置于横截面为正方形的聚四氟乙烯方管内部正中，电磁线圈1、3、2、4对称分布于方管的上、下、前、后四面。为了使作用于YIG晶体上的磁场获得加强，将电磁线圈1、2、3、4绕制连成一体。工作时，外部驱动信号合成器产生的直流电流顺序流过级联的电磁线圈1、2、3、4，感生出沿YIG晶体107轴向的合成磁场。入射的线偏振光沿YIG晶体107的光轴通过YIG晶体107时，根据法拉第效应，其偏振方向会发生旋转，旋转角θ可由式(1)表示。

全自动光纤偏振特性分析系统结构如图1c所示，系统可分为线偏光输出装置和检偏装置两部分。

实施例1

图2a所示为系统线偏振光输出装置实施例。激光器101输入的激光经过光纤适配器102以及自聚焦透镜103后转换成平行光，然后再通过YIG晶体104。根据法拉第效应调整出射光的主偏振轴方向，使之与起偏器106的偏振主轴方向一致。为实现对待测光纤偏振特性参数的全自动测量，使经过起偏器106后的线偏振光通过YIG晶体107、自聚焦透镜109和光纤适配器110后与待测光纤系统相连。通过调整电磁线圈108上流过的直流电流，调整YIG晶体107出射线偏光的偏振方向，使之与外接的待测光纤双折射主轴方向保持一致。上述一系列旋转偏振光的操作都是由计算机113通过控制线圈驱动信号合成器111、112，分别调节电磁线圈105和108上流过的电流大小来实现准确控制的，由此避免了机械式调整带来的对轴误差。

图2b所示为系统的一种检偏装置实施例。该装置由以下部件组成：输入端的光纤适配器201和两端的自聚焦透镜202、206，YIG晶体203，电磁线圈204，驱动信号合成器208，检偏器205，光电探测器207，数据采集卡210，计算机分析系统209。入射光经过光纤适配器201和自聚焦透镜202被转变成平行光，通过将YIG晶体203置于变化的磁场中，利用光电探测器207将每个偏转角度下出射光在检偏器205的偏振主轴上的光强分量转变为电信号，从而可以得知入射光的主偏振方向。由工作原理可知，该电信号强度变化曲线应有两个极大值和两个极小值，分别对应两个主偏振方向xy，从而在计算机209上根据扫场电信号变化曲线可以分析出输入光的偏振特性，其消光比η可由式(2)表示：

$\mathrm{\η}=10\lg \left(\frac{E_{\max 1}+E_{\max 2}}{E_{\min 1}+E_{\min 2}}\right)---\left(2\right)$

式中Emax1、Emax2分别为输入检偏器的线偏振光偏振方向旋转360°范围内从光电探测器207所得到的电信号的两个最大值，Emin1、Emin2分别为输入检偏器的线偏振光偏振方向旋转360°范围内从光电探测器207所得到的电信号的两个最小值。

本实施例中的各磁旋光装置可以选用图1a和图1b两种结构中的任意一种，各旋光装置的结构可以相同，也可以不同。

实施例2

实施例2中的偏振光产生装置与实施例1相同，但检偏装置的结构不同。图2c为本实施例中的检偏装置结构示意图，该实施例加入1个1/4玻片，并利用磁旋光装置分别调整玻片主轴与检偏器检偏方向夹角成0°和45°，测量这两种状态下输出光强变化情况，分析出入射光的完整偏振信息。

该装置由以下部件构成：输入端的光纤适配器301和两端自聚焦透镜302、309，YIG晶体303、306，电磁线圈304、307，驱动信号合成器311、312，1/4玻片305，检偏器308，光电探测器310，数据采集卡313，计算机分析系统314。

首先调节YIG晶体306上所施加的直流电压，使得1/4玻片305的光轴经过一定角度旋转后与检偏器308的o光偏振方向一致。当入射光经过光纤适配器301和自聚焦透镜302被转变成平行光进入系统，YIG晶体303在扫场驱动电压下使得入射光偏振面旋转360°，通过光电探测器可以测得两个极大值和极小值电信号，分别对应入射光两个主偏振分量(x和y)上的功率P₀∝|E_x|²、P₁∝|E_y|²，同时记录与x方向夹角为45°方向上的功率P₂∝(|E_x|²+|E_y|²+2|E_x||E_y|cosδ)/2，式中δ为E_y与E_x的相位差。

然后调节YIG晶体306上所施加的直流电压，使得1/4玻片305的光轴经过一定角度旋转后与检偏器308的o光偏振方向夹角45°。当入射光经过光纤适配器301和自聚焦透镜302被转变成平行光进入系统，YIG晶体303在扫场驱动电压下使得入射光偏振方向旋转360°，通过光电探测器可以测得当入射光的y方向偏振光与1/4玻片305光轴平行时的光功率P₃∝[|E_x|²+|E_y|²+2|E_x||E_y|cos(δ+π/2)]/2。

根据Stoke参数的表达形式：

S₀＝|E_x|²+|E_y|²                  (3)

S₁＝|E_x|²-|E_y|²                  (4)

S₂＝2|E_x||E_y|cosδ               (5)

S₃＝2|E_x||E_y|sinδ               (6)

可得：S₀＝P₀+P₁(7)

S₁＝P₀-P₁                        (8)

S₂＝2P₂-P₀-P₁                    (9)

S₃＝2P₃-P₀-P₁                    (10)

P0、P1、P2、P3分别表示入射光x偏振方向上的光功率、入射光y偏振方向上的光功率、与x方向夹角为45°方向上的光功率、入射光的y方向偏振光与1/4玻片305光轴平行时的光功率。

由此可以测得入射光的完整偏振信息，本发明利用磁旋光晶体完成全部旋光操作，且以上计算均由计算机314分析光电探测器310的测量数据给出，实现了偏振分析系统全自动无机械旋转的精确控制。

本实施例中的各磁旋光装置可以选用图1a和图1b两种结构中的任意一种，各旋光装置的结构可以相同，也可以不同。

以上对本发明所提供的一种全自动光纤偏振特性分析系统进行详细介绍，本文中应用了具体实施例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (5)

1.一种全自动光纤偏振特性分析系统，其特征在于，包括偏振光产生装置和检偏装置两部分，偏振光产生装置和检偏装置通过待测光纤(001)相连接，所述偏振光产生装置包括激光器(101)、第一光纤适配器(102)、第一自聚焦透镜(103)、第一磁旋光装置、起偏器(106)、第二磁旋光装置、第二自聚焦透镜(109)、第二光纤适配器(110)、第一驱动信号合成器(111)、第二驱动信号合成器(112)和第一计算机(113)，所述第一磁旋光装置和第二磁旋光装置均由电磁线圈和设置在线圈内部的晶体组成，其中：激光器(101)输出的激光依次经过第一光纤适配器(102)、第一自聚焦透镜(103)后转换成平行光，平行光通过第一磁旋光装置中的晶体，第一磁旋光装置调整其出射光的主偏振轴方向与起偏器(106)的偏振主轴方向一致，通过第一磁旋光装置中晶体的出射光经过起偏器(106)后输出线偏振光，线偏振光依次通过第二磁旋光装置中的晶体、第二自聚焦透镜(109)和第二光纤适配器(110)后输入给检偏装置，第二磁旋光装置中的晶体的出射线偏振光的偏振方向与外接的待测光纤(001)双折射主轴方向保持一致；

所述第一计算机(113)通过控制第一驱动信号合成器(111)来调节第一磁旋光装置中的电磁线圈中的电流进而控制第一磁旋光装置输出光方向，第一计算机(113)通过控制第二驱动信号合成器(112)来调节第二磁旋光装置中的电磁线圈中的电流进而控制第二磁旋光装置输出光方向。

2.根据权利要求1所述的一种全自动光纤偏振特性分析系统，其特征在于，所述检偏装置包括第三光纤适配器(201)、第三自 聚焦透镜(202)、第三磁旋光装置、第一检偏器(205)第四自聚焦透镜(206)、第一光电探测器(207)、第三驱动信号合成器(208)、第二计算机(209)和数据采集卡(210)，所述第三磁旋光装置由电磁线圈和设置在线圈内部的晶体组成，其中：偏振光产生装置的输出光依次经过第三光纤适配器(201)、第三自聚焦透镜(202)后被转变成平行光，平行光依次经过第三磁旋光装置、第一检偏器(205)后被第一光电探测器(207)接收，第一光电探测器(207)将每个偏转角度下出射光在第一检偏器(205)的偏振主轴上的光强分量转变为电信号，并通过数据采集卡(210)传送给第二计算机(209)，第二计算机(209)对其进行处理得到入射光的主偏振方向；

所述第二计算机(209)通过控制第三驱动信号合成器(208)来调节第三磁旋光装置中的电磁线圈中的电流进而控制第三磁旋光装置输出光方向。

3.根据权利要求1所述的一种全自动光纤偏振特性分析系统，其特征在于，所述检偏装置包括沿光的传播方向依次设置的第四光纤适配器(301)、第五自聚焦透镜(302)、第四磁旋光装置、1/4玻片(305)、第五磁旋光装置、第二检偏器(308)、第六自聚焦透镜(309)和第二光电探测器(310)，第二光电探测器(310)的输出端通过数据采集卡(313)与第三计算机(314)相连，

所述第三计算机(314)通过控制第四驱动信号合成器(311)来调节第四磁旋光装置中的电磁线圈中的电流进而控制第四磁旋光装置输出光方向；所述第三计算机(314)通过控制第五驱动信号合成器(312)来调节第五磁旋光装置中的电磁线圈中的电流进而控制第五磁旋光装置输出光方向。

4.根据权利要求1或权利要求2或权利要求3所述的一种全自动光纤偏振特性分析系统，其特征在于，所述各磁旋光装置均有一 个电磁线圈和设置在电磁线圈内部的YIG晶体组成，电磁线圈与YIG晶体同轴布置。

5.根据权利要求1或权利要求2或权利要求3所述的一种全自动光纤偏振特性分析系统，其特征在于，所述各磁旋光装置均由一YIG晶体和四个电磁线圈组成，四个电磁线圈对称分布于YIG晶体的上、下、前、后四个方向，并且四个电磁线圈所围形状的轴线与YIG晶体轴线重合。 

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