CN102288388B - 提高保偏光纤偏振耦合测量精度和对称性的装置与方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供的是一种提高保偏光纤偏振耦合测量精度和对称性的装置与方法。包括宽谱光源、光信号可控换向机构、待测光纤、偏振耦合检测系统；通过光信号可控换向机构，将待测光纤分别正向和反向连接在宽谱光源和偏振耦合检测系统之间；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。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。

Description

提高保偏光纤偏振耦合测量精度和对称性的装置与方法

技术领域

本发明涉及的是一种保偏光纤偏振耦合的测量装置，具体涉及到一种提高保偏光纤偏振耦合测量精度和对称性的装置与方法。

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 opticalsystem and application of this method to the assembling of the components of an opticalsystem，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谱光源，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 birefringencedispersion on a distributed stress sensor using birefringent optical fiber，OpticalFiber 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 ondistributed 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减小双折射色散对测量精度的影响，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提高保偏光纤偏振耦合测量精度和对称性的装置。本发明的目的还在于提供一种提高保偏光纤偏振耦合测量精度和对称性的方法。

本发明的目的是这样实现的：

本发明的提高保偏光纤偏振耦合测量精度和对称性的装置包括宽谱光源1、光信号可控换向机构2、待测保偏光纤3、偏振耦合检测系统4；通过光信号可控换向机构2，将待测保偏光纤3分别正向和反向连接在宽谱光源1和偏振耦合检测系统4之间；由宽谱光源1发出的低相干光经过光信号可控换向机构2进入待测保偏光纤3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4中；通过偏振耦合检测系统4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。

本发明的提高保偏光纤偏振耦合测量精度和对称性的装置还可以包括：

1、所述的光信号可控换向机构2由四个光学分路器级联组成。

2、所述的四个光学分路器为四个保偏开关，实现光的交叉换位，第一、第二保偏开关201、202的公共端s1分别与宽谱光源1和偏振耦合检测系统4连接，第三、第四保偏开关203、204的公共端s1分别与待测光纤3的前端A和后端B相连；四个保偏开关201～204的常连端s2彼此相连、动作端s3交叉相连，在同步控制信号的作用下动作，保偏开关201～204由常连端s2一同切换到动作端s3。

3、连接在宽谱光源1和待测光纤3起始端A之间的第一、第三保偏开关201、203的光学路径长度与连接在偏振耦合检测系统4和待测光纤3终点端B的第二、第四保偏开关202、204相等，二者长度关于待测光纤3的中点对称。

4、所述的四个光学分路器为两个保偏开关和两个三端口环行器，第一保偏开关201、202的公共端s1分别与宽谱光源1和偏振耦合检测系统4连接，第一、第二三端口环行器205、206的输出端c2分别与待测光纤3的前端A和后端B相连；第一保偏开关201的常连端s2和动作端s3分别与第一、第二三端口环行器205、206的输入端c1相连，第二保偏开关202的常连端s2和动作端s3分别与第一、第二三端口环行器205、206的反射端c3相连。

5、连接在宽谱光源1和待测光纤3起始端A之间的第一保偏开关201、第一三端口环行器205的光学路径长度与连接在偏振耦合检测系统4和待测光纤3终点端B的第二保偏开关202、第二三端口环行器206相等，二者长度关于待测光纤3的中点对称。

6、所述的光信号可控换向机构2中保偏光纤开关、保偏光环行器的波长工作范围于宽谱光源1一致。

7、还包括旋转连接器51、52，可以在0-360°范围内连续旋转，连接器51将由宽谱光源1发出的，经过光信号可控换向机构2的传输主轴的偏振光，经过旋转注入到待测保偏光纤的传输主轴中；连接器52将从待测保偏光纤3中的输出光束旋转45°后，送入偏振耦合检测系统4。

8、所述的宽谱光源1、光信号可控换向机构2、待测保偏光纤3及其连接光纤均工作在单模、偏振保持状态。

本发明的提高保偏光纤偏振耦合测量精度和对称性的方法为：

由宽谱光源1、光信号可控换向机构2、待测保偏光纤3、偏振耦合检测系统4组成提高保偏光纤偏振耦合测量精度和对称性的装置；控制光信号换向机构2，使宽谱光由待测光纤3前端A进入待测光纤3由后端B输出，在耦合点的作用下分裂出一束耦合光，并与问询光一并进入偏振耦合检测系统4中，由其解算出前向问询时耦合点的位置和幅度信息，以及测量光纤的长度；

控制光信号换向问询机构2，使宽谱光由待测光纤3后端B进入待测光纤3由前端A输出，同样偏振耦合检测系统4解算出后向问询时耦合点位置和幅度信息，以及测量光纤的长度；

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，将后向第二幅测量结果的后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。

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，通过可旋转的光纤连接器51注入到一定长度的保偏光纤的慢轴(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，进入偏振耦合检测系统4中。在偏振耦合检测系统4中，分束器45、固定反射镜46、移动反射镜47组成一个Michelson光学干涉仪。输入光束被透镜41准直后，由分光器42分成两束，其中较小能量的一束到达CCD图像探测器43，另外较大能量的一束经过起偏器44后又被分光器45均匀分成两束，一束经过固定反射镜46的反射平移后回到分光器45成为测量光束1，另外一束同样经过移动反射镜47的反射平移后也回到分光器45，成为测量光束2。两光束经过透镜48聚焦后，汇聚在探测器49上被其接收，将光信号转换为电信号。测量计算机50的作用是控制移动反射镜47实现光程扫描，采集光电探测器49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50的控制下Michelson干涉仪的移动反射镜47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：

$\frac{L_c^{\′}}{L_c}={[1+{(2\mathrm{\π}\frac{{\mathrm{\Δ\λ}}^2}{{\mathrm{\λ}}^2}c\·\mathrm{\ΔD}\·l)}^2]}^{1/2}---\left(2\right)$

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、反向分别对保偏光纤的偏振耦合各测量一次。如图2所示，由宽谱光源1发出的宽谱光经过光信号可控换向机构2进入待测光纤3后，产生的问询光和耦合光一并进入到偏振耦合检测系统4中，光信号可控换向机构2，可将待测保偏光纤3分别正向和反向连接在宽谱光源1和偏振耦合检测系统4之间。这样对于正向测量时，光纤起点的传输光和耦合光经历了整个保偏光纤，因此色散对光纤起点的影响最大；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.结构简单，效果显著。此方法是对现有OCDP测量系统的技术改进，不需要改动现有的解调系统。通过光信号可控换向机构2完成保偏光纤3的正向和反向测量，对由此获得对称地两幅偏振耦合测量的处理和拼接，即可以部分消除色散对保偏光纤测量的影响，测量的保偏光纤越长，则对末端光纤的效果越明显。

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。由于光信号可控换向机构2可以实现双向正反侧问询的严格对称性，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。

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是利用1×2保偏光纤开关实现光信号可控换向机构的结构示意图；

图3是利用1×2保偏光纤开关和三端口保偏环行器实现光信号可控换向机构的结构示意图。

具体实施方式

发明的核心内容是如何能够实现从正向、反向分别对保偏光纤的偏振耦合的两次测量，即如何实现光信号可控换向机构2，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2所示。光信号可控换向机构2由四个1×2保偏光学开关组成，实现光的交叉换位。保偏开关201、202的公共端s1分别与宽谱光源1和偏振耦合检测系统4连接，保偏开关203、204的公共端s1分别通过旋转连接器51、52与待测光纤3的前端A和后端B相连；保偏开关201～204的常连端s2彼此相连，动作端s3交叉相连。不失一般性，如果要求测量保偏光纤在1550nm波长光的偏振耦合，则宽谱光源选择SLD，出纤功率大约5mW，谱宽大于30nm；1×2保偏光纤开关的工作波长选择为1550nm，单次通过的插入损耗小于1dB。构成光信号可控换向机构2四个光纤开关的长度要求连接在光源1和保偏光纤3起始端A之间的光纤开关201、203的光学路径长度与连接在偏振耦合检测系统4和保偏光纤3末端B端的光纤开关202、204相等，二者长度关于保偏光纤3的中点对称。

系统工作时，首先保偏开关201～204由输入端连通常连端s2，实现保偏光纤3由A端向B端的测量，即正向测量；然后，在同步控制信号的作用下，开关201～204一同由常连端切换到动作端s3，实现，保偏光纤3由B端向A端的测量，即反向测量；最后，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3所示。光信号可控换向机构2的构成也可以将图2中的两个1×2光纤开关替换三端口光纤环行器实现。

如图3所示。光信号可控换向机构2由四个1×2保偏光学开关组成，实现光的交叉换位。保偏开关201、202的公共端s1分别与宽谱光源1和偏振耦合检测系统4连接，三端口环行器205、206的输出端c2分别与待测光纤3的前端A和后端B相连；保偏开关201的常连端s2和动作端s3分别与环行器205、206的输入端c1相连，保偏开关202的常连端s2和动作端s3分别与环行器205、206的反射端c3相连。不失一般性，如果要求测量保偏光纤在1550nm波长光的偏振耦合，则宽谱光源选择SLD，出纤功率大约5mW，谱宽大于30nm；1×2保偏光纤开关、光环行器的工作波长选择为1550nm，单次通过的插入损耗小于1dB。构成光信号可控换向机构2四个光纤开关的长度要求连接在光源1和保偏光纤3起始端A之间的光纤开关201、环行器205的光学路径长度与连接在偏振耦合检测系统4和保偏光纤3末端B端的光纤开关202、环行器206相等，二者长度关于保偏光纤3的中点对称。

系统工作时，首先保偏开关201、202由输入端连通常连端s2，实现保偏光纤3由A端向B端的测量，即正向测量；然后，在同步控制信号的作用下，开关201、202一同由常连端切换到动作端s3，实现，保偏光纤3由B端向A端的测量，即反向测量；最后，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。

Claims (8)

1.一种提高保偏光纤偏振耦合测量精度和对称性的装置，包括宽谱光源（1）、光信号可控换向机构（2）、待测光纤（3）、偏振耦合检测系统（4）；其特征是：通过光信号可控换向机构（2），将待测光纤（3）分别正向和反向连接在宽谱光源（1）和偏振耦合检测系统（4）之间；由宽谱光源（1）发出的低相干光经过光信号可控换向机构（2）进入待测光纤（3）后，传输光及由传输光产生的耦合光一并进入到偏振耦合检测系统（4）中；通过偏振耦合检测系统（4）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。

2.根据权利要求1所述的提高保偏光纤偏振耦合测量精度和对称性的装置，其特征是：所述的光信号可控换向机构（2）由四个光学分路器级联组成。

3.根据权利要求2所述的提高保偏光纤偏振耦合测量精度和对称性的装置，其特征是：所述的四个光学分路器为四个保偏开关，实现光的交叉换位，第一、第二保偏开关（201、202）的公共端（s1）分别与宽谱光源（1）和偏振耦合检测系统（4）连接，第三、第四保偏开关（203、204）的公共端（s1）分别与待测光纤（3）的前端（A）和后端（B）相连；四个保偏开关（201～204）的常连端（s2）彼此相连、动作端（s3）交叉相连，在同步控制信号的作用下动作，保偏开关（201～204）由常连端（s2）一同切换到动作端（s3）。

4.根据权利要求3所述的提高保偏光纤偏振耦合测量精度和对称性的装置，其特征是：连接在宽谱光源（1）和待测光纤（3）起始端（A）之间的第一、第三保偏开关（201、203）的光学路径长度与连接在偏振耦合检测系统（4）和待测光纤（3）终点端（B）的第二、第四保偏开关（202、204）相等，二者相对于待测光纤（3）长度的中点具有对称关系。

5.根据权利要求2所述的提高保偏光纤偏振耦合测量精度和对称性的装置，其特征是：所述的四个光学分路器为两个保偏开关和两个三端口环行器，第一、第二保偏开关（201、202）的公共端（s1）分别与宽谱光源（1）和偏振耦合检测系统（4）连接，第一、第二三端口环行器（205、206）的输出端（c2）分别与待测光纤（3）的前端（A）和后端（B）相连；第一保偏开关（201）的常连端（s2）和动作端（s3）分别与第一、第二三端口环行器（205、206）的输入端（c1）相连，第二保偏开关（202）的常连端（s2）和动作端（s3）分别与第一、第二三端口环行器（205、206）的反射端（c3）相连。

6.根据权利要求5所述的提高保偏光纤偏振耦合测量精度和对称性的装置，其特征是：连接在宽谱光源（1）和待测光纤（3）起始端（A）之间的第一保偏开关（201）、第一三端口环行器（205）的光学路径长度与连接在偏振耦合检测系统（4）和待测光纤（3）终点端（B）的第二保偏开关（202）、第二三端口环行器（206）相等，二者相对于待测光纤（3）长度的中点具有对称关系。

7.根据权利要求1-6任何一项所述的提高保偏光纤偏振耦合测量精度和对称性的装置，其特征是：还包括两个旋转连接器（51、52），所述旋转连接器可以在0-360°范围内连续旋转，第一旋转连接器（51）将由宽谱光源（1）发出的，经过光信号可控换向机构（2）的传输主轴的偏振光，经过旋转注入到待测光纤的传输主轴中；第二连接器（52）将从待测光纤（3）中的输出光束旋转45°后，送入偏振耦合检测系统（4）。

8.一种提高保偏光纤偏振耦合测量精度和对称性的方法，其特征是：

由宽谱光源（1）、光信号可控换向机构（2）、待测保偏光纤（3）、偏振耦合检测系统（4）组成提高保偏光纤偏振耦合测量精度和对称性的装置；

光信号可控换向机构（2），使宽谱光由待测光纤（3）前端（A）进入待测光纤（3）由后端（B）输出，在耦合点的作用下分裂出一束耦合光，并与问询光一并进入偏振耦合检测系统（4）中，由其解算出前向问询时耦合点的位置和幅度信息，以及测量光纤的长度；

光信号可控换向机构（2），使宽谱光由待测光纤（3）后端（B）进入，由待测光纤（3）前端（A）输出，同样偏振耦合检测系统（4）解算出后向问询时耦合点位置和幅度信息，以及测量光纤的长度；

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，将后向第二幅测量结果的后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。

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