CN103196655A - 一种保偏光纤Verdet常数测量装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种保偏光纤Verdet常数的测试装置及其方法。测试装置主要包括光源与隔离模块、偏振控制注入模块、磁场及调制模块、精密移动平台、偏振分束器、光电探测器、信号处理模块和峰值检测模块。被测光纤的某一特征轴在出射端与偏振分束器对轴耦合。测试方法将激光器发出的光经偏振控制注入模块变成圆偏振光输入待测光纤，经偏振分束器分为两束光，移动导轨控制磁场的位置，采集两束光强，对两束光强进行处理获取相应的电压信号峰峰值，进一步计算保偏光纤的Verdet常数。本发明简单易操作，在保证最大测量灵敏度的同时，避免了在光纤注入端的对轴操作和角度调整引入的测量误差，且进一步提高了测量精度。

Description

一种保偏光纤Verdet常数测量装置及方法

技术领域

本发明涉及提高保偏光纤陀螺精度的技术领域，具体涉及一种保偏光纤Verdet常数测量装置及方法。

背景技术

光纤陀螺是利用萨格纳克(Sagnac)效应测量物体转动角速度的一种高精度传感器，是一种结构简单、成本低、潜在精度较高的新型全固态惯性器件，将成为惯性导航和战略应用领域的主要仪表。

在敏感环是单模光纤的光纤陀螺中，由于纤芯的椭圆度、内部残余应力等因素引入的双折射效应在萨格纳克干涉仪中产生了偏振相位误差，导致了陀螺的零漂和信号衰落。为了减小随机双折射引入的偏振误差，具有良好线偏振保持能力的保偏光纤被广泛采用，它推动了光纤陀螺的高精度和小型化发展。

保偏光纤的采用不仅有利于减小双折射引起的非互异性，还能抑制光纤陀螺中的法拉第效应。法拉第效应这样描述：当一束线偏振光通过某一介质时，若在光束传播的方向上存在磁场，光经过介质后，线偏振光的偏振面就会旋转一个角度，即磁场让介质有了旋光效应。事实上，对于10^-4T的磁场，保偏光纤的应用使残余相位误差降为1μrad的量级。目前，保偏光纤陀螺在空间应用中仍然需要采取磁屏蔽措施，以进一步减小法拉第效应引起的非互异性相位误差。在保偏光纤陀螺应用中，地磁场产生的法拉第效应将产生偏差，例如：对环长度300m，精度0.2°/h的陀螺，地磁场（～10^-5T）产生大约为2°/h的偏差。因此，如果能够精确测量出陀螺中的法拉第效应，对陀螺精度的提高存在着积极的意义。

光纤线圈中因为扭转引起的圆双折射是产生法拉第相位误差的主要原因。由于预制棒制做、绕环等因素会不可避免地引入扭转，保偏光纤中依旧存在着残余圆双折射。假设地磁场B_earth沿光纤环长度L相长地积分，最大非互异性相位误差φ_F＝2VB_earthL，其中V是光纤的Verdet（维尔德）常数。Verdet通常取决于材质、温度和波长。研究表明，可以用光纤双折射系数Δβ、光纤扭转率t_W、单位长度的法拉第旋转角θ_R来估计法拉第相位误差的数值，并由此计算出光纤陀螺的误差。其中θ_R直接反映了Verdet常数的影响：θ_R=BV，B为磁感应强度。因此保偏光纤的Verdet常数测量至关重要。

光纤本身的双折射对传统测量Verdet常数方法有着很大的影响。法拉第旋转角θ_F和Verdet常数V之间存在这样的关系：θ_F＝VBL，B为磁感应强度、L为磁场作用距离。法拉第效应对普通光纤体现为输入线偏光偏振面的旋转，所以只需测量出偏振面的旋转角θ_F和作用长度上的磁场强度就可以确定Verdet常数。然而光纤残余双折射会引入圆偏振光，无法和法拉第旋转角分开，给测量带来很大的误差。普通单模光纤的残余线双折射较小，检测信号尚能反应出法拉第旋转角的影响，由于保偏光纤的高双折射特性带来的相位差α远大于法拉第旋转角θ_F，例如磁场强度为5×10⁵A/m时，在1mm作用距离下，α和θ_F分别为0.6rad和10^-3rad，高双折射抑制了线偏振光的旋转，因此很难通过直接检测输入线偏光的偏振面旋转的角度来确定Verdet常数。

传统方法采用空间光耦合的方式测量保偏光纤的Verdet常数，基本原理是测量磁场作用下的法拉第旋转角，该方法被广泛应用于测量单模光纤等线性双折射较小的介质，但该方法需要很大的磁场强度或者需要对磁场进行一定频率的调制并辅以相干解调电路。

发明内容

本发明针对传统方法测量保偏光纤Verdet常数的局限性，提供了一种保偏光纤Verdet常数测量装置及方法。本发明充分利用了保偏光纤的双折射特性，不需要很强的磁场或复杂的相干解调电路。

本发明的一种保偏光纤Verdet常数测量装置，包括：激光器、隔离器、Y波导、1/2波片、1/4波片、光纤夹具、磁场及调制模块、精密移动平台、被测保偏光纤、偏振分束器、PIN光电探测器、信号处理模块、峰值检测模块以及输出面板。激光器、隔离器、Y波导、1/2波片和1/4波片依次通过光纤相连；被测保偏光纤的两端通过光纤夹具固定在磁场及调制模块的磁场中；磁场及调制模块放置在精密移动平台上；1/4波片的输出端通过光纤适配器与被测保偏光纤的入射端连接，被测保偏光纤的出射端通过光纤适配器与光纤偏振分束器的输入端连接；偏振分束器通过光纤适配器连接PIN光电探测器，PIN光电探测器再通过电线依次连接信号处理模块、峰值检测模块以及输出面板。被测保偏光纤的某一特征轴在出射端与偏振分束器对轴耦合。

激光器产生的光经隔离器输出给Y波导，经Y波导后变成线偏振光，线偏振光通过1/2波片和1/4波片变成圆偏振光，圆偏振光进入被测保偏光纤。磁场及调制模块提供稳定的磁场，并通过精密移动平台以某恒定速率移动；被测保偏光纤出射的光经偏振分束器分为两束，PIN光电探测器探测两束光的强度，并将光强转化为两路模拟电压信号输入信号处理模块。信号处理模块对两路模拟电压信号进行数字量化得到电压信号V₁和V₂，经过

运算得到电压信号S，并将电压信号S再次转换为模拟信号输出给峰值检测模块和输出面板。峰值检测模块检测输入的电压信号的峰峰值V_p-p，并输出给输出面板；输出面板对信号处理模块输入的模拟信号进行滤波，并实时确定Verdet常数其中，H为磁场及调制模块的磁场强度，L_B为被测保偏光纤拍长，l为磁隙宽度。

本发明的一种保偏光纤Verdet常数测量方法，应用上述装置，进行如下步骤：

步骤1：搭建如下光路：将激光器输出尾纤连接旋转起偏器，旋转起偏器通过FC/PC光纤头连接被测保偏光纤的入射端，被测保偏光纤的出射端通过FC/PC光纤头连接消光比测试仪。打开激光器，调节旋转起偏器至消光比测试仪的读数最大，保持旋转起偏器与被测保偏光纤的位置不变。

步骤2：将被测保偏光纤的出射端通过“适配器-法兰-适配器”的方式与偏振分束器连接，偏振分束器的两输出臂通过光纤适配器接入双通道光功率计。旋转偏振分束器其中一个输出臂连接的光纤适配器，使得双通道光功率计两通道的输出一个达到最大值，另一达到最小值，然后保持被测保偏光纤与偏振分束器的位置不变。

步骤3：将被测保偏光纤与偏振分束器接入本发明的测试装置中，用光纤夹具将被测保偏光纤固定于精密移动平台上的磁场及调制模块的磁场中，启动本发明测试装置。

步骤4：设定磁场及调制模块提供一个稳定的磁场，通过精密移动平台以某恒定速率按照某一固定方向，移动磁场及调制模块；PIN光电探测器采集偏振分束器两臂输出的正交偏振光，两臂输出的正交偏振光的光强为I₁、I₂，通过信号处理模块得到输出电压信号S=|I₁-I₂|/(I₁+I₂)。

步骤5：电压信号S转换为模拟信号输出给峰值检测模块和输出面板。峰值检测模块将检测的电压信号的峰峰值V_p-p输出给输出面板；输出面板对输入的模拟信号进行滤波，并实时确定Verdet常数

其中，H为磁场及调制模块的磁场强度，L_B为被测保偏光纤拍长，l为磁隙宽度。

本发明的测试装置结构简单，测试方法简单，不需要很强的磁场或复杂的相干解调电路，用户界面友好，具有使用方便，响应灵敏度高的特点。本发明使用的磁场及调制模块能够使线圈不受温度变化的影响，保证了磁场分布和强度的稳定，进一步提高了测量精度。输出面板设计了变量输入，以便于将各参量带入公式计算。本发明的测试装置和方法，充分利用了保偏光纤的高双折射特性，采用圆偏振光注入，在保证最大测量灵敏度的同时，避免了在光纤注入端的对轴操作和角度调整引入的测量误差，使操作更加简便易行，可实现对应力致偏保偏光纤或实心光子晶体保偏光纤的测量，实用性强。

附图说明

图1是本发明的保偏光纤Verdet常数测量装置的示意图；

图2是本发明的被测保偏光纤与旋转起偏器晶体对轴所用装置示意图；

图3是本发明的被测保偏光纤与偏振分束器对轴耦合所用装置示意图；

图4是峰值检测模块的部分电路图；

图5是输出面板输出的一个示例图；

图6是本发明的保偏光纤Verdet常数测量方法的流程图。

其中：

1-激光器；2-隔离器；3-Y波导；4-1/2波片；5-1/4波片；6-光纤夹具；7-磁场及调制模块；8-精密移动平台；9-被测保偏光纤；10-偏振分束器；11-光电探测器PIN；12-信号处理模块；13-峰值检测模块；14-输出面板；15-旋转起偏器；16-消光比测试仪；17-双通道光功率计。

具体实施方式

下面将结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。

在磁场的作用下，进入光纤的偏振光由于法拉第效应会发生偏振态的改变，一般情况通过测量出射光的偏振态即可到Verdet常数信息。但是保偏光纤的高双折射特性会强烈地抑制这种改变，对检测带来困难。传统方法在测量Verdet常数时需要很强的磁场或复杂的相干解调电路。本发明提供了一种新的技术方案，充分利用保偏光纤的双折射特性，只需改变磁场与被测光纤的相对位置，并用简单的信号处理方法就能测量保偏光纤的Verdet常数，具有良好的重复性和较高的精度。

下面说明一下本发明测量装置及方法实现的原理。

当磁场相对于光纤的作用位置发生改变时，输出信号会呈现周期性变化，其信号的周期反映了光纤的拍长，信号的幅度中包含Verdet常数的信息。

将一束光强为E₀的圆偏振光注入被测保偏光纤，光束的Jones矢量表示为：

$\left(\begin{array}{c}{E}_x\\ E_y\end{array}\right)=\frac{\sqrt{2}}{2}{E}_0\left(\begin{array}{c}1\\ i\end{array}\right)---\left(1\right)$

其中，E_x、E_y分别为正交方向x轴和y轴上的分量，i是虚数单位。

被测保偏光纤可分为三段l₀、l和l₁，其中l段处于磁场作用下，l₀和l₁这两段没有外加磁场，则l₀段由双折射引起的相位差α₀＝2πl₀/L_B，则l₁段由双折射引起的相位差α₁＝2πl₁/L_B，其中，L_B表示被测保偏光纤的拍长。l₀和l₁两段光纤的传输特性分别用Jones矩阵表示为：

$M_0=\left(\begin{array}{cc}{e}^{i\frac{{\mathrm{\α}}_0}{2}}& 0\\ 0& e^{-i\frac{{\mathrm{\α}}_o}{2}}\end{array}\right)---\left(2\right)$

$M_1=\left(\begin{array}{cc}{e}^{i\frac{{\mathrm{\α}}_1}{2}}& 0\\ 0& e^{-i\frac{{\mathrm{\α}}_1}{2}}\end{array}\right)---\left(3\right)$

其中，M₀为l₀段光纤的传输的Jones矩阵，M₁为l₁段光纤的传输的Jones矩阵。

在l段上有磁场作用，l段光纤的传输的Jones矩阵M为：

$M=\left(\begin{array}{cc}\cos \mathrm{\Ψ}+i\cos x\sin \mathrm{\Ψ}& -\sin x\sin \\ \sin x\sin \mathrm{\Ψ}& \cos \mathrm{\Ψ}-i\cos x\sin \mathrm{\ψ}\end{array}\right),---\left(4\right)$

式中，Ψ、

、x是为了简化计算表达而引入的中间变量，α是l段光纤由于线双折射引起的相位差，

Ω=VHl是l段光纤中的法拉第旋转角，V是Verdet（维尔德）常数，H表示磁场强度；

当偏振分束器的主轴与被测保偏光纤主轴夹角为0度时，由被测保偏光纤到偏振分束器的传输矩阵 $M_w=\left(\begin{array}{cc}1& 0\\ 0& 1\end{array}\right),$

偏振分束器两检偏轴上的电场分量可表示为：

$\left(\begin{array}{c}{E}_1\\ E_2\end{array}\right)=M_w\·M_1\·M\·M_0\·\left(\begin{array}{c}{E}_x\\ E_y\end{array}\right)---\left(5\right)$

两路探测器探测到的光强I₁=E₁×E₁ ^*和I₂=E₂×E₂ ^*，此处E₁和E₂上角标加*表示复共轭。光强I₁和I₂转换为的数字量化后的电压信号为V₁和V₂，将两路电压信号经过转换放大电路，采用校正一致的定标因子，并进行加、减和除法运算，最后可得输出电压信号S如下：

$S=\frac{|V_1-V_2|}{V_1+V_2}=\frac{|I_1-I_2|}{I_1+I_2}---\left(6\right)$

计算（5）式，忽略高阶小量，可得

$I_1=\frac{E_0^2}{2}[1-A\sin (\frac{\mathrm{\α}}{2}+{\mathrm{\α}}_0)]---\left(7\right)$

$I_2=\frac{E_0^2}{2}[1+A\sin (\frac{\mathrm{\α}}{2}+{\mathrm{\α}}_0)]---\left(8\right)$

其中，信号的幅度值

$A=\frac{4\mathrm{\Ω}}{\mathrm{\α}}\sin \frac{\mathrm{\α}}{2}=\frac{{2\mathrm{VHL}}_B}{\mathrm{\π}}\sin \left(\frac{l}{L_B}\mathrm{\π}\right)---\left(9\right)$

将式（7）和（8）代入式（6），可得到输出信号S：

$S=A\cos \left(\frac{l+2l_1}{L_B}\mathrm{\π}\right)---\left(10\right)$

将信号幅度值A代入式（10）后，可见，输出信号S正比于法拉第旋转角Ω，即当磁场沿光纤纵轴相对移动时，S随l₁的变化呈现周期性余弦变化，其空间周期恰为一个拍长L_B。令磁场在导轨上移动速度为v，则输出信号S的频率f＝v2L_B，而信号的幅值部分包含Verdet常数的信息，因此通过检测交流信号的幅值可以获得Verdet常数。这样就实现了保偏光纤Verdet常数的测量。若被测保偏光纤的拍长的变化范围是1mm～5mm，导轨移动速率为5cm/s，输出信号S的频率范围是5～25Hz，属于峰值测量电路检测精度范围内。

基于上述原理，本发明利用精密移动导轨控制磁场的位置，利用Y波导获得线偏光，利用1/4、1/2波片组合的方式获得圆偏振光，采用使用式（6）所示的“差除和”的方法处理偏振分束器输出的光强信号，利用峰值检测电路探测信号的幅值，最后利用输出面板获取光纤参数带入公式完成计算，并显示原始信号和滤波去噪后的信号的波形。

如图1所示，本发明提供的保偏光纤Verdet常数测量装置，包括：激光器1，隔离器2，Y波导3，1/2波片4，1/4波片5，光纤夹具6，磁场及调制模块7，精密移动平台8，被测保偏光纤9，偏振分束器10，PIN光电探测器11，信号处理模块12，峰值检测模块13，输出面板14。激光器1和隔离器2组成了光源与隔离模块，激光器1用于产生光源。Y波导3、1/2波片4以及1/4波片5组成偏振控制注入模块。偏振分束器10和PIN光电探测器11组成偏振分束及探测单元。

激光器1、隔离器2、Y波导3、1/2波片4和1/4波片5依次通过光纤相连。被测保偏光纤9的两端通过光纤夹具6固定在磁场及调制模块7的磁场中，磁场及调制模块7放置在精密移动平台8上，精密移动平台8用于移动磁场及调制模块7。1/4波片5的输出端与被测保偏光纤9的入射端连接，偏振分束器10的输入端与被测保偏光纤9的出射端连接。激光器1、隔离器2和Y波导3之间用尾纤熔接方式连接。被测保偏光纤9和1/4波片5之间、被测保偏光纤9和偏振分束器10之间都用光纤适配器即插即用方式连接，以便于对轴调整。

偏振分束器10通过光纤适配器连接PIN光电探测器11，PIN光电探测器11再通过电线依次连接信号处理模块12、峰值检测模块13以及输出面板14。

激光器1产生的光经隔离器2输出给Y波导3，经Y波导3后变成消光比较高的线偏振光，线偏振光再通过调整1/2波片4和1/4波片5变成圆偏振光，圆偏振光进入被测保偏光纤9。在测试开始前，将被测保偏光纤9的某一特征轴在出射端与偏振分束器10对轴耦合。磁场及调制模块7提供稳定的磁场。调整磁场及调制模块7中的磁场至某一固定值，通过精密移动平台8以某恒定速率移动磁场及调制模块7。被测保偏光纤9出射的光经偏振分束器10分为两束，PIN光电探测器11探测两束光的强度I₁和I₂，并将光强转化为两路模拟电压信号，输入信号处理模块12。信号处理模块12对两路模拟电压信号进行数字量化得到电压V₁和V₂、再进行“差除和”运算得到电压信号S，并将电压信号S再次转换为模拟量输出给峰值检测模块13和输出面板14。峰值检测模块13检测输入的信号的峰峰值，并输出给输出面板14。输出面板14对信号处理模块12输入的模拟信号进行滤波，结合峰值检测模块13输入的峰峰值，确定Verdet常数，并显示给用户。

本发明具体实施方式中，通过调整1/2波片4的主轴和1/4波片5的主轴之间的夹角成45°，保证圆偏振光进入被测保偏光纤9。

本发明具体实施方式中，被测保偏光纤9为应力致偏保偏光纤或实心光子晶体保偏光纤。

在将被测保偏光纤9安装在图1所示的测量装置上后，在测试开始前，需将被测保偏光纤9的某一特征轴在出射端与偏振分束器10对轴耦合，即使被测保偏光纤9快轴（或慢轴）与偏振分束器10晶体的主轴对准。本发明具体实施方式中，利用图2和图3所示电路进行对轴耦合，具体是：

首先，搭建如图2所示的光路，激光器1输出尾纤连接旋转起偏器15，旋转起偏器15通过FC/PC光纤头连接被测保偏光纤9的入射端。被测保偏光纤9的出射端通过FC/PC光纤头和消光比测试仪16连接。打开激光器1，调节旋转起偏器15至消光比测试仪16的读数最大，使被测保偏光纤9与旋转起偏器15对轴，保持旋转起偏器15与被测保偏光纤9的位置不变。

其次，搭建如图3所示的光路，相对于图2的光路，被测保偏光纤9的出射端通过“适配器-法兰-适配器”的方式与偏振分束器10连接，偏振分束器10的两输出臂通过光纤适配器接入双通道光功率计17。旋转其中一个偏振分束器10的输出臂连接的光纤适配器，使得双通道光功率计17两通道的输出一个达到最大值，另一达到最小值。此时被测保偏光纤9某一特征轴在出射端与偏振分束器10对轴耦合。保持被测保偏光纤9与偏振分束器10的位置不变，并将被测保偏光纤9与偏振分束器10接入图1的测试装置中。

图1、图2和图3中，在被测保偏光纤9标记*号的一端为出射端。

信号处理模块12对两路模拟电压信号进行数字量化后的“差除和”运算，是指根据式（6）进行运算，得到输出电压信号

峰值检测模块13采用模拟电路，运用了运算放大器、场效应管、二极管和电容组成了峰值检测器，对500kHz以下、100mv以上的输入信号的检测精度达3%以内。部分电路图如图4所示。运算放大器OPA606的同向输入端作为输入In，场效应晶体管IN914和10pF的电容并联，然后串联在运算放大器OPA606的反向输入端和输出端之间；运算放大器OPA128的输出端作为输出端Out，运算放大器OPA128的输出端和反向输入端连接，并串列10kΩ的电阻至在运算放大器OPA606的反向输入端；运算放大器OPA606的输出端依次串联晶体管IN914和1MΩ的电阻至运算放大器OPA128的反向输入端；运算放大器OPA128的同向输入端连接场效应管2N4117A的漏极，场效应管2N4117A的源极串联1nF的电容后接地，场效应管2N4117A的栅极连接运算放大器OPA606的输出端连接的晶体管IN914的输出端。

本发明具体实施例中所采用的峰值检测模块13具有如下优点：（1）采用场效应晶体管（FET）运放提高直流特性，减小偏置电流OPA128的偏置电流低至80fA以下；（2）将场效应管当二极管用，可以有效减小反向电流同时增加前置运放的输出驱动力；（3）小电容的应用防止自激振荡。

本发明具体实施例中，输出面板14采用Labview软件编写，完成了磁场强度、磁隙宽度和光纤拍长等参量的输入。如图5所示，输出面板14接收信号处理模块12输出的信号和峰值检测模块13输出的电压峰峰值，并对信号处理模块12输出的信号进行低通滤波处理并输出波形，如图5所示，同时根据输入各参量的值，有磁场强度H，光纤拍长L_B，磁隙宽度l与采集的电压峰峰值V_p-p，根据式(11)实时计算出Verdet常数：

$V=\frac{V_{p-p}\mathrm{\π}}{4H{L}_B\sin \left(\frac{l}{L_B}\mathrm{\π}\right)}---\left(11\right)$

磁场强度H就是磁场及调制模块7的磁场强度，电压峰峰值V_p-p就是式(10)中的信号幅值A。磁场作用光纤的距离定义为磁隙宽度，也就是式(10)中的l，是根据磁场及调制模块7得到的给定值。

如图6所示，为本发明应用上述测量装置实现Verdet常数的测量方法，包括如下步骤：

步骤1：搭建如图2所示的光路，激光器1输出尾纤连接旋转起偏器15，旋转起偏器15通过FC/PC光纤头连接被测保偏光纤9的入射端。被测保偏光纤9的出射端通过FC/PC光纤头和消光比测试仪16连接。打开激光器1，调节旋转起偏器15至消光比测试仪16的读数最大，使被测保偏光纤9与旋转起偏器15对轴，保持旋转起偏器15与被测保偏光纤9的位置不变。

步骤2：如图3所示光路，改变被测保偏光纤9的出射端的连接设备，将被测保偏光纤9的出射端通过“适配器-法兰-适配器”的方式与偏振分束器10连接，偏振分束器10的两输出臂通过光纤适配器接入双通道光功率计17。旋转其中一个偏振分束器10的输出臂连接的光纤适配器，使得双通道光功率计17两通道的输出一个达到最大值，另一达到最小值。此时被测保偏光纤9某一特征轴在出射端与偏振分束器10对轴耦合。保持被测保偏光纤9与偏振分束器10的位置不变。

步骤3：将被测保偏光纤9与偏振分束器10接入图1的测试装置中，用光纤夹具6将被测保偏光纤9固定于精密移动平台8上的磁场及调制模块7的磁场中，启动本发明的测试装置，打开测试装置中的激光器1、磁场及调制模块7和各模块的电源，确保测试装置正常工作。

步骤4：调整导轨步进电机的速度为v，按照某一固定方向，在精密移动平台8上移动磁场及调制模块7。由PIN光电探测器11采集偏振分束器10两臂输出的正交偏振光，两臂输出的正交偏振光的光强为I₁、I₂，再通过信号处理模块12得到输出电压信号S=|I₁-I₂|/(I₁+I₂)。

步骤5：电压信号S通过D/A（数字/模拟）转化变成模拟量，输出给峰值采集模块13和输出面板14。经峰值采集模块13得到电压峰峰值V_p-p，并输出给输出面板14。输出面板对信号处理模块输入的模拟信号进行滤波，并实时确定Verdet常数

其中，H为磁场及调制模块的磁场强度，L_B为被测保偏光纤拍长，l为磁隙宽度。

实施例：测量长飞公式生产的熊猫型125保偏光纤的Verdet常数

步骤1：根据图2搭建光路，激光器1尾纤输出的光与旋转起偏器15通过FC/PC头连接。被测保偏光纤9的两端分别于旋转起偏器15和消光比测试仪16的输入端耦合。打开激光器1，调节旋转起偏器15的旋钮，观察消光比测试仪16的读数，当消光比示数最大时，说明被测保偏光纤9与旋转起偏器15的晶体对轴。

步骤2：根据图3搭建光路，保持步骤1中旋转起偏器与被测保偏光纤9的位置不变。被测保偏光纤9的输出端通过“适配器-法兰-适配器”的方式与偏振分束器10连接。偏振分束器10的两输出臂分别通过光纤适配器接入双通道光功率计17。通过旋转偏振分束器10其中一个输出臂连接的光纤适配器来调节被测保偏光纤9与偏振分束器10之间的耦合角度，使光功率计17两通道的输出一个达到最大值，另一通道达到最小值。此时被测保偏光纤9输出端的某一特征轴与偏振分束器10对轴耦合。

步骤3：保证被测保偏光纤9与偏振分束器10之间的耦合角度不变，并将被测保偏光纤9与偏振分束器10接入图1所示的测试装置中。用光纤夹具6将被测保偏光纤9固定于精密移动平台8上的磁场及调制模块7的磁场中。然后打开测试装置中的激光器1、磁场及调制模块7和测试装置中各模块电路的电源，确保测试装置中各模块电路正常工作。

步骤4：调整导轨步进电机的速度为v，按照某一固定方向，通过精密移动平台8移动磁场及调制模块7。由PIN光电探测器11采集偏振分束器10两臂输出的正交偏振光，并将光强转化为两路模拟电压信号输入信号处理模块12。再通过信号处理模块12进行运算得到电压信号S=|V₁-V₂|/(V₁+V₂)=|I₁-I₂|/(I₁+I₂)。其中，I₁、I₂代表采集偏振分束器10两臂的光强。

步骤5：运算后的电压信号S通过D/A变成模拟量，输入峰值采集模块13，通过峰值采样-保持电路、比例运算、A/D模块等输出数字量电压峰峰值给输出面板14。电压信号S输入输出面板14，经过FIR（Finite Impulse Response）低通滤波器并显示波形。如图5所示，在输出面板14界面输入实验参量：磁场强度=600000A/m；磁隙宽度=1mm；光纤拍长=3.8mm。峰值采集模块13采集的电压峰峰值为1.15905V，计算出Verdet常数=1.08536×10^-6rad/A，并显示原始波形和滤波去噪后结果。

Claims (4)

1.一种保偏光纤Verdet常数测量装置，其特征在于，包括如下组件：激光器(1)，隔离器(2)，Y波导(3)，1/2波片(4)，1/4波片(5)，光纤夹具(6)，磁场及调制模块(7)，精密移动平台(8)，被测保偏光纤(9)，偏振分束器(10)，PIN光电探测器(11)，信号处理模块(12)，峰值检测模块(13)，以及输出面板(14)；激光器(1)、隔离器(2)、Y波导(3)、1/2波片(4)和1/4波片(5)依次通过光纤相连；被测保偏光纤(9)的两端通过光纤夹具(6)固定在磁场及调制模块(7)的磁场中；磁场及调制模块(7)放置在精密移动平台(8)上；1/4波片(5)的输出端通过光纤适配器与被测保偏光纤(9)的入射端连接，被测保偏光纤(9)的出射端通过光纤适配器与光纤偏振分束器(10)的输入端连接；偏振分束器(10)通过光纤适配器连接PIN光电探测器(11)，PIN光电探测器(11)再通过电线依次连接信号处理模块(12)、峰值检测模块(13)以及输出面板(14)；被测保偏光纤(9)的某一特征轴在出射端与偏振分束器(10)对轴耦合；

激光器(1)产生的光经隔离器(2)输出给Y波导(3)，经Y波导(3)后变成线偏振光，线偏振光通过1/2波片(4)和1/4波片(5)变成圆偏振光，圆偏振光进入被测保偏光纤(9)；磁场及调制模块(7)提供稳定的磁场，并通过精密移动平台(8)以某恒定速率移动；被测保偏光纤(9)出射的光经偏振分束器(10)分为两束，PIN光电探测器(11)探测两束光的强度，并将光强转化为两路模拟电压信号输入信号处理模块(12)；信号处理模块(12)对两路模拟电压信号进行数字量化得到电压信号V₁和V₂，经过

运算得到电压信号S，并将电压信号S再次转换为模拟信号输出给峰值检测模块(13)和输出面板(14)；峰值检测模块(13)检测输入的电压信号的峰峰值V_p-p，并输出给输出面板(14)；输出面板(14)对信号处理模块(12)输入的模拟信号进行滤波，并实时确定Verdet常数其中，H为磁场及调制模块(7)的磁场强度，L_B为被测保偏光纤(9)拍长，l为磁隙宽度。

2.根据权利要求1所述的测试装置，其特征在于，所述的1/2波片(4)的主轴和1/4波片(5)的主轴之间的夹角调制成45°。

3.根据权利要求1所述的测试装置，其特征在于，所述的被测保偏光纤(9)为应力致偏保偏光纤或实心光子晶体保偏光纤。

4.应用权利要求1至3任一所述的测试装置进行保偏光纤Verdet常数测量的方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤1：首先，搭建如下光路：将激光器连接旋转起偏器，旋转起偏器通过FC/PC光纤头连接被测保偏光纤的入射端，被测保偏光纤的出射端通过FC/PC光纤头连接消光比测试仪；然后，打开激光器，调节旋转起偏器至消光比测试仪的读数最大，保持旋转起偏器与被测保偏光纤的位置不变；

步骤2：将被测保偏光纤的出射端通过“适配器-法兰-适配器”的方式与偏振分束器连接，偏振分束器的两输出臂通过光纤适配器接入双通道光功率计；旋转偏振分束器其中一个输出臂连接的光纤适配器，使得双通道光功率计两通道的输出一个达到最大值，另一达到最小值，然后保持被测保偏光纤与偏振分束器的位置不变；

步骤3：将被测保偏光纤与偏振分束器接入本发明的测试装置中，用光纤夹具将被测保偏光纤固定于精密移动平台上的磁场及调制模块的磁场中，启动本发明测试装置；

步骤4：设定磁场及调制模块提供一个稳定的磁场，通过精密移动平台以某恒定速率按照某一固定方向，移动磁场及调制模块；PIN光电探测器采集偏振分束器两臂输出的正交偏振光，两臂输出的正交偏振光的光强为I₁、I₂，通过信号处理模块得到输出电压信号S=|I₁-I₂|/(I₁+I₂)；

步骤5：电压信号S转换为模拟信号输出给峰值检测模块和输出面板；峰值检测模块将检测的电压信号的峰峰值V_p-p输出给输出面板；输出面板对输入的模拟信号进行滤波，并实时确定Verdet常数

其中，H为磁场及调制模块的磁场强度，L_B为被测保偏光纤拍长，l为磁隙宽度。

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