CN103363905A - 一种基于光谱分析的保偏光纤长度测量系统及其方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于光谱分析的保偏光纤长度测量系统及其方法，测量系统包括SLD光源、待测保偏光纤、带保偏尾纤的起偏器、光谱仪、消光比测试仪、光纤适配器；测量方法，包括以下几个步骤：首先，构建I_s测试光路；然后，设定SLD光源的保偏尾纤与待测保偏光纤的熔接角度θ₂；第三，构建ER_f测试光路；第四，构建ER_p测试光路；第五，构建I_out测试光路；本发明系统测试装置简单，易操作；本发明系统测试系统稳定，测量数据准确；本发明系统提高了光纤环绕之前分纤的准确度，能够基本消除分纤时长度设定的困扰；本发明系统中采用带保偏尾纤的起偏器能够保证输出光波的光谱形状不受弯曲、应力等外界的影响。

Description

一种基于光谱分析的保偏光纤长度测量系统及其方法

技术领域

本发明涉及光学应用领域，具体而言涉及一种基于光谱分析的保偏光纤长度测量系统及其方法。 

背景技术

光纤环是光纤陀螺的核心敏感器件，光纤陀螺的精度与光纤环的长度有关，不同精度的光纤陀螺对应不同长度的光纤环，因此在光纤环绕制之前，需要通过光纤绕环机或分纤机把光纤桶上的光纤按需要的长度绕在分纤环上。由于绕环机或分纤机内部的软件误差，机器显示的光纤长度与实际的光纤长度之间有一定的误差，并且随着光纤长度的增加，积累的误差越大。为了减小或消除温度引起的Shupe非互易相位误差，光纤陀螺的光纤环绕制工艺采用四极对称绕法，这就需要光纤环是从光纤的中点起绕。因此光纤环在绕制前还需要将光纤从第一个分纤环上分一半到另一个分纤环上。由于分纤误差的存在以及误差的不确定性，使得第一个分纤环上光纤的实际长度未知，这将给第二次分纤的长度造成困扰，因此能够精确测量光纤长度具有重要的意义。 

传统的光纤测量方法主要包括光时域反射仪（OTDR），光频域反射仪（OFDR），光低相干反射仪（OLCR）等。其中OTDR是基于后向瑞利散射和菲涅尔反射原理制成的，是目前最广泛的测量光纤长度的仪器。OTDR的优点是测量长度高达上百公里，缺点是测量精确度较差，只能达到米的量级，且不可测量短距离光纤，设备体积庞大。OFDR和OLCR的测量精度虽然相对较高，分别可以达到毫米和几十微米量级，但是实际操作的稳定性和可靠性比较低。另外，复杂的结构与高昂的造价也一定程度上限制了他们的应用。 

发明内容

本发明的目的是解决上述问题，提出了一种基于光谱分析的保偏光纤长度测量系统及其方法。其中基于光谱分析的测量方法的优点是方法简单，测量准确，实际操作的稳定性和可靠性比较高。测量系统中采用的SLD光源可以提供部分偏振光；系统中采用带保偏尾纤的起偏器能够保证输出光波的光谱形状不受弯曲、应力等外界的影响。 

一种基于光谱分析的保偏光纤长度测量系统，包括SLD光源、待测保偏光纤、带保偏尾纤的起偏器、光谱仪、消光比测试仪、光纤适配器； 

一种基于光谱分析的保偏光纤长度测量方法，包括以下几个步骤： 

首先，构建I_s测试光路； 

然后，设定SLD光源的保偏尾纤与待测保偏光纤的熔接角度θ₂； 

第三，构建ER_f测试光路； 

第四，构建ER_p测试光路； 

第五，构建I_out测试光路； 

本发明的优点在于： 

（1）本发明系统测试装置简单，易操作； 

（2）本发明系统测试系统稳定，测量数据准确； 

（3）本发明系统提高了光纤环绕之前分纤的准确度，能够基本消除分纤时长度设定的困扰； 

（4）本发明系统中采用带保偏尾纤的起偏器能够保证输出光波的光谱形状不受弯曲、应力等外界的影响。 

附图说明

图1是本发明构建I_s测试光路结构示意图； 

图2（a）本发明构建ER_f测试光路结构示意图； 

图2（b）本发明构建ER_p测试光路结构示意图； 

图3是本发明待测保偏光纤快慢轴分量与起偏器透光轴分量及垂直透光轴分量的数值关系示意图； 

图4是本发明构建I_out测试光路结构示意图； 

图中： 

1—SLD光源     2—待测保偏光纤     3—起偏器 

4—光谱仪      5——消光比测试仪   6—光纤适配器 

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。 

本发明的一种基于光谱分析的保偏光纤长度测量系统，包括带保偏尾纤的SLD光源1、待测保偏光纤2、带保偏尾纤的起偏器3、光谱仪4、消光比测试仪5、光纤适配器6。 

本发明的一种基于光谱分析的保偏光纤长度测量方法，包括以下几个步骤： 

首先，构建I_s测试光路，如图1所示，将SLD光源1的保偏尾纤通过光纤适配器6与光谱仪4连接，测得SLD光源1输出光波的光谱形状，得到光谱中各单色光波的光强I_s，其中SLD光源1的输出光与保偏尾纤慢轴的夹角θ₁，θ₁作为带保偏尾纤的SLD光源1的一个参数已知。 

然后，将SLD光源1的保偏尾纤与待测保偏光纤2通过保偏光纤熔接机进行熔接，光纤熔接机可以根据实际需要设定SLD光源1的保偏尾纤与待测保偏光纤2的熔接角度θ₂，θ₂即为SLD光源1的保偏尾纤慢轴与待测保偏光纤2慢轴之间的夹角； 

第三，构建ER_f测试光路，如图2（a）所示，SLD光源1发出的光沿保偏尾纤输出，进入与其熔接的待测保偏光纤2，待测保偏光纤2的另一端利用光纤剥纤钳将涂覆层剥除，用酒精清洗后与光纤适配器6连接，光纤适配器6的末端多余的光纤用宝石刀切除，保证光纤端面平整，然后将光纤适配器6插入消光比测试仪5的输入端，用消光比测试仪5测得待测保偏光纤2的输出光波的消光比，记为ER_f，则有： 

${\mathrm{ER}}_f=101g\frac{I_x}{I_y}$

或着： 

$I_x=I_y{10}^{E{R}_f/10}$

其中，I_x、I_y分别为输出光波沿待测保偏光纤2慢轴和快轴方向的光强； 

第四，构建ER_p测试光路，如图2（b）所示，在ER_f测试光路的基础上，将光纤适配器6从消光比测试仪5的输入端拨出，插入起偏器3的输入端，起偏器3的输出尾纤（保偏尾纤）通过光纤适配器6与消光比测试仪5连接，调整起偏器3透光轴使起偏器输出尾纤的消光比最大，记为ER_p，此时待测保偏光纤2的慢轴与起偏器3的透光轴夹角为θ₃，且有 

${\mathrm{ER}}_p=101g\frac{I_{\mathrm{Px}}}{I_{\mathrm{Py}}}$

或者： 

$\frac{I_{\mathrm{Px}}}{I_{\mathrm{Py}}}={10}^{E{R}_p/10}$

其中，I_Px、I_Py分别为经过起偏器3的光波沿起偏器透光轴方向和垂直于透光轴方向的光强，则有关系如图3所示： 

$I_{\mathrm{Px}}=I_x\cos {\mathrm{\θ}}_3+I_y\sin {\mathrm{\θ}}_3=I_y({10}^{E{R}_f/10}\cos {\mathrm{\θ}}_3+\sin {\mathrm{\θ}}_3)$

$I_{\mathrm{Py}}=I_x\sin {\mathrm{\θ}}_3+I_y\sin {\mathrm{\θ}}_3=I_y({10}^{{\mathrm{ER}}_f/10}\sin {\mathrm{\θ}}_3+\cos {\mathrm{\θ}}_3)$

则： 

$\frac{I_{\mathrm{Px}}}{I_{\mathrm{Py}}}=\frac{{10}^{{\mathrm{ER}}_f/10}+\tan {\mathrm{\θ}}_3}{{10}^{{\mathrm{ER}}_f/10}\·\tan {\mathrm{\θ}}_3+1}=10^{E{R}_p/10}$

整理可得： 

${\mathrm{\θ}}_3=\arctan \frac{{10}^{{\mathrm{ER}}_f/10}-{10}^{{\mathrm{ER}}_p/10}}{{10}^{({\mathrm{ER}}_p+{\mathrm{ER}}_f)/10}-1}$

第五，构建I_out测试光路，如图4所示，在θ₃测试光路的基础上，保持SLD光源1的保偏尾纤与待测保偏光纤2的熔接以及待测保偏光纤2与光纤适配器6的连接，断开起偏器3的输出尾纤连接的光纤适配器6与消光比测试仪5的连接，将起偏器3的输出尾纤连接的光纤适配器6与光谱仪4连接，测试输出光波的光谱。 

SLD光源1的输出光波经保偏尾纤传输后其偏振态方向不会发生改变。SLD光源1输出的光波经保偏尾纤入射到待测保偏光纤2中后，由于保偏尾纤的双折射特性，光变为沿保偏尾纤慢轴和快轴方向的两个偏振分量，两个偏振分量先后经过待测保偏光纤2和光纤适配器6输入起偏器3。其中待测保偏光纤2的另一端与光纤适配器6连接，光纤适配器6再与起偏器3的输入端连接。 

经过起偏器3后，每个偏振分量都变为沿起偏器3透光轴方向的线偏振光，并且两线偏振光发生干涉，干涉后的光经起偏器3保偏光纤传输后进入光谱仪4。其中起偏器3与光谱仪4通过起偏器3的保偏尾纤连接，光谱仪4测试输出光波的光谱形状，得到输出光强I_out。 

最后，获取待测保偏光纤2的长度。 

本发明中光纤和偏振器3的传输损耗为零；光纤与光纤之间以及光纤与偏振器3之间的连接损耗为零；保偏光纤没有扭曲，忽略其内部的偏振串扰。 

建立XOY坐标系，定义SLD光源1发出的入射光、SLD光源1的保偏尾纤、待测保偏光纤2和起偏器3的坐标轴分别是(Xs,Ys)、(X₁,Y₁)、(X₂,Y₂)和(X_p,Y_p)，它们与X轴正方向的夹角分别是α₁、α₂、α₃和α₄，其中Xp是起偏器3的透光轴。 

假设入射光波的光场矢量为： 

$\left[\begin{array}{c}{E}_{\mathrm{xs}}\left(t\right)\\ E_{\mathrm{ys}}\left(t\right)\end{array}\right]=\left[\begin{array}{c}{e}_{\mathrm{xs}}\left(t\right)\\ e_{\mathrm{ys}}\left(t\right)\end{array}\right]\·\sqrt{I_s}\·\exp \left({\mathrm{j\ω}}_{0}t\right)---\left(1\right)$

其中：E_xs(t)、E_ys(t)分别表示SLD光源1输出光沿Xs、Ys方向的光场分量；e_xs(t)、e_ys(t)分别表示SLD光源1输出光沿Xs、Ys方向的归一化振幅矢量，I_s是从SLD光源1输出光波的光强，ω₀是SLD光源1输出光波的中心频率，t为光从SLD光源1输出后的传播时间，j为虚数（j²＝-1），并且有： 

$\begin{array}{c}<e_{\mathrm{xs}}\left(t\right)\&CenterDot;e_{\mathrm{xs}}^{*}\left(t\right)>=\frac{1}{2}(1+p)\\ <e_{\mathrm{ys}}\left(t\right)\&CenterDot;e_{\mathrm{ys}}^{*}\left(t\right)>=\frac{1}{2}(1-p)\\ <e_{\mathrm{xs}}\left(t\right)\&CenterDot;e_{\mathrm{ys}}^{*}\left(t\right)>=<e_{\mathrm{ys}}\left(t\right)\&CenterDot;e_{\mathrm{xs}}^{*}\left(t\right)>=0\end{array}---\left(2\right)$

其中<>表示时间平均，p为起偏器3的偏振度。为了在旋转坐标系中描述光波，引入旋转矩阵： 

$R\left(\mathrm{\&alpha;}\right)=\left[\begin{array}{cc}\cos \mathrm{\&alpha;}& -\sin \mathrm{\&alpha;}\\ \sin \mathrm{\&alpha;}& \cos \mathrm{\&alpha;}\end{array}\right]---\left(3\right)$

其中：R(α)表示角度α的旋转矩阵，不同坐标系之间的转变取不同的α值，α可取α₁,α₂,α₃，比如从坐标系(Xs,Ys)转变为坐标系(X1,Y1)时，旋转矩阵中的α取α₁，即此时旋转矩阵为R(α₁)。因此输入光波的光场矢量可表示为： 

$\begin{array}{c}\left[\begin{array}{c}{E}_x^{\mathrm{in}}\left({\mathrm{\&lambda;}}_i\right)\\ E_y^{\mathrm{in}}\left({\mathrm{\&lambda;}}_i\right)\end{array}\right]=R\left({\mathrm{\&alpha;}}_1\right)\&CenterDot;\left[\begin{array}{c}{e}_{\mathrm{xs}}\left(t\right)\\ e_{\mathrm{ys}}\left(t\right)\end{array}\right]\&CenterDot;\sqrt{I_s}\&CenterDot;\exp \left({\mathrm{j\&omega;}}_{0}t\right)\\ =\left[\begin{array}{c}{e}_x\left(t\right)\\ e_y\left(t\right)\end{array}\right]\&CenterDot;\sqrt{I_s}\&CenterDot;\exp \left({\mathrm{j\&omega;}}_{0}t\right)\end{array}---\left(4\right)$

其中：

分别表示输入SLD光源1保偏尾纤的光沿X₁、Y₁方向的光场分量；R(α_i)表示不同坐标系间转换时的旋转矩阵；e_x(t)、e_y(t)分别表示输入SLD光源1保偏尾纤的 光沿X₁、Y₁方向的归一化振幅矢量。 

$\begin{array}{c}<e_x\left(t\right)\&CenterDot;e_x^{*}\left(t\right)>=\frac{1}{2}(1+p\cos 2{\mathrm{\&alpha;}}_1)\\ <e_y\left(t\right)\&CenterDot;e_y^{*}\left(t\right)>=\frac{1}{2}(1-p\cos 2{\mathrm{\&alpha;}}_1)\\ <e_x\left(t\right)\&CenterDot;e_y^{*}\left(t\right)>=<e_y\left(t\right)\&CenterDot;e_x^{*}\left(t\right)>=\frac{1}{2}\text{psin2}{\mathrm{\&alpha;}}_1\end{array}---\left(5\right)$

输入光的相干矩阵为： 

$J_{\mathrm{in}}=I_s\&CenterDot;\left[\begin{array}{cc}\frac{1}{2}(1+p\cos 2{\mathrm{\&alpha;}}_1)& \frac{1}{2}p\sin {\mathrm{\&alpha;}}_1\\ \frac{1}{2}p\sin {\mathrm{\&alpha;}}_1& \frac{1}{2}(1+p\cos 2{\mathrm{\&alpha;}}_1)\end{array}\right]---\left(6\right)$

对于慢轴沿X轴，长度和折射率差分别为L和Δn＝n_x-n_y的保偏光纤，其琼斯矩阵为： 

$D(L,\mathrm{\&Delta;n})=\left[\begin{array}{cc}1& 0\\ 0& \exp (-j2\mathrm{\&pi;f\&tau;})\end{array}\right]---\left(7\right)$

其中，

c为真空中的光速，f为光波频率。 

振幅消光系数为ε的起偏器3，其琼斯矩阵为 

输入光波在光路中的传输矩阵为 

G＝R(α₄)·M·R(-α₄)·R(α₃)·D(L₂,Δn₂)·R(-α₃)·R(α₂)·D(L₁,Δn₁)·R(-α₂)＝R(α₄)·M·R(θ₃)·D(L₂,Δn₂)·R(θ₂)·D(L₁,Δn₁)·R(-α₂)   (9) 

其中，θ₂＝α₂-α₃，θ₃＝α₃-α₄。因此输出光波的相干矩阵为： 

J_out＝G·J_in·G^H   (10) 

其中：H表示共轭转置，输出光波的总光强等于相干矩阵(10)的迹，即 

I_out＝Tr[J_out]   (11) 

把式(3)、(6)、(7)和(8)带入式(9)求出G，再联立(9)～(11)，求出输出光的光强为： 

$\begin{array}{c}{I}_{\mathrm{out}}=\frac{1}{2}(1+{\mathrm{\&epsiv;}}^2)I_s+\frac{p}{16}(1-{\mathrm{\&epsiv;}}^2)I_s\{2A+2B\cos \left(2\mathrm{\&pi;f}{\mathrm{\&tau;}}_2\right)+2D\cos \left(2\mathrm{\&pi;}{\mathrm{f\&tau;}}_1\right)\\ +(2C+D)\cos \left[2\mathrm{\&pi;f}\left({\mathrm{\&tau;}}_1{\mathrm{\&tau;}}_2\right)\right]+(D-2C)\cos \left[2\mathrm{\&pi;f}\left({\mathrm{\&tau;}}_1{\mathrm{\&tau;}}_2\right)\right]\}\end{array}---\left(12\right)$

其中： 

A＝cos2(θ₁+θ₂+θ₃)+cos2(θ₂+θ₃-θ₁)+cos2(θ₂-θ₃+θ₁)+cos2(θ₂-θ₃-θ₁) 

B＝cos2(θ₁+θ₂+θ₃)+cos2(θ₂+θ₃-θ₁)-cos2(θ₂-θ₃+θ₁)-cos2(θ₂-θ₃-θ₁) 

C＝cos2(θ₁+θ₃)-cos2(θ₃-θ₁)   (13) 

D＝cos2(θ₁+θ₂+θ₃)-cos2(θ₂+θ₃-θ₁)+cos2(θ₂-θ₃+θ₁)-cos2(θ₂-θ₃-θ₁) 

θ₁＝α₁-α₂

式(13)中的θ₁、θ₂和θ₃分别是输入光的Xs分量跟保偏尾纤的慢轴之间、保偏尾纤与待测保偏光纤的慢轴之间以及待测保偏光纤慢轴与偏振器透光轴之间的夹角。式(12)表示了理想单色光波的输出光强；对于准单色光波的输出光谱，需要用式(12)求出所有频率对应的输出光强。 

在式（12）中SLD光源1的尾纤长度L₁（约为1m）远远小于待测保偏光纤2的长度L₂（上百米到几千米），即L₁＜＜L₂，又知所以τ₁＜＜τ₂，因此τ₁可以忽略不计，即τ₁≈0，则有： 

(2C+D)cos[2πf(τ₁+τ₂)]+(D-2C)cos[2πf(τ₁-τ₂)]≈2Dcos(2πfτ₂)   （14） 

将式（12）做一些简化可得： 

$I_{\mathrm{out}}=\frac{1}{2}(1+{\mathrm{\&epsiv;}}^2)I_s+\frac{p}{16}(1-{\mathrm{\&epsiv;}}^2)I_s[2A+2D\cos \left(2\mathrm{\&pi;}{\mathrm{f\&tau;}}_1\right)+2(B+D)\cos \left(2\mathrm{\&pi;}{\mathrm{f\&tau;}}_2\right)]---\left(15\right)$

对于准单色光波，其输出光谱中叠加了周期函数为

其周期为T₂＝c/(L₂Δn₂)、幅值为

自变量为光波频率f。函数的周期跟光纤长度L₂呈反比，即光纤越长，周期越小。 

由（15）通过推导可得： 

${\mathrm{\&tau;}}_2=\frac{1}{2\mathrm{\&pi;f}}\&CenterDot;\arccos [\frac{{8I}_{\mathrm{out}}-4(1+{\mathrm{\&epsiv;}}^2)I_s}{(B+D)p(1-{\mathrm{\&epsiv;}}^2)I_s}-\frac{A+D\cos \left(2\mathrm{\&pi;f}{\mathrm{\&tau;}}_1\right)}{B+D}]---\left(16\right)$

其中： 

B+D＝2[cos2(θ₁+θ₂+θ₃)-cos2(θ₂-θ₃-θ₁)]   （17） 

又由： 

${\mathrm{\&tau;}}_2=\frac{L_2\mathrm{\&Delta;}{n}_2}{c}$

得 

$L_2=\frac{{\mathrm{c\&tau;}}_2}{{\mathrm{\&Delta;n}}_2}=\frac{c}{2\mathrm{\&pi;f\&Delta;}{n}_2}\&CenterDot;\arccos [\frac{{8I}_{\mathrm{out}}-4(1+{\mathrm{\&epsiv;}}^2)I_s}{(B+D)p(1-{\mathrm{\&epsiv;}}^2)I_s}-\frac{A+D\cos \left(2\mathrm{\&pi;f}{\mathrm{\&tau;}}_1\right)}{B+D}]---\left(18\right)$

其中，I_s为SLD光源的输出光波的光强，I_out为经过整个光路后光谱仪测得的光谱强度。 

通过上述推导可以得到： 

$L_2=\frac{c}{2\mathrm{\&pi;f\&Delta;}{n}_2}\&CenterDot;\arccos [\frac{{8I}_{\mathrm{out}}-4(1+{\mathrm{\&epsiv;}}^2)I_s}{(B+D)p(1-{\mathrm{\&epsiv;}}^2)I_s}-\frac{A+D\cos \left(2\mathrm{\&pi;f}{\mathrm{\&tau;}}_1\right)}{B+D}]$

其中： ${\mathrm{\&tau;}}_1=\frac{L_1{\mathrm{\&Delta;n}}_1}{c},$ 则上式可以变为： 

$L_2=\frac{c}{2\mathrm{\&pi;f\&Delta;}{n}_2}\&CenterDot;\arccos [\frac{{8I}_{\mathrm{out}}-4(1+{\mathrm{\&epsiv;}}^2)I_s}{(B+D)p(1-{\mathrm{\&epsiv;}}^2)I_s}-\frac{A+D\cos \left(2\mathrm{\&pi;f}\frac{L_1{\mathrm{\&Delta;n}}_1}{c}\right)}{B+D}]$

其中：L₁为SLD光源1的保偏尾纤的长度，L₂为待测保偏光纤2的长度，c为真空中的光速，f为光波频率，Δn₁、Δn₂分别为SLD光源1的保偏尾纤及待测保偏光纤2的折射率差，ε为起偏器3的振幅消光系数，p为SLD光源1输出光波的偏振度。 

$B+D$

$=2[\cos 2({\mathrm{\&theta;}}_1+{\mathrm{\&theta;}}_2+{\mathrm{\&theta;}}_3)-\cos 2({\mathrm{\&theta;}}_2-{\mathrm{\&theta;}}_3-{\mathrm{\&theta;}}_1)]$

$=2[\cos 2({\mathrm{\&theta;}}_1+{\mathrm{\&theta;}}_2+\arctan \frac{{10}^{{\mathrm{ER}}_f/10}-{10}^{{\mathrm{ER}}_P/10}}{{10}^{({\mathrm{ER}}_f+{\mathrm{ER}}_p)/10}-1})-\cos 2({\mathrm{\&theta;}}_2-\arctan \frac{{10}^{{\mathrm{ER}}_f/10}-{10}^{{\mathrm{ER}}_p/10}}{{10}^{({\mathrm{ER}}_f+{\mathrm{ER}}_p)/10}-1}-{\mathrm{\&theta;}}_1)]$

$A=\cos 2({\mathrm{\&theta;}}_1+{\mathrm{\&theta;}}_2+{\mathrm{\&theta;}}_3)+\cos 2({\mathrm{\&theta;}}_2+{\mathrm{\&theta;}}_3-{\mathrm{\&theta;}}_1)+\cos 2({\mathrm{\&theta;}}_2-{\mathrm{\&theta;}}_3+{\mathrm{\&theta;}}_1)+\cos 2({\mathrm{\&theta;}}_2-{\mathrm{\&theta;}}_3-{\mathrm{\&theta;}}_1)$

$=\cos 2({\mathrm{\&theta;}}_1+{\mathrm{\&theta;}}_2+\arctan \frac{{10}^{E{R}_f/10}-{10}^{{\mathrm{ER}}_p/10}}{{10}^{({\mathrm{ER}}_f+{\mathrm{ER}}_p)/10}-1})+\cos 2({\mathrm{\&theta;}}_2+\arctan \frac{{10}^{{\mathrm{ER}}_f/10}-{10}^{{\mathrm{ER}}_p/10}}{{10}^{({\mathrm{ER}}_f+{\mathrm{ER}}_p)/10}-1}-{\mathrm{\&theta;}}_{\text{1}})$

$=\cos 2({\mathrm{\&theta;}}_2-\mathrm{\&theta;}\arctan \frac{{10}^{E{R}_f/10}-{10}^{{\mathrm{ER}}_p/10}}{{10}^{({\mathrm{ER}}_f+{\mathrm{ER}}_p)/10}-1}+{\mathrm{\&theta;}}_1)+\cos 2({\mathrm{\&theta;}}_2-\arctan \frac{{10}^{{\mathrm{ER}}_f/10}-{10}^{{\mathrm{ER}}_p/10}}{{10}^{({\mathrm{ER}}_f+{\mathrm{ER}}_p)/10}-1}-{\mathrm{\&theta;}}_{\text{1}})$

$D=\cos 2({\mathrm{\&theta;}}_1+{\mathrm{\&theta;}}_2+{\mathrm{\&theta;}}_3)-\cos 2({\mathrm{\&theta;}}_2+{\mathrm{\&theta;}}_3-{\mathrm{\&theta;}}_1)+\cos 2({\mathrm{\&theta;}}_2-{\mathrm{\&theta;}}_3+{\mathrm{\&theta;}}_1)-\cos 2({\mathrm{\&theta;}}_2-{\mathrm{\&theta;}}_3-{\mathrm{\&theta;}}_1)$

$=\cos 2({\mathrm{\&theta;}}_1+{\mathrm{\&theta;}}_2+\arctan \frac{{10}^{E{R}_f/10}-{10}^{{\mathrm{ER}}_p/10}}{{10}^{({\mathrm{ER}}_f+{\mathrm{ER}}_p)/10}-1})-\cos 2({\mathrm{\&theta;}}_2+\arctan \frac{{10}^{{\mathrm{ER}}_f/10}-{10}^{{\mathrm{ER}}_p/10}}{{10}^{({\mathrm{ER}}_f+{\mathrm{ER}}_p)/10}-1}-{\mathrm{\&theta;}}_{\text{1}})$

$+\cos 2({\mathrm{\&theta;}}_2-\arctan \frac{{10}^{E{R}_f/10}-{10}^{{\mathrm{ER}}_P/10}}{{10}^{({\mathrm{ER}}_f+{\mathrm{ER}}_p)/10}-1}+{\mathrm{\&theta;}}_1)-\cos 2({\mathrm{\&theta;}}_2-\arctan \frac{{10}^{{\mathrm{ER}}_f/10}-10^{{\mathrm{ER}}_p/10}}{{10}^{({\mathrm{ER}}_f+{\mathrm{ER}}_p)/10}-1}-{\mathrm{\&theta;}}_1)$

在本发明的实际应用中，通过实际测量，所有参数都有确定的数值，用matlab编写相应的计算程序，输入计算公式及所有已知量，运行程序，即可得到待测保偏光纤2的长度值。 

本发明的优点是方法简单，测量准确，实际操作的稳定性和可靠性比较高。 

本发明中采用的SLD光源1可以提供部分偏振光； 

所述的SLD光源1是采用SLD（超辐射二极管）光源，可以提供部分偏振光；SLD的工作波长包括850nm、1310nm、1550nm；另外SLD光源1有较高的输出功率；SLD的相干长度短，具有宽的光谱宽度；SLD具有高稳定性的特点，提高了测量的准确度。 

本发明中采用带保偏尾纤的起偏器3能够保证输出光波的光谱形状不受弯曲、应力等外界的影响。 

所述的起偏器3为带刻度的起偏器，可准确读出起偏器旋转角度，使测量结果更加准确。 

所述的光谱仪4可接收光路最后的干涉光的光谱，得到干涉光的光强，为待测保偏光纤2长度的计算提供准确的数值。 

所述的光纤熔接机可设定两保偏光纤的熔接角度，不需测量两保偏光纤的慢轴之间夹角，提高了工作效率。 

所述的消光比测试仪5既可以测待测保偏尾纤的消光比，又可以测量起偏器3的最大消光比。 

Claims (2)

1.一种基于光谱分析的保偏光纤长度测量系统，包括SLD光源、待测保偏光纤、带保偏尾纤的起偏器、光谱仪、消光比测试仪、光纤适配器；

构建I_s测试光路，SLD光源的保偏尾纤通过光纤适配器与光谱仪连接，测得SLD光源输出光波的光谱形状，得到光谱中各单色光波的光强I_s，SLD光源的输出光与保偏尾纤慢轴的夹角为θ₁；

根据实际需要，设定SLD光源的保偏尾纤与待测保偏光纤的熔接角度θ₂；

构建ER_f测试光路，SLD光源发出的光沿保偏尾纤输出，进入待测保偏光纤，待测保偏光纤的另一端与光纤适配器连接，光纤适配器插入消光比测试仪的输入端，用消光比测试仪测得待测保偏光纤的输出光波的消光比ER_f，

I_x、I_y分别为输出光波沿待测保偏光纤慢轴和快轴方向的光强；

构建ER_p测试光路，在ER_f测试光路的基础上，将光纤适配器从消光比测试仪的输入端拨出，插入起偏器的输入端，起偏器的保偏尾纤通过光纤适配器与消光比测试仪连接，调整起偏器透光轴使起偏器输出尾纤的消光比最大，记为ERp，得到待测保偏光纤的慢轴与起偏器的透光轴夹角θ₃， ${\mathrm{\&theta;}}_3=\arctan \frac{{10}^{{\mathrm{ER}}_f/10}-{10}^{{\mathrm{ER}}_p/10}}{{10}^{({\mathrm{ER}}_p+{\mathrm{ER}}_f)/10}-1};$

构建I_out测试光路，在θ₃测试光路的基础上，起偏器输出尾纤连接的光纤适配器与光谱仪连接，测试输出光波的光谱，得到输出光强I_out，根据θ₁、θ₂、θ₃、I_s、I_out、ER_f、ER_p获取待测保偏光纤长度。

2.一种基于光谱分析的保偏光纤长度测量方法，包括以下几个步骤：

首先，构建I_s测试光路，将SLD光源的保偏尾纤通过光纤适配器与光谱仪连接，测得SLD光源输出光波的光谱形状，得到光谱中各单色光波的光强I_s，其中，SLD光源的输出光与保偏尾纤慢轴的夹角为θ₁；

然后，根据实际需要通过光纤熔接机设定SLD光源的保偏尾纤与待测保偏光纤的熔接角度θ₂；

第三，构建ER_f测试光路，SLD光源发出的光沿保偏尾纤输出，进入与其熔接的待测保偏光纤，待测保偏光纤的另一端与光纤适配器连接，然后将光纤适配器末端插入消光比测试仪的输入端，用消光比测试仪测得待测保偏光纤的输出光波的消光比，记为ER_f，则有：

${\mathrm{ER}}_f=101g\frac{I_x}{I_{\text{y}}}$

或着：

$I_x=I_y{10}^{{\mathrm{ER}}_f/10}$

其中，I_x、I_y分别为输出光波沿待测保偏光纤慢轴和快轴方向的光强；

第四，构建ER_p测试光路，在ER_f测试光路的基础上，将光纤适配器从消光比测试仪的输入端拨出，插入起偏器的输入端，起偏器保偏尾纤通过光纤适配器与消光比测试仪连接，调整起偏器透光轴使起偏器输出尾纤的消光比最大，记为ER_p，此时待测保偏光纤的慢轴与起偏器的透光轴夹角为θ₃，且有

${\mathrm{ER}}_p=101g\frac{I_{\mathrm{Px}}}{I_{\mathrm{Py}}}$

或者：

$\frac{I_{\mathrm{Px}}}{I_{\mathrm{Px}}}={10}^{{\mathrm{ER}}_p/10}$

其中，I_Px、I_Py分别为经过起偏器的光波沿起偏器透光轴方向和垂直于透光轴方向的光强，其中：

$I_{\mathrm{Px}}=I_x\cos {\mathrm{\&theta;}}_3+I_y\sin {\mathrm{\&theta;}}_3=I_y({10}^{E{R}_f/10}\cos {\mathrm{\&theta;}}_3+\sin {\mathrm{\&theta;}}_3)$

$I_{\mathrm{Py}}=I_x\sin {\mathrm{\&theta;}}_3+I_y\sin {\mathrm{\&theta;}}_3=I_y({10}^{{\mathrm{ER}}_f/10}\sin {\mathrm{\&theta;}}_3+\cos {\mathrm{\&theta;}}_3)$

则：

$\frac{I_{\mathrm{Px}}}{I_{\mathrm{Py}}}=\frac{{10}^{E{R}_f/10}+\tan {\mathrm{\&theta;}}_3}{{10}^{{\mathrm{ER}}_f/10}\&CenterDot;\tan {\mathrm{\&theta;}}_3+1}={10}^{{\mathrm{ER}}_p/10}$

整理得到：

${\mathrm{\&theta;}}_3=\arctan \frac{{10}^{{\mathrm{ER}}_f/10}-{10}^{{\mathrm{ER}}_{p}10}}{{10}^{({\mathrm{ER}}_p+{\mathrm{ER}}_f)/10}-1}$

第五，构建I_out测试光路，在θ₃测试光路的基础上，保持SLD光源的保偏尾纤与待测保偏光纤的熔接以及待测保偏光纤与光纤适配器的连接，断开起偏器输出尾纤连接的光纤适配器与消光比测试仪的连接，将起偏器的保偏尾纤与光谱仪连接，测试输出光波的光谱，得到输出光强I_out；

最后，获取待测保偏光纤的长度，如下式；

$L_2=\frac{c}{2\mathrm{\&pi;f\&Delta;}{n}_2}\&CenterDot;\arccos [\frac{{8I}_{\mathrm{out}}-4(1+{\mathrm{\&epsiv;}}^2)I_s}{(B+D)p(1-{\mathrm{\&epsiv;}}^2)I_s}-\frac{A+D\cos \left(2\mathrm{\&pi;f}{\mathrm{\&tau;}}_1\right)}{B+D}]$

其中： ${\mathrm{\&tau;}}_1=\frac{L_1\mathrm{\&Delta;}{n}_1}{c},$ 则上式变为：

$L_2=\frac{c}{2\mathrm{\&pi;f\&Delta;}{n}_2}\&CenterDot;\arccos [\frac{{8I}_{\mathrm{out}}-4(1+{\mathrm{\&epsiv;}}^2)I_s}{(B+D)p(1-{\mathrm{\&epsiv;}}^2)I_s}-\frac{A+D\cos \left(2\mathrm{\&pi;f}\frac{L_1{\mathrm{\&Delta;n}}_1}{c}\right)}{B+D}]$

其中：L₁为SLD光源的保偏尾纤的长度，L₂为待测保偏光纤的长度，c为真空中的光速，f为光波频率，Δn₁、Δn₂分别为SLD光源的保偏尾纤及待测保偏光纤的折射率差，ε为起偏器的振幅消光系数，p为SLD光源输出光波的偏振度；

$B+D$

$=2[\cos 2({\mathrm{\&theta;}}_1+{\mathrm{\&theta;}}_2+{\mathrm{\&theta;}}_3)-\cos 2({\mathrm{\&theta;}}_2-{\mathrm{\&theta;}}_3-{\mathrm{\&theta;}}_1)]$

$=2[\cos 2({\mathrm{\&theta;}}_1+{\mathrm{\&theta;}}_2+\arctan \frac{{10}^{{\mathrm{ER}}_f/10}-{10}^{{\mathrm{ER}}_P/10}}{{10}^{({\mathrm{ER}}_f+{\mathrm{ER}}_p)/10}-1})-\cos 2({\mathrm{\&theta;}}_2-\arctan \frac{{10}^{{\mathrm{ER}}_f/10}-{10}^{{\mathrm{ER}}_p/10}}{{10}^{({\mathrm{ER}}_f+{\mathrm{ER}}_p)/10}-1}-{\mathrm{\&theta;}}_1)]$

$A=\cos 2({\mathrm{\&theta;}}_1+{\mathrm{\&theta;}}_2+{\mathrm{\&theta;}}_3)+\cos 2({\mathrm{\&theta;}}_2+{\mathrm{\&theta;}}_3-{\mathrm{\&theta;}}_1)+\cos 2({\mathrm{\&theta;}}_2-{\mathrm{\&theta;}}_3+{\mathrm{\&theta;}}_1)+\cos 2({\mathrm{\&theta;}}_2-{\mathrm{\&theta;}}_3-{\mathrm{\&theta;}}_1)$

$=\cos 2({\mathrm{\&theta;}}_1+{\mathrm{\&theta;}}_2+\arctan \frac{{10}^{E{R}_f/10}-{10}^{{\mathrm{ER}}_p/10}}{{10}^{({\mathrm{ER}}_f+{\mathrm{ER}}_p)/10}-1})+\cos 2({\mathrm{\&theta;}}_2+\arctan \frac{{10}^{{\mathrm{ER}}_f/10}-{10}^{{\mathrm{ER}}_p/10}}{{10}^{({\mathrm{ER}}_f+{\mathrm{ER}}_p)/10}-1}-{\mathrm{\&theta;}}_{\text{1}})$

$+\cos 2({\mathrm{\&theta;}}_2-\arctan \frac{{10}^{E{R}_f/10}-{10}^{{\mathrm{ER}}_P/10}}{{10}^{({\mathrm{ER}}_f+{\mathrm{ER}}_p)/10}-1}+{\mathrm{\&theta;}}_1)+\cos 2({\mathrm{\&theta;}}_2-\arctan \frac{{10}^{{\mathrm{ER}}_f/10}-10^{{\mathrm{ER}}_p/10}}{{10}^{({\mathrm{ER}}_f+{\mathrm{ER}}_p)/10}-1}-{\mathrm{\&theta;}}_1)$

$D=\cos 2({\mathrm{\&theta;}}_1+{\mathrm{\&theta;}}_2+{\mathrm{\&theta;}}_3)-\cos 2({\mathrm{\&theta;}}_2+{\mathrm{\&theta;}}_3-{\mathrm{\&theta;}}_1)+\cos 2({\mathrm{\&theta;}}_2-{\mathrm{\&theta;}}_3+{\mathrm{\&theta;}}_1)-\cos 2({\mathrm{\&theta;}}_2-{\mathrm{\&theta;}}_3-{\mathrm{\&theta;}}_1)$

$=\cos 2({\mathrm{\&theta;}}_1+{\mathrm{\&theta;}}_2+\arctan \frac{{10}^{E{R}_f/10}-{10}^{{\mathrm{ER}}_p/10}}{{10}^{({\mathrm{ER}}_f+{\mathrm{ER}}_p)/10}-1})-\cos 2({\mathrm{\&theta;}}_2+\arctan \frac{{10}^{{\mathrm{ER}}_f/10}-{10}^{{\mathrm{ER}}_p/10}}{{10}^{({\mathrm{ER}}_f+{\mathrm{ER}}_p)/10}-1}-{\mathrm{\&theta;}}_{\text{1}})$

$+\cos 2({\mathrm{\&theta;}}_2-\arctan \frac{{10}^{E{R}_f/10}-{10}^{{\mathrm{ER}}_P/10}}{{10}^{({\mathrm{ER}}_f+{\mathrm{ER}}_p)/10}-1}+{\mathrm{\&theta;}}_1)-\cos 2({\mathrm{\&theta;}}_2-\arctan \frac{{10}^{{\mathrm{ER}}_f/10}-10^{{\mathrm{ER}}_p/10}}{{10}^{({\mathrm{ER}}_f+{\mathrm{ER}}_p)/10}-1}-{\mathrm{\&theta;}}_1)$

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