CN103743550A - 一种大扫描量程光学相干域偏振测量装置 - Google Patents

Abstract

本发明设计属于光纤测量技术领域，具体涉及到一种大扫描量程光学相干域偏振测量装置。大扫描量程光学相干域偏振测量装置，宽谱光源、起偏器、待测偏振器件、检偏器、光程相关器、差分探测装置、光电信号转换与信号记录装置按照上述顺序连接，本发明由多个连续式光程扩展单元级联而成，在采用相同扫描位移装置的情况下，使光程扫描距离增加。即可在不改变现有系统整体尺寸的情况下，实现了大范围的光程扫描和无限扩展。增加了系统的测量范围，进而能提高光学相干域偏振测量装置整体性能。

Description

一种大扫描量程光学相干域偏振测量装置

技术领域

本发明设计属于光纤测量技术领域，具体涉及到一种大扫描量程光学相干域偏振测量装置。

背景技术

基于白光干涉原理的光学相干域偏振检测（OCDP）是一种最有前景光纤测量技术方案。根据白光干涉原理，采用全保偏光纤的结构，利用光纤器件可以盘绕和器件性能稳定的特性，整个实验装置具有体积小，稳定性高的特点。光相干域偏振技术（OCDP）通过扫描式迈克尔逊干涉仪进行光程补偿，实现不同耦合模式间的干涉，可定位模式耦合点等光纤内部缺陷的位置，利用干涉强度，分析该点耦合强度。因此，OCDP技术在偏振消光比测试、光纤陀螺环测试、保偏光纤精确、保偏光纤制造、保偏光纤精确对轴、器件消光比测试等领域均获得了成功的应用。与其它类似技术，诸如光时域反射计（OTDR）、偏振时域反射技术（POTDR）、光学低相干反射计（OLCR）、光频域反射技术（OFDR）、光相干域反射技术（OCDR）等分布式检测方法与技术相比，OCDP技术具有结构简单（基于Mach-Zehnder或Michelson等干涉仪）、高空间分辨率（几厘米）、大测量范围（几公里）、超高测量灵敏度（耦合-90～-100dB）、超大动态范围（10⁹～10¹⁰）等优点。OCDP技术未来发展成为一种高精度、通用测试技术和系统成为一种必然趋势。

早在80年代，国外已经在就提高偏振检测精度开始了研究。20世纪90年代初，法国HerveLefevre等人（首次公开了基于白光干涉原理的OCDP系统Method for the detection ofpolarization couplings in a birefringent optical system and application of thismethod to the assembling of the components of an optical system,US 4893931），它采用超辐射发光二极管（SLD）作为光源和空间干涉光路作为光程相关测量结构。法国Photonetics公司根据此专利研制了WIN-P125和WIN-P400两种型号OCDP测试系统，主要用于较短（500m）和较长（1600m）保偏光纤的偏振特性分析。其主要性能为偏振串扰灵敏度为-70dB、动态范围为70dB。韩国Fiberpro公司推出了的ICD800主要用于替换WIN-P系列OCDP系统，空间分辨率10cm，扫描保偏光纤长度长度增加到1000m，灵敏度提高到-80dB。

2011年，美国通用光电公司（General Photonics Corporation）的姚晓天等人公开了一种用于保偏光纤和光学双折射材料中分布式偏振串扰测量的全光纤测量系统（MeasuringDistributed Polarization Crosstalk in Polarization Maintaining Fiber and OpticalBirefringent Material，US 20110277552），利用在光程相关器之前增加光程延迟器，抑制偏振串扰测量时杂散白光干涉信号的数量和幅度。该方法可以将全光纤测量系统的偏振串扰灵敏度提高到-95dB，但动态范围保持在75dB。

同年，天津大学张红霞等人公开了一种光学偏振器件偏振消光比的检测方法和检测装置（中国专利申请号：CN201110052231.3），同样采用空间干涉光路作为OCDP的核心装置，通过检测耦合点的耦合强度，推导出偏振消光比。该装置适用于保偏光纤、保偏光纤耦合器、偏振器等多种光学偏振器件。其与Herve Lefevre等人的方案相比，技术性能和指标相近。

2012年，申请人公开了一种光学器件偏振串扰测量的全光纤测试装置（中国专利申请号：CN 201210379406），此发明采用全光纤测试装置测量精度高，具有较好温度和振动稳定性，可用于光学器件偏振性能的高精度测量与分析。同年，申请人公开了一种提高光学器件偏振串扰测量性能的装置及方法（中国专利申请号：CN 201210379407），此发明可以极大地抑制噪声幅度，提高偏振串扰测量的灵敏度和动态范围。

在典型的光学器件偏振串扰测量的全光纤测试装置（附图3）中，由于仅存在单一的光程扫描结构，且干涉信号的交流强度与光学器件偏振串音值成正比，典型装置存在诸多的缺陷：（1）单一扫描机构测量光学器件的长度较窄，增加扫描距离面临着扫描机构尺度的扩大，进而影响到偏振串扰测量装置整个系统的尺寸，限制了偏振串扰测量范围的提升；（2）光程扫描装置仅有一臂存在单一的扫描机构，光强波动直接影响到整个偏振串音测量系统的测量精度，典型装置存在光强波动大，扫描精度低的缺点；（3）由于光学器件（如准直透镜）存在固有缺陷，出光光强分布不够均匀，难以达到期望的理想状态，进而通过提升器件性能而达到改善系统指标的目的有着很大的困难。如何通过改变光路结构，利用相同的光程扫描装置，达到增加扫描距离的目的、抑制光强波动，进而提高光学器件偏振串音测量精度、实现偏振串扰测量的大范围光程扩展的目的，成为了偏振串音测量技术提升的一个热点和难点。

本发明提出了一种带有大范围光程扩展结构的光学相干域偏振测量装置，它由多个功能相对独立的光程扫描对延迟器串联组成。其特征是（1）由多个功能相对独立的光程扩展单元串联组成，可实现大范围的光程扫描和无限扩展；（2）每个光程扩展单元中的扫描光学器件成对出现，其插入损耗随光程扫描距离的变化具有对称互补性，极大地抑制了偏振测量装置单一扫描器强度浮动对测量的影响，提高偏振串音的测量精度，降低了对扫描器强度衰减性能的要求；（3）多个光程扩展单元共用一个位移台，使光学相干域偏振测量装置在小体积的基础上实现扫描光程的倍增。本发明可广泛用于基于白光干涉原理的测量、传感与信息获取领域。

发明内容

本发明的目的在于提供一种大范围光程扩展装置，实现大范围的光程扫描和无限扩展，抑制单一光程扫描器光强浮动对测量的影响，提高偏振串音的测量精度，增加光程扫描范围的一种大扫描量程光学相干域偏振测量装置。

大扫描量程光学相干域偏振测量装置，宽谱光源、起偏器、待测偏振器件、检偏器、光程相关器、差分探测装置、光电信号转换与信号记录装置按照上述顺序连接：

光程相关器中含有大量程光程扫描装置，由n（n=1，2，…）个功能相对独立的光程扩展单元和位移扫描装置连接组成；

功能相对独立的光程扩展单元之间进行串联；每个光程扩展单元中的扫描光学器件成对组装；每对扫描光学器件的插入损耗随扫描距离的变化具有对称互补性；光程扩展单元共用一个位移扫描装置（M）；

在光学相干域偏振测量装置中，宽谱光源发出的光依次通过起偏器、第1旋转连接器、待测光纤器件、第2旋转连接器、检偏器，进入到光程相关器；通过输入端口和第1耦合器连接；第1耦合器的输出端口分别与光程相关器的两个干涉臂中的扫描臂和参考臂相连；光依次通过n个光程扩展单元，与参考臂中的光在第2耦合器的两个输入端口汇合干涉；第2耦合器的两个输出端最后与差分探测装置连接；经过差分后信号输入到干涉信号检测与处理装置进行分析。

大量程光程扫描装置包括：

每个光程扩展单元包括一个四端口光环行器、一对准直透镜对、两个可移动反射镜，四端口环行器的两个反射端分别伸出准直透镜对，它们分别对应位移扫描装置上的可移动反射镜；

光程扩展单元中，准直透镜和可移动光学反射镜、准直透镜和可移动光学反射镜分别组成两个功能相对独立的光程扫描延迟器；准直透镜对者之间的光学器件参数具有相反的单调特性：假设准直透镜插入损耗随扫描位移单调增强，则要求准直透镜插入损耗随扫描位移单调降低；

准直透镜对均位于光程相关器的同一个干涉臂中；二者与可移动反射镜之间的光程分别随着可移动反射镜移动同时发生变化，且二者扫描位移变化具有一致性。

大量程光程扫描装置包括：

每个光程扩展单元包括两个三端口光环行器、一对准直透镜对、两个可移动反射镜。三端口环行器对的两个反射端分别伸出准直透镜，准直透镜分别对应位移扫描装置上的可移动反射镜；

准直透镜和可移动光学反射镜、准直透镜和可移动光学反射镜分别组成两个功能相对独立的光程扫描延迟器；第n对准直透镜对、正向可移动光学反射镜和反向可移动光学反射镜等相同光学器件具有参数一致性；准直透镜对插入损耗随距离呈线性变化且单调衰减；

准直透镜对分别连接于光程相关器的两个不同干涉臂中；二者分别与可移动光学反射镜之间形成的光程扫描变化具有位移互补性。

大量程光程扫描装置包括：

每个光程扩展单元包括一对准直透镜对、两个可移动的45°反射镜；两个可移动反射镜分别与位移扫描装置的台面夹角45°，二者之间角度互相垂直；它们分别对应位移扫描装置上的可移动反射镜；

光程扩展单元中，准直透镜和可移动光学反射镜、准直透镜和可移动光学反射镜分别组成两个功能相对独立的光程扫描延迟器；准直透镜对二者之间的光学器件参数具有相反的单调特性：假设准直透镜插入损耗随扫描位移单调增强，则要求准直透镜插入损耗随扫描位移单调降低；

准直透镜对均位于光程相关器的同一个干涉臂中；二者与可移动反射镜之间的光程分别随着可移动反射镜移动同时发生变化，且二者扫描位移变化具有一致性。

位移扫描装置，台面的扫描范围能够覆盖待测光纤器件前后端面所产生的全部光程范围。

四端口光环行器，具有一个光学输入端、一个光学输出端和两个光学反射端实现光学单向传输：由输入端注入光信号仅由反射端输出，由反射端注入光信号，则仅由反射端输出，由反射端注入光信号，则仅由输出端输出。

本发明由多个功能相对独立的光程扫描对延迟器串联组成。其有益效果在于：

（1）由多个连续式光程扩展单元级联而成，在采用相同扫描位移装置的情况下，使光程扫描距离增加。即可在不改变现有系统整体尺寸的情况下，实现了大范围的光程扫描和无限扩展。增加了系统的测量范围，进而能提高光学相干域偏振测量装置整体性能；

（2）利用光学相干域偏振测量装置信号输出幅度与光程扫描延迟器插入损耗乘积成正比的特点，每个光程扩展单元中的扫描光学器件成对出现；每对扫描光学器件透射光强随扫描距离的变化具有对称互补性，实现光强自动补偿，极大地抑制了单一扫描器强度浮动对测量的影响，提高偏振串音的测量精度，降低对扫描器强度浮动性能的要求；

（3）每个光程扩展单元中扫描光学器件包括准直器、反射镜等在内的光学器件成对出现，降低了环境对测量的影响，提高系统地稳定性；

（4）多个光程扩展单元共用一个位移台，在不改变现有系统整体尺寸的情况下，达到扩展系统的测量范围的目的。

附图说明

图1是一种大扫描量程光学相干域偏振测量装置示意图；

图2是一种带有差分结构的大扫描量程光学相干域偏振测量装置示意图；

图3是一种典型的光学器件偏振串扰测量的全光纤测试装置示意图；

图4是单一光程扫描结构和基于器件性能的对称光程扫描结构中光强变化示意图；

图5是一种透射型的大扫描量程光学相干域偏振测量装置示意图。

具体实施方式

以下结合实施例和附图对本发明作进一步说明，但不应以此限制本发明的保护范围。

一种大扫描量程光学相干域偏振测量装置，包括宽谱光源101、起偏器102、待测偏振器件104、检偏器106、光程相关器110、差分探测装置120、光电信号转换与信号记录装置130。

1）光程相关器110中含有大量程光程扫描装置S、S2、S5，它由n（n=1，2，…）个功能相对独立的光程扩展单元Sn、Sn2、Sn5和位移扫描装置M组成；

2）多个功能相对独立的光程扩展单元Sn之间进行串联；每个光程扩展单元Sn中的扫描光学器件成对出现；每对扫描光学器件的插入损耗随扫描距离的变化具有对称互补性；多个光程扩展单元Sn共用一个位移扫描装置M；

3）在光学相干域偏振测量装置中，宽谱光源101发出的光依次通过起偏器102、第1旋转连接器103、待测光纤器件104、第2旋转连接器105、检偏器106，进入到光程相关器110；通过输入端口1a和第1耦合器111连接；第1耦合器111的输出端口1c、1d分别与光程相关器110的两个干涉臂中的扫描臂1A和参考臂1B相连；光依次通过n个光程扩展单元Sn，与参考臂1B中的光在第2耦合器112的两个输入端口1e、1f汇合干涉；第2耦合器112的两个输出端最后与差分探测装置120连接；经过差分后信号输入到干涉信号检测与处理装置130进行分析；

所述的大量程光程扫描装置S，

1）每个光程扩展单元Sn包括一个四端口光环行器Cn、一对准直透镜对Pna和Pnb、两个可移动反射镜Mna和Mnb。四端口环行器的两个反射端Cnb、Cnc分别伸出准直透镜对Pna和Pnb，它们分别对应位移扫描装置M上的可移动反射镜Mna和Mnb；

2）光程扩展单元Sn中，准直透镜Pna和可移动光学反射镜Mna、准直透镜Pnb和可移动光学反射镜Mnb分别组成两个功能相对独立的光程扫描延迟器；准直透镜对Pna和Pnb二者之间的光学器件参数具有相反的单调特性：假设准直透镜Pna插入损耗随扫描位移单调增强，则要求准直透镜Pnb插入损耗随扫描位移单调降低；反之亦然；

3）准直透镜对Pna和Pnb均位于光程相关器110的同一个干涉臂1A中；二者与可移动反射镜Mna和Mnb之间的光程分别随着可移动反射镜Mna和Mnb移动同时发生变化，且二者扫描位移变化具有一致性；

所述的大量程光程扫描装置S2，

1）每个光程扩展单元Sn2包括两个三端口光环行器2Cn1和2Cn2、一对准直透镜对2Pn1和2Pn2、两个可移动反射镜2Mn1和2Mn2。三端口环行器对的两个反射端2Cn1b、2Cn2b分别伸出准直透镜2Pn1、2Pn2，准直透镜2Pn1和2Pn2分别对应位移扫描装置2M上的可移动反射镜2Mn1和2Mn2；

2）准直透镜2Pn1和可移动光学反射镜2Mn1、准直透镜2Pn2和可移动光学反射镜2Mn2分别组成两个功能相对独立的光程扫描延迟器；第n对准直透镜对2Cn1和2Cn2、正向可移动光学反射镜2Mn1和反向可移动光学反射镜2Mn2等相同光学器件具有参数一致性；准直透镜对2Pn1和2Pn2插入损耗随距离呈线性变化且单调衰减；

3）准直透镜对2Cn1和2Cn2分别连接于光程相关器210的两个不同干涉臂2A和2B中；二者分别与可移动光学反射镜2Mn1和2Mn2之间形成的光程扫描变化具有位移互补性；

所述的大量程光程扫描装置S5，

1）每个光程扩展单元Sn5包括一对准直透镜对5Pna和5Pnb、两个可移动的45°反射镜5Mna和5Mnb；两个可移动反射镜5Mna和5Mnb分别与位移扫描装置M5的台面夹角45°，二者之间角度互相垂直；它们分别对应位移扫描装置M上的可移动反射镜5Mna和5Mnb；

2）光程扩展单元5Sn中，准直透镜5Pna和可移动光学反射镜5Mna、准直透镜5Pnb和可移动光学反射镜5Mnb分别组成两个功能相对独立的光程扫描延迟器；准直透镜对5Pna和5Pnb二者之间的光学器件参数具有相反的单调特性：假设准直透镜5Pna插入损耗随扫描位移单调增强，则要求准直透镜5Pnb插入损耗随扫描位移单调降低；反之亦然；

3）准直透镜对5Pna和5Pnb均位于光程相关器510的同一个干涉臂5A中；二者与可移动反射镜5Mna和5Mnb之间的光程分别随着可移动反射镜5Mna和5Mnb移动同时发生变化，且二者扫描位移变化具有一致性；

所述的位移扫描装置M，其特征是台面的扫描范围L能够覆盖待测光纤器件104、204、504前后端面所产生的全部光程范围；

所述的四端口光环行器Cn，具有一个光学输入端C1a、一个光学输出端C1d和两个光学反射端C1b、C1c，其特征是具有光学单向传输功能：由输入端C1a注入光信号仅由反射端C1b输出，由反射端C1b注入光信号，则仅由反射端C1c输出，由反射端C1c注入光信号，则仅由输出端C1d输出。

本发明是对典型的光学器件偏振串扰测量的全光纤测试装置（OCDP）中光程扫描结构的一种技术改进。

1．对扫描光程扩展分析如下：

如图1所示，将位移扫描装置M位移台面的位移范围设为L，距离准直透镜Pna端的距离为x（0≤x≤L）。由于四端口环行器有两个反射端，相对于典型的光学器件偏振串扰测量的全光纤测试装置（图3）中的三端口环行器而言，同样的扫描距离L将得到2L的扫描位移效果，即每一个光程扩展单元Sn都会提供2L的扫描位移；装置一共有n（n=1，2，…）个光程扩展单元Sn，即采用由四端口环行器构成的大范围光程扩展装置，扫描距离L将产生2nL的扫描位移效果。

同理，如图2所示，将位移扫描装置M2位移台面的位移范围设为L，距离准直透镜2Pn1端的距离为x（0≤x≤L），则距离准直透镜2Pn2端的距离为L-x。首先分析在一个光程扩展单元Sn2中，当干涉臂2A扫描距离增加L时，干涉臂2B扫描距离相应的减小L，则两个干涉臂差为2L，即可理解为在每一个光程扩展单元Sn中，同样的扫描距离L将得到2L的扫描位移；又由于装置一共有n（n=1，2，…）个光程扩展单元Sn2，即采用具有差分对称结构的大范围光程扩展装置，扫描距离L也将产生2nL的扫描位移效果。

由此可知，将n个连续式光程扩展单元级联，使用相同扫描距离可实现n倍光程扫描；采用由四端口环行器和差分对称光程扫描结构，使用相同扫描距离都可以实现2倍光程扫描。将改进方案应用于光学相干域偏振测量系统中，在使用相同扫描距离，可实现大范围的光程扫描和无限扩展。

2．对抑制光强波动分析如下：

典型的光学器件偏振串扰测量的全光纤测试装置（OCDP）是基于白光干涉原理测量光学器件偏振耦合的系统。

由经典相干理论可知，两个单一光源在一点p叠加，合成复振幅E(p)为单一光源E₁(p)和E₂(p)振幅的叠加，在点p的干涉光强I(p)正比于该点合成复振幅E(p)与其共轭复振幅E*(p)的乘积，可见合成的干涉信号光强波动与单一光源的光强波动值密切相关。

光在光路光程扫描装置中的准直透镜传播，可以看成尾纤中的平行光经过准直透镜汇聚发出，其出射光场振幅分布是一个复杂的随距离增加逐渐发散的函数。

（1）首先分析图1中的大扫描量程光学相干域偏振测量装置：

由权利要求知，假设准直透镜Pna插入损耗随位移单调增强，则要求准直透镜Pnb光强随位移单调降低，反之亦然。为了分析简单，作出以下假设：1）准直透镜对Pna和Pnb出光端的光强空间分布变化随位移台移动为线性变化过程；2）可移动反射镜Mna在近准直透镜Pna端，即x=0时光强最大，大小看作相对幅度1；在远准直透镜Pna端，光强相对幅度为近端时的P倍，即为P(0＜P＜1)；则得可移动反射镜Mnb在远准直透镜Pnb端，即x=L时光强最大，大小看作相对幅度1；在近准直透镜Pnb端，光强相对幅度为远端时的P倍，即为P(0＜P＜1)；3）准直透镜314与准直透镜Pna器件特性相同。

设单一准直透镜314光强y₁，有

y₁＝-kx+1  （1）

其中 $k=\frac{1}{L}(1-P).$

光程扩展单元Sn中双准直透镜Pna和Pnb光强分别是y₁和y₂，则有

y₁=-kx+1  (2)

y₂＝kx+P

准直透镜314的出光端光强随位移台移动变化分别对应图4a的曲线y₁，准直透镜Pna和Pnb的出光端光强随位移台移动变化分别对应图4a的曲线y₁和图4b中的曲线y₂。

对于四端口环行器中的准直透镜对Pna和Pnb，共同作用到干涉仪时，设总光强为y，有

y＝y₁y₂＝-k²x+(1-P)kx+P  （3）

根据式（2）和式（3），一个光程扩展单元Sn中的准直透镜对的光强y的合成过程如图4c所示。

单一准直透镜314在L处出现最小值P，在0处出现最大值1，波动为

α₁＝(1-P)  （4）

一个光程扩展单元Sn中准直透镜对在两端出现最小值P，在L/2处出现最大值

最大波动为

${\mathrm{\α}}_2=\frac{1}{4}{(1-P)}^2---\left(5\right)$

对于整个偏振测量装置含有n个光程扩展单元Sn，整体波动为

由于0＜P＜1，易知α₂＜α₁；合理选取n值，同样有α_2总＜α₁。

（2）同理分析图2中的基于差分对称结构的大扫描量程光学相干域偏振测量装置：

由权利要求知，准直透镜对2Pn1和2Pn2的参数具有一致性，对光强线性变化，具有单调衰减性。为了分析简单，作出以下假设1）准直透镜对2Pn1和2Pn2出光端的光强空间分布随位移台移动作线性变化过程；2）可移动反射镜2Mn1和2Mn2在近准直透镜2Pn1端，即x=0时光强最大，大小看作相对幅度1；在远准直透镜2Pn1端，光强相对幅度为近端时的P倍，即为P(0＜P＜1)；3）准直透镜314与准直透镜对2Pn1和2Pn2三者之间器件特性相同。

由于准直透镜对（2Pn1和2Pn2）与可移动反射镜（2Mn1和2Mn2）组成的光程扫描延迟器的扫描变化具有位移互补性，易知随着位移变化，准直透镜314的光强随位移台移动变化对应图4a的曲线y₁，准直透镜2Pn1和2Pn2的光强随位移台移动变化分别对应图4a的曲线y₁和图4b的曲线y₂。

推导过程与（1）中类似，同样可得到与式（4）、（5）、（6）一致的结论：采用差分对称结构的光路光程扫描补偿方法，对光强波动抑制明显，提高了系统测量精度。

通过以上两种不同光路分析，不同结构的光强波动幅度随P值变化如图4d所示：曲线α₂对应采用本发明中提到的光程扫描结构，曲线α₁对应单一光程扫描结构。对比后可以明显看出二者之间光强的波动差异：曲线α₂随P值减小从0缓慢变化到0.25，曲线α₁线性的上升到1，曲线α₂较曲线α₁平缓很多。可见将改进方案应用于光学相干域偏振测量系统中，对光强波动抑制明显，进而达到提高系统测量精度的目的。

应用实施例1——基于反射型大扫描量程结构的光学相干域偏振测量装置

测量装置如图1所示，光学相干域偏振测量装置的主要器件选型和参数如下：

1）宽带光源的中心波长1550nm、半谱宽度大于45nm、出纤功率大于10mW，消光比大于6dB；

2）待测光纤器件为3000m熊猫型保偏光纤，线性双折射是5×10^-4；

3）可移动光学反射镜的中心波长为1550nm，直径为20mm，厚2mm，平均反射率大于95%；

4）准直透镜的工作波长为1550nm平均插入损耗为1.5dB，损耗波动0.8dB；

5）四端口环形器的工作波长为1550nm，插入损耗为1dB，隔离度大于50dB；

6）位移台扫描范围0～200mm；

反射型大扫描量程结构的实施方案如下：

（1）采用此光程扫描结构，欲扫描3000m光纤，需要等效位移台长度5×10^-4×3000=1.5m；由于位移台长度0.2m，且每个光程扩展单元采用一个四端口环形器，有2个反射端口，单次扫描光程变化了0.8m，有1.5÷0.8=1.875≈2，共需要2个光程扩展单元（即n=2）。

由以上可知，使用0～200mm距离的位移台扫描结构，采用仅有2个光程扩展单元的大扫描量程光学相干域偏振测量装置，就可以对0～3000m的保偏光纤进行测量。

然而采用图3中的经典光学相干域偏振测量装置，200mm位移台最多能够扫描0.2×2÷5×10^-4=800m保偏光纤。

（2）在每个光程扩展单元中，有1个四端口环形器、2个准直透镜、2个反射镜，且光需要经过四端口环形器3次。则每个光程扩展单元的插入损耗是

1×3+1.5×2+0.22×2=6.44dB

光学相干域偏振测量装置含有2个光程扩展单元，由光程扩展带来的插入损耗总计12.88dB。

（3）根据准直透镜Pna和Pnb功率波动特性，Pna远端功率损耗为近端的0.8dB，即为近端功率的83%（Pnb变化与之相反），则P=0.83，可得

α₁＝(1-0.83)＝17%

由上式可知，光强浮动降低到原来的近1/12。

应用实施例2——基于差分型大扫描量程结构的光学相干域偏振测量装置

测量装置如图2所示，其中部分器件的选型与实施方案1相同，不同之处在于：待测光纤器件为4000m熊猫型保偏光纤，线性双折射是5×10^-4；工作采用三端口环形器，其工作波长为1550nm，插入损耗为0.8dB，隔离度大于50dB。

差分型大扫描量程结构的实施方案如下：

（1）采用此光程扫描结构，欲扫描4000m光纤，需要等效位移台长度5×10^-4×4000=2.0m；由于位移台长度0.2m，且每个光程扩展单元采用一对差分的三端口环形器，即有2个三端口环形器，单次扫描光程变化了0.8m，有2.0÷0.8=2.5≈3，共需要3个光程扩展单元（即n=3）。

由以上可知，使用0～200mm距离的位移台扫描结构，采用仅有3个光程扩展单元的大扫描量程光学相干域偏振测量装置，就可以对0～4000m的保偏光纤进行测量。

（2）在每个光程扩展单元中，有2个三端口环形器、2个准直透镜、2个反射镜，且光需要经过四端口环形器2次。则每个光程扩展单元的插入损耗是

0.8×2×2+1.5×2+0.22×2=6.64dB

光学相干域偏振测量装置含有3个光程扩展单元，由光程扩展带来的插入损耗总计19.92dB。

（3）根据准直透镜Pna和Pnb功率波动特性，二者远端功率损耗为近端的0.8dB，即为近端功率的83%，则P=0.83，可得

应用实施例3——基于透射型大扫描量程结构的光学相干域偏振测量装置

测量装置如图5所示，其中部分器件的选型与实施方案1相同，不同之处在于：待测光纤器件为3000m熊猫型保偏光纤，线性双折射是5×10^-4；采用双可移动反射镜，二者之间角度垂直。

透射型大扫描量程结构的实施方案如下：

（1）采用此光程扫描结构，欲扫描3000m光纤，需要等效位移台长度5×10^-4×3000=1.5m；由于位移台长度0.2m，且每个光程扩展单元采用一对可移动反射镜，单次扫描光程变化了0.4m，有1.5÷0.4=3.75≈4，共需要4个光程扩展单元（即n=4）。

由以上可知，使用0～200mm距离的位移台扫描结构，采用仅有4个光程扩展单元的大扫描量程光学相干域偏振测量装置，就可以对0～3000m的保偏光纤进行测量。

（2）每个光程扩展单元光含有2个准直透镜，2个反射镜。则每个光程扩展单元的插入损耗是

1.5×2+0.22×2=3.44dB

光学相干域偏振测量装置含有4个光程扩展单元，由光程扩展带来的插入损耗总计13.76dB。

（3）根据准直透镜Pna和Pnb功率波动特性，Pna远端功率损耗为近端的0.8dB，即为近端功率的83%（Pnb变化与之相反），则P=0.83，可得

Claims (6)

1.一种大扫描量程光学相干域偏振测量装置，宽谱光源（101）、起偏器（102）、待测偏振器件（104）、检偏器（106）、光程相关器（110）、差分探测装置（120）、光电信号转换与信号记录装置（130）按照上述顺序连接，其特征是：

光程相关器中含有大量程光程扫描装置，由n，n=1，2，…，个功能相对独立的光程扩展单元和位移扫描装置连接组成；

功能相对独立的光程扩展单元之间进行串联；每个光程扩展单元中的扫描光学器件成对组装；每对扫描光学器件的插入损耗随扫描距离的变化具有对称互补性；光程扩展单元共用一个位移扫描装置（M）；

在光学相干域偏振测量装置中，宽谱光源（101）发出的光依次通过起偏器（102）、第1旋转连接器（103）、待测光纤器件（104）、第2旋转连接器（105）、检偏器（106），进入到光程相关器（110）；通过输入端口（1a）和第1耦合器（111）连接；第1耦合器（111）的输出端口分别与光程相关器（110）的两个干涉臂中的扫描臂（1A）和参考臂（1B）相连；光依次通过n个光程扩展单元，与参考臂（1B）中的光在第2耦合器（112）的两个输入端口汇合干涉；第2耦合器（112）的两个输出端最后与差分探测装置（120）连接；经过差分后信号输入到干涉信号检测与处理装置（130）进行分析。

2.根据权利要求1一种大扫描量程光学相干域偏振测量装置，其特征在于，所述的大量程光程扫描装置（S）包括：

每个光程扩展单元（Sn）包括一个四端口光环行器（Cn）、一对准直透镜对、两个可移动反射镜，四端口环行器的两个反射端分别伸出准直透镜对，它们分别对应位移扫描装置（M）上的可移动反射镜；

光程扩展单元（Sn）中，准直透镜（Pna）和可移动光学反射镜（Mna）、准直透镜（Pnb）和可移动光学反射镜（Mnb）分别组成两个功能相对独立的光程扫描延迟器；准直透镜对二者之间的光学器件参数具有相反的单调特性：假设准直透镜（Pna）插入损耗随扫描位移单调增强，则要求准直透镜（Pnb）插入损耗随扫描位移单调降低；

准直透镜对均位于光程相关器（110）的同一个干涉臂（1A）中；二者与可移动反射镜之间的光程分别随着可移动反射镜移动同时发生变化，且二者扫描位移变化具有一致性。

3.根据权利要求1所述的一种大扫描量程光学相干域偏振测量装置，其特征在于，所述的大量程光程扫描装置（S2）包括：

每个光程扩展单元（Sn2）包括两个三端口光环行器、一对准直透镜对、两个可移动反射镜，三端口环行器对的两个反射端分别伸出准直透镜，准直透镜分别对应位移扫描装置（2M）上的可移动反射镜；

准直透镜（2Pn1）和可移动光学反射镜（2Mn1）、准直透镜（2Pn2）和可移动光学反射镜（2Mn2）分别组成两个功能相对独立的光程扫描延迟器；第n对准直透镜对、正向可移动光学反射镜（2Mn1）和反向可移动光学反射镜（2Mn2）等相同光学器件具有参数一致性；准直透镜对插入损耗随距离呈线性变化且单调衰减；

准直透镜对分别连接于光程相关器（210）的两个不同干涉臂中；二者分别与可移动光学反射镜之间形成的光程扫描变化具有位移互补性。

4.根据权利要求1所述的一种大扫描量程光学相干域偏振测量装置，其特征在于，所述的大量程光程扫描装置（S5）包括：

每个光程扩展单元（Sn5）包括一对准直透镜对、两个可移动的45°反射镜；两个可移动反射镜分别与位移扫描装置（M5）的台面夹角45°，二者之间角度互相垂直；它们分别对应位移扫描装置（M）上的可移动反射镜；

光程扩展单元（5Sn）中，准直透镜（5Pna）和可移动光学反射镜（5Mna）、准直透镜（5Pnb）和可移动光学反射镜（5Mnb）分别组成两个功能相对独立的光程扫描延迟器；准直透镜对二者之间的光学器件参数具有相反的单调特性：假设准直透镜（5Pna）插入损耗随扫描位移单调增强，则要求准直透镜（5Pnb）插入损耗随扫描位移单调降低；

准直透镜对均位于光程相关器（510）的同一个干涉臂（5A）中；二者与可移动反射镜之间的光程分别随着可移动反射镜移动同时发生变化，且二者扫描位移变化具有一致性。

5.根据权利要求1所述的一种大扫描量程光学相干域偏振测量装置，其特征在于，所述的位移扫描装置（M），台面的扫描范围（L）能够覆盖待测光纤器件前后端面所产生的全部光程范围。

6.根据权利要求1所述的一种大扫描量程光学相干域偏振测量装置，其特征在于，所述的四端口光环行器（Cn），具有一个光学输入端（Cna）、一个光学输出端（Cnd）和两个光学反射端实现光学单向传输：由输入端（Cna）注入光信号仅由反射端（Cnb）输出，由反射端（Cnb）注入光信号，则仅由反射端（Cnc）输出，由反射端（Cnc）注入光信号，则仅由输出端（Cnd）输出。

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