CN103940588A - 光学相干偏振测量的偏振衰落抑制装置与抑制方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供的是一种光学相干偏振测量的偏振衰落抑制装置与抑制方法。宽谱光源发出宽谱光经过光隔离器后由起偏器起偏，起偏器与待测器件输入端0°对轴焊接，待测器件输出端与检偏器呈45°对轴焊接，检偏器通过光纤耦合器进入由光纤延迟线与偏振态连续旋转机构组成的解调干涉仪，再由第一光电转换器、第二光电转换器转换为电信号，通过差分电路后由计算机进行数据采集并计算输出。本发明具有不引入额外偏振器件、结构简单、控制过程简便，不需要考虑入射偏振态等优点，可用于提高光学相干偏振测量系统对光学器件偏振串扰检测的精度，也可用于抑制其他白光干涉测量中偏振衰落现象。

Description

光学相干偏振测量的偏振衰落抑制装置与抑制方法

技术领域

本发明涉及的是一种光学相干偏振测量的偏振衰落抑制装置，本发明也涉及一种光学相干偏振测量的偏振衰落抑制方法。

背景技术

光学相干偏振测量技术是一种高精度分布式偏振耦合测量技术，它主要用于光纤器件以及光纤陀螺等光纤传感器的分布偏振串扰的高精度检测。该测量技术基于白光干涉原理，通过扫描式光学干涉仪进行光程补偿，实现不同偏振模式间的干涉，可对偏振耦合点的空间位置、偏振耦合信号强度进行高精度的测量与分析。它具有结构简单，高空间分辨率、大测量范围、超高测量灵敏度、超大动态范围等优点，可以广泛用于保偏光纤制造、保偏光纤精确对轴、器件消光比测试、光纤陀螺研制等领域。由于它最为直接和真实地描述了信号光在光纤光路中的传输行为，特别适合于对光纤器件、组件，以及光纤陀螺等高精度、超高精度光纤传感光路的测试和评估。

光学相干偏振测量系统对偏振串扰检测的一个重要指标是精度，但由于光学相干偏振测量系统内部组成解调干涉仪的器件及光纤会随着系统运行产生的热量以及室温的变化发生微小的形变，这种微小的形变会导致光纤中的传输光产生微小的偏振态劣化现象，这种劣化会直接导致干涉峰产生波动，即会减小测量系统的检测精度。在白光干涉测量领域抑制这种由于偏振态劣化而导致的干涉峰波动现象主要有以下几种方法：1、全保偏光路法，该方法即通过采用全保偏光路来实现抗偏振衰落现象，但其缺点是损耗大偏振难以保持，而且由于系统的全保偏会使系统中引入不必要的杂散干涉峰，并不适用于光学相干偏振测量系统的检测。2、被动法拉第旋镜（FRM）消偏法，其实现方法为在Michelson干涉仪的两臂各焊接一个旋转角度为45°的反射式FRM，使干涉仪两臂中反射回的两束干涉光的偏振态相对于入射光向同一个方向旋转90°,得以保持两束光在输出端具有相同的偏振态，从而实现稳定的干涉，起到抗偏振衰落的效果。该方法是目前比较有效的一种抗偏振衰落的方法，但其应用仅限于迈克尔逊干涉仪，在对光学相干偏振测量系统进行光路设计时会产生额外的限制，不利于提高系统的检测精度及动态范围等指标。3、主动法拉第旋镜消偏法，由Kazumasa Takada在1999年提出，其方法是通过起偏器将干涉光的一路起偏后经过一只可调的FRM将光的偏振态分别调整为0°和90°，将这两种状态下的干涉光加和处理，即得到抗偏振衰落的干涉信号。由于光学相干偏振测量系统的检测原理需要在光源的输出端和解调干涉仪的输入端各串接一只起偏器，如果利用该方法在解调干涉仪的一臂额外在串接一个起偏器，势必会减少光源的利用率，同时还会增加系统的复杂度并引入不必要的杂散干涉峰。另外，在2002年11月5日由Tohru Mori和Kazumasa Takada等公布的美国专利“Polarization-independent reflectometry andpolarization-independent reflectometer”中提到的抑制偏振衰落方法即属于主动法拉第旋镜消偏法，其偏振衰落抑制装置中使用了起偏器，并没有完全消除掉解调干涉仪光路中的偏振器件。4、偏振分集接收法，基本思想是利用两个或两个以上成一定夹角的检偏器在接收端对信号进行检测，通过若干成角度的检测信号提取出无偏振衰落的干涉信号。该方法抗偏振衰落是有效的，但其装置较复杂。

近年来还有其他一些抗偏振衰落方法的公开报道：2009年3月18日由赵瑞峰等人公开的“偏振衰落和相位衰落可控的迈克尔逊光纤传感器”专利，其中是在传感光路中串接两只偏振调制器来实现偏振衰落抑制，同时光路中采用双光源的方案，该方案引入额外器件较多，系统相对复杂，增加成本投入。2009年2月13日由王春华等人公开的“抗偏振衰落及相位噪声的全光纤Mach-Zehnder干涉仪”专利，其中实现方案是通过桥接级联光纤环链，实现光分量的空间路径分解，干涉检测结果是无数对相位差相同、光强相同、偏振态随机分布的微小想干光对的干涉结果的统计平均，该方案对光源功率利用率较低，光能损耗较大，不适用光学相干偏振测量系统的偏振衰落抑制。

发明内容

本发明的目的在于提供一种能提高测量系统对光学器件偏振串扰检测的精度的光学相干偏振测量的偏振衰落抑制装置。本发明的目的还在于提供一种光学相干偏振测量的偏振衰落抑制方法。

本发明的光学相干偏振测量的偏振衰落抑制装置包括宽谱光源101、光隔离器102、起偏器103、待测器件2、检偏器301、第一光纤耦合器302、第二光纤耦合器305、光程延迟线303、偏振态连续旋转机构304、第一光电转换器401、第一光电转换器402、差分电路403及控制计算机404，宽谱光源101发出宽谱光经过光隔离器102后由起偏器103起偏，起偏器103与待测器件输入端0°对轴焊接，待测器件输出端与检偏器301呈45°对轴焊接，检偏器301通过光纤耦合器302进入由光纤延迟线303与偏振态连续旋转机构304组成的解调干涉仪3，再由第一光电转换器401、第二光电转换器402转换为电信号，通过差分电路403后由计算机进行数据采集并计算输出。

本发明的光学相干偏振测量的偏振衰落抑制装置还可以包括：

1、起偏器103的输入端为单模普通光纤，输出端为熊猫型保偏光纤。

2、检偏器301的输入端为熊猫型保偏光纤，输出端为单模普通光纤。

3、第一光纤耦合器302和第二光纤耦合器305为平衡式的3dB耦合器。

4、所述偏振态连续旋转机构304由半波片构成，半波片7置于自聚焦透镜6和反射镜8之间，自聚焦透镜6与反射镜8呈垂直放置，自聚焦透镜6的尾纤与环形器5相连，入射光从环形器5的输入端口输入，经过自聚焦透镜6并经反射镜8反射回自聚焦透镜后，由环形器的输出端口输出。

基于本发明的光学相干偏振测量的偏振衰落抑制装置的抑制方法为：

由宽谱光源101发出宽谱光，经过光隔离器102后由起偏器103起偏，起偏器与待测器件输入端0°对轴焊接，待测器件输出端与检偏器301进行45°对轴焊接，通过第一光纤耦合器302进入由光纤延迟线303与偏振态连续旋转机构304组成的解调干涉仪3，偏振态连续旋转机构304对传输光进行0～360°的连续旋转和高速调整，后由第一光电转换器401、第二光电转换器402转换为电信号，通过差分电路403后由计算机进行数据采集并计算输出。

所述偏振态连续旋转机构304对传输光进行0～360°的连续旋转和高速调整包括：使偏振态旋转角度θ经历从0≤θ＜2π不断变化，通过计算机404采集任意偏振态相差π/2的四个白光干涉峰值，分别为经过计算得：

作为测量输出结果，其幅值与入射偏振态无关。

本发明提供了一种光学相干偏振测量的偏振衰落抑制装置与方法，其通过偏振态连续旋转机构调整干涉光的偏振态以获得不同强度偏振态衰落的干涉信号，取任意偏振态相差90°的四个白光干涉峰值进行俩俩相减、平方加和、并与四峰值的平均值相加，所得结果可以抑制解调干涉仪由于温度变化等原因引起的干涉光偏振态微弱变化而导致的干涉峰幅值浮动，该装置结构简单，控制干涉光路中解调干涉仪的一臂即可实现，因此可用于光学相干偏振测量系统中任何形式的解调干涉仪，不需要将光源偏振化，即可实现偏振衰落补偿，提高了光源的利用率并且减少了不必要的杂散干涉峰。因此可用于提高光学相干偏振测量系统对光学器件偏振串扰检测的精度，也可用于抑制其他白光干涉测量中的偏振衰落现象。

本发明中的计算方法基于如下理论：

干涉信号幅度与偏振态旋转角度直接的关系为：

I=A[1+Bcos(θ+φ₀)]

式中：A为偏振衰落发生时，干涉信号幅度，B为随偏振衰落变化的幅度，θ为偏振态旋转角度，φ₀为两束干涉光初始的偏振态夹角角度。

由于光学相干偏振测量系统受到温度等外界因素扰动引起的传输光产生偏振态劣化的程度比较小，此时B小于1，但由于光学相干偏振测量系统的高精度检测要求，此处并不能忽略微小偏振衰落产生的影响，因此为了获得精确的干涉幅度（A+AB），使偏振态连续旋转机构高速连续工作，干涉信号呈现周期性的波动，在0≤θ＜2π时，间隔取四个点，相位相差π/2，则有

整理（1）式可知：

将（2）和（4）式相减可得

将（3）和（5）式相减可得

将（6）和（7）平方相加再开方除以2可知：

将（2）～（5）相加再除以4，可得：

将（8）与（9）相加，可得

所得结果与传输光偏振态θ无关。

与现有技术相比，本发明的优点在于：

（1）由于偏振态连续旋转机构可连续、高速的控制偏振态旋转，并可串接在解调干涉仪的任意一臂，因此本发明可用于抑制任何形式干涉仪（Michelson和Mach-Zehnder等）作为解调干涉仪的光学相干偏振测量系统的偏振衰落对测量精度的影响。不用在解调干涉仪的光路中串接任何偏振元件即可实现抗偏振衰落，提高了光源的利用率并且减少了不必要的杂散干涉峰。

（2）本发明计算方法的优点是不需要关心偏振态变化引起干涉信号浮动的极值点（最大点），不需要关心传输光的绝对偏振态角度，只需通过偏振态连续旋转机构获得相位相差π/2的四种偏振态下的干涉峰即可，因此简化了评价和判断的过程。

图说明

图1是光学相干偏振测量系统的偏振衰落抑制装置与方法实施光路；

图2是通过旋转波片实现偏振态连续旋转机构示意图；

图3是光学相干偏振测量的抗偏振衰落计算方法流程图。

具体实施方式

为清楚的说明本发明光学相干偏振测量的偏振衰落抑制装置与方法，下面结合附图对本发明做详细阐述：

根据图1所示光学相干偏振测量系统的偏振衰落抑制装置由宽谱光源101、光隔离器102、起偏器103、待测器件2、检偏器301、光纤耦合器302、305、光程延迟线303、偏振态连续旋转机构304、光电转换器401、402、差分电路403及控制计算机404组成。由宽谱光源1发出宽谱光，经过光隔离器102后由起偏器103起偏，与待测器件0°对轴焊接，待测器件与检偏器301进行45°对轴焊接，通过光纤耦合器302进入解调干涉仪3，后由光电转换器401、402转换为电信号，通过差分电路403后由计算机进行数据采集，其中解调干涉仪由光纤延迟线303与偏振态连续旋转机构304组成，偏振态连续旋转机构304可以对传输光进行0～360°的连续旋转和高速调整。

偏振态连续旋转机构如图2所示，由半波片构成，实现对入射光偏振态0～360°的旋转；将波片7置于自聚焦透镜6和反射镜8之间，自聚焦透镜6与反射镜8呈垂直放置，自聚焦透镜6的尾纤与环形器5相连，入射光从环形器5的输入端口输入，经过自聚焦透镜6并经反射镜8反射回自聚焦透镜后，由环形器的输出端口输出，在传输过程中入射光两次经过波片7，波片7由传动装置带动高速连续旋转，入射光在环形器5的输出端口输出时已经被高速转动的波片进行了0～360°的高速连续旋转。

偏振衰落抑制计算方法如图3所示，首先控制偏振态连续旋转机构304连续、高速旋转，使偏振态旋转角度θ经历从0≤θ＜2π不断变化，通过计算机404采集任意偏振态相差π/2的四个白光干涉峰值，分别定义为经过计算可得：

所得结果I为与传输光偏振态θ无关的干涉峰值。

Claims (7)

1.一种光学相干偏振测量的偏振衰落抑制装置，包括宽谱光源（101）、光隔离器（102）、起偏器（103）、待测器件（2）、检偏器（301）、第一光纤耦合器（302）、第二光纤耦合器（305）、光程延迟线（303）、偏振态连续旋转机构（304）、第一光电转换器（401）、第一光电转换器（402）、差分电路（403）及控制计算机（404），其特征是：宽谱光源（101）发出宽谱光经过光隔离器（102）后由起偏器（103）起偏，起偏器（103）与待测器件输入端0°对轴焊接，待测器件输出端与检偏器（301）呈45°对轴焊接，检偏器（301）通过光纤耦合器（302）进入由光纤延迟线（303）与偏振态连续旋转机构（304）组成的解调干涉仪（3），再由第一光电转换器（401）、第二光电转换器（402）转换为电信号，通过差分电路（403）后由计算机进行数据采集并计算输出。

2.根据权利要求1所述的光学相干偏振测量的偏振衰落抑制装置，其特征是所述偏振态连续旋转机构（304）的组成为：半波片（7）置于自聚焦透镜（6）和反射镜（8）之间，自聚焦透镜（6）与反射镜（8）呈垂直放置，自聚焦透镜（6）的尾纤与环形器（5）相连，入射光从环形器（5）的输入端口输入，经过自聚焦透镜（6）并经反射镜（8）反射回自聚焦透镜后，由环形器的输出端口输出。

3.根据权利要求2所述的光学相干偏振测量的偏振衰落抑制装置，其特征是：起偏器（103）的输入端为单模普通光纤，输出端为熊猫型保偏光纤。

4.根据权利要求3所述的光学相干偏振测量的偏振衰落抑制装置，其特征是：检偏器（301）的输入端为熊猫型保偏光纤，输出端为单模普通光纤。

5.根据权利要求1所述的光学相干偏振测量的偏振衰落抑制装置，其特征是：第一光纤耦合器（302）和第二光纤耦合器（305）为平衡式的3dB耦合器。

6.基于权利要求1所述的光学相干偏振测量的偏振衰落抑制装置的抑制方法，其特征是：

由宽谱光源（101）发出宽谱光，经过光隔离器（102）后由起偏器（103）起偏，起偏器与待测器件输入端0°对轴焊接，待测器件输出端与检偏器（301）进行45°对轴焊接，通过第一光纤耦合器（302）进入由光纤延迟线（303）与偏振态连续旋转机构（304）组成的解调干涉仪（3），偏振态连续旋转机构（304）对传输光进行0～360°的连续旋转和高速调整，后由第一光电转换器（401）、第二光电转换器（402）转换为电信号，通过差分电路（403）后由计算机进行数据采集并计算输出。

7.根据权利要求6所述的光学相干偏振测量的偏振衰落抑制方法，其特征是所述偏振态连续旋转机构（304）对传输光进行0～360°的连续旋转和高速调整包括：使偏振态旋转角度θ经历从0≤θ＜2π不断变化，通过计算机（404）采集任意偏振态相差π/2的四个白光干涉峰值，分别为经过计算得：

作为测量输出结果，其幅值与入射偏振态无关。