CN104006948B - 基于多峰分裂周期解调保偏光纤偏振耦合点位置的方法 - Google Patents

Abstract

一种基于多峰分裂周期解调保偏光纤偏振耦合点位置的方法。该方法采用SLD宽带光源构建基于迈克尔逊的保偏光纤偏振耦合测试系统，由光源出射的光经起偏器耦合进保偏光纤形成激发模，光纤中的耦合点将部分激发模串扰至正交的耦合模传输，形成了激发模与耦合模的光程差，采用迈克尔逊干涉仪平衡此光程差，形成干涉；干涉信号解调步骤为：将探测器所采集到的多峰分裂条纹进行周期提取；利用多峰分裂条纹周期计算偏振耦合点的相对位置和空间分辨率。本发明通过解调干涉条纹中的多峰分裂周期，得到了偏振耦合点的相对位置，提高了偏振耦合点的空间分辨率，减小了保偏光纤双折射色散影响。该方法简单实用，具有较强的实用性。

Description

基于多峰分裂周期解调保偏光纤偏振耦合点位置的方法

技术领域

本发明涉及利用多峰分裂干涉图解调保偏光纤偏振耦合点位置的方法，特别是利用保偏光纤多峰分裂现象，利用多峰分裂的周期解调光纤耦合点位置，提高了保偏光纤耦合点的空间分辨率，属于光学测量技术领域。

背景技术

保偏光纤作为一种能够保持传输光偏振态的特种光纤，通过在光纤内部引入固有内应力或改变光纤几何形状使光纤产生固有双折射，从而消除微扰双折射对传输光偏振态的影响来实现保偏传输。保偏光纤被广泛应用于相干光光纤通信系统、光纤陀螺、光无源器件以及对偏振态敏感的光纤类传感器。

基于保偏光纤耦合点偏振检测的白光干涉系统中，由于保偏光纤存在双折射，因此，随着保偏光纤的长度增加，双折射色散引起干涉包络展宽，使得相邻耦合点形成的干涉包络相连，从而相邻耦合点无法分辨，导致了保偏光纤耦合点的空间分辨率降低。为了补偿色散影响，已提出多种方法减小色散影响，提高空间分辨率。补偿色散方法主要分为两大类，一类是采用色散介质补偿，另一类是通过复杂的数据处理方法。专利200710199953提出一种色度色散补偿光纤，通过正负色散值光纤的结合补偿通信系统中光纤线路的色散。专利200710107461.9提出一种电学的方法处理采集信号，可实现对任意色散值的光纤进行补偿。专利200610052463.8提出一种光学相干层析成像中的色散补偿方法，通过在原有的单光栅快速扫描延迟线中增加一块与原有闪耀光栅平行放置的闪耀光栅来实现。以上色散补偿方法多采用色散补偿光纤或是电学、光学相位调制的补偿方法，这些方法或者只能对具有固定色散值的光纤进行补偿，或者由于其自身的频带范围有限等因素的影响，并不能实现对超宽带光信号的色散有效的补偿，或者实施装置复杂，易引入噪声和误差等。由于保偏光纤受双折射色散影响，空间分辨率随着保偏光纤长度下降，为了提高空间分辨率，专利201110242297.9提出了一种利用数据处理得到保偏光纤的双折射色散系数，得到色散补偿所需的相位因子，将补偿相位因子和带有色散信息的非线性频谱函数相乘，得到色散补偿后的干涉信号，从而提高空间分辨率。

发明内容

本发明目的是解决保偏光纤由于双折射色散影响，致使保偏光纤耦合点的空间分辨率随着光纤长度而下降的问题，提供一种基于多峰分裂周期解调保偏光纤偏振耦合点位置的方法。当保偏光纤较长时，光纤双折射色散致展宽的偏振耦合点干涉包络发生不同程度的重叠，产生拍频，使干涉包络分裂为多个峰，为多峰分裂现象。本发明利用多峰分裂现象提取分裂周期，从而可以提高耦合点的空间分辨率，增加了近距离耦合点的分辨本领。

本发明技术方案：

基于多峰分裂周期解调保偏光纤偏振耦合点位置的方法，采用SLD宽带光源构建基于迈克尔逊的保偏光纤偏振耦合测试系统，由光源出射的光经起偏器耦合进保偏光纤形成激发模，光纤中的耦合点将部分激发模串扰至正交的耦合模传输，形成了激发模与耦合模的光程差，采用迈克尔逊干涉仪平衡此光程差，形成干涉；该方法的具体解调步骤如下：

第1、将探测器所采集到的多峰分裂条纹进行周期提取。

首先对干涉条纹进行小波去噪，然后对多峰分裂的干涉条纹进行包络提取，并进行曲线拟合，最后计算干涉包络周期。实验中得到的多峰分裂的条纹周期为

,(1)

式中ΔN是两个分裂峰之间的采样点，Fs是空间采样频率。

第2、利用多峰分裂条纹周期计算偏振耦合点的相对位置。

SLD光源基于高斯分布，保偏光纤在干涉条纹中将会加入附加的相位。

(2)

式中，k⁽ⁿ⁾(ω₀)=dⁿk/dωⁿ(ω=ω₀)是第n阶n^th色散系数。n和n_g分别是相折射率和群折射率。ω和ω₀分别是光源频率和中心频率。D是保偏光纤的群速度色散，z是保偏光纤的光程，c是真空中光速。

则干涉条纹强度为

(3)

式中L_co是光源的相干长度;Δx是参考臂的光程，φ是干涉条纹的初始相位常数;η是由于双折射色散引起的相干包络展宽速度，，其中λ₀和λ分别是光源的中心波长和光谱宽度。

形成多峰分裂时，条纹周期为

(4)

由于采用了多峰分裂周期解调，偏振耦合点的空间相对位置为：

(5)。

本发明基于多峰分裂周期解调方法，不仅可以用于保偏光纤偏振耦合点的检测，也可以用于其它的低相干干涉系统中的干涉条纹解调。

本发明的优点和积极效果：

本发明通过解调干涉条纹中的多峰分裂周期，得到了偏振耦合点的相对位置，提高了偏振耦合点的空间分辨率，减小了保偏光纤双折射色散影响。

本发明提出了一种全新的计算保偏光纤偏振耦合点相位位置、提高保偏光纤偏振耦合点的空间分辨率的方法，避免了在干涉系统中插入色散补偿介质，或者通过复杂的数据处理减小双折射色散影响。本发明利用干涉条纹的多峰分裂现象，通过多峰分裂周期的解调，直接计算得到偏振耦合点的相对位置，提高了耦合点的空间分辨率，方法简单实用，具有较强的实用性。

附图说明

图1是基于多峰分裂周期解调保偏光纤耦合点位置的流程图；

图2是本发明中采用的保偏光纤偏振耦合测量系统；

图2中，1是SLD宽带光源，2是光纤起偏器，3是保偏光纤和光纤起偏器之间的连接法兰，4是待测保偏光纤，5是半波片，6是检偏器，7是半透半反镜，8是静止反射镜，9是扫描反射镜，10是控制半波片旋转的步进电机，11是光电探测器，12是控制扫描反射镜移动的步进电机，13是数据采集卡，14是计算机；

图3是偏振耦合点的多峰分裂，其中（a）多峰分裂数据，（b）是多峰分裂区域放大图；

图4是399m附近多峰分裂区域数据的多峰高斯拟合，其中（a）399.54m和400.04m，（b）399.34m和400.07m，（c）399.74m和400.07m；

图5是保偏光纤966m附近多峰分裂区域数据的多峰高斯拟合，其中（a）964m和965.07m，（b）966.02m和968.04m，（c）964m和966.02m，（d）967.54m和968.04m。

具体实施方式

本发明的原理和工作流程如下：

图2中，从SLD宽带光源1发出中心波长为1315nm的低相干光，经过光纤起偏器2变成线偏振光，入射到待测保偏光纤4中。光纤起偏器2和保偏光纤4通过一个光纤法兰盘3连接，该连接点处会发生偏振耦合，原来的激发模将有一部分能量耦合到偏振方向与之垂直的耦合模上。两个偏振方向上的传播速度不同，在光纤出射段，会产生一定的相位差。通过半波片5与检偏器6，使得两个偏振模式以等比例投影到一个偏振方向上，发生干涉。最后通过迈克耳逊干涉装置补偿光程差，利用光电探测器11接收干涉信号，并通过数据采集卡13，将结果存储于计算机14中。

首先对保偏光纤末端距离较近的两个偏振耦合点进行了检测，采集的干涉条纹如图3所示，其中（a）给出了两个偏振耦合点由于保偏光纤双折射色散展宽后叠加出的拍频现象，（b）为多峰分裂区域放大图，可以看到，叠加区域干涉条纹出现了周期性变化。

实施例1：

基于多峰分裂周期解调保偏光纤偏振耦合点位置的具体过程。

实验参数如下：光纤长度为L=396m，光纤跳线长度为4.07m，光纤两偏振轴的折射率差为，光源中心波长和谱宽分别为1315nm和30.08nm。

1）、将探测器所采集到的多峰分裂条纹进行周期提取。

实验分别对位于399.57m和400.07m，399.34m和400.07m，399.74m和400.07m处的两个偏振耦合点干涉条纹叠加区的多峰分裂现象进行了检测，并提取了叠加区域分裂峰的包络，对其进行了多个峰的拟合，结果如图4所示。

设图中高斯峰值对应的横坐标分别为：，，其中M为提取的分裂峰的个数。根据下式：

（6）

可以求得分裂峰一个周期内包含的数据点数。在白光干涉系统中，驱动扫描导轨的电机每秒发6000个脉冲，而数据采集程序设定每个脉冲采集2个点，因此，多峰分裂区干涉包络周期为：

（7）

表1给出了多峰分裂解调结果，从中可以看到，耦合点的解调得到的位置和实际位置非常接近，误差小于0.02m。

表1、保偏光纤399m附近多峰分裂解调结果

实施例2

本实施例对964m保偏光纤进行了测试，实验参数如下：光纤长度为L=964m，光纤跳线长度为4.07m，光纤两偏振轴的折射率差为，光源中心波长和谱宽分别为1315nm和30.08nm。

实验分别对位于964m和965.07m，966.02m和968.04m，964m和966.02m，967.54m和968.04m处的两个偏振耦合点干涉条纹叠加区的多峰分裂现象进行了检测，并提取了叠加区域分裂峰的包络，对其进行了多个峰的拟合，结果如图5所示，拍频解调结果见表2。从表中可以看出，偏振耦合点的位置不同或者间隔不同时，叠加区分裂峰的周期均不相同。测量得到的最大的实验偏差仅为0.0093s。

表2、保偏光纤966m附近多峰分裂解调结果

。

Claims (2)

1.一种基于多峰分裂周期解调保偏光纤偏振耦合点位置的方法，该方法采用SLD宽带光源构建基于迈克尔逊的保偏光纤偏振耦合测试系统，由光源出射的光经起偏器耦合进保偏光纤形成激发模，光纤中的耦合点将部分激发模串扰至正交的耦合模传输，形成了激发模与耦合模的光程差，采用迈克尔逊干涉仪平衡此光程差，形成干涉；其特征在于该方法的具体解调步骤如下：

第1、将探测器所采集到的多峰分裂条纹进行周期提取；

首先对干涉条纹进行小波去噪，然后对多峰分裂的干涉条纹进行包络提取，并进行曲线拟合，最后计算干涉包络周期；实验中得到的多峰分裂的条纹周期为

T＝ΔN/Fs,(1)

式中ΔN是两个分裂峰之间的采样点，Fs是空间采样频率；

第2、利用多峰分裂条纹周期计算偏振耦合点的相对位置；

SLD光源基于高斯分布，保偏光纤在干涉条纹中将会引入附加的相位Φ_DIS，

$\begin{array}{c}{\mathrm{\Φ}}_{DIS}\left(\mathrm{\ω}\right)=k^{\left(0\right)}\left({\mathrm{\ω}}_0\right)\·z+k^{\left(1\right)}\left({\mathrm{\ω}}_0\right)(\mathrm{\ω}-{\mathrm{\ω}}_0)\·z+\frac{1}{2}{k}^{\left(2\right)}\left({\mathrm{\ω}}_0\right){(\mathrm{\ω}-{\mathrm{\ω}}_0)}^2\·z+...\\ \≈\frac{n}{c}{\mathrm{\ω}}_0\·z+\frac{n_g}{c}\left(\mathrm{\ω}-{\mathrm{\ω}}_0\right)\·z-\frac{\mathrm{\π}cD}{{{\mathrm{\ω}}_0}^2}{\left(\mathrm{\ω}-{\mathrm{\ω}}_0\right)}^2\·z\end{array}---\left(2\right)$

式中，k⁽ⁿ⁾(ω₀)＝dⁿk/dωⁿ(ω＝ω₀)是第n阶n^th色散系数，n和n_g分别是相折射率和群折射率，ω和ω₀分别是光源频率和中心频率，D是保偏光纤的群速度色散，z是保偏光纤的光程，c是真空中光速，则干涉条纹强度为

$\begin{array}{c}{I}_{DIS}=\frac{1}{\sqrt{\mathrm{\η}}}\exp \[-\frac{2{\mathrm{\π}}^2{\left(n_g\·z-\mathrm{\Δ}x\right)}^2}{{\mathrm{\η}}^2{L_{co}}^2}\]\\ \·\cos \[-\frac{\sqrt{{\mathrm{\η}}^2-1}}{{\mathrm{\η}}^2}\frac{2{\mathrm{\π}}^2{\left(n_g\·z-\mathrm{\Δ}x\right)}^2}{{L_{co}}^2}+\frac{{\mathrm{\ω}}_0}{c}\left(n\·z-\mathrm{\Δ}x\right)+\frac{1}{2}\arctan \left(\sqrt{{\mathrm{\η}}^2-1}\right)\]\end{array}---\left(3\right)$

式中L_co是光源的相干长度，Δx是参考臂的光程，是干涉条纹的初始相位常数，η是由于双折射色散引起的相干包络展宽速度，η＝{1+[2πc·(Δλ/λ₀)²·Dz]²}^1/2，其中λ₀和Δλ分别是光源的中心波长和光谱宽度；

形成多峰分裂时，条纹周期为

$T=\frac{{L_{co}}^2\{1+{\[2\mathrm{\π}c\·{(\mathrm{\Δ}\mathrm{\λ}/{\mathrm{\λ}}_0)}^2\·Dz\]}^2\}}{2{\mathrm{\π}}^2{\mathrm{cn}}_g\mathrm{\Δ}z\·{(\mathrm{\Δ}\mathrm{\λ}/{\mathrm{\λ}}_0)}^2\·Dz}---\left(4\right)$

采用多峰分裂周期解调，偏振耦合点的空间相对位置为：

$\mathrm{\Δ}z=\frac{{L_{co}}^2{\[1+2\mathrm{\π}c\·{(\mathrm{\Δ}\mathrm{\λ}/{\mathrm{\λ}}_0)}^2\·Dz\]}^2}{2{\mathrm{\π}}^2{\mathrm{cn}}_g\·T\·{(\mathrm{\Δ}\mathrm{\λ}/{\mathrm{\λ}}_0)}^2\·Dz}---\left(5\right).$

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于该方法不仅可以用于保偏光纤偏振耦合点的检测，也可以用于其它的低相干干涉系统中的干涉条纹解调。