CN104006950B - 一种保偏光纤双折射色散测量方法 - Google Patents

Abstract

一种基于白光频域干涉和三次相位函数的保偏光纤双折射色散测量方法。该方法适用于对保偏光纤的双折射色散值进行全光谱范围内的高精度测量。该方法基于迈克尔逊白光频域干涉测量系统，通过光谱仪采集频域干涉信号。然后采用基于三次相位函数的数据处理方法，从三次相位函数的脊线中提取群延时色散，进一步计算出双折射色散。本发明可以提高保偏光纤双折射色散值的测量精度，数据处理过程中避免相位提取过程以及微分运算，无需参数选择，减小实验环境的扰动对测量结果的影响。本发明采用频谱干涉测量法，测量时间短，信号信噪比高，可以获得全光谱信息。

Description

一种保偏光纤双折射色散测量方法

技术领域

本发明涉及白光频域干涉法的保偏光纤双折射色散的测量方法，尤其涉及一种基于三次相位函数的频域干涉信号的数据处理方法，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，在这些应用中，保偏光纤的双折射色散值的精确测量显得尤为重要。

对保偏光纤双折射色散的测量，可以采用三种基于白光时域干涉的测量方法。第一种，通过保偏光纤内部两个偏振模之间的时域干涉，从时域干涉条纹中计算复相干度，从而获得双折射色散。第二种，利用两个偏振模分别和空气中的参考光束干涉，分别计算两个偏振模的色散系数，相减后就可以得到双折射色散。第三种，利用时域干涉条纹对比度和光程差的依赖关系，从中计算双折射色散。

与传统的时域干涉测量相比，频域白光干涉法是通过光谱仪或CCD采集光谱信息，具有无需机械扫描装置、系统噪声小、测量时间短的优点，而且可以从测得的频域干涉信号中获得双折射色散与频率/波长有关的信息。这都是时域干涉法所不具备的。其中，基于迈克耳逊干涉仪的频域白光干涉系统以其结构简单，测量精度高而被广泛应用。

目前，对于频域干涉信号的数据处理主要采用基于傅里叶变换的相位提取算法。在频域干涉信号的群延时域设置滤波器，将干涉交流项提取出来，从中计算相位值。然后对相位进行二阶的微分运算就可以获得保偏光纤的双折射色散值。为了避免数值误差，往往先对相位进行多项式拟合，然后计算微分。但是，该方法测得的双折射色散对滤波器的参数选择极为敏感。而且，不可能找到一种适应于所有保偏光纤的参数选择方法。

发明内容

本发明的目的是为了避免频域干涉信号数据处理算法中的参数选择，提高处理结果对实验条件的抗性，提出了一种基于白光频域干涉和三次相位函数的保偏光纤双折射色散测量方法，对于保偏光纤的实际运用提供色散补偿的数值依据。

该方法适用于对保偏光纤双折射色散值进行测量，不同于常用的傅里叶变换法，可以避免相位提取和微分计算过程，稳定性好，精度高。

三次相位函数是一种瞬时频率变化速率的估值算法。该算法鲁棒性好，对高斯型的噪声具有极高的抗性，估值精度明显高于其他同类瞬时频率变化速率的估值算法，适用于处理频域干涉信号。

本发明提供的保偏光纤双折射色散测量方法的具体步骤如下：

第1、搭建频域白光干涉测量系统，将SLD宽带光源通过光纤起偏器连接至待测保偏光纤，保偏光纤的另一端通过一个补偿干涉仪后，连接至光谱仪；

所述的SLD宽带光源采用高斯型的谱型，设光谱的中心频率为ω₀，谱型标准差为Δω，则光源功率谱I₀(ω)用高斯函数表示为

$I_0\left(\mathrm{\ω}\right)=\exp [-\frac{{(\mathrm{\ω}-{\mathrm{\ω}}_0)}^2}{2\mathrm{\Δ}{\mathrm{\ω}}^2}];$

所述的补偿干涉仪可以采用迈克耳逊干涉仪，也可以采用其他标准干涉仪。

第2、用光谱仪采集频域干涉信号，可表示为

$I_1\left(\mathrm{\ω}\right)=I_0\left(\mathrm{\ω}\right)[1+K\cos \left(\underset{i=0}{\overset{3}{\mathrm{\Σ}}}{a}_i{(\mathrm{\ω}-{\mathrm{\ω}}_0)}^i\right)]$

其中，K是干涉条纹对比度，是相位，并表示成关于光频率的三次多项式，其中a_i是第i次项系数；

第3、在频域干涉信号的傅里叶变换域内通过简单的赋零处理，可以得到交流项，

$I\left(\mathrm{\ω}\right)=I_0\left(\text{\ω}\right)\exp \left\{j\right[\underset{i=0}{\overset{3}{\mathrm{\Σ}}}{a}_i{(\mathrm{\ω}-{\mathrm{\ω}}_0)}^i\left]\right\};$

第4、计算交流项的三次相位函数

得到

$\mathrm{CP}(\mathrm{\ω},\mathrm{\Ω})=I^2\left(\mathrm{\ω}\right)\frac{\sqrt{\mathrm{\π}}}{2}{\{\frac{1}{\mathrm{\Δ}{\mathrm{\ω}}^2}-j[2a_2+6a_3(\mathrm{\ω}-{\mathrm{\ω}}_0)-\mathrm{\Ω}\left]\right\}}^{-1}$

第5、对于任一频率值ω，对三次相位函数的模值进行峰值搜索，当三次相位函数的模取得最大值时，Ω即为对应于ω的群延时色散ρ(ω)，公式表示为：

ρ(ω)＝argmax_Ω|CP(ω，Ω)|；

第6、利用群延时色散来计算保偏光纤的双折射色散ΔD(ω)，计算公式为：

$\mathrm{\ΔD}\left(\mathrm{\ω}\right)=-\frac{1}{l}\frac{{\mathrm{\ω}}^2}{2\mathrm{\πc}}\×\mathrm{\ρ}\left(\mathrm{\ω}\right)$

其中，l为光纤长度，c为真空中光速。

本发明的优点和积极效果：

本发明可以提高保偏光纤双折射色散值的测量精度，数据处理过程中避免相位提取过程以及微分运算，无需参数选择，减小实验环境的扰动对测量结果的影响。本发明采用频谱干涉测量法，测量时间短，信号信噪比高，可以获得全光谱信息。

附图说明

图1是保偏光纤双折射色散测量方法的流程图；

图2是本发明中采用的保偏光纤双折射色散测量系统；

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是光纤光谱仪，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是光谱仪采集的频域干涉信号；

图4是频域干涉的交流项的实部；

图5是交流项的三次相位函数以及用脊线表示的群延时色散；

图6是同一根保偏光纤通过六次测量测得的双折射色散。

具体实施方式

实施例1：

图1是保偏光纤双折射色散测量方法的流程图；图2是本发明中采用的保偏光纤双折射色散测量系统；该系统包括：SLD宽带光源1，该光源依次通过光纤起偏器2和连接法兰3连接至待测保偏光纤4，保偏光纤的另一端通过一个补偿干涉仪后，连接至光纤光谱仪11。本发明中的补偿干涉仪采用迈克耳逊干涉仪，如图2所示，其中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，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。

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1310nm的低相干光，经过光纤起偏器2变成线偏振光，入射到待测110m的保偏光纤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，利用光谱仪11接收频域干涉信号，并通过数据采集卡13，将结果存储于计算机14中。在计算机中进行频域干涉信号的数据处理。

高斯型SLD宽带光源中心频率ω₀为1.428PHz(中心波长为1320nm)，谱型标准差Δω为16.34Thz。用光谱仪采集频域干涉信号，采集波长范围为1280nm至1360nm，通过调节补偿干涉仪的光程差，使得干涉条纹对比度K达到0.5。采集到的频域干涉信号I₁(ω)如图3所示。在傅里叶变换域内，将前8个数值点进行赋零处理，得到交流项I(ω)，如图4所示。计算交流项的三次相位函数CP(ω，Ω)，其模值表示成关于光频率ω和群延时色散Ω的函数，以等高图的形式显示在图5中。对于任一频率值ω，对三次相位函数的模值进行峰值搜索，得到等高图的脊线也显示在图5中，也即为该频率值处的群延时色散ρ(ω)。在中心频率ω₀处，群延时色散ρ(ω₀)为0.017ps²。该保偏光纤长度l为395.5m，保偏光纤的双折射色散ΔD(ω)可以通过群延时色散来计算。在中心频率ω₀处，双折射色散ΔD(ω₀)为-0.0466ps/nm/km。

通过对这同一根光纤进行6次测量，得到6个测量结果，全部显示在图6中。从图6中，可以看出这六次测量结果在光谱范围内，收敛性很好，测量标准差低于测量均值的1.3％，说明该方法对实验环境的扰动具有很强的抵抗性。

采用本发明的频域测量系统对保偏光纤双折射色散进行测量，测量时间短，信号信噪比高，可以获得全光谱信息。而且，采用本发明的数据处理方法，群延时色散值可以直接从三次相位函数的脊线中提取出来，无需人为的设定算法参数，避免了相位提取和数值微分的过程，过程简单清晰，易于实现。多次实验的实验结果也证明了该方法的稳定性，精确性。

Claims (2)

1.一种保偏光纤双折射色散的测量方法，其特征在于该方法的具体步骤如下：

第1、搭建频域白光干涉测量系统，将SLD宽带光源通过光纤起偏器连接至待测保偏光纤，保偏光纤的另一端通过一个补偿干涉仪后，连接至光谱仪；

所述的SLD宽带光源采用高斯型的谱型，设光谱的中心频率为ω₀，谱型标准差为Δω，则光源功率谱I₀(ω)用高斯函数表示为

$I_0\left(\mathrm{\ω}\right)=\exp \[-\frac{{(\mathrm{\ω}-{\mathrm{\ω}}_0)}^2}{2{\mathrm{\Δ\ω}}^2}\];$

第2、用光谱仪采集频域干涉信号，可表示为

$I_1\left(\mathrm{\ω}\right)=I_0\left(\mathrm{\ω}\right)\[1+Kcos\left(\underset{i=0}{\overset{3}{\Σ}}{a}_i{\left(\mathrm{\ω}-{\mathrm{\ω}}_0\right)}^i\right)\]$

其中，K是干涉条纹对比度是相位，并表示成关于光频率的三次多项式，其中a_i是第i次项系数；

第3、在频域干涉信号的傅里叶变换域内通过简单的赋零处理，可以得到交流项，

$I\left(\mathrm{\ω}\right)=I_0\left(\mathrm{\ω}\right)\exp \{j\[\underset{i=0}{\overset{3}{\Σ}}{a}_i{(\mathrm{\ω}-{\mathrm{\ω}}_0)}^i\]\};$

第4、计算交流项的三次相位函数

得到

$CP(\mathrm{\ω},\mathrm{\Ω})=I^2\left(\mathrm{\ω}\right)\frac{\sqrt{\mathrm{\π}}}{2}{\{\frac{1}{{\mathrm{\Δ\ω}}^2}-j\[2a_2+6a_3(\mathrm{\ω}-{\mathrm{\ω}}_0)-\mathrm{\Ω}\]\}}^{-1}$

第5、对于任一频率值ω，对三次相位函数的模值进行峰值搜索，当三次相位函数的模取得最大值时，Ω即为对应于ω的群延时色散ρ(ω)，公式表示为：

ρ(ω)＝argmax_Ω|CP(ω，Ω)|；

第6、利用群延时色散来计算保偏光纤的双折射色散ΔD(ω)，计算公式为：

$\mathrm{\Δ}D\left(\mathrm{\ω}\right)=-\frac{1}{l}\frac{{\mathrm{\ω}}^2}{2\mathrm{\π}c}\×\mathrm{\ρ}\left(\mathrm{\ω}\right)$

其中，l为光纤长度，c为真空中光速。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于所述的补偿干涉仪采用迈克耳逊干涉仪，或者其他标准干涉仪。