CN104458212B - 用于测量集成光波导偏振消光比的装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种用于测量集成光波导偏振消光比的装置及方法，该装置包括低偏振度宽光谱光源、偏振分束白光干涉仪以及信号检测和处理系统；其中，所述偏振分束白光干涉仪包括偏振分束器、参考臂、移动臂以及偏振合束器构成；通过采用光纤偏振分束器来实现两个正交偏振光的分离，并对偏振分束白光干涉仪各个保偏器件进行合理地连接，解决了基于分幅干涉仪结构的干涉合束后发生多次耦合和多点互耦合的难题，实现了对集成光波导的偏振消光比特征点进行精确定位和定量运算，消除了光源功率波动对测量结果的影响。

Description

用于测量集成光波导偏振消光比的装置及方法

技术领域

本发明涉及光电器件测量技术领域，尤其涉及一种用于测量集成光波导偏振消光比的装置及方法。

背景技术

光纤陀螺作为新一代高精度惯导系统的关键传感器，已经广泛应用于应用在航天航空、舰船、导弹等军事领域。但是在高精度光纤陀螺中，因需对非工作偏振光进行强抑制以减小光纤环偏振串音造成的非互易性相位偏差对光纤陀螺零偏输出的影响，需要集成光波导具备很高的偏振消光比。

目前集成光波导本身的偏振消光比无法通过传统的消光比测试仪进行测量和校准，一则因为市场上消光比测试仪的测量极限也就在45分贝(dB)左右，而集成光波导的偏振消光比的典型值就达60dB，消光比测试仪根本无法对其测量；二则即使消光比测试仪的测量指标能够达到60dB，但目前消光比测试仪都是通过保偏光纤跳线与集成光波导进行连接，因此，在进行消光比测量时，保偏光纤跳线与集成光波导之间的偏振轴的角度无法做到零角度匹配。如果使用消光比测试仪进行测量，则得到的消光比值是从光源到消光比测试仪之间所有保偏器件的整体消光比值，而与集成光波导本身的偏振消光比60dB相差甚远。因此，目前消光比测试仪无法测量集成光波导本身的偏振消光比。因无法准确获知器件本身偏振消光比参数，只能仅凭整体消光比指标，所以在工程应用最后组装中容易出现次品，如此导致的返工，费时、费力。

申请号为“201310744466.8”的发明专利申请提供了一种集成波导调制器的双通道光学性能测试装置及其偏振串音识别与处理方法，该方法就是将待测器件的保偏光纤输出端与解调干涉仪保偏光纤输入端进行45°的对轴角度连接，使得保偏光纤慢轴中偏振能量和快轴中的耦合能量通过一个2×2光纤耦合器均匀分成2束，并分别在解调干涉仪的固定臂和扫描臂中传输。其测量方法还是基于马赫－曾德尔光纤结构的分幅干涉原理。

该结构的解调干涉仪存在以下缺点：

(1)无法消除由于两个干涉臂中耦合能量之间发生干涉而在测量结果中出现的“伪耦合点”，其位置和能量与被测器件中的耦合能量之间的位置和各自能量有关，并且“伪耦合点”极易与集成光波导的偏振消光比混淆，从而导致无法准确对集成光波导的偏振消光比进行定位和定量。

(2)测试装置在原理上虽能够同时测量集成Y波导两个输出端偏振消光比，但结构复杂，且测量条件中，波导芯片的光程小于波导芯片输出尾纤的光程，导致最后的测量曲线中，波导芯片的测量点进入输出尾纤的偏振耦合范围内，与输出尾纤内部真实的耦合点、甚至是“伪耦合点”之间极易产生混淆，同样存在无法准确对集成光波导的偏振消光比进行定位和定量的技术难题。

申请号为“200410094123.2”的发明专利申请提供了一种高双折射保偏光纤弱模耦合测量仪及控制方法，其设计的一种高精度高双折射保偏光纤弱模耦合测量仪，包括被测光纤、偏振态调整机构和麦克尔逊干涉仪，偏振态调整机构带动半波片旋转实现偏振光方向的调整；将偏振信号和耦合信号的方向调整到与检偏棱镜的透光轴夹角45度的位置。被测光纤输出光信号经偏振调整机构后，将偏振信号和耦合信号投影等比例的投影到检偏棱镜的透光轴上，然后进入干涉仪后分幅干涉。

该弱模耦合测试仪基于麦克尔逊干涉仪结构设计的保偏光纤偏振耦合强度分布参数测量系统，其控制方法的缺点是：

(1)无法消除光源功率波动对测量结果的影响，偏振耦合强度的测量准确度低；

(2)无法消除“伪耦合点”，对集成光波导的偏振消光比的定位和定量困难。

发明内容

本发明的目的是针对现有测量集成光波导偏振消光比方法的不足，提供一种用于测量集成光波导偏振消光比的装置及方法，通过采用光纤偏振分束器来实现两个正交偏振光的分离，并对马赫－曾德尔干涉仪各个保偏器件进行合理地连接，以解决基于分幅干涉仪结构的干涉合束后发生多次耦合和多点互耦合的难题，实现对集成光波导的偏振消光比特征点进行精确定位和定量运算，消除光源功率波动对测量结果的影响。

为达上述目的，一方面，本发明实施例提供了一种用于测量集成光波导偏振消光比的装置，其包括：

低偏振度宽光谱光源、偏振分束白光干涉仪以及信号检测和处理系统；其中，所述偏振分束白光干涉仪包括偏振分束器、参考臂、移动臂以及偏振合束器构成；

所述低偏振度宽光谱光源的输出端与光纤分束器的输入端连接；所述光纤分束器的第一输出端与集成光波导的输入端连接；所述光纤分束器的第二输出端通过第一光电探测器与所述信号检测和处理系统连接；所述集成光波导的输出端与所述偏振分束器的输入端连接；所述偏振分束器的两个输出端分别与所述参考臂的输入端以及所述移动臂的输入端相连；所述参考臂的输出端及所述移动臂的输出端分别连接所述偏振合束器的两个输入端；所述偏振合束器的的输出端通过第二光电探测器与所述信号检测和处理系统连接。

可选的，所述移动臂的控制输入端与所述信号检测和处理系统连接。

进一步的，还包括消偏匹配光纤，连接于所述光纤分束器的第一输出端与所述集成光波导的输入端之间，用于保证进入所述集成光波导的光为非偏振光；

其中，所述消偏匹配光纤由两段光纤类型相同、等长度的保偏光纤跳线组成，第一段保偏光纤的慢轴与第二段保偏光纤的快轴进行对轴连接，或第一段保偏光纤的快轴与第二段保偏光纤的慢轴进行对轴连接。

优选的，所述消偏匹配光纤与所述集成光波导的输入端之间通过第一保偏光纤连接；所述集成光波导的输出端与所述偏振分束器之间通过第二保偏光纤连接；

其中，所述第一保偏光纤的快慢轴之间的时延τ₁、所述第二保偏光纤的快慢轴之间的时延τ₂以及所述集成光波导本身的快慢轴之间的时延τ₀之间满足：

τ₀＞τ₁+τ₂。

优选的，所述第一保偏光纤的长度l₁、所述第二保偏光纤的长度l₂以及所述集成光波导本身的长度l₀之间满足：

Δn×(l₁+l₂)＜Δn₀×l₀；

其中，Δn为所述第一保偏光纤快慢轴及第二保偏光纤快慢轴的折射率差，Δn₀为集成光波导快慢轴折射率差。

优选的，所述第一保偏光纤快慢轴及第二保偏光纤快慢轴的折射率差Δn为0.0005；所述集成光波导快慢轴折射率差Δn₀为0.08。

优选的，所述偏振分束白光干涉仪中的光纤器件间都采用保偏光纤前后对接；各对接点的对轴精度在1度以内；各光纤器件内部的消光比大于25dB，且所述偏振分束器的消光比大于30dB。

优选的，所述偏振分束器用于将进入所述第二保偏光纤快慢轴中的能量分开，使慢轴能量进入所述参考臂，使快轴能量进入所述移动臂；其中，所述参考臂为一段保偏光纤；所述移动臂为电动光延迟器。

又一方面，本发明实施例提供了一种使用上述任一项所述的装置测量集成光波导偏振消光比的方法，包括：

在所述偏振分束干涉仪等臂状态下为时间延迟零点，即此状态下τ₀＝0，所述移动臂从时间延迟-τ₀处，扫描到+τ₀处；

所述第一光电探测器和所述第二光电探测器同时实时分别记录光电信号，并对该光电信号进行放大、滤噪处理，并将处理后的光电信号发送给所述信号检测和处理系统；所述信号检测与处理系统将所述光电信号进行处理，得到偏振消光比测量曲线，在该偏振消光比测量曲线中，包括多个干涉峰；

取最左端的干涉峰作为集成光波导偏振消光比干涉峰，并根据该集成光波导偏振消光比干涉峰得到集成光波导偏振消光比的值。

进一步的，所述多个干涉峰从左到右分别为：集成光波导偏振消光比干涉峰、光纤偏振分束器分束点干涉峰、光纤偏振分束器与集成光波导输出尾纤对接点干涉峰、集成光波导输出尾纤内部对接点干涉峰及集成光波导输出端与输出尾纤对接点干涉峰；

所述多个干涉峰对应的耦合点的耦合强度值为：

其中，其中h_n表示从所述集成光波导输出端开始的第n个耦合点的耦合强度值，I_n为第n个耦合点的干涉包络信号的最大值，I₀为第一光电探测器的测量值，I'₀为无干涉信号时，第二光电探测器的测量值。

上述技术方案具有如下有益效果：

通过采用光纤偏振分束器来实现两个正交偏振光的分离，并对马赫－曾德尔干涉仪各个保偏器件进行合理地连接，解决了基于分幅干涉仪结构的干涉合束后发生多次耦合和多点互耦合的难题，实现了对集成光波导的偏振消光比特征点进行精确定位和定量运算，消除了光源功率波动对测量结果的影响。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明实施例一，一种用于测量集成光波导偏振消光比的装置的结构图；

图2是本发明实施例三中，标示有耦合点的用于测量集成光波导偏振消光比的装置的结构图；

图3是本发明实施例三中，偏振消光比测量曲线示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

基于现有技术中存在的上述问题，本发明实施例针对集成光波导偏振消光比的测量提供一种全新的测量装置及方法。该测量装置基于全保偏的马赫－曾德尔结构的偏振分束干涉技术，通过光纤偏振分束器将集成光波导中相互垂直正交的本征能量和耦合能量分开，并分别在干涉仪中的两个干涉臂中传输、其中快轴中耦合能量通过一定的时间延迟，可以与慢轴中本征能量达到时间同步，两个能量只要满足偏振方向相同，合束后就可以进行相关干涉。从干涉信号中就可以得到集成光波导的偏振消光比。

实施例一

如图1所示，为本实施例的一种用于测量集成光波导偏振消光比的装置结构图，包括：

低偏振度宽光谱光源11、偏振分束白光干涉仪3以及信号检测和处理系统4；其中，所述偏振分束白光干涉仪3包括偏振分束器31、参考臂32、移动臂33以及偏振合束器34构成；

所述低偏振度宽光谱光源11的输出端与光纤分束器12的输入端连接；所述光纤分束器12的第一输出端与集成光波导22的输入端连接；所述光纤分束器12的第二输出端通过第一光电探测器13与所述信号检测和处理系统4连接；所述集成光波导22的输出端与所述偏振分束器31的输入端连接；所述偏振分束器的两个输出端分别与所述参考臂32的输入端以及所述移动臂33的输入端相连；所述参考臂32的输出端及所述移动臂33的输出端分别连接所述偏振合束器34的两个输入端；所述偏振合束器34的的输出端通过第二光电探测器35与所述信号检测和处理系统4连接。

可选的，所述移动臂33的控制输出端与所述信号检测和处理系统4连接。

进一步的，该装置还包括消偏匹配光纤14，连接于所述光纤分束器12的第一输出端与所述集成光波导22的输入端之间，用于保证进入所述集成光波导22的光为非偏振光；

其中，所述消偏匹配光纤14由两段光纤类型相同的保偏光纤跳线组成，第一段保偏光纤的慢轴与第二段保偏光纤的快轴进行对轴连接，或第一段保偏光纤的快轴与第二段保偏光纤的慢轴进行对轴连接。

进一步的，所述消偏匹配光纤14与所述集成光波导22的输入端之间通过第一保偏光纤21连接；所述集成光波导22的输出端与所述偏振分束器31之间通过第二保偏光纤23连接；

其中，所述第一保偏光纤21的快慢轴之间的时延τ₁、所述第二保偏光纤23的快慢轴之间的时延τ₂以及所述集成光波导22本身的快慢轴之间的时延τ₀之间满足：

τ₀＞τ₁+τ₂。

优选的，所述集成光波导器件22工作在快轴传输模式。

进一步的，为保证更容易找到测量结果的测试曲线上最左边的干涉峰，需要使所述第一保偏光纤21的长度l₁、所述第二保偏光纤23的长度l₂以及所述集成光波导22本身的长度l₀之间满足以下测试条件：

Δn×(l₁+l₂)＜Δn₀×l₀；

其中，Δn为所述第一保偏光纤21快慢轴及第二保偏光纤23快慢轴的折射率差，Δn₀为集成光波导快慢轴折射率差。

优选的，所述第一保偏光纤21的快慢轴及第二保偏光纤23的快慢轴的折射率差Δn为0.0005；所述集成光波导快慢轴折射率差Δn₀为0.08。

优选的，所述偏振分束白光干涉仪3中的光纤器件间都采用保偏光纤前后对接；各对接点的对轴精度在1度以内；各光纤器件内部的消光比大于25dB，且所述偏振分束器31的消光比大于30dB。

进一步的，所述偏振分束器31用于将进入该第二保偏光纤23快慢轴中的能量分开，使慢轴能量进入所述参考臂32，使快轴能量进入所述移动臂33；其中，所述参考臂32为一段保偏光纤；所述移动臂33为电动光延迟器。

上述装置采用了偏振分束器，实现了两个正交偏振光的分离，且偏振分束白光干涉仪中，选择保偏光纤作为参考臂，选择电动光延迟器作为移动臂，且二者接收偏振分束器的能量之后，在输出端又通过偏振合束器重新耦合到一起，解决了分幅干涉仪结构的干涉合束后发生多次耦合和多点互耦合的难题。

实施例二

本实施例提供一种使用实施例一种的装置测量集成光波导偏振消光比的方法，包括：

在所述偏振分束干涉仪3等臂状态下，所述移动臂33从时间延迟-τ₀处，扫描到+τ₀处；

所述第一光电探测器13和所述第二光电探测器35同时实时分别记录光电信号，并对该光电信号进行放大、滤噪处理，并将处理后的光电信号发送给所述信号检测和处理系统4；所述信号检测与处理系统4将所述光电信号进行处理，得到偏振消光比测量曲线，在该偏振消光比测量曲线中，包括多个干涉峰；

取最左端的干涉峰作为集成光波导偏振消光比干涉峰，并根据该集成光波导偏振消光比干涉峰得到集成光波导偏振消光比的值。

其中，所述多个干涉峰从左到右分别为：集成光波导偏振消光比干涉峰、光纤偏振分束器分束点干涉峰、光纤偏振分束器与集成光波导输出尾纤对接点干涉峰、集成光波导输出尾纤内部对接点干涉峰及集成光波导输出端与输出尾纤对接点干涉峰；

所述多个干涉峰对应的耦合点的耦合强度值为：

其中，其中h_n表示从所述集成光波导输出端开始的第n个耦合点的耦合强度值，I_n为第n个耦合点的干涉包络信号的最大值，I₀为第一光电探测器的测量值，I'₀为无干涉信号时，第二光电探测器的测量值。

采用上述方法测量集成光波导的偏振消光比，可对集成光波导的偏振消光比的特征点进行精确定位和定量运算，且能够消除光源功率波动对测量结果的影响。

实施例三

图2是本发明实施例中，标示有耦合点的用于测量集成光波导偏振消光比的装置结构图。

本实施提供了一种用于测量集成光波导偏振消光比的方法。

如图2所示，该方法使用的测量装置包括低偏振度宽光谱光源11，待测集成光波导2、偏振分束白光干涉仪3、信号检测和处理系统4；其中，低偏振度宽光谱光源11的输出经过一个光纤分束器12，其中一端与光电探测器13连接，一端与消偏匹配光纤14连接，消偏匹配光纤是由两段保偏光纤跳线组成，所用光纤类型相同，但两段保偏光纤跳线进行错位对轴连接，即第一段保偏光纤慢轴与第二段保偏光纤的快轴进行对轴连接，或者第一段保偏光纤快轴与第二段保偏光纤的慢轴进行对轴连接，从而保证出射端光源为非偏振光源。非偏振光源通过21进入被测集成光波导22中，并在一个输出端与输出尾纤23相连。集成光波导输入光纤21的长度为0.35m，输出尾纤23有两部分组成，与集成光波导22相连保偏光纤长度为0.67m，与光纤偏振分束器31相连的保偏光纤长度为0.25m，光纤偏振分束器接入端的保偏光纤长度为0.32m，则在测量时将会出现4个偏振耦合点，依次是51、52、53、54。

偏振分束白光干涉仪3包括两个干涉臂，其中参考臂为一段保偏光纤32，移动臂为电动光延迟器33。偏振分束器31将进入保偏光纤23快慢轴中的能量分开，其中慢轴能量进入参考臂，快轴能量进入移动臂，移动臂中的电动光延迟器输出端能量与参考臂中保偏光纤输出端能量通过一个偏振合束器34重新耦合到一起，进入光电探测器35中。

使用上述装置测量集成光波导偏振消光比的具体实例如下：

(1)测量到消偏匹配光纤14到集成光波导22输入端之间保偏光纤的长度l₁＝0.35m，集成光波导输出端到偏振分束器之间保偏光纤的长度l₂＝1.24m，集成光波导本身长度为l₀＝0.02m，以保偏光纤快慢轴折射率差为0.0005，集成光波导快慢轴折射率差为0.08计算，则有：

0.0005×(l₁+l₂)＝0.000795m＜0.08×l₀＝0.0016m

(3)将待测集成光波导接入光路中，前端与消偏匹配光纤相连，后端与光纤偏振分束器相连。在偏振分束干涉仪等臂状态下，电动光纤延迟器的延迟速度为0.0012m/s，则τ₀＝1.33s。从时间延迟-τ₀处，扫描到+τ₀处，光电探测器13和光电探测器35同时记录下光电信号，并进行适当放大、滤噪处理后，被采集到信号检测和处理系统中。

(4)如图3所示，在信号检测和处理系统中得到偏振消光比测量曲线，从左到右会出现一系列的干涉峰，分别是集成光波导偏振消光比干涉峰50、光纤偏振分束器分束点干涉峰51、光纤偏振分束器输入端与被测集成光波导输出尾纤对接点干涉峰52、集成光波导输出尾纤内部对接点干涉峰53、集成光波导输出端与输出尾纤对接点干涉峰54。而最左端的第一个干涉峰50就是集成光波导偏振消光比干涉峰，当信号监测和处理系统4的数据采样率为2×10⁴点/s时，以采样点表示时，为-26666(-1.33×2×10⁴)～+26666(+1.33×2×10⁴)，其测量曲线如图3所示，本实例中集成光波导偏振消光比大概为72dB(图3测量值的绝对值)。

本实施例可以达到以下有益效果：

本发明采用了光纤偏振分束器实现了两个正交偏振光的分离，并对偏振分束白光干涉仪各个保偏器件进行合理地连接，解决了基于分幅干涉仪结构的干涉合束后发生多次耦合和多点互耦合的难题；

本发明在满足测量条件下，能够很容易的对集成光波导的偏振消光比特征点进行精确定位和定量运算；

本发明涉及的测试方法能够消除光源功率波动对测量结果的影响。

本领域技术人员还可以了解到本发明实施例列出的各种说明性逻辑块(illustrative logical block)，单元，和步骤可以通过电子硬件、电脑软件，或两者的结合进行实现。为清楚展示硬件和软件的可替换性(interchangeability)，上述的各种说明性部件(illustrative components)，单元和步骤已经通用地描述了它们的功能。这样的功能是通过硬件还是软件来实现取决于特定的应用和整个系统的设计要求。本领域技术人员可以对于每种特定的应用，可以使用各种方法实现所述的功能，但这种实现不应被理解为超出本发明实施例保护的范围。

以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (2)

1.一种测量集成光波导偏振消光比的方法，其使用的装置包括低偏振度宽光谱光源、偏振分束白光干涉仪以及信号检测和处理系统；其中，所述偏振分束白光干涉仪由偏振分束器、参考臂、移动臂以及偏振合束器构成；所述低偏振度宽光谱光源的输出端与光纤分束器的输入端连接；所述光纤分束器的第一输出端与集成光波导的输入端连接；所述光纤分束器的第二输出端通过第一光电探测器与所述信号检测和处理系统连接；所述集成光波导的输出端与所述偏振分束器的输入端连接；所述偏振分束器的两个输出端分别与所述参考臂的输入端以及所述移动臂的输入端相连；所述参考臂的输出端及所述移动臂的输出端分别连接所述偏振合束器的两个输入端；所述偏振合束器的输出端通过第二光电探测器与所述信号检测和处理系统连接；

其特征在于：

在所述偏振分束白光干涉仪等臂状态下为时间延迟零点，即此状态下τ₀＝0，所述移动臂从时间延迟-τ₀处，扫描到+τ₀处；τ₀为集成光波导本身的快慢轴之间的时延；

所述第一光电探测器和所述第二光电探测器同时实时分别记录光电信号，并对该光电信号进行放大、滤噪处理，并将处理后的光电信号发送给所述信号检测和处理系统；所述信号检测与处理系统将所述光电信号进行处理，得到偏振消光比测量曲线，在该偏振消光比测量曲线中，包括多个干涉峰；

取最左端的干涉峰作为集成光波导偏振消光比干涉峰，并根据该集成光波导偏振消光比干涉峰得到集成光波导偏振消光比的值。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述多个干涉峰从左到右分别为：集成光波导偏振消光比干涉峰、偏振分束器分束点干涉峰、偏振分束器与集成光波导输出尾纤对接点干涉峰、集成光波导输出尾纤内部对接点干涉峰以及集成光波导输出端与输出尾纤对接点干涉峰；

所述多个干涉峰对应的耦合点的耦合强度值根据下式进行计算：

$h_n=\frac{{(I_n-I_0^{\′})}^2}{4I_0(I_0^{\′}+I_0)};$

其中，h_n表示从所述集成光波导输出端开始的第n个耦合点的耦合强度值，I_n为第n个耦合点的干涉包络信号的最大值，I₀为第一光电探测器的测量值，I′₀为无干涉信号时，第二光电探测器的测量值。