CN105716715B - 归一化斯托克斯矢量的校准装置及方法 - Google Patents
归一化斯托克斯矢量的校准装置及方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明涉及一种归一化斯托克斯矢量的校准装置及方法，属于光电子校准技术领域。该装置包括依次连接的窄线宽激光器、第一光纤连接器、第一准直器系统、起偏器系统、第二准直器系统、第二光纤连接器与待校准的偏振分析仪。该方法是通过发射一束窄线宽激光依次通过准直器、起偏器、准直器时，同方向连续转动起偏器，根据光纤输出光的理想圆轨迹特点，结合起偏器的角度变化和归一化斯托克斯矢量测试数据，从而得到多组不同偏振光偏振态对应的归一化斯托克斯矢量测试误差。本发明可以在单个波长点处对多种偏振光偏振态对应的测试误差进行定量分析，且装置结构简单、光路调节方便、易操作、可靠性较高。
Description
技术领域
本发明涉及矢量校准技术领域，具体涉及一种归一化斯托克斯矢量的校准装置及方法。
背景技术
随着光通信速度的不断提高，由偏振模色散为主导的偏振误差问题越来越不容忽视。目前，偏振模色散已成为评价光纤器件及系统网络整体性能的重要参数。由于斯托克斯矢量法是国际电信联盟推荐的偏振模色散测试基准方法，能够对斯托克斯矢量进行测试的偏振分析仪在光通信领域得到了广泛应用，光通信网运营方和设备生产商对偏振分析仪的斯托克斯矢量测试指标验证也变得格外关注。
斯托克斯矢量是表征光波偏振特性的重要参数，为了方便利用邦加球直接观察光波偏振态的变化走势，通常将斯托克斯矢量分解为光功率、偏振度和归一化斯托克斯矢量，工程应用中的偏振分析仪基本都采用这种表示方式。归一化斯托克斯矢量通常用(S1S2S3)表示，其中S1 2+S2 2+S3 2＝1，S1、S2、S3分别对应邦加球坐标系的X轴、Y轴、Z轴，所有归一化斯托克斯矢量形成的单位长为1的球面就是邦加球，任意归一化斯托克斯矢量都对应邦加球上的一点。
目前对斯托克斯矢量展开的校准研究主要包括两种：一是对斯托克斯矢量整体进行校准，但目前的方法基本都是自校的方式，主要是通过一定的方法对仪器内部光学部件的偏振参数进行修正，这些方法的不足之处是无法对偏振分析仪的斯托克斯矢量测试误差进行全面的定量分析；二是对斯托克斯矢量分光功率、偏振度和归一化斯托克斯矢量进行校准，光功率、偏振度已经有明确的校准方法，对于归一化斯托克斯矢量，早期国际上有人提出组合起偏器加四分之一波片进行校准，但这种方法的缺点是对四分之一波片的延迟量需要精确标定，同时对光路准直要求极高，另外这种基于空间光的校准方法对光纤接口型的偏振分析仪校准存在一定的技术局限性，而通信波段应用的偏振分析仪大多都采用光纤接口型。近几年，很少能看到关于光纤接口型偏振分析仪的归一化斯托克斯矢量测试误差校准研究的报道。
上述用于斯托克斯矢量校准的方法均难以对光纤接口型的偏振分析仪进行全面、精准的定量分析，因此急需开发一种专门针对光纤接口型偏振分析仪的归一化斯托克斯参数测试误差进行校准，可以在单个波长点处对多种偏振光偏振态对应的测试误差进行定量分析，从而有效地解决上述问题。
发明内容
本发明的目的是为了克服现有技术中存在的上述缺陷，提供一种归一化斯托克斯矢量的校准装置及方法。
本发明提出了一种归一化斯托克斯矢量的校准装置：包括依次设置的窄线宽激光器、第一光纤连接器、第一准直器系统、起偏器系统、第二准直器系统、第二光纤连接器；其中窄线宽激光器输出的激光依次通过第一光纤连接器、第一准直器系统，变为空间光后通过起偏器系统，然后通过第二准直器系统经过耦合后进入第二光纤连接器的接收端，第二光纤连接器的输出端连接有待校准的偏振分析仪。
上述技术方案中：所述窄线宽激光器为可调谐激光器或DFB激光器，应根据校准波长点需要，选择不同的可调谐激光器或DFB激光器。
上述技术方案中：所述准直器系统包括准直器和多维调节架，其中准直器能够进行水平、垂直和俯仰调节。
上述技术方案中：所述光纤连接器和准直器系统可以用带尾纤的准直器系统代替。
上述技术方案中：所述起偏器系统包括起偏器和旋转位移器，起偏器消光比在40dB以上。
上述技术方案中：所述旋转位移器带有反馈方式，能精确标定转动的角度。
上述技术方案中：所述起偏器与旋转位移器应良好配合，起偏器随旋转位移器转动的角度而产生等量的角度变化。
本发明还提出了一种利用上述归一化斯托克斯参数的校准装置进行校准的方法，包括以下步骤：
步骤一、将第二光纤连接器输出端连接待校准偏振分析仪分析测试接口，打开光源，使待校准偏振分析仪进入工作模式；
步骤二、控制起偏器系统使旋转位移器在同方向转动n次，在与初始位置的角度差逐渐增大至180°时停止，每次转动的角度尽量相等；
步骤三、在第i次转动完成后，i＝1...n，旋转位移器与初始位置的角度差为δi，记录此时的归化斯托克斯矢量测试结果(S1iS2iS3i)；
步骤四、由以下公式(1)、(2)、(3)计算(S1iS2iS3i)对应的理论真值(t1it2it3i)：
t1i＝cos(δi-Δ)cosθ-bsin(δi-Δ)sinθ (1)
t2i＝cos(δi-Δ)sinθ+bsin(δi-Δ)cosθ (2)
其中，b为理想圆轨迹在邦加球赤道面投影椭圆的的短轴长度，Δ为与第二光纤连接器(6)相关的常量、θ是理想圆轨迹在邦加球赤道面投影椭圆的长轴与邦加球X轴的夹角；
步骤五、将公式(1)、(2)、(3)代入下式(4)作为拟合公式，结合n组δi和(S1iS2iS3i)的数据通过数据处理软件进行非线性拟合，得到最优的b、Δ、θ的值；
步骤六、将b、Δ、θ、δi的值分别代入公式(1)、(2)、(3)，求出t1it2it3i 2，对t3i 2开方并与S3i进行同符号处理，得到t3i，当代表偏振光偏振态的归一化斯托克斯矢量的理论真值为(t1it2it3i)时，其对应的测试误差为(S1i-t1iS2i-t2iS3i-t3i)
步骤七、依次取i为1到n，按步骤三～步骤六处理，就能得到n组待校准偏振分析仪的归一化斯托克斯矢量测试误差数据。
本发明涉及一种归一化斯托克斯矢量的校准装置及方法，可以在多个波长处使用，能全面定量的对多种偏振光偏振态对应的测试误差进行定量分析，结构简单、光路调节方便、易操作、可靠性较高，
附图说明
图1为光纤接口型偏振分析仪归一化斯托克斯参数的校准装置。
图中：1-窄线宽激光器； 2-第一光纤连接器；
3-第一准直器系统； 4-起偏器系统；
5-第二准直器系统； 6-第二光纤连接器；
7-待校准的偏振分析仪；
具体实施方式
以下结合附图和具体实施例对本发明作进一步的详细描述。
本发明提出的归一化斯托克斯矢量的校准装置，包括依次设置的窄线宽激光器1、第一光纤连接器2、第一准直器系统3、起偏器系统4、第二准直器系统5、第二光纤连接器6；其中窄线宽激光器1输出的激光依次通过第一光纤连接器2、第一准直器系统3，变为空间光后通过起偏器系统4，然后通过第二准直器系统5经过耦合后进入第二光纤连接器6的接收端，第二光纤连接器6的输出端连接有待校准的偏振分析仪7。
该归一化斯托克斯矢量的校准装置运行的原理如下：
1、当窄线宽激光器1发射的一束窄线宽激光正入射依次通过第一准直器系统3、起偏器系统4、第二准直器系统5时，同方向连续转动起偏器，直至起偏方向与初始位置产生180°的角度变化，根据光纤的多波片近似理论，如果在起偏器旋转的过程中保持光纤形状不变即穆勒矩阵固定，那么光纤输出光的归一化斯托克斯参数在邦加球上形成的轨迹是一个圆心在坐标系原点位置的圆，该圆在邦加球赤道面的投影为一个长轴长度为1的椭圆。光路的准直偏差和光纤结构可能会对上述轨迹产生轻微影响，但影响极小。
2、将第二光纤连接器6输出口接入光纤接口型偏振分析仪7进行测试时，由于仪器存在测试误差，实际的归一化斯托克斯参数测试结果形成的轨迹会出现波动、非圆形、投影椭圆长轴长度不为1或圆心不在坐标系原点等现象。
3、但是根据光纤输出光的理想圆轨迹特点，结合起偏器的角度变化和归一化斯托克斯矢量测试数据，通过一定的表达公式和拟合手段，是可以将光纤输出光的实际圆轨迹上各点以一种小误差的方式计算出来。单个归一化斯托克斯矢量测试结果对应的实际圆轨迹上一点即为其理论真值，依次比较各单个测试结果和理论真值，就能得到多组不同偏振光偏振态对应的归一化斯托克斯矢量测试误差。
根据上述理论可使用本发明提出的归一化斯托克斯矢量的校准装置对待校准偏振分析仪进行检测，步骤如下：
步骤一、根据待校波长点需要，选择合适的窄线宽激光器1，当需要校准时，将第二光纤连接器6连接待校准偏振分析仪7分析测试接口，打开光源，使待校准偏振分析仪7进入工作模式；
步骤二、控制起偏器系统4使旋转位移器在同方向转动36次，每次转动的角度为5°；
步骤三、在第i次转动完成后，i＝1...n，旋转位移器与初始位置的角度差为δi＝i×5°，记录此时的归一化斯托克斯矢量测试结果(S1i S2i S3i)；
步骤四、根据光纤输出光理想圆轨迹特点，(S1i S2i S3i)对应的理论真值为(t1it2i t3i)，将下列公式(1)、(2)、(3)：
t1i＝cos(δi-Δ)cosθ-bsin(δi-Δ)sinθ (1)
t2i＝cos(δi-Δ)sinθ+bsin(δi-Δ)cosθ (2)
代入下式(4)
作为拟合公式，结合36组δi和(S1i S2i S3i)的数据通过数据处理软件进行非线性拟合，得到最优的b、Δ、θ的值；
步骤五、将b、Δ、θ、δi的值分别代入公式(1)、(2)、(3)，求出t1i、t2i、t3i 2，对t3i 2开方并与S3i进行同符号处理，得到t3i，当代表偏振光偏振态的归一化斯托克斯矢量的理论真值为(t1it2it3i)时，其对应的测试误差为(S1i-t1iS2i-t2iS3i-t3i)
步骤六、依次取i为1到n，按步骤三～步骤六处理，就能得到36组待校准偏振分析仪7的归一化斯托克斯矢量测试误差数据。
本说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。
Claims (5)
1.一种归一化斯托克斯矢量的校准装置，其特征在于：包括依次设置的窄线宽激光器(1)、第一光纤连接器(2)、第一准直器系统(3)、起偏器系统(4)、第二准直器系统(5)、第二光纤连接器(6)；其中窄线宽激光器(1)输出的激光依次通过第一光纤连接器(2)、第一准直器系统(3)，变为空间光后通过起偏器系统(4)，然后通过第二准直器系统(5)经过耦合后进入第二光纤连接器(6)的接收端，第二光纤连接器(6)的输出端连接有待校准的光纤接口型偏振分析仪(7)，其中，所述起偏器系统(4)包括起偏器和旋转位移器，起偏器消光比在40dB以上，所述起偏器与旋转位移器应良好配合，起偏器随旋转位移器转动的角度而产生等量的角度变化；
归一化斯托克斯矢量的校准装置进行校准的方法，包括以下步骤：
步骤一、将第二光纤连接器(6)输出端连接待校准光纤接口型偏振分析仪(7)分析测试接口，打开光源，使待校准光纤接口型偏振分析仪(7)进入工作模式；
步骤二、控制起偏器系统(4)使旋转位移器在同方向转动n次，在与初始位置的角度差逐渐增大至180°时停止，每次转动的角度尽量相等；
步骤三、在第i次转动完成后，i＝1...n，旋转位移器与初始位置的角度差为δi，记录此时的归一化斯托克斯矢量测试结果(S1i S2i S3i)；
步骤四、由以下公式(1)、(2)、(3)计算(S1i S2i S3i)对应的理论真值(t1i t2i t3i)：
t1i＝cos(δi-Δ)cosθ-b sin(δi-Δ)sinθ (1)
t2i＝cos(δi-Δ)sinθ+b sin(δi-Δ)cosθ (2)
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其中，b为理想圆轨迹的短轴长度，Δ为与第二光纤连接器(6)相关的常量、θ是理想圆轨迹长轴与邦加球X轴的夹角；
步骤五、将公式(1)、(2)、(3)代入下式(4)作为拟合公式，结合n组δi和(S1iS2iS3i)的数据通过数据处理软件进行非线性拟合，得到最优的b、Δ、θ的值；
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步骤六、将b、Δ、θ、δi的值分别代入公式(1)、(2)、(3)，求出t1i、t2i、t3i 2，对t3i 2开方并与S3i进行同符号处理，得到t3i，当代表偏振光偏振态的归一化斯托克斯矢量的理论真值为(t1i t2i t3i)时，其对应的测试误差为(S1i-t1i S2i-t2i S3i-t3i)；
步骤七、依次取i为1到n，按步骤三～步骤六处理，就能得到n组待校准光纤接口型偏振分析仪的归一化斯托克斯矢量测试误差数据。
2.根据权利要求1所述的归一化斯托克斯矢量的校准装置，其特征在于：所述窄线宽激光器(1)为可调谐激光器或DFB激光器。
3.根据权利要求1所述的归一化斯托克斯矢量的校准装置，其特征在于：所述第一准直器系统(3)和第二准直器系统(5)均包括准直器和多维调节架；所述准直器能够进行水平、垂直和俯仰调节。
4.根据权利要求1所述的归一化斯托克斯矢量的校准装置，其特征在于：所述旋转位移器带有反馈方式，能精确标定转动的角度。
5.根据权利要求1-4中任一项所述的归一化斯托克斯矢量的校准装置，其特征在于：用带尾纤的准直器系统代替所述光纤连接器和准直器系统。
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| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant |