CN105823620A - 一种对保偏光纤缺陷点测量中的伪干涉峰鉴别方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供的是一种对保偏光纤缺陷点测量中的伪干涉峰鉴别方法。通过改变待测光纤与起偏器/检偏器之间的对轴角度，分别实现对干涉信号中不同特征干涉峰的抑制和放大；不同对轴角度条件下，将测量干涉峰与预测干涉峰位置‑幅值的理论公式进行比对，得到干涉信号中的特征干涉峰的幅值、阶次等信息；通过4次不同对轴角度测量，即可鉴别出其中的伪干涉峰和代表真实缺陷点的干涉峰。本发明中的操作方法简单有效，有助于从分布式干涉测量中准确地估计保偏光纤缺陷点信息，可以广泛应用于保偏光纤中缺陷点的精确测量。

Description

一种对保偏光纤缺陷点测量中的伪干涉峰鉴别方法

技术领域

本发明涉及的是一种光纤测量方法，具体涉及到保偏光纤在多缺陷点条件下引入的多偏振耦合所形成的伪干涉峰的鉴别方法。

背景技术

保偏光纤是集成光学装置和光纤型干涉仪中的一种重要器件，同时也是分布式光纤传感的重要载体。由于保偏光纤具有很高的线性双折射，它可以提供两个相对独立的正交偏振传输轴——快轴和慢轴。一般地，两个轴上的传输光的偏振态得以很好保持。由于保偏光纤的内部结构缺陷或者外部的扰动，保偏光纤的两个正交偏振模式之间仍然可以发生的光能量耦合，我们称之为偏振模式耦合。偏振模式耦合可以用来评价偏振器件的特征，诸如保偏光纤之间的对轴、保偏光纤制造、Y波导的芯片偏振消光比测试等领域。

光学相干域偏振测量技术是一种用于评价保偏光纤偏振模式耦合特性的理想方案。其根据白光干涉原理，采用全保偏光纤的结构，具有体积小，稳定性高的特点。光学相干域偏振测量技术通过扫描式的马赫泽德干涉仪(MZI)进行光程补偿，实现不同耦合模式间的干涉测量。在干涉图样中，可以反映出与光纤实际耦合位置的干涉峰，干涉峰值反映对应耦合点的耦合能量大小。

名称为一种用于保偏光纤的分布式偏振串扰测量方法及装置的专利文件中(Measuring Distributed Polarization Crosstalk in Polarization MaintainingFiber and Optical Birefringent Material，US 8,599,385B2)，利用在光学干涉仪前增加光程延迟器，可以抑制重影干涉峰的数目和幅值，并将偏振串扰灵敏度提高到-95dB，动态范围保持在75dB。

申请人在2012年公开了一种光学器件偏振串扰测量的全光纤测试装置(中国专利申请号CN201210379406.6)。该发明具有体积小、测量精度高、温度和振动稳定性好等优点，可广泛用于光学器件偏振性能的高精度测量与分析。同年，申请人公开了一种提高光学器件偏振串扰测量性能的装置及方法(中国专利申请号CN201210379407.0)，本发明可以极大地抑制噪声幅度，提高偏振串扰测量的灵敏度和动态范围。将偏振串扰的检测极限提高到-95dB以上，并且其动态范围还能够依旧保持在优于95dB。

用于评价偏振模式耦合的光学相干域偏振测量系统，测试主要关注由激发模与一次耦合模产生的一阶干涉，这是因为它与待测保偏光纤中的真实存在的串扰点具有一一对应的关系。实际上，在光学相干域偏振测量系统的输出信号中，存在耦合模与耦合模(或者激发模与高阶耦合模)之间的干涉，即不代表真实耦合情况的伪干涉峰。特别地，光学相干域偏振测量系统动态范围越大，暴露出来的伪干涉峰的数量就会越多。伪干涉峰对代表耦合点位置的一阶干涉峰造成混淆，如果对伪干涉峰没有进行细致的分析，必然会对保偏光纤中真实耦合点信息造成误判。

发明内容

本发明的目的是提供一种从分布式干涉测量中准确地估计和鉴别伪干涉信号，实现保偏光纤中缺陷点的精确测量的对保偏光纤缺陷点测量中的伪干涉峰鉴别方法。

本发明的目的是这样实现的：

(1)明确待测光纤中含有缺陷点的个数和相应位置，分别记为X₁,X₂,…,X_j,…,X_J；

(2)测量待测光纤中由缺陷点分开的区间光纤长度记为l₁,l₂,…,l_j,…,l_J+1；

(3)根据关系S_j＝l_j×Δnf，计算出区间光纤对应的光程差S₁,S₂,…,S_j,…,S_J，Δn_f是保偏尾纤的线性双折射；

(4)根据待测光纤具体的缺陷点个数和区间光纤长度，由分析公式预测特征干涉峰的位置-幅值关系；

(5)将待测光纤的两端接入白光干涉仪测试系统，两端分别与白光干涉仪测试系统中的起偏器、检偏器的保偏尾纤焊接；

(6)调整待测光纤的两端与起偏器、检偏器的保偏尾纤的输入-输出对轴角度为45°～0°；

(7)启动白光干涉仪测试系统，获得第1次干涉信号，其横坐标为扫描光程数值OPD，纵坐标为偏振串扰幅度P；

(8)对比测量干涉信号中特征干涉峰与45°～0°条件下预测干涉峰的位置和幅值；

(9)如果测量干涉峰数量多于预测干涉峰的数量，则执行步骤(10)，否则执行步骤(14)；

(10)分别调整改变待测光纤与起偏器、检偏器的保偏尾纤的输入-输出对轴角度θ₁-θ₂为0°～0°、0°～45°、45°～45°；

(11)启动白光干涉仪测试系统，获得另外3次对轴角度下的测量干涉信号；

(12)对比0°～0°、0°～45°、45°～45°测量干涉信号与45°～0°测量干涉信号，找出幅值增大的干涉峰；

(13)分别将幅值增大的干涉峰，与对应0°～0°、0°～45°、45°～45°条件下预测干涉峰的幅值进行对比；

(14)得到第1次干涉信号即45°～0°条件下的所有测试干涉峰的含义，识别出伪干涉峰以及代表真实耦合情况的干涉峰。

本发明提供了一种从分布式干涉测量中，准确地估计和鉴别伪干涉信号，实现保偏光纤中缺陷点的精确测量的方法。是一种在保偏光纤的分布式干涉测量中，由保偏光纤多缺陷点条件下引入偏振耦合，所形成的伪干涉峰的鉴别方法。其主要其特征是通过改变待测光纤与起偏器/检偏器之间的对轴角度，分别实现对不同特征干涉峰的抑制和放大；根据不同对轴角度条件下测量干涉峰幅值与理论分析公式的对比，得到干涉信号中特征干涉峰的幅值、阶次，从而鉴别出干涉信号中的伪干涉峰。

本发明的从分布式干涉测量中准确地估计和鉴别伪干涉信号的方法，与现有技术相比具有如下优点：

(1)通过4次不同的角度配合测量，就能够完整地鉴别出测量干涉峰中伪干涉峰和代表真实耦合信息的干涉峰，具有操作简单、实用和有效性等优点。

(2)该方法对干涉峰的评估具有全面性，采用光学相干域偏振测量系统，能够将动态范围内所有阶次的干涉峰全部暴露出来，并可通过改变角度，抑制或放大所需阶次的干涉峰。对于干涉峰更加容易分辨，降低了干涉信号的识别难度，简化了后续数据分析与处理的过程。

附图说明

图1是保偏光纤缺陷点测量中的伪干涉峰的鉴定方法流程图；

图2是光学相干域偏振测量装置原理图；

图3是待测光纤与测量装置的接入示意图；

图4a至图4b是待测光纤与测量装置的角度对接示意图；

图5是待测光纤与测量装置的输入、输出角度45°-0°对准方式的干涉信号；

图6是待测光纤与测量装置的输入、输出角度0°-0°对准方式的干涉信号；

图7是待测光纤与测量装置的输入、输出角度0°-45°对准方式的干涉信号；

图8是待测光纤与测量装置的输入、输出角度45°-45°对准方式的干涉信号。

具体实施方式

本发明的对保偏光纤缺陷点测量中的伪干涉峰鉴别方法的具体过程为：

(1)明确待测光纤21中含有缺陷点的个数和相应位置，分别记为X₁,X₂,…,X_j,…,XJ；

(2)测量待测光纤21中，测量由缺陷点分开的区间光纤长度记为l1,l2,…,l_j,…,l_J+1；

(3)根据关系S_j＝l_j×Δn_f(Δn_f是保偏尾纤的线性双折射)，计算出区间光纤对应的光程差S₁,S₂,…,S_j,…,S_J；

(4)根据待测光纤21具体的缺陷点个数和区间光纤长度，由分析公式预测特征干涉峰的位置-幅值关系；

(5)将待测光纤21的两端接入白光干涉仪测试系统，两端分别与系统中的起偏器203、检偏器214的保偏尾纤204、213焊接；

(6)调整待测光纤21的两端与系统的两段保偏尾纤204、213的输入-输出对轴角度205、212为45°-0°；

(7)启动白光干涉仪，获得第1次干涉信号，其横坐标为扫描光程数值OPD(单位mm)，纵坐标为偏振串扰幅度P(单位dB)；

(8)对比测量干涉信号中特征干涉峰与45°-0°条件下预测干涉峰的位置和幅值；

(9)如果测量干涉峰数量远多于预测干涉峰的数量，则需要改变待测光纤与起偏器、检偏器的保偏尾纤的输入-输出对轴角度(205、212)再次测量；

(10)分别调整改变待测光纤21与起偏器-检偏器的保偏尾纤的输入-输出对轴角度θ₁-θ₂为0°-0°，0°-45°，45°-45°；

(11)启动白光干涉仪，获得另外3次对轴角度下的干涉信号；

(12)对比0°-0°，0°-45°，45°-45°测量干涉信号与45°-0°测量干涉信号，找出幅值增大的干涉峰；

(13)分别将幅值增大的干涉峰，与对应0°-0°，0°-45°，45°-45°条件下预测干涉峰的幅值进行对比；

(14)根据上述分析结果，即可得到第1次干涉信号即45°-0°条件下的所有测试干涉峰的含义，识别出伪干涉峰以及代表真实耦合情况的干涉峰；

(15)如果步骤(8)中测量干涉峰比预测干涉峰的数量、位置和幅值均一致，可以略过测量步骤(9)～(13)，直接由步骤(13)识别出伪干涉峰和代表真实耦合情况的干涉峰。

所述的起偏器203、检偏器214的保偏尾纤204、213长度在不影响与待测光纤焊接的情况下，一般要尽可能的短。

所述的步骤(6)中，调整输入-输出对轴角度θ₁-θ₂也可以用0°-45°获得第1次干涉信号。相应地，步骤(9)～(13)中将0°-45°状态改为45°-0°进行对比。

对于保偏光纤的中由多缺陷点引入偏振耦合，而形成的伪干涉峰的鉴别方法，采用的是光学相干域偏振测量装置，其测试原理如附图2所示。

宽谱光源(SLD)101发出的光依次通过隔离器202、起偏器203、待测光纤器件21、检偏器214，与马赫泽德干涉仪(MZI)22连接，进而连接差分探测装置222和223，最后与干涉信号检测与处理装置23连接；待测器件21是含有多个缺陷点207、209、210的保偏光纤，在这些缺陷点处，保偏光纤的两个正交偏振模式之间均可以发生能量耦合，即偏振模式耦合。理想的光学相干域偏振测量装置所得到的测量干涉峰位置与待测器件的真实缺陷点位置一一对应，耦合强度反映出对应缺陷点的具体信息。

如附图2所示，当待测光纤接入到光学相干域偏振测量装置时，获得的干涉信号中各个干涉峰的偏振串扰幅度和扫描光程，可以如下式表示：

P(S)＝f(θ₁)f(θ₂)f(ρ_j)·R(S-S_k) (1)其中，S代表光程扫描延迟量，对应干涉信号中各个特征干涉峰的位置，通式为n₁S₁+n₂S₂+···+n_jS_j+···+n_JS_J；R(S)表示光源的归一化自相干函数，R(0)＝1，传输光的白光干涉峰值信号幅度，光程差为零；f(θ₁)是待测光纤与测试系统起偏器的接入角度项，f(θ₂)是待测光纤与测试系统检偏器的接入角度项；f(ρ_j)是表示待测光纤偏振串扰信息的强度项，其中需要考虑由多点偏振耦合引入的高阶干涉项。从公式推导可以发现，预测特征干涉峰的位置/幅值关系与接入角度项有如下关系：

$P\∝\left\{\begin{array}{cc}cos2{\mathrm{\θ}}_{1}sin2{\mathrm{\θ}}_2,& S\∈(0+)\\ sin2{\mathrm{\θ}}_1\cos 2{\mathrm{\θ}}_2,& S\∈(+0)\\ cos2{\mathrm{\θ}}_{1}sin2{\mathrm{\θ}}_2,& S\∈\left(00\right)\\ sin2{\mathrm{\θ}}_{1}sin2{\mathrm{\θ}}_2,& S\∈(++)\end{array}\right.---\left(2\right)$

其中，(0+)表示n₁S₁＝0,n_JS_J≠0，(+0)表示n₁S₁≠0,n_JS_J＝0，(00)表示n₁S₁＝0,n_JS_J＝0，(++)表示n₁S₁≠0,n_JS_J≠0。

有公式(2)可知，对于给定的一个光程扫描延迟量，其对应干涉峰的幅值变化与待测光纤与测试系统起偏器、检偏器的接入角度有较大关系。随着接入角度的改变，不同种类的光程扫描延迟量对应干涉峰的幅值变化规律也不近相同，趋势甚至完全相反：一个干涉幅值增大，另外一个减小。

本发明公开了一种在保偏光纤的分布式干涉测量中，由缺陷点引入的多偏振耦合形成的伪干涉峰的鉴别方法，其主要技术特征是通过改变待测光纤与起偏器/检偏器之间的对轴角度，实现对特征干涉峰的抑制和放大；采用提出的光程追踪法用于简化分析含有多缺陷点的保偏光纤中线偏振光传输行为，得到干涉信号中干涉峰位置-幅值的理论公式；根据不同对轴角度条件下，测量干涉峰幅值与理论分析公式的对比，得到干涉信号中的特征干涉峰的幅值、阶次，从而鉴别出其中的伪干涉峰。本发明方法操作简单有效，有助于从分布式干涉测量中准确地估计和鉴别伪干涉信号，可以广泛应用于保偏光纤中缺陷点的精确分布式测量。

以下结合实施例和附图对本发明作进一步说明，但不应以此限制本发明的保护范围。

简单起见，将一段包含2个缺陷点(X_A和X_B)的保偏光纤(XIX_O)用于测试。

1.测量装置如附图2所示，器件参数选择如下：

(1)光源201的中心波长1550nm、半谱宽度大于50nm、出纤功率大于3mW，光源光谱纹波的峰值幅度约为-60dB；

(2)光纤隔离器202工作波长1550nm、插入损耗0.8dB；

(3)光纤起偏器203、光纤检偏器214的工作波长为1550nm，消光比大于20dB，插入损耗小于3dB；

(4)光纤耦合器215、221的工作波长为1310/1550nm，分光比50：50，插入损耗小于0.5dB；

(5)光纤环行器216、217为三端口环行器，回波损耗大于55dB，插入损耗1dB；

(6)准直透镜218、219的工作波长为1550nm，二者间距略大于200mm，插入损耗约为2.0dB；

(7)扫描台220为步进电机驱动扫描，丝杠导程为200mm，扫描台面上装有双面反射镜；

(8)光电探测器222、223为InGaAs光敏材料，探测范围为1100～1700nm，光电转换的响应度大于0.8；

2.待测光纤如附图3所示，具体参数如下：

待测光纤21为熊猫型保偏光纤，总长度约为24m，包括两个缺陷点302、304，被缺陷点分隔成的3段光纤301、303、305。缺陷点的理论偏振串扰由消光比测试仪标定，3段光纤的长度分别为l_IA＝2.16m，l_AB＝5.22m和l_BO＝16.56m。

3.综合以上条件，该待测光纤的伪干涉峰鉴别方法的具体流程如附图1所示：

(1)根据步骤101，明确待测光纤21中含有缺陷点的个数2个，记为X_A和X_B；

(2)根据步骤102，测量由缺陷点分开的区间光纤长度，分别记为l_IA，l_AB和l_BO；

(3)根据步骤103，区间光纤长度的长度为l_IA＝2.16m，l_AB＝5.22m和l_BO＝16.56m。区间光纤对应的光程差S_IA＝1.21m，S_AB＝2.92m和S_BO＝9.27m(Δn_f按5.6×10^-4记)；

(4)根据步骤104，由分析公式预测特征干涉峰的位置-强度关系，如表1所示，(其中耦合强度为幅值的确切含义)；

(5)根据步骤105，将待测光纤21接入到白光干涉仪测试系统，两端分别与系统中的起偏器203、检偏器214的保偏尾纤204、213焊接；

(6)根据步骤106，调整输入对轴角度205为45°，如附图4a中41所示，调整输出对轴角度212为0°，如附图4b中42所示。此时可以记为θ₁-θ₂为45°-0°；

(7)根据步骤107，启动白光干涉仪，获得第1次干涉信号，如附图5所示；

(8)根据步骤108，对比此时测量干涉信号中特征干涉峰与45°-0°条件下预测干涉峰的位置和幅值。从表1中发现，在45°-0°条件下会出现3个特征峰：P(|S_IA|)/P(0)＝ρ_A，P(|S_IA+S_AB|)/P(0)＝ρ_B，与附图5的峰A、峰D、峰B相对应。可以发现峰A和峰D分别代表真实耦合点X_A和X_B的偏振串扰，三阶干涉峰B即可判定为伪干涉峰。

(9)根据步骤109，除了可预测干涉峰外，附图5中还有大量的杂散峰(峰C，E，F，H，I，J，K和M)出现。需要改变待测光纤与起偏器-检偏器的保偏尾纤的输入-输出对轴角度θ₁-θ₂再次测量，加以进一步鉴别；

(10)根据步骤110～111，分别调整改变待测光纤与起偏器-检偏器的保偏尾纤的输入205-输出对轴角度212为0°-0°，0°-45°，45°-45°；启动白光干涉仪，获得另外3次的干涉信号，分别展示在附图6、7、8中；

(11)根据步骤112～113，分别将附图6、7、8与附图5中的测量干涉峰进行对比，找出幅值增大的干涉峰：附图6中，代表P(|S_AB|)/P(0)＝ρ_Aρ_B的峰C变到最大值；附图7中，代表的峰F变到最大值，峰I和峰L为待测光纤反方向对应的一阶干涉峰，与峰A和峰B取一组即可；同理可以分析附图8中变大的测量伪干涉峰。

根据上述分析结果，即可得到第1次干涉信号即45°-0°条件下的所有测试干涉峰的含义，可以发现峰A(1.22mm，-15.6dB)和峰D(4.09mm，-15.7dB)分别代表真实耦合点X_A和X_B的偏振串扰，其余均为伪干涉峰。

表1.待测光纤分析结果

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Claims (2)

1.一种对保偏光纤缺陷点测量中的伪干涉峰鉴别方法，其特征是：

(1)明确待测光纤中含有缺陷点的个数和相应位置，分别记为X₁,X₂,…,X_j,…,X_J；

(2)测量待测光纤中由缺陷点分开的区间光纤长度记为l₁,l₂,…,l_j,…,l_J+1；

(3)根据关系S_j＝l_j×Δn_f，计算出区间光纤对应的光程差S₁,S₂,…,S_j,…,S_J，Δn_f是保偏尾纤的线性双折射；

(4)根据待测光纤具体的缺陷点个数和区间光纤长度，由分析公式预测特征干涉峰的位置-幅值关系；

(5)将待测光纤的两端接入白光干涉仪测试系统，两端分别与白光干涉仪测试系统中的起偏器、检偏器的保偏尾纤焊接；

(6)调整待测光纤的两端与起偏器、检偏器的保偏尾纤的输入-输出对轴角度为45°～0°；

(7)启动白光干涉仪测试系统，获得第1次干涉信号，其横坐标为扫描光程数值OPD，纵坐标为偏振串扰幅度P；

(8)对比测量干涉信号中特征干涉峰与45°～0°条件下预测干涉峰的位置和幅值；

(9)如果测量干涉峰数量多于预测干涉峰的数量，则执行步骤(10)，否则执行步骤(14)；

(10)分别调整改变待测光纤与起偏器、检偏器的保偏尾纤的输入-输出对轴角度θ₁-θ₂为0°～0°、0°～45°、45°～45°；

(11)启动白光干涉仪测试系统，获得另外3次对轴角度下的测量干涉信号；

(12)对比0°～0°、0°～45°、45°～45°测量干涉信号与45°～0°测量干涉信号，找出幅值增大的干涉峰；

(13)分别将幅值增大的干涉峰，与对应0°～0°、0°～45°、45°～45°条件下预测干涉峰的幅值进行对比；

(14)得到第1次干涉信号即45°～0°条件下的所有测试干涉峰的含义，识别出伪干涉峰以及代表真实耦合情况的干涉峰。

2.一种对保偏光纤缺陷点测量中的伪干涉峰鉴别方法，其特征是：

(1)明确待测光纤中含有缺陷点的个数和相应位置，分别记为X₁,X₂,…,X_j,…,X_J；

(2)测量待测光纤中由缺陷点分开的区间光纤长度记为l₁,l₂,…,l_j,…,l_J+1；

(3)根据关系S_j＝l_j×Δn_f，计算出区间光纤对应的光程差S₁,S₂,…,S_j,…,S_J，Δn_f是保偏尾纤的线性双折射；

(4)根据待测光纤具体的缺陷点个数和区间光纤长度，由分析公式预测特征干涉峰的位置-幅值关系；

(5)将待测光纤的两端接入白光干涉仪测试系统，两端分别与白光干涉仪测试系统中的起偏器、检偏器的保偏尾纤焊接；

(6)调整待测光纤的两端与起偏器、检偏器的保偏尾纤的输入-输出对轴角度为0°～45°；

(7)启动白光干涉仪测试系统，获得第1次干涉信号，其横坐标为扫描光程数值OPD，纵坐标为偏振串扰幅度P；

(8)对比测量干涉信号中特征干涉峰与0°～45°条件下预测干涉峰的位置和幅值；

(9)如果测量干涉峰数量多于预测干涉峰的数量，则执行步骤(10)，否则执行步骤(14)；

(10)分别调整改变待测光纤与起偏器、检偏器的保偏尾纤的输入-输出对轴角度θ₁-θ₂为0°～0°、45°～0°、45°～45°；

(11)启动白光干涉仪测试系统，获得另外3次对轴角度下的测量干涉信号；

(12)对比0°～0°、45°～0°、45°～45°测量干涉信号与45°～0°测量干涉信号，找出幅值增大的干涉峰；

(13)分别将幅值增大的干涉峰，与对应0°～0°、45°～05°、45°～45°条件下预测干涉峰的幅值进行对比；

(14)得到第1次干涉信号即0°～45°条件下的所有测试干涉峰的含义，识别出伪干涉峰以及代表真实耦合情况的干涉峰。