CN105865752B - 采用分布式偏振串扰分析仪全面评判保偏光纤特性的方法和装置 - Google Patents

Abstract

公开了测量双折射材料的偏振相关参数的方法和装置，该方法包括：沿一段长度的双折射材料预设一系列已知距离周期的偏振串扰峰；引入探测光进入双折射材料，并检测从双折射材料出来的探测光；处理检测到的探测光，来确定感应到的已知距离周期的偏振串扰峰位置和宽度；并使用得到的已知距离周期的偏振串扰峰的位置和宽度，来提取双折射材料的一个或多个偏振相关参数。

Description

采用分布式偏振串扰分析仪全面评判保偏光纤特性的方法和 装置

技术领域

本发明涉及在光学材料和设备中用于测量包括在保偏光纤链路中的偏振相关参数等光的偏振特性的设备、系统和技术。

技术背景

在各种光器件、光系统和光信息应用过程中，光的偏振特性是光信号的一个重要参数。通过让光信号在具有光学双折射特性的光媒介中进行传输，可实现对光信号的偏振特性进行改变，其中，在媒介中具有不同偏振的光将经历不同的折射率系数。例如在不同的光纤中，有些光纤具备光学双折射，因此，光在这类光纤中传输时将会改变自身的偏振特性。通常，光纤中双折射率会随时间变化，比如当光纤处于外界应力或者温度变化环境时，光纤双折射率通常是随机变化的。

保偏(PM)光纤是一种具有光学双折射特性的材料，通常具有高的双折射率，并支持两种独立的偏振模式，HE^Slow ₁₁和HE^Fast ₁₁，沿保偏纤中相互垂直的慢轴和快轴进行传输。对于HE^Slow ₁₁模式中沿慢轴传输的偏振光而言，保偏光纤的双折射率要比在HE^Fast ₁₁模式中沿快轴传输的偏振光所经历的折射率要高。当输入光耦合进入保偏光纤中且沿慢轴方向进行线性起偏时，只有HE^Slow ₁₁模式是被激发，且它的偏振态只沿慢轴方向上进行保持；相反，当输入光耦合进入保偏光纤中且沿快轴方向起偏时，只有HE^Fast ₁₁模式被激发，且它的偏振态只保持沿快轴方向。这种在保偏光纤中光偏振保持的特性可有各种应用，如光纤陀螺，集成光学器件，高性能的干涉仪和偏振传感器，量子密钥分配，以及光纤激光器。当保偏光纤存在外界扰动时，例如在保偏光纤上施加应力，可能造成两个正交偏振模之间产生光学耦合或串扰，使其中的光能量从一个偏振模式转移到另一个偏振模式。

光纤在应用中往往受到弯曲,压力或应力。例如，用于光网络和光纤通信链路的光纤，诸如国际电信联盟推荐的ITU-T G.652单模光纤光缆，会遭受光纤弯曲或应力损失，这可能会影响到光纤的性能和可靠性。这种光纤的弯曲或应力可以用各种方法测量，包括使用市场上的多波长的光时域反射仪(OTDR)，例如在1310nm或1550nm下，为了区分弯曲损耗与其他类型的损耗,如破碎、连接损耗等,通常会采用在不同波长下测量的不同的弯曲损耗信息的方法，通常弯曲损耗在短波长下比在长波长下损耗高。

发明内容

本文介绍了用于测量光材料和设备中与光学偏振相关参数的设备、系统和技术，如基于偏振串扰的保偏(PM)光纤链路，其可实现对沿一段长度的光学材料(例如保偏光纤)链路进行空间分布式测量。

本专利中使用一个消除二阶串扰峰的分布式偏振串扰分析仪(DPXA)，准确地获得保偏(PM)光纤中所有与偏振相关参数。此处公开的具体实例，保偏光纤的双折射相关参数，其中包括双折射率(或拍长)，沿光纤的双折射率变化，双折射率色散和双折射率热系数，都可以进行精确获得；首先需要沿待测保偏光纤长度上产生一系列的周期等间距的串扰峰值点，然后使用分析仪对这些峰值点的位置和宽度进行测量上。DPXA可以用来提供识别以消除测量系统中连接器和熔点的偏振串扰的影响，因此，可用于实现对保偏光纤中偏振消光比(PER) 参数进行精确的测量。本专利还包括基于分布式偏振串扰分析仪对保偏光纤的质量进行数值评价的一系列参数。本专利技术可以广泛的应用于工业中全面的表征保偏光纤的特性，特别是考虑到主要的仪器(消除鬼峰DPXA)已经市场化的情况下。

另一方面，本专利提供一套用于分布式测量一段长度的保偏(PM)光纤偏振耦合的设备，该设备包括一套测试装置，用于对待测保偏光纤沿长度上产生一系列的周期等间距的偏振串扰峰值点进行测量，因为该长度的保偏光纤的光学双折射支持两个正交偏振模式；一种机械结构将一宽谱的线偏振光耦合进入该保偏光纤中，一光延迟装置在光路中位于待测保偏光纤的输出光信号后面，用于产生一可变的光输出信号，保偏光纤中光输出信号光路下游的光延迟装置产生一个改变的光输出信号，光延迟装置的结构引起一个在保偏光纤中光输出信号产生一个改良的光输出信号的双正交偏振模间增加光延迟比；一个线性偏振器放置在光延迟装置之后，接收改良过的光输出信号部分的线性光学偏振器产生光传输光，在偏振方向引起线性光学偏振器的光传输光在两正交偏振模之间的混合。一个光学干涉仪来接收线性偏振器的传输光，来获得保偏光纤中两正交偏振模间光的光学干涉；一个处理装置处理等距周期性偏振串扰峰下的沿保偏光纤中两正交偏振模间的确定的位置和宽度的偏振串扰峰光学干涉，并使用已知的等距离周期性偏振串扰峰所确定的位置和宽度，来提取PM光纤中一个或多个偏振相关参数。

另一方面，一个方法提供了在双折射材料中测量偏振相关参数。该方法包括沿双折射材料一定长度已知的一系列等距周期偏振串扰；引导探测光进入双折射材料，检测从双折射材料中出来的探测光；处理检测到的探测光来确定所感应的等距离周期性偏振串扰峰位置和宽度；使用得到的等距离周期性偏振串扰峰的位置和宽度，来提取双折射材料的一个或多个偏振相关参数。

上面所述的方法和实现的方法，在具体实施方式中有更详细的描述。

附图说明

图1示例是通过使用光学干涉仪测量光学双折射介质的偏振串扰的空间分布(例如，保偏光纤)的装置示意图，图1A示出了该装置的部件，图1B显示了光偏振器相对于保偏光纤光轴的方位，图1C表示出应力是存在于沿保偏光纤的多个位置分布，产生所述保偏光纤的两个正交偏振模式之间的串扰情况。

图2显示了一个通过在被测光纤和光学干涉仪之间加装一个光延迟装置，来测量光学双折射介质(例如保偏光纤)的偏振串扰的典型装置，其中包括该装置的进一步操作说明。

图3例举了应用了双折射率色散补偿功能的测量光学双折射介质偏振串扰的装置。

图4例举了测量在两个或多个位置基于光学双折射介质的偏振串扰峰的包络频谱函数的光谱宽度，从而获得双折射率色散补偿功能的过程。

图5例举了基于应用的双折射率色散补偿功能测量光学双折射介质(如保偏光纤)中偏振串扰的过程。

图6示出了保偏光纤线圈的偏振串扰曲线的一个例子。在输出和输入接口的串扰包络线，同时显示幅度和宽度，以及显示了在光纤的中间区域之前(实线)和之后(虚线)的双折射率色散补偿。

图7A为测量包络线的宽度，该宽度是图3系统中保偏光纤样品多个不同位置串扰峰由于应力产生的。

图7B给出了示例性的六种不同的保偏光纤长度的输入连接器的测量串扰典型值。

图8为一个在保偏光纤上制造周期性串扰点的例子，将一段保偏光纤缠绕在绕线框上，并将一个细的金属棒被绕在保偏光纤和绕线框之间，通过金属棒在该位置上产生周期性的横向应力，在光纤中引起一个传输光的周期性偏振串扰。

图9为使用图3中的DPXA系统对缠绕在图8中的测试装置上的保偏光纤进行测量的测量结果。图9(a)为随DPXA中干涉仪延迟ΔZ的变化，缠绕在绕线框上的280m保偏光纤的偏振串扰曲线的变化。最右端和最左端的峰分别对应输入和输出连接处，是由光偏振和保偏光纤主轴之间的微小错位诱发的串扰；图9(b)是金属棒对保偏光纤(PM)的挤压诱发的等距的周期性的串扰峰。

图10中，图10(a)是没有色散补偿时，且N＝5，沿280m长的光纤测得的双折射率。增大距离将会增大测量的不确定性。图10(b)给出进行色散补偿之后的双折射率结果。长距离测量的不确定性将会明显减小。中间不含点的连续线表示作为距离函数的双折射率的平均值。在图10(a)和图10(b)零点均是待测光纤(FUT)的出射接口位置。

图11为作用在光纤上的大量的应力引起的串扰峰的包络宽度曲线。由于双折射率色散，随着光纤长度的增加，偏振串扰峰的包络宽度逐渐增大。通过曲线拟合得到待测光纤(FUT)的双折射率色散是ΔD＝0.0079ps/(km·nm)。

图12是使用了一个温度控制箱的测量装置并将图8中缠绕了保偏光纤的测试装置放入该测量装置进行测量的测量结果。图12(a)为测量的保偏光纤偏振串扰曲线在80℃和40℃时相对延迟函数；图12(b)表示在80℃和40℃时，第48个，第49个，第50个峰的位置展开图；图12(c)表示在七个不同的温度下，通过测量第1个和第50个串扰峰之间的距离，由等式(1)得到的双折射率。我们在七个不同温度(如-40℃、-20℃、0℃,20℃,40℃、60℃、 80℃)下测得保偏光纤的双折射率△n，结果如图12(c)所示。

图13是测量的偏振消光比。图13(a)为有两个FC/PC接头的13米长跳线的偏振串扰曲线，图13(b)为250m长光纤线圈与两个FC/PC接头熔接后测得的偏振串扰曲线。通常测量偏振消光比(PER)，输入接口和两个熔接点会对结果产生影响,而DPXA可以识别和消除测量系统中所有的连接点和熔接点对偏振串扰的影响。在水平轴上的光纤长度是通过将光纤延迟距离ΔZ与平均双折射率之比所获得。

图14示范了三个不同保偏光纤(PM)的偏振串扰曲线。图14(a)表示1310nm的熊猫保偏光纤，涂覆层直径为250μm。在220m处可以看到一个缺陷点；图14(b)表示1310nm 熊猫保偏光纤，与图14(a)有相同的纤芯/包层直径，但是涂覆层直径为169μm，图14(c) 表示了第三种1310nm熊猫保偏光纤，包层直径与图14(a)中相似，然而,涂覆层的直径减小到136μm。可以看到两个主要的缺陷点串扰超过45dB。

具体实施方式

该专利公开的技术用于通过使用DPXA提供的测量方法和过程以获得附加的测量，来简化测量程序和提高测量精度，并扩大DPXA的测量功能，包括各种偏振相关的参数，包括PER(或h-参数)、双折射率、双折射率均匀性、双折射率色散和双折射率热系数。

本发明例举了基于测量光学双折射介质两偏振模之间的偏振串扰判定应力、应变的大小和应力、应变的空间分布情况，是基于光纤光学干涉测量技术和实施设备。这里所描述的技术和装置可用于有效地抑制由保偏光纤的双折射率色散引起的不希望的频谱展宽。本技术的特点之一是，用于在所描述的技术和装置中的宽带光通过沿保偏光纤的长度分析诱导的偏振串扰耦合，以获得沿保偏光纤的应力的空间分布。本发明所描述的技术和设备可实现高测量灵敏度，宽动态范围和高空间测量分辨率。

在各种实际应用中，被测结构的温度以及空间温度分布也是一个重要参数。目前存在各种温度传感技术可用。但在许多遥感应用中，物体的温度的测量是采用一个特定的温度传感机构，对于测量相同物体，测量应力或应变往往要使用另外一套传感机构。因此，在许多应用中，温度测量和应力/应变测量都是采用两套测量机构。本发明所述光纤传感器提供了一个独特的光学传感平台，使得相同的光纤传感器可同时测量温度和应力/应变。因此，本文的光纤传感器即可以作为一个独立的温度传感器，或一个独立的应力/应变传感器，也可以是一个在检测和分析同一探测光时可同时测量到温度和应力/应变的传感器，因此在广泛应用提供了一个简化测量的独特传感平台。

以下章节首先描述保偏光纤传感器的物理结构和在一个物体上测量应力/应变大小，以及测量应力/应变空间分布的操作，然后，描述了使用相同的保偏光纤传感器处理接收到的探测光，来提取温度信息，或处理接收到的探测光来同时提取温度和应力/应变信息。

本方案光纤应变传感器有多个优点，其中包括，高精度，长期的稳定性和耐久性。此外，基于分布式传感器的光纤技术可以制成负担大面积的土木结构和大型监控基础设施的测试仪器。本技术包括一种高空间分辨率的(例如，约6cm的空间分辨率)保偏光纤(PM)新型光纤分布式应变传感器，采用无鬼峰分布式偏振串扰分析仪(DPXA)作为分析装置。这种传感器的应变场可以由DPXA测量的配置为应力或应变传感元件的保偏光纤串扰的变化。作为具体实例，本文提出了两类分布式传感器：一维(1D)的传感器条和二维(2D)的传感器面板，并且每类提出了两个具体的设计。样品传感器通过进行串扰变化和施加变形之间的量化关系的张力实验来进行测试，呈线性正相关关系。试验结果表明，基于保偏光纤的一维或二维分布传感器具有在大型结构健康或各种结构的完整性监控的潜力，包括民用基础设施，无论是在1D和2D，都为传统光纤应变传感器的新形式。

在实现中，光纤传感器装置对于所公开的一维传感器条或二维传感器面板可安装在一个可变形的或弹性材料形成的传感器板上，一段长度作为传感元件的保偏(PM)光纤在多个接合位置接合到传感器板上，光源产生的探测光，耦合到保偏光纤并在保偏光纤中传输，一个检测器模块用以接收来自保偏光纤的探测光，并通过测量探头接收的探测光光来确定施加在传感器板的应力。对于保偏光纤接合到传感器板的接合机构，被设计为保偏光纤之间多个接合或接触的位置，无论是在一维线性配置中或在二维阵列配置中，用于感测在目标结构 (诸如在设备、建筑物、桥梁或其他物品)上的不同位置的保偏光纤中的应变或应力的分布。传感器板采用可变形的或弹性材料，以允许传感器板随目标结构变形。

已经公开技术表明，测量建筑和其它大型结构的应力和应变分布具有很大必要性。结构的整体性、建筑物和大型结构安全性，尤其是对各种已经有一定老化的民用基础设施需要特别关注，例如存在几个确定的关注部门，包括联邦公路管理局(FHWA)，运输研究委员会(TRB)，和国家标准与技术研究所(NIST)。美国土木工程师学会(ASCE)估计，如果地面交通运输基础设施照目前恶化的趋势继续下去，美国经济每年的成本将增加351％，即，520亿美元，到2040年将耗资国民经济超过40万就业岗位。明尼阿波利斯I35W大桥的坍塌是一个潜在后果的灾难性典型例子：13人丧生和145人受伤；河流桥渡不可用，导致估计经济损失达6000万美元；重建费用约为2.34亿美元。分配给维护和维修桥梁的预算和妥善处理这些缺陷的桥梁的所有问题的预算与之相比是小得不成比例的。因此，准确地评估桥梁的状态，可靠、成本低、易采用的结构健康监测成为了一种直接和迫切的需求，提高结构的安全性，并对用于维护和修理的资金设置优先级分配。结构健康监测(SHM)是一种对有关结构健康状态和性能提供准确和及时信息的过程。SHM可用于防止可能发生在结构缺陷的情况下，该不利的社会、经济、生态和美学的影响，并且对出现可持续的民用和环境工程至关重要。

这里公开的传感器可以为SHM配置为光学光纤应变传感器(FOSS)。FOSS的优点包括精度高、长期稳定性、耐久性、不受电磁影响、耐腐蚀和耐湿度。使用分立传感器和分布式传感器进行监测之间的性质上区别是：分立传感器在分立点监控应变或平均应变，而分布式传感器能够在一维(线性)应变场范围内监控。分布式传感器可以沿结构的整个长度安装。由于传感器在其长度的每个点是敏感的，每个结构的截面都是有效的测试点。分立和分布式传感器各有自己的优势和缺憾。分立传感器覆盖被测结构面积少，因此不太可能直接检测损伤，但它们具有良好的精度和长期的稳定性。而分布式传感器大面积地覆盖被测结构，但其准确度要比分立传感器的精度至少少一个数量级。这两种类型的传感器都可以研制成功对损伤检测和表征(定位，定量)的监测方法。

本专利公开实现了一种新型的使用保偏(PM)光纤作为传感介质的分布式光纤应变传感器。本技术可拥有分立和分布式传感器两者的优势。例如，所公开的装置可被配置为一维或二维的分布式传感器，它能够覆盖大跨度空间结构或区域；本发明装置可以用来提供精确的测量，它具有较高的空间分辨率(例如，在一些配置中空间分辨率为6cm)和相对大的感应范围(例如，在一些配置中超过3公里)，这是由通用光电公司开发启用的一个鬼峰自由分布式偏振串扰测量技术。

在保偏光纤中，当入射的光严格与保偏光纤的快轴或慢轴对准时，保偏光纤两个偏振模式之间会由于保偏光纤内在缺陷或者外在压力产生光学耦合。保偏光纤慢轴和快轴间的模式耦合称为偏振串扰。一种描述偏振串扰的方法是慢轴和快轴中分别传输的两个偏振模式的光的光强比。在具体应用中，需要确定在保偏光纤中偏振串扰的发生的位置并测量偏振串扰的程度。例如，在光纤陀螺中，偏振串扰测量可以用于在绕制保偏光纤线圈之前检测保偏光纤的质量、在绕制过程中控制串扰损耗、在缠绕线圈后诊断保偏光纤线圈存在的问题。当保偏光纤用作光学感测介质时，偏振串扰可以被用作感测信息。例如，偏振串扰测量可用于获得沿保偏光纤的压力分布，监视沿桥梁、隧道、大坝、输送液体(如油)或气体(如天然气)的管道、楼宇建筑等空间结构的变化。偏振串扰测量也可用于安防入侵的探测，安防入侵可导致保偏光纤链路的结构发生变化，从而在保偏光纤中造成偏振耦合。偏振串扰测量还可用于保偏光纤质量检查，通过监测发生串扰的点来发现缺陷，使保偏光纤生产厂家或用户可以去除有缺陷的光纤区域或预先减小保偏光纤此缺损区域造成的影响。偏振串扰测量可测量偏振波导的高消光比，通过获得光源的自相关函数，测量保偏光纤的双折射率和保偏光纤和单模(SM)光纤的长度，匹配干涉仪的光程。

沿保偏光纤慢轴和快轴传输的光波的干涉可在保偏光纤发生耦合的位置产生一个实干涉信号和一个鬼峰干涉信号，此鬼峰干涉信号是由多个串扰点之间的光波的多重耦合造成的。当保偏光纤中存在多个强串扰点时，鬼峰信号会很强，从而导致对串扰位置和强度的错误判断。

图1所示为一个通过使用光学干涉测量沿保偏光纤的偏振串扰的空间分布的典型装置100，图1A示出了该装置的组成元件，图1B说明光学偏振器相对保偏光纤主轴的偏振方向，图1C说明当保偏光纤多个位置被施加压力对保偏光纤两个正交偏振模式间引入串扰的情况。

在图1中，从宽带光源发出的为宽带光的光101在位置A输入到保偏光纤中。输入的光101只具有一个与保偏光纤的慢轴对准的偏振分量。在位置B处的压力导致沿保偏光纤快轴和慢轴两个正交偏振态间的偏振耦合，同时产生一个与快轴对准的偏振分量。因为两个偏振分量以不同的速度在光纤中传输，因此在光纤的输出端111(位置C)，两个偏振分量会经历不同的延迟：

Δz＝n_sz-n_fz＝Δnz (1)

其中n_s和n_f分别是沿慢轴和快轴的折射率，两个折射率之差Δn是双折射率，z是耦合点所处的位置B到输出点所处的位置C间的距离。如果放置在光纤的输出端111之后的偏振器120的偏振轴与慢轴成45°(如图1B)，两偏振分量各自一半的光功率通过偏振器并具有相同的线偏振态，其方向与偏振器120的偏振轴相同。

因此，当用干涉仪接收从偏振器120输出的光时，偏振器120的作用就是使接收光发生光学干涉，其中接收光分别包含在两个偏振模式中的偏振分量，这种光学干涉可以用于偏振串扰测量。

在图1例子中，使用了一个迈克尔逊干涉仪作为所述干涉仪。分束器130用来接收从偏振器120输出的光，并且将接收光分为沿第一光路142传输到固定反射镜140的第一束光，和沿第二光路143传输到一个可移动反射镜141的第二束光。可移动反射镜141用一个驱动器控制可移动反射镜141的位置来调整第二光路143相对于第一光路142的相对光程。固定反射镜140 和可移动反射镜141将两束光分别沿第一路径和第二路径反向传输到分束器130。从固定反射镜140和可移动反射镜141返回的光束在分束器130处相互发生空间交叠，光学干涉产生输出光 132，其包括具有周期干扰峰的干涉信号，此信号由可移动反射镜141的位置发生移动产生。由于移动可移动反射镜141而产生的两相邻干涉峰间的距离是Δnz，因此，由方程(1)可知，保偏光纤中的耦合点的位置为：z＝Δz/Δn。因此，利用干涉图可定位干涉点，同时通过干涉峰可计算耦合比。

图1C说明在保偏光纤中包含多个耦合点的情况。在此情况下，测量过程将更加复杂。假设在保偏光纤中存在(n+1)个耦合点(x0 x1 x2··xn)，沿慢轴输入的线偏振的波包112在保偏光纤的输出端113分为2ⁿ个沿慢轴传输的的小波包和2ⁿ个沿快轴传输的小波包。因此，在第i 个耦合点，两个波包序列P_si和P_fi分别沿慢轴和快轴偏振，在其传输光路中包含2ⁱ个波包，它们的光程可以表示为：

其中P_si，j和P_fi，j分别表示在序列P_si和P_fi第j个波包。在第(i+1)个耦合点后的波包序列的光程可由下式计算:

基于公式(3)，在保偏光纤输出端的波包的光程可由下式得到:

波包序列P_sn和P_fn的对应强度I_sn和I_fn可由下式计算，

其中c_n是在耦合点x_n的耦合系数，并可用于串扰定义的一个参数：Crosstalk＝abs(10*logCn)。

在通过45°偏振器120后，原始沿偏振光纤慢轴和快轴传输的两个波包序列P_sn和P_fn，将相互混合成一个波包序列并沿偏振器120的传输方向偏振。沿偏振器120偏振方向传输的波包序列的光程P和对应的光强可由下式计算:

在第二光路143的可移动反射镜141移动改变其位置时，波包序列P(参见公式7)中的任意两个脉冲可以产生一个干涉信号，同时干涉条纹的位置由两个脉冲间的延迟差决定。n 个耦合点总共有

2ⁿ*(2ⁿ-1)/2个峰，其中有n个峰表明实际的耦合点，其余的均为鬼峰。这些鬼峰不仅产生假的耦合信号，而且还可能形成由真实耦合点产生的真实干涉峰中的一部分，因此这些鬼峰将会降低测量串扰分布和幅度的精确度。

从式(7)和(8)可看出，波包序列包含两组，一组由式(7)的上半部分表示为 Psn_-1，在保偏光纤中沿慢轴；另一组为公式(7)的下半部分表示为Pfn_-1，在保偏光纤中沿快轴。在Ps_n-1组中任两个脉冲的干涉图的位置与保偏光纤最后一节的长度(x_n-x_n-1)无关，它们的延迟差均小于(x_n-1-x0)*Δn。在Pf_n-1组中任两个脉冲的干涉图样位置也与保偏光纤最后一节的长度(x_n-x_n-1)无关，它们的延迟差均小于(x_n-1-x0)*Δn。对于波包P中的上半部和下半部之间的干涉，分别从Psn_-1和Pf_n-1的组中任一波其延迟差为(x_n-1-x0)*Δn+(Ps_n-1，j-Pf_n-1，_k)。如果最后一节保偏光纤的长度x_n-x_n-1比保偏光纤从0到n-1段总共长度要长的情况下，在此位置的干涉峰将被分成两组，一组是由在Ps_n-1或Pf_n-1中任两个波包间产生的干涉形成；另一组是分别由Ps_n-1序列的一个波包和Pf_n-1序列的一个波包干涉而成。一段具有高消光比(ER)的保偏光纤链路通常表明保偏光纤的耦合系数c1、c2…..ci很小，所以在式(7)的脉冲P1有相对高的功率。如果由二次以上的耦合产生，同时忽略3阶以上的干涉项，这时在第二组干涉组中仅有n个干涉信号，对应的干涉仪(图1A)中的参考臂的第一光路(142)与干涉仪的改变臂的第二光路的延迟差为：

其中准确的对应保偏光纤从0到n-1个耦合点。

为减少鬼峰，可在保偏光纤和偏振器220间插入一个光延迟装置以可以有选择地对在保偏光纤传输光的两个偏振模其中一个中引入一个附加光学延迟。图2所示为一个典型的用于测量在光学偏振介质(如保偏光纤)中的偏振串扰的装置，该装置在待测保偏光纤和干涉仪间加入一个光延迟装置210，下面具体阐述该装置的工作过程。在通过待测保偏光纤202后，入射光201分成两束正交波包序列，且分别沿慢轴和快轴偏振。光延迟装置210在两个正交波包序列间附加一个延迟L，其中在空气中的延迟L应比Δn*1要长，其中Δn是双折射率，l 是保偏光纤长度。在本例中，附加延迟L加载到保偏光纤沿慢轴方向偏振的光上。在通过45°偏振器220后，这两个经过附加延迟L的波包序列混合在一起，并具有相同的偏振态，此偏振态由偏振器220决定。在偏振器220之后的干涉仪230用来产生一系列延迟在Δn*1和 (L-Δn*1)间的干涉信号。这些干涉信号仅与在耦合位置产生的偏振耦合引起的实信号对应，鬼峰被抑制或消除。处理器240用于接收干涉仪230的输出信号通过处理输出的信号来测量保偏光纤耦合点的位置和强度。

考虑这样一种情况，沿保偏光纤存在三个耦合点x1、x2、x3，且输入保偏光纤的光偏振方向沿保偏光纤的慢轴，没有快轴分量。在每个耦合点，光不仅从慢轴的偏振模式耦合到快轴的偏振模式中，也从快轴的偏振模式耦合到慢轴的偏振模式中。这样耦合的结果是，保偏光纤输出的波包序列包含了多次耦合的波包。

在经过45°偏振器后，沿慢轴和快轴方向的波包将互相混合。如果该混合光输入到干涉仪中，当干涉仪的一臂的延迟发生改变，可获得一系列的干涉峰。产生的干涉峰代表真实耦合点和鬼峰，鬼峰与真实耦合点不同，并在鉴定真实耦合点时产生错误。鬼峰也可能会叠加到真实峰上，降低串扰测量精度。

本发明为抑制不需要的鬼峰数量和振幅，可在保偏光纤的输出端和偏振器的输入端插入一个光延迟装置210，见图2。该光延迟装置210具有偏振选择性，且可在快轴和慢轴间加入附加延迟。因此，在经过检偏器后快轴和慢轴的波包序列在时间上分离。如果给干涉仪的动臂和定臂间相同的延迟，那么，当光延迟装置210进行扫描时，将不会产生零阶、二阶和更高阶次的干涉信号；因此，在测量中大部分鬼峰会消失。从而，图2所示的装置比图1所示的基于其他干涉仪方法的装置有更高的测量精度、更大的动态范围和更高的灵敏度。

图2中的偏振选择光延迟装置210可以由多种组成结构，并根据不同应用需要选择图 2中的装置。沿保偏光纤两个偏振模式中传输的光通过采用偏振分束器分为沿两个独立光路传输的两个独立光信号，一个可调光延迟机构可以对这两个独立光信号在合束之前加入可调的光学延迟，通过干涉仪之后的线性光起偏器将两个独立光信号合成为一个光信号以便进一步的处理。这些装置可配置为固定的光延迟装置210，其产生理想的光学延迟ΔL(＞n*1)或可变延迟，它在上述理想光延迟ΔL下可控。使用恰当的延迟，见图2，鬼峰可被抑制。

保偏(PM)光纤的空间分辨偏振串扰测量有多种应用，如分布式应力传感，光纤陀螺线圈检测，保偏光纤双折射率和拍长测量，偏振串扰位置识别，以及保偏光纤质量检查。扫描迈克尔逊白光干涉仪可用于测量这样的分布式偏振串扰。但是，随待测光纤(FUT)长度的增加，所测量的串扰峰将由于双折射率色散加宽，致使对于超过一定长度的保偏光纤如几百米，其空间分辨率和测量精度会降低。

这里提供的技术可用于改善分布式偏振串扰测量的分辨率和测量精度。在一些实现方式上，由双折射率色散造成的偏振串扰峰的加宽可以通过简单地将测量数据与补偿函数相乘来恢复。通过找到已知距离的串扰包络线的宽度可得到双折射率色散变量。该技术可有效提高长保偏光纤空间分辨偏振串扰测量的空间分辨率和振幅精度。

下面的部分提供了数学补偿双折射率色散的具体细节，这种操作可提高在测量偏振串扰的空间分辨率和测量精度。双折射率色散对偏振串扰测量的影响可以用数学方法补偿。文中描述了一种基于白光干涉仪的分布式偏振串扰分析仪。该装置用于测量沿保偏光纤的初始空间分辨偏振串扰峰，串扰峰的光谱宽度作为位置函数从而得到双折射率色散ΔD。此外，补偿函数和原始测量串扰数据的相乘可清除由串扰峰展宽引起的色散。本实验采用长为 1.05km的保偏光纤线圈进行，该实验证明，本方法可有效地改善空间分辨率和串扰测量精度，而且可以容易地并入分析软件。所描述的技术可用于多种应用，如得到超过几百米长的保偏光纤线圈精确的偏振串扰值，也可用于外部触发串扰测量。

图3示出一个用于测量保偏光纤线圈的装置。该装置可做成分布式偏振串扰分析仪。宽带偏振光源301的光被耦合到光学双折射介质的一个主偏振轴上。此类宽带偏振光源301可采用多种配置实现，如宽带光源和光偏振器的组合。在图3的例子中，宽带偏振光源301使用一个有短相干长度的偏振超级发光二极管光源(SLED)。偏振输出的光101在位置A处被引导到慢轴方向，位置A为输入连接器所处的位置，用于将光源连接到保偏光纤线圈110。保偏光纤线圈110在输出连接器所处的位置C处终止，线性偏振器120与两主偏振轴成一定夹角，如45度。参照图1B，偏振器120传输保偏光纤线圈110的部分输出光并将两个正交偏振混合在一起。

保偏光纤线圈是一种光学双折射介质，它提供了沿保偏光纤快轴和慢轴两种正交偏振模式。在输入点所处的位置A处，光101的输入偏振与主偏振其一对准，如慢轴。离开光学双折射介质的光输出信号被引导向干涉仪230，以得到两个正交偏振模之间的光学干涉。干涉仪230产生一个干涉信号312。光电探测器150将干涉信号312转换成带有光学干涉信息的检测器信号。数据采集装置或数据采集卡(DAQ)330将检测器信号转变成数据；处理器340，如微处理器或电脑，用于接收上述数据和处理已得的光干涉，从而得到两个正交偏振模式间偏振串扰的包络谱函数。值得注意的是，该处理器340应用一种补偿功能编程，能减小由光学双折射介质中光学双折射率色散引起的包络谱函数的频谱展宽，这种补偿功能基于所述光学双折射介质的包络谱函数的测量值。

如图3所示，干涉仪230是基于光纤的干涉仪，包括一个光纤耦合器310，其有四个光纤端口：端口1作为干涉仪输入口，接收来自偏振器120的光；端口2是干涉仪输出端口，输出干涉信号312；端口3用于连接到干涉仪230的第一光路；端口4用于连接到干涉仪230的第二光路。光纤耦合器310将光分成两束，第一束向端口3和第一光路传播，第二束光向端口4和第二光路传播。第一光路包括一个光纤，其在第一个法拉第反射镜321处终止；法拉第反射镜321 旋转45°光偏振，在反射光的偏振上会产生一个90°的旋转。同样地，第二光路包括一个光纤，其在第二个法拉第反射镜322处终止，反射光偏振产生90°的旋转。随后，第一光路和第二光路的反射光束在光纤耦合器310处混合，由于二者间的光程差导致了干涉。这是一个迈克尔逊干涉仪。可变延迟机构用于控制两路径之间的相对延迟。例如图3，可变延迟机构323被放在第一光路调控相对延迟，以响应来自处理器340的延迟控制信号342，处理器340会作为控制装置进一步操作。在操作中，可变延迟机构323进行扫描，以操作该干涉仪230实现扫描迈克尔逊干涉仪功能。

如图3中的例子，在保偏光纤线圈110的位置B处，偏振串扰由外部干扰引起，一些光从保偏光纤线圈110沿慢轴的初始偏振耦合到沿快轴，其以耦合系数h＝I₁/I₂耦合，h代表了两偏振间的强度比或功率比，其中I₁和I₂分别是快轴和慢轴的功率。因为沿快轴的光偏振比沿慢轴传播的快，在保偏光纤线圈110的输出点所处的位置C处，快光分量比慢光分量超前ΔnZ，其中Δn是保偏光纤线圈110的双折射率，Z是串扰点所处的位置B和纤维端所处的位置C间的长度。偏振器120放置在光纤输出端与慢轴成45°角，在干涉仪230上两个相同偏振方向的分量上产生干涉。扫描相对光程，当偏振分量空间重合时会出现一个干扰峰，当其分开超过一个宽带偏振光源301的相干长度干扰峰消失。位置B是串扰发生点，可由式Z＝ΔZ/Δn计算，串扰振幅h可由干扰信号振幅得到。图3示出在位置A、位置B、位置C三个位置的一系列信号，解释了沿慢轴和快轴的偏振分量。

串扰峰(干涉峰)的包络线受到宽带偏振光源301的光谱分布和保偏光纤线圈110的双折射率色散ΔD影响。假如SLED301有高斯谱型，串扰包络线(相干度)γ双折射率色散函数ΔD和串扰点的距离Z关系推导为：

其中，

δd＝(ΔnZ-d) (11)

ρ＝2πc(Δλ/λ₀)²Δ|DZ＝αΔDZ (12)

ΔD＝dτ/dλ＝-|ω²/2πc|(d²Δβ/dω²)₀ (13)

上述公式中，d是迈克尔逊干涉仪的扫描光程差，ρ是沿保偏光纤的累计双折射率色散，c是真空光速，Δλ和λ0分别是谱宽和光源中心波长，Δβ是两偏振本征模的传播常数差，w₀是色散ρ为0时干涉包络的1/e宽。该宽度也是光源的相干长度。依公式(11)，参数δd可通过改变干涉仪中延迟线的路程差d进行调整。当光程差d补偿两偏振模式间的光程差ΔnZ时，出现干涉信号。式(11)和式(13)表明，测量的串扰包络的量级和波形是ΔD和Z的函数。双折射率色散ΔD在串扰测量中的降解效果是串扰包络振幅和线形加宽的减小。

显而易见的是，双折射率色散的影响可通过将串扰测量值和色散补偿函数K(ρ)直接相乘去除：

因此，将式(14)和式(10)相乘，原始的串扰包络可被完全还原：

为获得补偿函数，首先需得到双折射率色散ΔD或ρ。公式(10)拟合出包络线展宽和双折射率色散间关系：

W/W_o＝(1+ρ²)^1/2＝(1+(αΔD)²Z²)^1/2 (16)

因此，通过测量串扰包络线在光纤输入端(Z＝L)和输出端(Z＝0)宽度，可以很容易地计算双折射率色散ΔD。实际应用中，为提高ΔD的精度，需测量保偏光纤在多个位置的串扰包络线的宽度，通过曲线拟合式(16)得到ΔD。

图4和图5阐释了图3中设备的操作过程。

图4是得到双折射率色散补偿函数的流程，其基于测量光学双折射介质两个或多个位置的偏振串扰峰包络谱函数的谱宽。在步骤410，宽光谱的线偏振光被耦合到光学双折射介质上，其方向沿着光学双折射介质的偏振模式。在步骤420，干涉仪用于处理输出光信号以获得两个偏振模式间的干涉。在步骤430，由干涉仪得到的干涉信号被处理，从而得到偏振串扰峰的包络谱函数。在步骤440，在光学双折射介质的两个或多个位置，如图3中输入点所处的位置A和输出点所处的位置B，测量偏振串扰峰的包络谱函数的谱宽。执行步骤450得到双折射率色散。在460步，得到的双折射率色散用于产生一个补偿函数，其可以校正由双折射率色散导致的光谱加宽。

基于由图4得到的双折射率色散补偿函数，图5给出测量在光学双折射介质如保偏光纤中的偏振串扰的流程的一个例子,其基于双折射率色散补偿函数。

图6是一个由图3得到的保偏光纤线圈110的偏振串扰曲线，它反映了双折射率色散对测量串扰峰的影响，以及补偿如何去掉这些影响。在最左和最右的峰对应于由输出连接器和输入连接器引起的串扰。两者间的小峰是在光纤缠绕过程中应力引起的串扰。右侧插入的实线表明双折射率色散产生两个不利影响：(1)包络线展宽(2)发生在串扰连接器所处的位置A处串扰峰幅度的减小。虚线表明串扰的包络线和振幅在色散补偿后得到修复。特别地，经色散补偿，输入连接器处的谱峰宽度是34.1μm，它与零色散(Z＝0)的输出连接器引起的左边峰宽32.4μm非常接近。

图7示出了测量的谱宽作为距离Z的函数，通过使用图3所示的系统进行了各种实验。沿待测光纤不同位置进行了多个偏振串扰点的测量。测量值清楚地表明，由双折射率色散的影响，谱宽的二次方与距离Z成正比。该特性与式(16)一致。在这种测试条件下，由于双折射率色散的谱线加宽使得距离超过200米的偏振串扰测量的空间分辨率降低。

对式(16)的数据最小二乘拟合可精确得到保偏光纤的双折射率色散ΔD为0.0014ps/(km nm)。将拟合值ΔD带入式(14)，完成色散补偿函数。色散补偿函数和原始的测量串扰数据相乘，可达到改进的串扰数据，消除了偏振串扰对双折射率色散ΔD的依赖。

图7A示出沿保偏光纤不同点的压力导致的串扰峰的包络线宽。图7A中的正方形表示经色散补偿后的谱宽，圆点表示未经色散补偿的谱宽。图7B是输入连接器和六个不同长度保偏光纤(5m,205m,405m,605m,805m、1005m)的串扰测量值。输入连接器的串扰是固定的， 5段200米的光纤被顺序地拼接到输入连接器的尾端以增加色散。偏振串扰振幅由于双折射率色散随光纤长度减小，并且在进行补偿后得到修复。

因此，色散补偿技术能有效减缓串扰振幅的减小和由色散引起的谱线加宽。同样地，基于干涉仪的偏振串扰分析仪中使用宽带光源(如白光)，这种补偿技术能有效提高串扰振幅的空间分辨率和测量精度。

参考图3所示，偏振超级发光二极管(SLED)具有短相干长度(如约25μm)并在位置A处被耦合到待测保偏光纤(FUT)的慢轴。图3说明，在另一位置B处，偏振串扰由外扰诱发，它会使一些最初在慢轴偏振的光以耦合系数参数h＝I₁/I₂耦合到快轴，I₁和I₂分别代表快轴和慢轴的光强。由于沿快轴偏振的光比沿慢轴偏振的光传播地快，在光纤输出端，较快的光分量比慢光分量超前ΔZ＝ΔnZ，ΔZ是光程差，Δn是光纤双折射率，Z是串扰发生点(位置B)和输出点(位置C)间的光纤长度。与慢轴成45°的偏振器放置在光纤输出端。慢轴和快轴的偏振分量投影到偏振器的相同方向，从而在扫描迈克尔逊干涉仪上产生两分量的干涉图样。扫描相对光程，若两个偏振分量在空间上重叠，出现干涉峰；当其分开超过一个光源(如SLED)相干长度时，干涉峰消失。串扰点所处的位置B和输出点所处的位置C可由式 Z＝ΔZ/Δn计算。如果存在多个偏振串扰点超出图3所示的位置B，会出现二阶干扰峰，这是由于在串扰点耦合到快轴的光会在后续的串扰点耦合回慢轴。这样的二阶耦合可引起串扰鬼峰，并导致白光干涉混乱。图3的传感器是一个无鬼峰分布式偏振串扰分析仪，在装置内部使用一个差分群延时装置去除二阶耦合中的干涉鬼峰，使得能够精确识别和测量大量无歧义的偏振串扰。

基于上述描述的特性，保偏光纤可以嵌入在传感器衬底作应力传感元件，应变场可引起保偏光纤的偏振串扰。串扰变化可看作一个反应施加在保偏光纤上外部压力/应变的变化的指标。偏振串扰对施加在保偏光纤上的横向压力更敏感，相比，对轴向应变或压力不太敏感。因此，图3所示的传感系统可以测量光纤的横向应变。但在许多应用中带测量通常与轴向应变/应力有关，如建筑结构的检测。下面讲到的技术和装置可将轴向应变/应力转变成横向应力，使如图3中的装置和其他基于传感机制的传感器设备能检测和监控轴向应变/应力分布，从而测量轴向力学参数。例如，横向应力或轴向应变都可用本文件公开的传感器条、片进行测量。

保偏光纤(PM)具有高的双折射率，对于光纤通信和光纤传感器，尤其是光纤陀螺来说，内部双折射率比扰动双折射率对光纤的保偏性能的影响还要大。保偏光纤的保偏性能一般用偏振消光比(PER)或h-参数(单位长度的偏振消光比)来衡量，而衡量保偏光纤性能的基本参数是它的模式双折射率(或拍长)。因此，对保偏光纤的制造商和使用者来说，不仅仅知道偏振消光比很重要，知道双折射率和其他所有的双折射相关参数，包括双折射率随波长的变化(双折射率色散)，双折射率和温度的关系(双折射率热系数)，以及双折射率沿光纤的变化(双折射率均匀性)，也很重要。可以用标准TIA-544-193和TIA-544-192中所说的偏振串扰的方法来测量保偏光纤的偏振消光比或h-参数。然而，在不同的应用中，这样的测量系统的搭建很复杂，测量精度容易受到的透镜和连接器的双折射率，以及输入保偏光纤的偏振光的偏振方向对不准的影响。商业上的偏振消光比一般是通过直接测量保偏光纤的偏振消光比得到的，然而，测量精度受两个因素的限制，1)光在待测保偏光纤的输入端的偏振方向对不准，2)光源和光源尾纤的偏振方向对不准，因此制造高偏振消光比光纤的测量和繁琐且不具有可重复性。

用不同的白光干涉仪装置可以测量四个双折射相关参数中的一两个，相干光谱，波长扫描技术，瞬态受激布里渊散射光栅技术，和布里渊光相关域反射计。这些方法的实现往往需要复杂的设置和深入的知识和广泛的专业技能。因此，他们在工业上的实际应用受到了限制。

分布式偏振串扰分析仪(DPXA)可以准确测量保偏光纤的双折射率热系数和双折射率色散。

本文公开了使用DPXA通过给出的方法和步骤来简化测量和提高测量精度，获得额外的测量技术，并提高DPXA的测量性能，包括各种偏振相关的参数，包括偏振消光比(h- 参数)，双折射率，双折射率均匀性，双折射率色散，双折射率热系数。此文件中还介绍了用DPXA测量时产生一系列等空间间隔的峰的夹具。为了确保这样的方法和过程有效，我们在DPXA中设计了一个机械装置(例如通用光电公司出售的PXA-1000)，专门用来消除零阶偏振串扰和二阶偏振串扰的相干产生的鬼峰，因此才能获得沿保偏光纤的大量的偏振串扰的确切的位置和强度。

夹具和鬼峰消除装置的组合简化了测量过程，减少了许多潜在的测量误差，因此，确保了研究人员可以得到精确的测量结果。此外，DPXA可以很容易地分辨出测量装置中的连接器的接头引起的偏振串扰，因此可排除他们对待测保偏光纤(FUT)的总的偏振消光比贡献，得到更准确的测量结果，不必仔细测试待测保偏光纤的输入端和输出端的偏振方向。最后，由DPXA获得的一组测量参数可以用来量化衡量保偏纤维的性能，并附有不同的保偏光纤测试的例子。

本文中所披露的技术的方法和过程，可以广泛应用于工业中，完整描述保偏光纤。回顾图3，说明了分布式偏振串扰分析仪(DPXA)的基本结构。在DPXA的使用中，具有短相干长度(约25μm)的偏振超级发光二极管(SLED)被耦合到待测保偏光纤(FUT)(图中位置A)的慢轴。假设在位置B处，偏振串扰由外扰诱发，它会使一些最初在慢轴偏振的光以耦合系数参数h＝I1/I2耦合到快轴，I₁和I₂分别代表快轴和慢轴的光强。由于沿快轴偏振的光比沿慢轴偏振的光传播地快，在光纤输出端，较快的光分量比慢光分量超前ΔZ＝ΔnZ，ΔZ 是光程差，Δn是光纤群折射率，Z是串扰发生点(位置B)和输出点(位置C)间的光纤长度。偏振器放置在光纤输出端。与慢轴成45°的偏振器放置在光纤末端。慢轴和快轴的偏振分量投影到偏振器的相同方向，从而在扫描迈克尔逊干涉仪上产生两分量的干涉图样。扫描相对光程，若两个偏振分量在空间上重叠，出现干涉峰；当其分开超过光源(如SLED)一个相干长度时，干涉峰消失。串扰点所处的位置B和输出点所处的位置C可由下式计算

Z＝ΔZ/Δn (17)

从(17)式可以很明显的看出，Δn的精确度与ΔZ和Z的测量精度有关。

图3显示了沿光纤只有一个的偏振串扰点时的DPXA设备操作。如果有多个偏振串扰点，则会出现二阶串扰峰。也就是说，在一个串扰点处耦合到快轴上的光在随后的串扰点处将会耦合回慢轴。这些二阶耦合将会产生鬼峰，并导致结果混乱，无法区分。正如上面提到的，在DPXA中应用一种特殊的技术(没有在图3显示)消除二阶串扰所引起的鬼峰，使它能够准确鉴别并测量大量沿光纤的偏振串扰。

可使用夹具产生一些列沿保偏光纤的具有空间周期性的偏振串扰峰。

为了更简便，更精确地测得双折射相关参数，使用一个线轴状夹具可以作为DPXA引起沿待测保偏光纤(FUT)的周期性间隔的偏振串扰峰的装置，如图8所示。测试装置是，一个标准的从光纤制造商处得到的绕线框和一个直径为2毫米的细的金属棒，其长度是绕线框的高度。一层280米的长度缠绕在绕线框和金属棒上，且有一定张力。绕线框可以为绕线轮。在这种情况下，在光纤压过金属棒的位置，在光纤上就施加了“点状”应力，产生多个周期性的偏振串扰，精确定义圆周周期(在实验中长0.535m)，如图9所示。这些周期性的串扰峰值像嵌入保偏光纤的标尺一样，自动给出与双折射测量相关的光纤的精确长度测，如式(17)所要求的那样。

在实施中，可像这样加工制造一个这样精确设定好直径(或周长)并有一个横穿的小凹槽或者小突起的框状夹具，诱导产生周期性的偏振串扰峰，使夹具就像一个嵌入的尺子一样。这样的夹具用于精确确定两个串扰峰之间的距离，因为双折射率的测量值的精度与长度的精度是成比例的正如等式(17)所表示的那样。另外夹具可以用于通过产生的串扰峰的分布来反应沿光纤的局部双折射率。

双折射率与双折射率均匀性测量

图9(a)是采用纤芯直径6微米，包层直径80微米，涂覆层直径165微米的熊猫保偏光纤测得的偏振串扰随光纤长度Z变化的曲线，表明串扰峰是金属棒作用在光纤上的线性应力诱发的。最左端和最右端的峰分别对应的是出射和入射连接处，光耦合进光纤主轴时的微小错位产生的偏振串扰。图9(b)详细地显示了光纤穿过金属棒时产生的横向应力引起的等间距的周期性的串扰峰。可以看出，因为随着光纤在绕线框上缠绕，横向应力方向与光纤主轴之间夹角也在变化，所以每个峰的振幅都在变化，但振幅的变化对周期性的测量是没有影响的，而对双折射测量重要的是周期性的测量。我们只需用绕线框的周长乘以任意两个点之间应力诱发的串扰峰的个数，就可以很容易地得到这两个应力串扰点之间的间距。此外，用机械延迟线的编码器，我们可以准确地获得相对延迟ΔZ。

由等式(17)可以得到Δn,总的相对误差可以表示为：

δ_Δn表示双折射率误差,δ_Δz表示DPXA中可变延迟线的延迟ΔZ的读数误差，δ_z表示长度Z 的测量误差。另一个方法，根据等式(18)可以得到准确地双折射率Δn，必须准确地测得待测保偏光纤(FUT)的绝对长度。任何长度的测量误差都会影响双折射率Δn的精确度。相比之下，在这里我们可以使用绕线框的周长定义的相对长度，使我们没必要测量绝对长度进而消除其相应误差，等式(17)可以改写成：

Δn＝δz/(Nl) (19)

δ_z为在干涉仪中周期性串扰峰的延迟，l为绕线框圆周周长，N为整数，是我们选择计算的周期数目。因为l被精确限定，从长度测量的误差可以被最小化。Δn的误差来源于用DPXA 中可变延迟线测得的偏振串扰峰之间的相对位置误差δ_Δz。注意，延迟线通常有一个与运动距离无关的误差，因此，在实验中，我们选择使用多个周期(N>>1)来减小延迟线误差δ_Δz的影响,就像我们想要测量一张纸的厚度,而测量一摞纸的厚度一样。我们发现，在实验中,当N>＝ 5时，测量的误差就足够小了。当N＝5时，测得Δn的平均值是Δn＝4.65×10^-4。

图10a表示当N＝5时，Δn的变化与沿光纤的距离的函数关系，在长距离处产生大的数据波动是因为双折射率色散引起峰加宽，因为根据等式(18)，展宽将会增加δ_Δz的不确定性。测出待测光纤(FUT)的双折射率色散，用色散补偿函数乘以分布式串扰曲线可以用来进一步提高测量精度。

图10b表示测量双折射率与沿光纤的距离的函数关系，可以看出，进行色散补偿程序之后，测量不确定性将会大大降低。它同样明显的是，沿待测光纤长度，Δn的平均值会有微小的变化。

双折射率色散测量

测得的串扰峰的包络(即相干峰)影响超辐射发光二极管(SLED)的光谱分布和保偏光纤的双折射率色散ΔD。事实上，由于双折射率色散的影响，包络宽度与距离Z的平方成正比，并且包络展宽后的宽度W和双折射率色散ΔD的关系可以表示为：

W/W_o＝(1+(αΔD)²Z²)^1/2 (20)

其中

α＝2πc(Δλ/λ₀)² (21)

在上面的等式中,c是光在真空中的传播速度,Δλ和λ₀分别表示用于测量的光源的光谱宽度和中心波长，W₀表示当色散ΔD或Z等于0时，相干包络宽度的1/e。任意两个已知空间距离Z偏振串扰峰的宽度，利用等式(20)可以得到色散ΔD。然而，为了提高ΔD的测量精度，可以沿着待测保偏光纤测得大量的串扰包络宽度,ΔD可通过等式(20)曲线拟合得到。

图11表示串扰峰的宽度与其沿光纤的位置之间的函数关系。第一个诱导的串扰峰开始，估算每20个峰(N＝20或10.7m)的距离被测量。与其它技术不同，要由等式(17)算出串扰峰的位置，必须准确地测出光纤长度Z，而这里只需要知道相对位置，而准确的位置可由绕线框的周长与峰的个数相乘算得，使光纤距离的测量误差对色散的影响最小化。也许可以通过测量出射接口和入射接口串扰峰的宽度，由等式(20)得到双折射率色散，然而，光纤长度测量误差也对色散的测量有影响。此外,宽度测量不确定性对这两点测量影响很大。本文提供的方法可以有效地避免这样的误差。如图11所示，当长度超过100m时，串扰峰的宽度开始明显加宽。对等式(20)进行最小二乘法拟合，可以准确地得到保偏光纤(PM)的双折射率色散ΔD，即ΔD＝0.0079ps/(km·nm)。

注意，只要得到光纤的色散，就可以得到光纤的色散补偿函数。色散补偿函数可以用来消除串扰峰的展宽，因此减小沿光纤的双折射测量的不确定性。

双折射率热系数测量

保偏(PM)光纤对温度很敏感，是因为光纤包层的不同区域有不同的热膨胀，导致保偏光纤有各向异性应变，且在室温附近应变随温度呈线性变化。双折射率Δn可以写成：

Δn＝γ(T₀-T) (22)

T表示待测光纤的温度,T₀是在应力下掺杂的石英玻璃的软化温度——包括包层区域，γ的表示测得的保偏(PM)光纤的双折射率热系数。

参考图8中，光纤线轴可以被置于一个恒温室内，两个光纤尾纤在恒温室外。如图12所示。

图12(a)表示80℃和40℃时，待测保偏光纤(PM FUT)的偏振串扰与相对延迟函数关系曲线。显然,与等式(22)所预计的一样，所有偏振串扰峰的位置随温度的变化都发生了漂移。双折射率热系数可以通过测量入射接口引起的串扰峰的位置作为温度函数。然而，影响测量精度的误差主要有两个：1)光纤的长度测长误差，2)温箱之外的光纤长度。为了得到准确的测量结果，温箱内的光纤必须足够长,并且留在温箱外的尾纤必须足够短。

在这一部分中，我们表明，由于以下原因，我们可以有效地减小误差：1)测量装置引起的周期性的偏振串扰峰相当于沿光纤分布的标尺，可以很容易地获得任意两个峰之间光纤高精度的长度，2)我们只需要测得温箱内光纤部分的任意两个周期性的串扰峰之间的相对位置随温度变化，因此就可以消除温箱外光纤部分的误差的影响。在实验中，我们选择测量第1个和第50个峰之间的空间距离ΔZ，并且测量双折射率Δn作为温度的函数。如图12(b) 所示，随着温度的升高，第48个，第49个，第50个峰的位置向左漂移，是因为空间距离ΔZ减小。这种现象说明，有负的热系数存在。如前所述，在不同温度情况下，可以通过最小二乘法进行线性拟合得到等式(22)中的双折射率热系数γ。注意，测量靠近入射连接口的峰(N>>50)，用色散补偿可以减小峰的展宽，提高测量精度，但为了减小色散的影响,我们仍然选择了靠近待测光纤出射端的串扰峰。

保偏(PM)光纤偏振消光比的测量

各种其它方法测量保偏(PM)光纤的偏振消光比(PER)，对以下两点都是很敏感的，(1)待测光纤(FUT)的入射端的偏振对不准，(2)如果使用带尾纤光源，光源尾纤和待测光纤尾纤之间的偏振轴对不准。在图13中，使用DPXA，可以很容易地确定在光纤两端的偏振对不准引起的串扰和尾纤与光源的接口偏振对不准引起的串扰，因为用DPXA测得的相应的偏振串扰在空间上是分开的，所以可以消除它们对总的偏振消光比(PER)的影响。

图13表示测得的FC/PC接头的保偏光纤跳线的偏振串扰曲线，及把直接从供应商那里得到的250m长的保偏光纤绕线轴和两个FC/PC接头熔接，测得的偏振串扰测量曲线。当把待测光纤(FUT)接入到DPXA时，连接点处的偏振对不准产生显著的串扰峰。DPXA软件中的自动搜索程序将自动检测出那些峰，因为DPXA内的光纤的偏振串扰特性是已知的，如图 13所示。此外，光源和它的被两个连接点定义的位于温控箱外部区域的尾纤产生的偏振串扰峰，不包含在偏振消光比(PER)的计算内。根据定义，光纤的偏振消光比(PER)可由下式算出：

PER＝10log(P_f/P_s) (23)

P_f表示从慢轴耦合进快轴的总功率，并且可以通过所有偏振积分而获得的两个连接器之间的串扰，P_s可表示慢轴方向剩余的总功率，即P_s＝P-P_f，P表示在光纤出射端接收到的总功率。

在专利中所公开的技术包括，使用DPXA软件的一种算法，能够从测量曲线自动计算出不包含两个连接端点的偏振消光比(PER)，如图13(a)所示。使用DPXA软件也可以计算出沿光纤的任意两个点之间总的偏振消光比(PER)，因此可以进一步消除两个融接点的影响，如图13(b)所示。

表1比较了用商用偏振消光比(PER)测量仪和DPXA对13米长光纤跳线和250米长保偏光纤线圈的偏振消光比(PER)进行多次测量结果。其中表明，由于在入射接口处的轴对不准引起的串扰的影响，用偏振消光比(PER)测量仪测得的偏振消光比(PER)的值比用DPXA测得的偏振消光比(PER)的值小几个dB。此外,正如预期的那样，DPXA的测量重复性比偏振消光比(PER)测量仪的重复性要好得多。

表1用商用偏振消光比(PER)测量仪和DPXA分别对13米长光纤跳线和250米长保偏光纤线圈的偏振消光比(PER)的测量值进行比较

光纤质量评价

各种测量保偏光纤的一般商用设备对用户来说只能测量偏振消光比和h-参数来表征保偏光纤的偏振特性。

然而，测量偏振消光比和h-参数，可能无法反映真实的光纤偏振性能，尤其考虑到使用常规方法测量偏振消光比可能存在明显的波动。在这方面，本文件提供的技术，用从单一的DPXA 扫描得到的一系列参数来完整地描述偏振性能，而没有歧义。

图14表示用DPXA扫描直接用从供应商那里得来的绕在光纤轴上的三种不同的保偏光纤。我们建议用四个偏振相关参数来描述保偏光纤的质量：1)平均偏振串扰，2)最大串扰，3)超过制造商或者用户规定的一定的阈值的串扰峰的数目，4)偏振消光比(PER)。平均串扰是影响偏振消光比(PER)值的主要因素，并且与h-参数密切相关(单位光纤长度的偏振消光比)。虽然少量的大的串扰峰对长光纤的偏振消光比(PER)来说影响不大，但最大串扰是衡量保偏光纤(PM)在制造，封装和运输过程中光纤是否损坏的一个指标。对于某些应用器件，如光纤陀螺线圈，为了制造高质量的光纤线圈，高串扰的部分光纤必须被去除。光纤上出现大量的高串扰峰可能表明在光纤拉制或包装过程有问题。在要求苛刻的应用中只是用好的光纤部分也是不切实际的。

表2完整描述三个不同保偏光纤质量的四个参数

表2列出了从图14中得到的这三种不同的待测光纤的四个参数。光纤I是1310nm，拍长为2.57mm的商用熊猫型光纤，纤芯直径6um，包层直径125um，涂覆层直径250um。光纤II是另一个波长1310nm的熊猫光纤，与光纤I有相同的纤芯，但拍长是2.13mm，包层直径80um，涂覆层直径169um。最后，光纤III是波长1310nm，拍长2.6mm，纤芯直径6.4um，包层直径80um，涂覆层直径136um。从图14(a)可以明显看出光纤I的平均串扰最小，因此偏振消光比(PER)最大，即28.78dB，但是，在距离出射接口220m处它有一个缺陷点，引起一个 -42.36dB的大的串扰峰，这可能是由于往线轴上缠绕光纤时的不当操作引起的。仅仅用偏振消光比(PER)的测量是不能发现这样的缺陷的。在实验中我们发现，这样的缺陷可能是永久性的，如：即使当相应的压力被消除，这样的缺陷也不会消失。另一方面,光纤III的平均串扰最高，即-59.22dB，相应的偏振消光比(PER)最低，即16.25dB。它也有大量的超过-55dB的高的串扰峰，可能是因为薄的涂覆层(136nm)不能有效地保护光纤不受外部压力。因此，所有四个参数共同给出了待测保偏光纤(PM)的质量和性能的一个完整画面。

因此，该专利文件描述了使用无鬼峰DPXA来充分表征保偏光纤的偏振相关参数的设备、方法和过程，包括双折射率(或拍长)、沿光纤的双折射率变化、双折射率色散、双折射率热系数和偏振消光比。特别是，一个固定的夹具可用于诱导等间距的周期性偏振串扰峰和测量的峰的位置和宽度，以获得双折射所有的相关参数。通过夹具的周期性所限定的周长可以被用作一个内置的标尺，以避免测量光纤长度的误差，因为光纤长度的测量误差可以导致一个显著的双折射测量错误。此外，DPXA能够识别在光纤的输入端和输出端偏振错位以及光源处的光纤尾端所引起串扰，并消除其对光纤偏振消光比的影响，从而更容易的和更精确的测量PER。此外，用DPXA测量保偏光纤的一组参数可以充分体现出偏振相关性能。本专利公开的技术可以很容易地应用于工业中，它的易用性和高重复性可以完全表征光纤特性。

上述内容包含了许多具体的实施细节，这些不应该被认为是对本发明范围或权利要求内容的限制，而是对本发明特定体现的特性的具体描述。在此描述的分立的具体体现的这些特性也可以合成为一个单独体现来实施。相反的，在一个具体体现中描述的那些特性也可以单独作为多个体现，或作为合适下级组合。此外，虽然上述描述的一些特性以及这些组合列入了权利要求中，但一个或几个权利要求也可以进行组合成为本发明的方案之一。类似地，虽然在顺序附图中描述了特定操作，但不应将其理解为在特定顺序或相继次序中需要这样的操作，或者需要执行所有图示的操作才能达到期望的结果。

只有少数几个实例和实施在专利中公开。对所描述的实例、实施方案和其它的实施方案的变化、修改和增强都依据于此方案。

Claims (5)

1.一种双折射材料的偏振相关参数的测量方法,包括：

沿一段长度的双折射材料诱导一系列已知距离周期偏振串扰峰，所述一系列已知距离周期偏振串扰峰为等距离周期偏振串扰峰；

引入探测光进入双折射材料，并检测从双折射材料出来的探测光；

处理检测到的探测光，来确定感应等距离周期性偏振串扰峰的位置和宽度；

使用得到的等距离周期性偏振串扰峰的位置和宽度，来提取双折射材料的一个或多个偏振相关参数；

其中，诱导所述等距离周期偏振串扰峰包括：将双折射材料缠绕在一个外圆带有突起或凹槽的圆盘的外圆上，使得压在突起或凹槽上的双折射材料受压产生双折射应力，从而产生一系列等距离周期偏振串扰峰。

2.根据权利要求1所述的测量方法，其特征在于,所述双折射材料的一个或多个偏振相关参数包括所述双折射材料的双折射率、所述双折射材料的拍长、所述双折射材料的双折射率变化、沿所述双折射材料的双折射率色散、沿所述双折射材料的双折射率热系数。

3.根据权利要求1所述的方法，其中双折射材料是一个偏振光纤链路。

4.一种用于测量一段保偏光纤分布式偏振串扰的装置，包括：

在一段一定长度的保偏光纤上产生已知距离偏振串扰峰的结构，其中该保偏光纤被配置成支持两个正交偏振模式，产生的所述已知距离偏振串扰峰为等距离周期偏振串扰峰；

将宽频谱的线偏振光耦合进入所述保偏光纤中的机构；

放置在所述保偏光纤光的输出端的光延迟装置，其接收所述保偏光纤的输出光信号，并产生一个经过调制的光信号，该光延迟装置使得所述保偏光纤中光输出信号双正交偏振模间延迟增加；

放置在所述光延迟装置后的线性偏振器，其接收经过所述光延迟装置调制后的输出光信号，用于将两正交偏振模光混合；

光学干涉仪，其接收所述线性偏振器的传输光，来获得所述保偏光纤中两正交偏振模间光的光学干涉；

处理装置，其接收并处理光干涉信号，以辨识所述保偏光纤中被诱发的两个偏振方向相互垂直的偏振光产生的已知间距的偏振串扰峰的位置和宽度，并通过这些串扰峰的信息获得所述保偏光纤的一个或多个偏振相关参数；

产生等距离周期偏振串扰峰的所述结构是通过将双折射材料缠绕在外圆带有突起或凹槽的圆盘的外圆上，使得压在突起或凹槽上的双折射材料受压产生双折射应力而产生一系列等距离周期偏振串扰峰。

5.根据权利要求4所述的用于测量一段保偏光纤分布式偏振串扰的装置，其特征在于，所述保偏光纤的一个或多个偏振相关参数包括所述保偏光纤的双折射率、所述保偏光纤的拍长、沿所述保偏光纤的双折射率变化、沿所述保偏光纤的双折射率色散和沿所述保偏光纤的双折射率热系数。

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