CN106092078B - 一种双折射色散实时补偿偏振分束干涉仪 - Google Patents
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Abstract
本发明提出了一种双折射色散实时补偿偏振分束干涉仪，包括：高偏振度宽光谱光源、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、色散补偿模块、光纤延迟器以及保偏合束器；通过采用偏振分束器来实现保偏光纤慢快轴中偏振光的分离，其中快轴偏振光进入光纤延迟器进行光程扫描，慢轴偏振光进入色散补偿模块进行双折射色散的实时补偿；色散补偿模块对慢轴能量进行色散补偿，消除光纤环每个耦合点的快轴能量与慢轴能量之间的色散差，实现对光纤环每个耦合点耦合强度的准确测量。
Description
技术领域
本发明涉及测试技术领域，特别涉及一种双折射色散实时补偿偏振分束干涉仪。
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，已经广泛应用于航天航空、舰船、导弹等军事领域。但是在高精度光纤陀螺中，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。
目前，比较实用的绕环技术的四极对称绕法在一定程度上改善了光纤环的抗干扰能力及其温度性能，但操作相当复杂。在绕环过程中，须实时控制光纤的张力、减小其扭曲和微弯，但上述问题很难在绕制过程中得到完全控制，光纤某点受到侧向应力或存在扭曲时，就会引起光纤环内部产生偏振耦合现象。
偏振耦合降低了光纤的偏振保持能力，导致系统偏振消光比降低，进而影响光纤陀螺系统性能，这就需要对保偏光纤中的偏振耦合强度分布进行检测，通过测量光纤环的偏振耦合强度分布来观察和剔除光纤环的应力异常点，作为光纤环质量评价的依据，以期改善光纤环的绕制质量。分布式白光干涉法是目前唯一一种可以对光纤环的偏振耦合分布参数进行测量的方法。
保偏光纤中除快轴与慢轴的折射率不同外，其色散特性也不同，由于光纤制造工艺等问题，纤芯的圆度会引起快慢轴色散特性的变化。偏振模式耦合测量时采用宽带光源，在对长达几公里的保偏光纤进行测试时，即使微小的色散作用其累积值也是不能忽略的。研究表明：双折射色散对白光干涉信号具有包络展宽和干涉峰值下降的双重影响，且双折射色散的影响是动态的，这与耦合点距离光纤起点的距离有关，随着距离的增加，降低了偏振模式耦合的空间分辨率和测量准确度，以长度1000米、双折射率差5×10-4、色散系数0.01ps/(km·nm)的保偏光纤为例，采用光源中心波长为1550nm，半谱宽度50nm的光源进行测 量，干涉条纹将展宽29倍，幅值下降为原来的0.18，这严重影响了测量精度。
因此，减小和降低双折射色散的影响，对于以保偏光纤耦合检测的重要应用如光纤陀螺光纤环的参数检测、分布式保偏光纤传感而言，具有极其重要的意义。
发明内容
针对现有保偏光纤环偏振耦合分布测量过程中无法进行双折射色散补偿的问题，本发明提出了一种基于高色散光楔的双折射色散实时动态补偿的偏振分束干涉仪，通过精确控制高色散光楔在干涉仪光路中的位置，在干涉仪中的两个干涉臂之间引入不同的色散补偿量，从而达到实时动态补偿的目的。
本发明的技术方案是这样实现的：
一种双折射色散实时补偿偏振分束干涉仪，包括：高偏振度宽光谱光源、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、色散补偿模块、光纤延迟器以及保偏合束器；
所述高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光纤陀螺光纤环的输入端连接，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；所述光纤陀螺光纤环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色散补偿模块的输入端以及所述光纤延迟器的输入端相连；所述色散补偿模块的输出端及所述光纤延迟器的输出端分别连接所述保偏合束器的两个输入端；所述保偏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，所述色散补偿模块和光纤延迟器的控制端分别与所述信号检测和处理系统连接。
可选地，所述偏振分束器将进入光纤陀螺光纤环快慢轴中的能量分开，使快轴能量进入所述光纤延迟器，使慢轴能量进入所述色散补偿模块。
可选地，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°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。
可选地，所述色散补偿模块作为色散补偿臂的一部分，所述光纤延迟器作为时延扫描臂的一部分，二者又通过保偏合束器重新耦合到一起。
可选地，所述色散补偿模块采用各向同性的高色散材料，制成光楔形状，所述偏振分束器耦合而来的慢轴能量垂直入射到光楔直角面，穿过光楔，从斜面出射耦合到所述偏振耦合器的一个入射端；光楔放置到精密位移台上，并在精密位移台的带动下切割入射光，出射光在光楔斜面不同位置引入不同的色散值。
可选地，所述色散补偿模块采用各向同性的高色散材料制作而成，分为两部分，一部分是梯形结构，插入到干涉仪的色散补偿臂中，另一部分是矩形结构，插入到干涉仪的时延扫描臂中；所述偏振分束器耦合而来的慢轴能量垂直入射到梯形结构的直角面，穿过梯形结构，从斜面出射耦合到所述保偏耦合器的一个入射端；所述偏振分束器耦合而来的快轴能量垂直入射到矩形结构，并穿过矩形结构，垂直出射耦合到所述光纤延迟器的入射端；梯形结构和矩形结构共同放置到精密位移台上，并在精密位移台的带动下切割入射光，出射光在梯形结构斜面的不同位置引入不同的色散值。
本发明的有益效果是：
(1)在进行保偏光纤环偏振耦合分布测量时，能够对每个耦合点进行双折射色散补偿，显著提高整个测试系统的空间分辩力和测量准确度；
(2)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；
(3)能够消除光源功率波动对测量结果的影响；
(4)装置小巧、测量方法简单。
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为本发明的一种双折射色散实时补偿偏振分束干涉仪的系统结构图；
图2为本发明的一种具有单路色散补偿功能的偏振分束干涉仪的系统结构图；
图3为本发明的一种具有双路色散补偿功能的偏振分束干涉仪的系统结构图。
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问题，为实现对光纤陀螺光纤环的偏振耦合分布的准确测量，提供一种全新的双折射色散实时补偿偏振分束干涉仪。该干涉仪通过光纤偏振分束器将光纤环中相互垂直正交的慢轴能量(本征能量)和快轴能量(耦合能量)分开，并分别在干涉仪中的两个干涉臂中传输、其中耦合能量通过一定的时间延迟，可以与经过一定色散补偿后的本征能量同时到达探测器进行相关干涉。
下面通过具体实施例对本发明的双折射色散实时补偿偏振分束干涉仪进行详细说明。
实施例一
如图1所示，本实施例的一种双折射色散实时补偿偏振分束干涉仪，包括：
高偏振度宽光谱光源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、色散补偿模块32、光纤延迟器33以及保偏合束器34。
所述高偏振度宽光谱光源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的第一输出端与光纤陀螺光纤环2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；所述光纤陀螺光纤环2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31的两个输出端分别与所述色散补偿模块32的输入端以及所述光纤延迟器33的输入端相连；所述色散补偿模块32的输出端及所述光纤延迟器33的输出端分别连接所述保偏合束器34的两个输入端；所述保偏合束器34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，所述色散补偿模块32和光纤延迟器33的控制端分别与所述信号检测和处理系统4连接。
优选地，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°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。
所述偏振分束器31用于将进入光纤陀螺光纤环快慢轴中的能量分开，使快轴能量进入所述光纤延迟器33，使慢轴能量进入所述色散补偿模块32。
上述实施例一中的装置采用了偏振分束器31，实现了两个正交偏振光的分离，且偏振分束白光干涉仪中，选择色散补偿模块32作为参考臂，选择光纤延迟器33作为移动臂，且二者又通过保偏合束器34重新耦合到一起，有效避免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
如图2所示，本实施例提供一种具有单路色散补偿功能的偏振分束干涉仪，包括：
高偏振度宽光谱光源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、色散补偿模块32、光纤延迟器33以及保偏合束器34。
所述高偏振度宽光谱光源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的第一输出端与光纤陀螺光纤环2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；所述光纤陀螺光纤环2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色散补偿模块32的输入端以及所述光纤延迟器33的输入端相连；所述色散补偿模块32的输出端及所述光纤延迟器33的输出端分别连接所述保偏合束器34的两个输入端；所述保偏合束器34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，所述色散补偿模 块32和光纤延迟器33的控制端分别与所述信号检测和处理系统4连接。
优选地，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°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。
所述偏振分束器31用于将进入光纤陀螺光纤环快慢轴中的能量分开，使快轴能量进入所述光纤延迟器33，使慢轴能量进入所述色散补偿模块32。
进一步地，所述色散补偿模块32采用各向同性的高色散材料，制成光楔形状，所述偏振分束器31耦合而来的慢轴能量垂直入射到光楔直角面，穿过光楔，从斜面出射耦合到所述偏振耦合器的一个入射端。光楔放置到精密位移台上，并在精密位移台的带动下切割入射光，出射光在光楔斜面不同位置引入不同的色散值。
实施例三
如图3所示，本实施例提供一种具有双路色散补偿功能的偏振分束干涉仪，包括：
高偏振度宽光谱光源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、色散补偿模块32、光纤延迟器33以及保偏合束器34构成；
所述高偏振度宽光谱光源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的第一输出端与光纤陀螺光纤环2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；所述光纤陀螺光纤环2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色散补偿模块32的两个输入端相连；所述色散补偿模块32的一个输出端与所述保偏合束器34的一个输入端连接；所述色散补偿模块32的另一个输出端与所述光纤延迟器33连接；所述光纤延迟器33输出端与所述保偏耦合器34一个输入端连接；所述保偏合束器34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，所述色散补偿模块32和光纤延迟器33的控制端分别与所述信号检测和处理系统4连接。
优选地，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°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。
所述偏振分束器31用于将进入光纤陀螺光纤环快慢轴中的能量分开，使快轴能量进入所述光纤延迟器33，使慢轴能量进入所述色散补偿模块32。
进一步地，所述色散补偿模块32采用各向同性的高色散材料制作而成，可分为两部分，一部分是梯形结构321，插入到干涉仪的色散补偿臂中，另一部分是矩形结构322，插入到干涉仪的时延扫描臂中。所述偏振分束器31耦合而来的慢轴能量垂直入射到梯形结构321的直角面，穿过梯形结构321，从斜面出射耦合到所述保偏耦合器34的一个入射端。所述偏振分束器31耦合而来的快轴能量垂直入射到矩形结构322，并穿过矩形结构322，垂直出射耦合到所述光纤延迟器33的入射端。梯形结构321和矩形结构322共同放置到精密位移台上，并在精密位移台的带动下切割入射光，出射光在梯形结构321斜面的不同位置引入不同的色散值。
本发明采用了光纤偏振分束器实现了光纤环快慢轴能量的分离，光纤延迟器对快轴能量进行时延扫描，实现对光纤环每个耦合点的定位；色散补偿模块对慢轴能量进行色散补偿，消除了光纤环每个耦合点的快轴能量与慢轴能量之间的色散差，实现对光纤环每个耦合点耦合强度的准确测量。
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，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、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，上述的各种说明性部件、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。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发 明的保护范围之内。
Claims (4)
1.一种双折射色散实时补偿偏振分束干涉仪，其特征在于，包括：高偏振度宽光谱光源、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、色散补偿模块、光纤延迟器以及保偏合束器；
所述高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光纤陀螺光纤环的输入端连接，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；所述光纤陀螺光纤环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色散补偿模块的输入端以及所述光纤延迟器的输入端相连；所述色散补偿模块的输出端及所述光纤延迟器的输出端分别连接所述保偏合束器的两个输入端；所述保偏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，所述色散补偿模块和光纤延迟器的控制端分别与所述信号检测和处理系统连接；
所述色散补偿模块作为色散补偿臂的一部分，所述光纤延迟器作为时延扫描臂的一部分，二者又通过保偏合束器重新耦合到一起；所述色散补偿模块采用各向同性的高色散材料，制成光楔形状，所述偏振分束器耦合而来的慢轴能量垂直入射到光楔直角面，穿过光楔，从斜面出射耦合到所述偏振耦合器的一个入射端；光楔放置到精密位移台上，并在精密位移台的带动下切割入射光，出射光在光楔斜面不同位置引入不同的色散值。
2.如权利要求1所述的一种双折射色散实时补偿偏振分束干涉仪，其特征在于，所述偏振分束器将进入光纤陀螺光纤环快慢轴中的能量分开，使快轴能量进入所述光纤延迟器，使慢轴能量进入所述色散补偿模块。
3.如权利要求2所述的一种双折射色散实时补偿偏振分束干涉仪，其特征在于，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°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。
4.如权利要求1所述的一种双折射色散实时补偿偏振分束干涉仪，其特征在于，所述色散补偿模块采用各向同性的高色散材料制作而成，分为两部分，一部分是梯形结构，插入到干涉仪的色散补偿臂中，另一部分是矩形结构，插入到干涉仪的时延扫描臂中；所述偏振分束器耦合而来的慢轴能量垂直入射到梯形结构的直角面，穿过梯形结构，从斜面出射耦合到所述保偏耦合器的一个入射端；所述偏振分束器耦合而来的快轴能量垂直入射到矩形结构，并穿过矩形结构，垂直出射耦合到所述光纤延迟器的入射端；梯形结构和矩形结构共同放置到精密位移台上，并在精密位移台的带动下切割入射光，出射光在梯形结构斜面的不同位置引入不同的色散值。
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Legal Events
| 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 |