CN106323596B - 一种保偏光纤缺陷点检测中对干涉峰的位置-幅值含义预估方法 - Google Patents

Abstract

本发明设计属于光纤测量领域，具体涉及一种保偏光纤缺陷点检测中对干涉峰的位置‑幅值含义预估方法。本发明包括：明确待测保偏光纤中所有缺陷点个数和相应位置，记录缺陷点个数；对各个缺陷点耦合强度进行初始赋值；测量待测保偏光纤中，测量由缺陷点分开的区间光纤长度；设定待测保偏光纤每段区间光纤的线性双折射；明确待测保偏光纤接入测量系统对轴角度；根据缺陷点个数，缺陷点耦合强度，区间光纤长度，对轴角度输入到分析系统进行分析等。本发明推导出了干涉峰的位置‑强度一般表达式。给定位置的扫描光程，可直接选择所需公式即得到该干涉峰的幅值含义，简化计算流程，节省计算时间。

Description

一种保偏光纤缺陷点检测中对干涉峰的位置-幅值含义预估 方法

技术领域

本发明设计属于光纤测量领域，具体涉及一种保偏光纤缺陷点检测中对干涉峰的位置-幅值含义预估方法。

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等形成缺陷点，使得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。2013年，武汉钜风科技有限公司公开了一种保偏光纤偏振模耦合分布的测量方法，利用光电探测器和矢量网络分析仪，能够测量50公里长的保偏光纤的偏振模耦合分布。但是该方案依赖于外部仪器，且使用探测设备复杂昂贵，发明中也没有提到对保偏光纤中缺陷点特征的预估方法。

光学相干域偏振测量技术是一种用于评价保偏光纤缺陷点处偏振模式耦合特性理想方案。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对应的干涉峰，干涉峰值反映对应耦合点的耦合能量大小。2012年，中国电子科技集团公司第41研究所的郑光金等人，提出了一种基于偏振分束干涉技术的测量方法(中国专利申请号201210167591.2)，其能够有效消除光源功率波动，提高保偏光纤偏振耦合强度的测量准确度。早在2010年，北京高光科技有限公司的姚晓天公开了一种用于测量保偏光纤和双折射介质的分布式偏振串扰方法及装置(中国专利申请号201010191225.1)。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。在发明中姚晓天提出了“重影”(高阶)干涉峰会对一阶干涉峰造成很大影响。

对于线偏振光在含有多个缺陷点的保偏光纤中传输行为，传统上一般采用琼斯矩阵方法。对于光的偏振态作线性转换的过程，均可采用一个2×2的矩阵来表示其状态的变化。当光线通过一个光学不连续点或相邻两点隔开的单元后，出射光可以表示为相应单元的琼斯矩阵乘上入射光琼斯矩阵。作为保偏光纤的典型应用，光纤陀螺的光纤光路分析也可采用琼斯矩阵分析方法。2012年，扬州蓝剑电子系统工程有限公司的李建勋等人公开了一种三轴一体化高精度光纤陀螺的光电控制系统(中国专利申请号201220476917.5)。该专利主要是以琼斯矩阵为工具，建立了保偏光纤陀螺光信号传输模型。

然而，对于采用干涉测量技术，我们只关心干涉信号中分布式干涉峰的位置和幅值，或者是对于给定位置的扫描位置，获取到该处峰值代表的幅值含义。如何对于干涉峰进行估计和鉴别，是进行分布式测量的前提。尽管通过琼斯矩阵方法可以对已知器件预测干涉峰位置-幅值信息，但目前位置没有一种通用方法和公式去直接预估。虽然单独的一个2×2矩阵是一个简单的分析方式，但是当待测保偏光纤中缺陷点较多时，完全通过待测保偏光纤后的矩阵展开项个数将呈现指数增加。特别是在后续计算中，将琼斯矩阵代入到干涉公式时，十分庞大。如若考虑高阶干涉峰问题，计算量的复杂程度又会大大增加。到目前为止，还没有专利提及到对于含有多个缺陷点的保偏光纤产生所有阶次特征干涉峰的理论估计问题。

本发明公开了一种对保偏光纤中缺陷点干涉测量中出现所有不同阶次特征干涉峰的位置-幅值含义的理论分析方法。其特征是对于一段待测保偏光纤，输入缺陷点个数、相应缺陷点分开的区间光纤长度、接入测量系统的对轴角度，即可获取待测保偏光纤在干涉测量中的所有阶次的位置-幅值干涉信号。本发明可实现在分布式测量技术中，对由多个缺陷点待测保偏光纤引入的复杂干涉峰位置、幅值、阶次进行理论预估，在对实现干涉峰区分和鉴别方面具有指导意义。该方法操作简单，可以广泛应用于保偏光纤缺陷点的偏振耦合强度精确测量和特征分析。

发明内容

本发明的目的是提供一种在分布式测量技术中，对由多个缺陷点待测保偏光纤引入的复杂干涉峰位置、幅值、阶次进行理论预估，实现对实测干涉峰的区分和鉴别，准确预测该扫描位置处特征干涉峰的幅值含义的保偏光纤缺陷点检测中对干涉峰的位置-幅值含义预估方法。

本发明的目的是这样实现的：

(1)明确待测保偏光纤中所有缺陷点个数和相应位置，记录缺陷点个数J；

(2)对各个缺陷点耦合强度进行初始赋值，分别记为X₁，X₂，…，X_j，…，X_J；

(3)测量待测保偏光纤中，测量由缺陷点分开的区间光纤长度，记为l₁，l₂，…，l_j，…，l_J+1；

(4)设定待测保偏光纤每段区间光纤的线性双折射Δn_f；

(5)明确待测保偏光纤接入测量系统对轴角度θ₁和θ₂；

(6)根据缺陷点个数J，缺陷点耦合强度X_j，区间光纤长度l_j，对轴角度θ₁和θ₂，输入到分析系统进行分析；

(7)根据各个区间光纤长度任意组合，分析系统枚举出所有产生干涉峰情况，根据不同位置记为P₁，P₂，…，P_i，…；

(8)逐一分析每个干涉峰位置中第一段和最后一段光程差△n_f·l₁、△n_f·l_J+1是否为0，选择位置-幅值一般表达式中对应公式；

(9)根据一般表达式表示出每个干涉峰位置处相应幅值含义，显示预估干涉图；

(10)根据预估干涉信号图样，与实测干涉信号进行对比，获取特征干涉峰含义，实现对干涉峰区分和鉴别。

所述的位置-幅值一般表达式包括，

(8.1)依据两束光在保偏光纤慢轴、快轴传输路径，即在该区间光纤上光程差S_i＝0和光程差S_i≠0，进行分块形成最小平稳单元；

(8.2)通过对相邻最小平稳单元组合的枚举，写出两束光在每个单元尾端发生的偏振耦合；

(8.3)推导出相邻单元间对干涉光强贡献的递推公式，即获得由相邻单元偏振串扰引入的对最终干涉信号的强度贡献的递推公式，其中又分为慢轴强度和快轴强度，然后将递推公式级联；

(8.4)对于整段待测保偏光纤，考虑其输入端单元、和输出端单元光程差是否为0，将扫描光程S_i分为4类：分别对应输入端单元为0输出端单元非0、输入端单元非0输出端单元为0、输入端单元为0输出端单元为0、输入端单元非0输出端单元非0；

(8.5)推导出一组最终干涉信号中干涉峰的位置-强度一般表达式，形式为

其中，i是最小平稳单元个数，i＝0表示给定的扫描光程不能构成相邻的稳定单元；ρ_In和ρ_Out分别是第一平稳单元之前和最后平稳单元之后不连续点的偏振耦合强度。

本发明提供一种对保偏光纤中缺陷点干涉测量中出现所有不同阶次特征干涉峰的位置-幅值含义的理论分析方法，具有如下优点：

(1)对于多个缺陷点待测保偏光纤引入的复杂干涉峰位置、幅值、阶次的理论预估，本方法具有全面性和一般性；

(2)推导出了干涉峰的位置-强度一般表达式。给定位置的扫描光程，可直接选择所需公式即得到该干涉峰的幅值含义，简化计算流程，节省计算时间；

(3)采用本发明提出的方法，软件上易于实现，具有操作简单、简便可行等优点。

附图说明

图1是保偏光纤中缺陷点特征的分析方法的流程图；

图2是相邻两端最小平稳单元连接情况枚举示意图；

图3是光学相干域偏振测量装置原理图；

图4是一段含有两个焊点的待测光纤示意图；

图5是待测光纤与测量装置的输入、输出角度0°-45°对准方式的预估干涉图样(5a)和实测干涉信号(5b)；

图6是待测光纤与测量装置的输入、输出角度45°-45°对准方式的预估干涉图样(6a)和实测干涉信号(6b)。

具体实施方式

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。

本发明公开了一种对保偏光纤缺陷点引起特征干涉峰的分析方法。其特征是对于一段待测保偏光纤，输入缺陷点个数、相应缺陷点分开的区间光纤长度，预估出待测保偏光纤在干涉测量中所有干涉峰的位置；通过设定接入测量系统的对轴角度，实现待测保偏光纤干涉峰幅值含义的准确判断。本发明可实现在分布式测量技术中，对由多个缺陷点待测保偏光纤引入的复杂干涉峰位置、幅值、阶次进行理论预估。该方法操作简单，可以广泛应用于保偏光纤缺陷点的偏振耦合强度精确测量和特征分析。

本发明提出了一种在分布式测量技术中，对保偏光纤中缺陷点干涉测量中出现所有不同阶次特征干涉峰的位置-幅值含义的理论分析方法。输入缺陷点个数J、缺陷点耦合强度X_j初始值、区间光纤长度l_j、对轴角度θ₁和θ₂，即可获取预估所有阶次的位置-幅值干涉信号。

具体分析方法过程如附图1所示：

(1)明确待测保偏光纤30中所有缺陷点个数和相应位置，记录缺陷点个数J；

(2)对各个缺陷点耦合强度进行初始赋值，分别记为X₁,X₂,…,X_j,…,X_J；

(3)测量待测保偏光纤30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；

(4)设定待测保偏光纤30每段区间光纤403、405、408等的线性双折射Δn_f；

(5)明确待测保偏光纤30接入测量系统对轴角度θ₁和θ₂，分别对应31、37；

(6)根据缺陷点个数J，缺陷点耦合强度X_j，区间光纤长度l_j，对轴角度θ₁和θ₂，结合一般表达式进行分析；

(7)根据各个区间光纤长度任意组合，分析系统枚举出所有产生干涉峰情况，根据不同位置记为P₁，P₂，…，P_i，…；

(8)逐一分析每个干涉峰位置中第一段和最后一段光程差△n_f·l₁、△n_f·l_J+1是否为0，选择位置-幅值一般表达式中对应公式；

(9)根据一般表达式表示出每个干涉峰位置处相应幅值含义，显示预估干涉图

(10)根据预估干涉信号图样，与实测干涉信号进行对比，获取特征干涉峰含义，实现对干涉峰区分和鉴别。

所述的位置-幅值一般表达式，其特征为：

(1)依据两束光在保偏光纤慢轴206、快轴207传输路径，即在该区间光纤上光程差S_i＝0和光程差S_i≠0进行分块，形成最小平稳单元。

(2)通过对相邻最小平稳单元202、204组合的枚举，不妨令左侧光纤区间202为光程差S_i＝0，右侧光纤区间204为光程差S_i≠0，则相邻最小平稳单元组合共有4种情况21a和21b、22a和22b、23a和23b、24a和24b，写出两束光在每个单元尾端发生的偏振耦合，即每一组光程组合在不连续点203、205位置处发生偏振耦合，幅值分别计为ρ_j,ρ_j+q；

(3)推导出相邻单元间202、204对干涉光强贡献的递推公式，即获得由相邻单元偏振串扰引入的对最终干涉信号的强度贡献的递推公式，其中又分为慢轴强度25和快轴强度26；

如附图2，在相邻单元间202、204构成的光纤X_j-pX_jX_j+q，在不连续点205处X_j+q的慢轴输出光强和快轴强度分别为

式中，ρ_j表示在不连续点203处X_j发生的偏振耦合强度，和分别是不连续点201处X_j-q的慢轴、快轴输入光强。

为了简化分析，我们取此时将公式(1)一般化，可以重新表示为

其中，P_i,S和P_i,F分别表示从相邻单元的慢轴和快轴的输出光强。然后将相邻平稳单元级联，即有第i个相邻平稳单元的公式可以表示为

其中，P_In,S和P_In,F分别表示输入到第一个平稳单元慢轴和快轴之前的光强。

(4)对于整段待测保偏光纤30，考虑其输入端单元有无光程差，在输入第一平稳单元之前慢轴和快轴的输出光强P_In,S和P_In,F分别为

考虑输出端单元有无光程差在待测保偏光纤输出焊点处X_out的光强P_Out,F和P_Out,S分别为

其中，ρ_In和ρ_Out分别是第一平稳单元之前和最后平稳单元之后不连续点的偏振耦合强度，θ₁和θ₂分别代表焊点31、37处的对轴角度。

根据公式(4a)和(4b)，将待测保偏光纤的扫描光程分为4类。结合公式(3)，推导出了在输出焊点37处最终干涉信号中干涉峰的位置-强度一般表达式

其中，i＝0表示给定的扫描光程不能构成相邻的稳定单元。(5A)对应输入端单元为0、输出端单元非0，(5B)对应输入端单元非0、输出端单元为0，(5C)对应输入端单元为0、输出端单元为0，(5D)对应输入端单元非0、输出端单元非0。

另外，两路直通光(没有在待测保偏光纤中发生一次偏振耦合)形成的中心主干涉可以表示为|P_central|＝cos²θ₁cos²θ₂+sin²θ₁sin²θ₂。同时光程差不为0意味着可正可负。当某一位置正的光程差与负的光程差直接相连时，公式(5)中的对轴角度相关项没有任何变化，只是把相应条件下的偏振耦合项由ρ_i替换成ρ_i ²即可。

对保偏光纤中由多个不连续点偏振耦合评估，采用的是光学相干域偏振测量装置，其测试原理如附图4所示。宽谱光源(SLD)401发出的光依次通过隔离器402、起偏器301、待测保偏光纤30、检偏器304，与马赫泽德干涉仪(MZI)41连接，进而连接差分探测装置416和417，最后与干涉信号检测与处理装置42连接；待测保偏光纤30是含有多个缺陷点404、406、407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偏振模式耦合。

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

待测光纤如附图3所示，具体参数如下：

待测保偏光纤30为熊猫型保偏光纤(PMF)，总长度为大约24m，包括两个缺陷点33、35，被缺陷点分隔成的3段光纤32、34、36。(缺陷点的理论偏振串扰事先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。

测量装置如附图4所示，器件参数选择如下：

光源401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402工作波长1550nm、插入损耗0.8dB；(3)光纤起偏器301、光纤检偏器304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409、415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410、411为三端口环行器，回波损耗大于55dB，插入损耗1dB；(6)准直透镜412、413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414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416、417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。

综合以上条件，该待测光纤缺陷点特征的分析方法如附图1：

根据步骤101，明确待测保偏光纤30中含有缺陷点的个数2个；

根据步骤102，对缺陷点耦合强度进行幅值，记为X_A＝14.9dB，X_B＝15.0dB；

根据步骤103，区间光纤长度为l_IA＝2.16m，l_AB＝5.22m和l_BO＝16.56m。

根据步骤104，Δn_f按5.6×10-⁴记；

根据步骤105，按照传统对轴方式，调整输入对轴角度31为0°，输出对轴角度37为45°；

(6)根据步骤106，将上述步骤(1)(2)(3)(4)(5)得到的数据输入到预估软件；

(7)根据步骤107，根据3段区间光纤任意组合，分析系统枚举出所有产生干涉峰位置，如表1所示；

表1.分析系统预估结果

(8)根据步骤108，逐一分析每个干涉峰位置中第一段和最后一段光程差△n_f·l₁、△n_f·l_J+1是否为0，选择一般表达式(公式5)中对应公式；

(9)根据步骤109，表示出每个干涉峰位置处相应幅值含义，如表1所示，得到预估干涉信号图样如附图5(a)所示；

(10)将待测保偏光纤30接入到如附图4测量装置中进行测量，得到实测干涉信号图样如附图5(b)所示；

(11)根据步骤110，对比预估软件和实测干涉信号图样，得到对应干涉峰含义。除预估干涉峰之外，其余即可判定为由于系统长度、对轴等引入的误差进行排除；

(12)为验证发明方法的有效性，根据步骤105，调整输入对轴角度31为45°，输出对轴角度37为45°；

(13)重复步骤(6)、(10)，得到预估干涉信号图样和实测干涉信号图样分别如附图5(a)和5(b)所示。

Claims (1)

1.一种保偏光纤缺陷点检测中对干涉峰的位置-幅值含义预估方法，其特征在于，包括如下步骤：

(1)明确待测保偏光纤中所有缺陷点个数和相应位置，记录缺陷点个数J；

(2)对各个缺陷点耦合强度进行初始赋值，分别记为X₁，X₂，…，X_j，…，X_J；

(3)测量待测保偏光纤中，测量由缺陷点分开的区间光纤长度，记为l₁，l₂，…，l_j，…，l_J+1；

(4)设定待测保偏光纤每段区间光纤的线性双折射Δn_f；

(5)明确待测保偏光纤接入测量系统对轴角度θ₁和θ₂；

(6)根据缺陷点个数J，缺陷点耦合强度X_j，区间光纤长度l_j，对轴角度θ₁和θ₂，输入到分析系统进行分析；

(7)根据各个区间光纤长度任意组合，分析系统枚举出所有产生干涉峰情况，根据不同位置记为P₁，P₂，…，P_i，…；

(8)逐一分析每个干涉峰位置中第一段和最后一段光程差△n_f·l₁、△n_f·l_J+1是否为0，选择位置-幅值一般表达式中对应公式；

(9)根据位置-幅值一般表达式表示出每个干涉峰位置处相应幅值含义，显示预估干涉图；

(10)根据预估干涉信号图样，与实测干涉信号进行对比，获取特征干涉峰含义，实现对干涉峰区分和鉴别；

所述的位置-幅值一般表达式，其特征为：

(8.1)依据两束光在保偏光纤慢轴、快轴传输路径，即在该区间光纤上光程差S_i＝0和光程差S_i≠0进行分块，形成最小平稳单元；

(8.2)通过对相邻最小平稳单元组合的枚举，令左侧光纤区间为光程差S_i＝0，右侧光纤区间为光程差S_i≠0，写出两束光在每个单元尾端发生的偏振耦合，即每一组光程组合在不连续点位置处发生偏振耦合，幅值分别计为ρ_j,ρ_j+q；

(8.3)推导出相邻单元间对干涉光强贡献的递推公式，即获得由相邻单元偏振串扰引入的对最终干涉信号的强度贡献的递推公式，其中又分为慢轴强度和快轴强度；

在相邻单元间构成的光纤X_j-pX_jX_j+q，在不连续点处X_j+q的慢轴输出光强和快轴强度分别为

式中，ρ_j表示在不连续点处X_j发生的偏振耦合强度，和分别是不连续点处X_j-q的慢轴、快轴输入光强；

取重新表示为

其中，P_i,S和P_i,F分别表示从相邻单元的慢轴和快轴的输出光强；然后将相邻平稳单元级联，即有第i个相邻平稳单元的公式可以表示为

其中，P_In,S和P_In,F分别表示输入到第一个平稳单元慢轴和快轴之前的光强；

(8.4)对于整段待测保偏光纤，在输入第一平稳单元之前慢轴和快轴的输出光强P_In,S和P_In,F分别为

输出端单元有无光程差在待测保偏光纤输出焊点处X_out的光强P_Out,F和P_Out,S分别为

其中，ρ_In和ρ_Out分别是第一平稳单元之前和最后平稳单元之后不连续点的偏振耦合强度，θ₁和θ₂分别代表焊点处的对轴角度；

(8.5)推导出了在输出焊点处最终干涉信号中干涉峰的位置-幅值一般表达式

其中，i＝0表示给定的扫描光程不能构成相邻的稳定单元。