CN106546411B - 基于Mach-Zehnder和Michelson干涉仪的保偏光纤Verdet常数测量装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于Mach‑Zehnder和Michelson干涉仪的保偏光纤Verdet常数测量装置及方法，属于光纤应用技术领域。所述测量装置包括马赫曾德干涉仪以及由迈克尔逊干涉仪组成的波列分析模块。所述测量方法首先选择延时环的长度；然后等长度逐次减小延时环长度；直至参考光路的光与信号光路的光发生干涉，并记录下干涉条纹；施加磁场，再次使参考光路的光与信号光路的光发生干涉，并记录下干涉条纹；计算Verdet常数。本发明可以适用于大多数种类的保偏光纤，还可以扩展至单模光纤，具有普适性。本发明只需要截取一段光纤即可完成测量，测量灵敏度高，有利于工程化应用。

Description

基于Mach-Zehnder和Michelson干涉仪的保偏光纤Verdet常 数测量装置及方法

技术领域

本发明属于光纤应用技术领域，具体涉及一种基于马赫曾德(Mach-Zehnder)和迈克尔逊(Michelson)混合型干涉仪的保偏光纤维尔德常数(Verdet常数)的测量装置及方法。

背景技术

光纤是一种由玻璃或塑料制成的纤维，可作为光传导的工具，广泛用于光纤传感及通信领域，其传输原理是光的全反射。目前常用的光纤种类有单模光纤、保偏光纤等。保偏光纤是通过在光纤结构上引入强烈的不对称，使得在光纤中传输的线偏振光保持偏振态不发生变化,目前保偏光纤的主要类型有熊猫型、领结型、椭圆芯子、椭圆包层，目前比较常用的是熊猫型保偏光纤。

保偏光纤拥有着较好的保偏能力以及较为成熟的加工制造工艺，且对外界环境变化产生的干扰有较好的抑制，如温度、磁场等，因此在光纤通讯及传感领域有着非常广泛的应用。虽然保偏光纤的磁敏感性很弱，但是在保偏光纤的某些应用领域，如光纤陀螺，磁场仍然是一个不可忽视的影响因素。磁场会使光纤陀螺产生额外的偏置，所以仍然需要准确的测定保偏光纤的Verdet常数，以便指导控制光纤的磁敏感性。光纤Verdet常数测量的基本原理是法拉第磁光效应。磁光效应的旋转角度与外加磁场强度B成正比，与光线在介质中穿过的距离L成正比，其关系为式中的V便是所要测量光纤的Verdet常数。

目前光纤的Verdet常数测量方案主要针对传统的单模光纤，分为单光路测量方法和双光路测量方法。在单光路测量法中，首先光源发出的光经过一个起偏器，然后进入磁场耦合点，最后经由检偏器进入探测器，为保证最大灵敏度检偏器与起偏器之间成45°，通过探测加磁场后的光强来计算Verdet常数。双光路测量方案是在单光路测量的基础上将检偏器换为偏振分束器(PBS)，PBS可以将磁光介质中传输的偏振光分为振动方向相互垂直，传播方向呈一定夹角的两束光。这两束光分别由两个探测器接收，再对两路信号进行“差除和”处理，由处理结果来计算Verdet常数。若考虑线性双折射的影响，法拉第磁光效应表达式应表示为 为线性双折射引起的系数，对于传统的单模光纤，其为低双折射光纤，线性双折射可以忽略不计，δ很小，约为1，因此其Verdet常数较大，很容易测试，可以由以上方法测量它的Verdet常数。而对于保偏光纤，其线性双折射影响很大，δ较大，小于1不可以忽略，因此Verdet常数很小，很难用以上方法来测量。因此，提出新的测量装置及方法便成为了测量保偏光纤磁敏感性的关键。

发明内容

本发明的目的是为了解决上述问题，提出一种马赫曾德和迈克尔逊混合型干涉仪的保偏光纤Verdet常数的测量装置及方法。

本发明的一种保偏光纤磁敏感性的装置，主要包括马赫曾德干涉仪，以及由迈克尔逊干涉仪组成的波列分析模块。具体地，所述的测量装置包括光源、光纤耦合器、光纤起偏器A、光纤起偏器B、保偏耦合器、空间起偏器和延时环，以及由迈克尔逊干涉仪组成的波列分析模块；空间起偏器、光纤起偏器A顺次连接在光纤耦合器和保偏耦合器之间，作为信号光路，并且在所述的空间起偏器和光纤起偏器A的尾纤之间连接待测光纤；延时环和光纤起偏器B顺次连接在光纤耦合器和保偏耦合器之间，作为参考光路；所述光源发出的光进入光纤耦合器后，99％的光进入信号光路，剩余1％的光进入参考光路；信号光路的光首先经过一个空间起偏器，使光变成线偏光进入待测光纤的快轴传播；随后进入长度为L、磁场方向为平行于光的传播方向的磁场区域，然后经过光纤起偏器A，光纤起偏器A的尾纤的偏振轴与待测光纤的快轴在熔接点A处成90°熔接；参考光路包括一个延时环和一个光纤起偏器B，参考光路的光和信号光路的光在分别经过光纤起偏器B和光纤起偏器A后进入保偏耦合器，保偏耦合器的尾纤的偏振轴分别与光纤起偏器A的尾纤在熔接点B处熔接，与光纤起偏器B的尾纤在熔接点C处熔接，在所述的熔接点B和熔接点C处光纤的偏振轴之间都是0°熔接；随后光从保偏耦合器进入波列分析模块。

本发明的一种马赫曾德和迈克尔逊混合型干涉仪的保偏光纤Verdet常数的测量方法，具体包括以下步骤：

步骤一、选择延时环的长度；

根据信号光路和参考光路的光程差来选择延时环的长度，使参考光路光程大于信号光路光程。

步骤二、等长度逐次减小延时环长度；

由于选取的延时环在原长状态下的光程是大于光在信号光路传播所走过的光程的，所以应逐次减小延时环的长度，且每次减小的长度是定值，直至参考光路的光与信号光路的光发生干涉，并记录下干涉条纹。

步骤三、施加磁场；

在待测光纤的一段长度上沿着光的传播方向加上磁场，再次使参考光路的光与信号光路的光发生干涉，并记录下干涉条纹。

步骤四、计算Verdet常数；

根据施加磁场后测得磁场耦合点产生的干涉峰强度计算Verdet常数。

本发明的优点及积极效果在于：

(1)本发明可以适用于大多数种类的保偏光纤，还可以扩展至单模光纤，所以本发明具有普适性。

(2)本发明的测量灵敏度高。

(3)本发明只需要截取一段光纤即可完成测量，有利于工程化应用。

附图说明

图1是本发明一种光纤磁敏感性的测量装置示意图；

图2是本发明一种光纤磁敏感性的测量方法的流程图；

图3是磁场方向示意图；

图4是参考光路与信号光路未发生干涉时候的扫描结果示意图；

图5是未加磁场时参考光路的光与信号光路的光发生干涉的干涉条纹示意图；

图6是加磁场时参考光路的光与信号光路的光发生干涉的干涉条纹示意图；

图1中：

1-光源； 2-光纤耦合器； 3-待测光纤；

4-电磁铁； 5-光纤起偏器A； 6-延时环；

7-光纤起偏器B； 8-保偏耦合器； 9-波列分析模块；

10-空间起偏器； 11-熔接点A； 12-熔接点B；

13-熔接点C。

具体实施方式

下面将结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。

本发明首先提供一种基于马赫曾德和迈克尔逊混合型干涉仪的保偏光纤Verdet常数的测量装置，用于测量光纤的磁敏感性。测量装置如图1所示，。包括光源1、光纤耦合器2、电磁铁4、光纤起偏器A5、延时环6、光纤起偏器B7、保偏耦合器8、波列分析模块9和空间起偏器10。其中，空间起偏器10、电磁铁4、光纤起偏器A5顺次连接在光纤耦合器2和保偏耦合器8之间，作为信号光路，并且在所述的空间起偏器10和光纤起偏器A5的尾纤之间连接待测光纤3；延时环6和光纤起偏器B7顺次连接在光纤耦合器2和保偏耦合器8之间，作为参考光路。所述光源1选用大功率ASE光源。光源1发出的光进入分光比99：1的光纤耦合器2后，99％的光进入信号光路，剩余1％的光进入参考光路。信号光路的光首先经过一个空间起偏器10，使光变成线偏光进入待测光纤3的快轴传播。随后进入如图3所示的长度为L、磁场方向为平行于光的传播方向的磁场区域，所述的磁场区域是由电磁铁4形成的两个磁极相对的区域。然后经过光纤起偏器A5，光纤起偏器A5的尾纤的偏振轴与待测光纤3的快轴在熔接点A11处成90°熔接。参考光路包括一个延时环6和一个光纤起偏器B7，延时环6由单模光纤组成，用来调节光程差。参考光路的光和信号光路的光在分别经过光纤起偏器B7和光纤起偏器A5后进入保偏耦合器8，保偏耦合器8的尾纤的偏振轴分别与光纤起偏器A5的尾纤在熔接点B12处熔接，与光纤起偏器B7的尾纤在熔接点C13处熔接，在所述的熔接点B12和熔接点C13处光纤的偏振轴之间都是0°熔接。随后光从保偏耦合器8进入波列分析模块9，所述的波列分析模块9用来探测参考光路中的光与信号光路中的光的光程差以及这些光波的相对强度。波列分析模块9实际上是一个迈克尔逊干涉仪，包括一个45°放置的起偏器、一个分光棱镜C、一个探测器、反射镜A和反射镜B。首先偏振态不在一个方向的两束光经过45°放置的起偏器后被调整到一个方向上，然后分光棱镜C将光分成向两个方向上传播的光，两个方向上传播的光分别经过反射镜A和反射镜B的反射后到达探测器，通过移动反射镜B来调整两个方向上光的光程差，从而使偏振态不在一个方向上的两束光发生干涉，干涉结果通过探测器获取。

基于以上的测量装置，本发明提供一种基于马赫曾德和迈克尔逊混合型干涉仪的保偏光纤Verdet常数的测量方法，如图2所示，具体包括以下步骤：

步骤一、选择延时环的长度；

首先根据待测光纤3的快轴折射率n_f和待测光纤3的长度L₁来估计信号光路的光程为n_f*L₁(假定信号光路与参考光路的尾纤长度大致相同)，然后根据延时环6的折射率n₂来截取延时环6的长度L₂使得延时环6长度L₂满足n₂*L₂>n_f*L₁。

步骤二、等长度逐次减小延时环6长度；

根据步骤一得到的延时环6的长度，首先按照图1搭好测量装置，进行初次检测，延时环6长度的初始长度是L₂，使反射镜B扫描长度为a的距离，这时波列分析模块9的理论输出结果如图4所示，最左侧的半三角波是ASE光源1的自相干峰，图4中未出现参考光路和信号光路的干涉峰，说明参考光路和信号光路还存在着光程差，因此在延时环6中减小一段长度为b(b<a)的光纤，同时使反射镜B再进行一次扫描，如此反复，直至信号光路和参考光路发生干涉。理论干涉结果如图5所示，在扫描范围内出现两个大的干涉峰W₁和W₂(如图5所示)。其中W₁的产生是由于空间起偏器10的偏振轴与待测光纤3的快轴理论上是0°对准的，但在实际操作过程中，必然会存在一个小角度误差，从而导致偏振耦合；W₂的产生是由于光纤起偏器A5的偏振轴与待测光线3的快轴90°熔接,但是在实际熔接过程中必然会产生小角度误差，也会产生偏振耦合。设待测光纤3的快轴折射率为n_f，慢轴折射率为n_s，则W₁和W₂之间的距离S₁＝(n_s-n_f)*L₁。

步骤三、施加磁场；

在待测光纤3上选取长度为L的一段光纤并施加磁场，磁场方向沿着光的传播方向，L的大小由光纤的拍长来决定，磁场强度在条件允许的情况下尽可能的大；再次移动反射镜B使其扫描长度为a的距离，使参考光路的光与信号光路的光发生干涉，理论干涉结果如图6所示，在干涉峰W₂的右侧出现由磁场耦合产生的干涉峰W₃，W₃和W₂的距离为S₂，记下干涉峰W₃的峰值q。假设从空间起偏器10到磁场耦合点D(磁场引起的光束偏振交叉耦合点)的距离为L₃，待测光纤3慢轴的折射率为n_s，则S₂＝(n_s-n_f)*L₃。

步骤四、计算Verdet常数；

设从磁场耦合点D到探测器的损耗系数为α₁，从光纤耦合器2与延时环6的熔接点E到探测器的损耗系数为α₂，进入待测光纤3的光强为I_s，进入参考光路的光强为I_r，假设信号光路的光和参考光路的光之间的相位差为加上强度为B的磁场时，假设磁场引起的被测光纤3的偏振态的偏转角是θ，则由磁场引起的光强变化为I_sα₁sin²θ，则干涉光强是：

考虑线性双折射的影响，法拉第磁光效应可以表示为：

其中δ＝2πL/L_B，L_B为光纤拍长，联立(1)(2)可以计算出待测光纤的Verdet常数V为：

若I_int为干涉峰W₃峰值的强度，则从图6可以得到的施加磁场后的干涉峰峰值的强度数值为q，单位为db，则I_int可以表示为

则式(3)可以表示为：

本发明可以精确测定光纤的Verdet常数，从而指导控制光纤的磁敏感性，改善光纤在传感领域应用时的性能。

Claims (6)

1.基于Mach-Zehnder和Michelson干涉仪的保偏光纤Verdet常数测量装置，其特征在于：包括光源、光纤耦合器、光纤起偏器A、光纤起偏器B、保偏耦合器、空间起偏器和延时环，以及由迈克尔逊干涉仪组成的波列分析模块；空间起偏器、光纤起偏器A顺次连接在光纤耦合器和保偏耦合器之间，作为信号光路，并且在所述的空间起偏器和光纤起偏器A的尾纤之间连接待测光纤；延时环和光纤起偏器B顺次连接在光纤耦合器和保偏耦合器之间，作为参考光路；所述光源发出的光进入光纤耦合器后，99％的光进入信号光路，剩余1％的光进入参考光路；信号光路的光首先经过一个空间起偏器，使光变成线偏光进入待测光纤的快轴传播；随后进入长度为L、磁场方向为平行于光的传播方向的磁场区域，然后经过光纤起偏器A，光纤起偏器A的尾纤的偏振轴与待测光纤的快轴在熔接点A处成90°熔接；参考光路包括一个延时环和一个光纤起偏器B，参考光路的光和信号光路的光在分别经过光纤起偏器B和光纤起偏器A后进入保偏耦合器，保偏耦合器的尾纤的偏振轴分别与光纤起偏器A的尾纤在熔接点B处熔接，与光纤起偏器B的尾纤在熔接点C处熔接，在所述的熔接点B和熔接点C处光纤的偏振轴之间都是0°熔接；随后光从保偏耦合器进入波列分析模块。

2.根据权利要求1所述的基于Mach-Zehnder和Michelson干涉仪的保偏光纤Verdet常数测量装置，其特征在于：所述的波列分析模块包括一个45°放置的起偏器、一个分光棱镜C、一个探测器、反射镜A和反射镜B；首先偏振态不在一个方向的两束光经过45°放置的起偏器后被调整到一个方向上，然后分光棱镜C将光分成向两个方向上传播的光，两个方向上传播的光分别经过反射镜A和反射镜B的反射后到达探测器，通过移动反射镜B来调整两个方向上光的光程差，从而使偏振态不在一个方向上的两束光发生干涉，干涉结果通过探测器获取。

3.一种马赫曾德和迈克尔逊混合型干涉仪的保偏光纤Verdet常数的测量方法，采用权利要求1所述的测量装置，具体包括以下步骤：

步骤一、选择延时环的长度；

步骤二、等长度b逐次减小延时环长度，直至参考光路的光与信号光路的光发生干涉，并记录下干涉条纹；

步骤三、施加磁场；

在待测光纤的一段长度L上沿着光的传播方向加上磁场，再次使参考光路的光与信号光路的光发生干涉，并记录下干涉条纹；

步骤四、计算Verdet常数；

根据施加磁场后测得磁场耦合点产生的干涉峰强度计算Verdet常数。

4.根据权利要求3所述的一种马赫曾德和迈克尔逊混合型干涉仪的保偏光纤Verdet常数的测量方法，其特征在于：步骤一中延时环的长度L₂满足n₂*L₂>n_f*L₁；

待测光纤的快轴折射率n_f，待测光纤的长度L₁，延时环的折射率n₂。

5.根据权利要求3所述的一种马赫曾德和迈克尔逊混合型干涉仪的保偏光纤Verdet常数的测量方法，其特征在于：所述的等长度b满足b<a，a为波列分析模块中反射镜B扫描长度。

6.根据权利要求3所述的一种马赫曾德和迈克尔逊混合型干涉仪的保偏光纤Verdet常数的测量方法，其特征在于：步骤四具体为，

设从磁场耦合点D到探测器的损耗系数为α₁，从光纤耦合器与延时环的熔接点到探测器的损耗系数为α₂，进入待测光纤的光强为I_s，进入参考光路的光强为I_r，假设信号光路的光和参考光路的光之间的相位差为加上强度为B的磁场时，假设磁场引起的被测光纤的偏振态的偏转角是θ，则由磁场引起的光强变化为I_sα₁sin²θ，则干涉光强是：

考虑线性双折射的影响，法拉第磁光效应表示为：

其中δ＝2πL/L_B，L_B为光纤拍长，联立(1)(2)可以计算出待测光纤的Verdet常数V为：

若I_int为干涉峰W₃峰值的强度，则施加磁场后的干涉峰峰值的强度数值为q，单位为db，则I_int表示为：

则式(3)表示为：