CN108387787A - 一种消除偏振相关噪声的集成共路干涉电场测量系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种消除偏振相关噪声的集成共路干涉电场测量系统，属于集成共路干涉电场测量系统技术领域，该系统包括光源、依次设置在与光源输出光束同轴光路上的起偏器、输入保偏光纤、电光晶体、输出保偏光纤和检偏器；所述光源为宽谱光源，所述输入保偏光纤和输出保偏光纤的长度L满足：L乘以宽谱光源的中心波长再除以保偏光纤的拍长所得到的值大于等于宽谱光源的相干长度。本发明测量系统通过采用宽谱光源并使用设定长度的输入、输出保偏光纤，可有效消除偏振相关噪声，大幅降低集成共路干涉电场测量系统中产生的偏振相关噪声，可提高集成共路干涉电场测量系统的测量准确度和精度。

Description

一种消除偏振相关噪声的集成共路干涉电场测量系统

技术领域

本发明属于集成共路干涉电场测量系统技术领域，特别涉及一种消除偏振相关噪声的集成共路干涉电场测量系统。

背景技术

目前，基于集成共路干涉传感器的电场测量系统中，如图1所示，光源产生的光波经起偏器P起偏后转化为线偏振光，线偏振光经输入保偏光纤PMF进入电光晶体LN(如LiNbO₃晶体)，从该晶体出射的椭圆偏振光经输出保偏光纤PMF进入检偏器A，至此光波相位调制转变为光强度调制(即通过该测量系统将无法直接测量的相位转变为可直接测量的光强度)。保偏光纤PMF、电光晶体LN等作为偏振态转换装置，均可视为延迟片。设笛卡尔坐标系为xyz(z轴沿光源传播方向设置，x轴沿电光晶体的主轴设置)，各延迟片、起偏器、检偏器的主轴方向图1所示，记起偏器P、所有保偏光纤、电光晶体LN和检偏器A的主轴与x轴的夹角为α_i，i＝1,2,3,4，即各光学元器件的对准角度。

然而，对于集成共路干涉传感器，输入、输出保偏光纤的双折射效应会使光波产生附加的相位调制，所以有待研究图1所示的各元件的对准角度α_i对光路稳定性的影响。目前，现有技术中有一些解决的办法，比如，对光波偏振态进行分析的常用方法是Jones矩阵法。采用Jones矩阵法时，输入、输出光波的Jones矢量均位于同一坐标系(如笛卡尔坐标系xyz)。对于图1所示的光路，共涉及四个对准角度(α₁、α₂、α₃和α₄)，若采用Jones矩阵法进行分析则将非常复杂。

而且，目前所采用的保偏光纤PMF的拍长约为4mm，其双折射效应非常显著，环境中轻微的振动或温度变化即可使输入保偏光纤造成的相位差φ_fi和输出保偏光纤造成的相位差φ_fo产生剧烈波动，使测量系统产生严重的偏振相关噪声。

目前光学传感应用中通常采用激光作为光源，激光的谱线宽度为10^-6nm量级，相应的相干长度为数百千米(张三慧.大学物理学.北京:清华大学出版社,2000:129-133.)，因此采用激光光源时难以通过增加光纤长度消除偏振相关噪声。

发明内容

本发明的目的是为了克服已有技术的不足之处，提供一种消除偏振相关噪声的集成共路干涉电场测量系统。本发明采用宽谱光源并采用设定长度的输入、输出保偏光纤，可有效消除集成共路干涉电场测量系统的偏振相关噪声。

解决上述技术问题，本发明提供了一种消除偏振相关噪声的集成共路干涉电场测量系统，包括光源、依次设置在与光源输出光束同轴光路上的起偏器、输入保偏光纤、电光晶体、输出保偏光纤和检偏器；所述光源为宽谱光源，所述输入保偏光纤和输出保偏光纤的长度L满足以下公式：

式中，L_inter为宽谱光源的相干长度，λ为宽谱光源的中心波长，Δλ为宽谱光源的谱宽，Beat为保偏光纤的拍长。

本发明的特点及有益效果：

本发明采用一宽谱光源作为集成共路干涉电场测量系统的光源，设置所述宽谱光源的谱宽，由该谱宽和光源波长确定光源的相干长度，并将输入保偏光纤长度和输出保偏光纤配置为不小于该相干长度，在沿光纤主轴传输的正交模式不相干时，静态输出偏振相关噪声消除后的光路。本发明通过采用宽谱光源并使用设定长度的输入、输出保偏光纤，可有效消除偏振相关噪声，大幅降低集成共路干涉电场测量系统中产生的偏振相关噪声，可提高集成共路干涉电场测量系统的测量准确度和精度。

附图说明

图1是现有集成共路干涉电场测量系统内光路中各元件的主轴方向示意图；

图2是各光学元件主轴间的相对角度示意图；

图3(a)-图3(b)是α₁＝α₄＝1°时，传感器的静态输出示意图；

图4(a)-图4(b)是α₁＝α₄＝3°时，传感器的静态输出示意图；

图5是传感器归一化的静态输出示意图(采用激光光源)；

图6是噪声强度随α₁、α₄的变化示意图；

图7(a)-图7(b)是传感器静态输出的计算结果及实验结果示意图；

图8是传递函数随α₂、α₃的变化示意图；

图9是考察消光比随α₂和α₃的变化示意图。

具体实施方式

现在将进一步采用实施例描述本发明公开的技术方案。可以理解，这些实施例仅出于说明并且帮助本领域的技术人员理解本发明的技术方案的内容和实现本发明的目的而已，而非对本发明的保护范围的任何限制。因此本所保护的技术方案的内容可以以下文描述的方式之外的各种方式实施。

如本申请中所述，术语“包括”及其各种变体可以被理解为开放式术语，其意味着“包括但不限于”。术语“基于”可以被理解为“至少部分地基于”。术语“一个实施例”可以被理解为“至少一个实施例”。术语“另一实施例”可以被理解为“至少一个其它实施例”。

本发明实施例的一种消除偏振相关噪声的集成共路干涉电场测量系统，其结构如图1所示，包括光源、依次设置在与光源输出光束同轴光路上的起偏器P、输入保偏光纤PMF、电光晶体LN、输出保偏光纤PMF和检偏器A，各元器件的对准角度与现有技术相同；其中，光源为宽谱光源，其它元件均采用常规产品，输入保偏光纤和输出保偏光纤的长度L满足以下公式(1)：

式中，L_inter为宽谱光源的相干长度，λ为宽谱光源的中心波长，Δλ为宽谱光源的谱宽，Beat为(输入或输出)保偏光纤的拍长。

本实施例采用宽谱光源的谱宽Δλ为40nm，宽谱光源的波长为1550nm，输出保偏光纤的拍长为4mm，计算得到输入、输出保偏光纤长度L不小于0.15m。对于通信领域的其他波长的宽谱光源，输入保偏光纤和输出保偏光纤的长度选取满足公式(1)即可。

本发明的集成共路干涉电场测量系统根据在沿光纤主轴传输的正交模式不相干时，静态输出偏振相关噪声消除后的光路，若沿光纤主轴传输的正交模式不相干，则偏振相关噪声的结果为0，即偏振相关噪声的强度为0。

本发明的原理及其有效性验证如下：

集成共路干涉电场测量系统典型的光路结构中，光源产生的光波经起偏器P起偏后转化为线偏振光，线偏振光经输入保偏光纤PMF进入LiNbO₃晶体LN，从晶体出射的椭圆偏振光经输出保偏光纤PMF进入检偏器A，至此光波相位调制转变为光强度调制。保偏光纤、电光晶体等作为偏振态转换装置，均可视为延迟片。设笛卡尔坐标系为xyz，各延迟片、起偏器、检偏器的主轴方向如图1所示，与x轴的夹角为α_i。

对于集成共路干涉传感器，输入、输出保偏光纤的双折射效应会使光波产生附加的相位调制，需要研究如图1所示的各元件间对准角度对光路稳定性的影响。

对光波偏振态进行分析的常用方法是Jones矩阵法。采用Jones矩阵法时，输入、输出光波的Jones矢量均位于同一坐标系(如笛卡尔坐标系xyz)。对于图1所示的光路，共涉及四个对准角度(α₁、α₂、α₃和α₄)，采用Jones矩阵法进行分析将非常复杂。本发明中所关注的是从检偏器A中输出的光波强度，而不关心光波矢量的方向。为简化运算，本发明采用坐标轴变换法，将光波沿各延迟片的主轴方向进行正交分解。各元件主轴间的相对角度如图2所示，其中x代表电光晶体的主轴，S_p、S_fi、S_fo、S_a分别代表起偏器、输入保偏光纤、输出保偏光纤和检偏器的慢轴。

为便于分析，引入坐标轴变换矩阵R(θ)：

此处仅关注光波偏振态的变化，忽略各光学元件的插入损耗。从起偏器P出射的线偏振光E_p如式(2-2)所示，该线偏振光进入各延迟片后均将其沿主轴进行正交分解，输入保偏光纤PMF、电光晶体LN、输出保偏光纤PMF使光波的一对正交分量E_sp、E_fp所产生的相位差分别为

设输入保偏光纤、电光晶体、输出保偏光纤和检偏器的Jones矩阵分别为J_fi、J_c、J_fo、J_A，则输出光波E_A可表示为：

其中，

检偏器出射光波的强度为：

|E_A|²＝E_A ^*·E_A＝DC+AC+△ (2-4)

包括直流分量DC(即集成共路干涉电场测量系统的静态输出)、交流分量AC(希望得到的调制量)和偏振相关噪声Δ(由光纤双折射导致的干扰量)三部分。其中

直流分量为：

交流分量为：

偏振相关噪声为：

其中B_n＝f(sinα_j,cosα_k)，n＝1,2,3…12，j,k＝1,2,3,4。

当α₁＝α₄＝0°时，偏振相关噪声为0，此时式(2-4)可简化为

定义消光比R为交流分量幅值除以直流分量幅值，理想情况下R＝1，较差的消光比将降低测量的灵敏度。当α₂＝α₃＝π/4时，测量系统具有最佳消光比，此时式(2-8)进一步简化为式(2-9)，表征了理想情况下测量系统的传递函数。

实际情况中，起/检偏器与(输入/输出)保偏光纤在主轴对准时存在误差，即α₁、α₄≠0°，将引起偏振相关噪声，影响传感器静态输出的稳定性并导致测量误差。另一方面，保偏光纤与晶体在主轴对准时亦存在误差，α₂、α₃将偏离π/4，影响测量系统的传递函数。

●对准偏差对偏振相关噪声的影响

所采用的保偏光纤的拍长约为4mm，其双折射效应非常显著，环境中轻微的振动或温度变化即可使和产生剧烈波动，使测量系统产生严重的偏振相关噪声。

根据式(2-4)计算对准偏差所造成的影响，假设和为[0,2π]区间的随机信号，且1s变化一次。考察对准角度α₁、α₂、α₃、α₄以及对偏振相关噪声的影响，计算结果如图3(a)-(b)和图4(a)-(b)所示。对比和时的结果，噪声强度未发生明显变化，即对偏振相关噪声的影响较小。当α₂＝α₃＝50°时，噪声强度与α₂＝α₃＝45°时的结果相似，即保偏光纤与晶体主轴间的对准角度α₂、α₃对偏振相关噪声的影响较小。另一方面，当α₁＝α₄＝1°时，传感器的静态输出即产生剧烈波动；当α₁＝α₄＝3°时，相比于α₁＝α₄＝1°，噪声强度增大约两倍，这说明保偏光纤与起/检偏器主轴间的对准角度α₁、α₄对偏振相关噪声具有显著的影响。

对实际制作的器件进行测试，传感器归一化的静态输出如图5所示。实际工艺中α₁、α₄约为1°～3°，约为70°，计算结果与实验结果吻合得较好。

为定量表述偏振相关噪声，定义噪声强度Noise Intensity(单位为dB)为噪声幅值|E_noise|²除以静态输出的平均值|E_mean|²，即：

由上述分析可知α₂、α₃及对偏振相关噪声的影响较小，令α₂＝α₃＝45°，，则噪声强度随α₁、α₄的变化如图6所示。偏振相关噪声强度对α₁和α₄的变化非常敏感，为消除偏振相关噪声，需使保偏光纤与起/检偏器的主轴精确对准(即令α₁＝α₄＝0°)，实际工艺中无法达到此精度。

另一方面，偏振相关噪声由保偏光纤的双折射效应引起，若沿光纤主轴传输的正交模式不相干，则式(2-7)的结果为0，即偏振相关噪声的强度为0。光波相干长度L_inter可表示为

其中λ为光波的中心波长，Δλ为谱线宽度。

考虑采用波长为1550nm的宽谱光源，其谱宽Δλ约为40nm。保偏光纤的拍长约为4mm，当光纤长度大于0.15m时，沿光纤主轴传输的正交模式即不相干，即可消除偏振相关噪声。采用宽谱光源后，传感器静态输出的计算结果及实验结果如图7(a)-图7(b)所示，此时静态输出是条光滑的直线，光路的稳定性不受保偏光纤双折射的影响。

由上可知，由于光纤的双折射效应，(输入/输出)保偏光纤与起/检偏器主轴间的对准角度偏差将导致偏振相关噪声，严重影响光路的稳定性；采用宽谱光源并使输入、输出保偏光纤足够长，可有效消除偏振相关噪声。

●对准偏差对消光比的影响

消除偏振相关噪声后，从检偏器输出光波的强度|E_A|²仅包括直流分量和交流分量，分别如式(2-5)和式(2-6)所示。对准偏差会对测量系统的传递函数产生影响，图8说明了传递函数随α₂、α₃的变化。

计算结果表明α₁、α₄对消光比的影响较小，令α₁＝α₄＝3°，考察消光比随α₂和α₃的变化，如图9所示。消光比随α₂和α₃的变化较为缓慢，实际工艺中可保证α₂和α₃为45°±5°，此时消光比大于0.9，仍处于可接受的范围。

对于实际的测量系统，从检偏器出射的光强度信号将进入光接收机进行光电转换，监测从光接收机输出的电压信号即可反推出待测电场的幅值、相位等信息。采用宽谱光源后，电场测量系统的传递函数V_out可表示为：

其中代表光波的一对正交模式在电光晶体中传输时由双折射引起的相位差；A代表了整套系统的通光损耗和光电转换的比例，b代表这发生干涉的衬比度，受各部分对准角度的影响。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

此外，虽然若干具体实现方式的细节在上面的讨论中被包含，但是这些不应被解释为对本公开的范围的任何限制，而是特征的描述仅是针对具体实施例。在分离的一些实施例中描述的某些特征也可以在单个实施例中组合地执行。相反对，在单个实施例中描述的各种特征也可以在多个实施例中分离地实施或是以任何合适的子组合的方式实施。

Claims (1)

1.一种消除偏振相关噪声的集成共路干涉电场测量系统，包括光源、依次设置在与光源输出光束同轴光路上的起偏器、输入保偏光纤、电光晶体、输出保偏光纤和检偏器；其特征在于，所述光源为宽谱光源，所述输入保偏光纤和输出保偏光纤的长度L满足以下公式：

式中，L_inter为宽谱光源的相干长度，λ为宽谱光源的中心波长，Δλ为宽谱光源的谱宽，Beat为保偏光纤的拍长。