CN110243574B - 基于孤子自频移的保偏光纤双折射系数的测量装置和方法 - Google Patents

基于孤子自频移的保偏光纤双折射系数的测量装置和方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于孤子自频移的保偏光纤双折射系数的测量装置，包括飞秒激光器(1)、由电控液晶波片(2)、偏振分束棱镜(3)、二分之一波片(4)、扩束镜(5)以及光纤耦合镜(6构成的超短脉冲功率及偏振态调节部分、高非线性保偏光子晶体光纤(7)和由光纤准直扩束镜(8)、第一50:50分光片(9)、第一反射镜(10)、可调衰减片(11)、第二反射镜(12)、可调空间光延时线13以及第二50:50分光片(14)构成光谱相干及检测部分，通过光谱相干的方法测量快轴和慢轴方向光孤子的相对延时即可实现对光纤双折射系数的测量。本发明可测量波长大范围连续调节时光纤的双折射系数的变化、测量结果准确可靠。

Description

基于孤子自频移的保偏光纤双折射系数的测量装置和方法
技术领域
本发明属于非线性光纤光学和光纤参数测量领域，特别涉及一种保偏光纤双折射系数的测量装置和方法。
背景技术
由于保偏光纤能够保持光在传输过程中偏振态不变，因此在光纤通信、光纤传感、非线性光学领域等具有广泛应用。双折射系数是衡量保偏光纤的重要参数之一，准确测量保偏光纤的双折射系数对于提高相干光通信系统的通信速率、增加光纤传感器的测量性能、探究光纤非线性效应的本质具有重要作用，同时对于保偏光纤生产制造过程中的参数优化改进具有重要的反馈作用。光纤由于其芯径较细、双折射特性易受外界环境的干扰难以用传统的光学方法测量其双折射系数。此外，由于非线性光纤光学技术的发展，基于全光纤的超短脉冲发生器、超短脉冲压缩器以及超短脉冲放大器等器件中，超短脉冲的脉宽窄、峰值功率高、能量密度大，对光纤的双折射系数具有一定的影响，而使用传统的光学测量技术不能测量如此高能量密度下的光纤双折射系数的变化。因此，如何精确快速地测量光纤的双折射系数，尤其是非线性光纤光学领域中光纤的双折射系数成为急需解决的技术难题。
发明内容
为了克服现有技术存在的问题，本发明提出了一种基于孤子自频移测量保偏光纤双折射系数的装置和方法，利用保偏光纤快轴孤子和慢轴孤子同光谱、异时序的特征，通过光谱相干的方法检测保偏光纤输出快慢轴孤子之间的相对延时，进而计算其双折射系数。由于光孤子具有脉冲宽度窄、峰值功率高、波长可大范围连续调节的特点，因此可以实现保偏光纤宽波长范围、强电场、较短长度下的双折射系数测量。
本发明的一种基于孤子自频移的保偏光纤双折射系数的测量装置，包括飞秒激光器1、由电控液晶波片2、偏振分束棱镜3、二分之一波片4、扩束镜5以及光纤耦合镜6构成的超短脉冲功率及偏振态调节部分、高非线性保偏光子晶体光纤7和由光纤准直扩束镜8、第一50:50分光片9、第一反射镜10、可调衰减片11、第二反射镜12、可调空间光延时线13以及第二50:50分光片14构成光谱相干及检测部分；其中
所述飞秒激光器1输出脉宽为40～200fs、线偏振的超短脉冲，入射至电控液晶波片2；超短脉冲经电控液晶波片2后入射至偏振分束棱镜3，偏振分束棱镜3透射输出的水平线偏振超短脉冲依次经二分之一波片4、扩束镜5和光纤耦合镜6进入高非线性保偏光子晶体光纤7。其中电控液晶波片2和偏振分束棱镜3组合使用可以实现透射水平线偏振超短脉冲光功率的连续调节，旋转二分之一波片4使耦合进高非线性保偏光子晶体光纤7的线偏振方向沿光纤快轴和慢轴之间的角平分线入射；
高非线性保偏光子晶体光纤7输出端经光纤准直扩束镜8输出后由第一50:50分光片9分为功率相等的透射和反射两束光，其中反射光束依次经第一反射镜10、可调衰减片11和第二反射镜12入射至第二50:50分光片14，而另一透射光束则经可调空间延时线13同样入射至第二50:50分光片14与另一束光合束；
第二50:50分光片14输出的合束后的光束经滤光片15入射至光谱分析仪16。
本发明的一种基于孤子自频移的保偏光纤双折射系数的测量方法，包括以下步骤：
步骤1：飞秒激光器输出脉宽为40～200fs、线偏振的超短脉冲；
步骤2：当电控液晶波片所施加的电压变化时，偏振分束棱镜透射输出的水平线偏振超短脉冲光功率随之变化；
步骤3：连续调节水平线偏振超短脉冲，调节二分之一波片的旋转角度，使进入高非线性保偏光子晶体光纤的线偏振超短脉冲的偏振方向沿高非线性保偏光子晶体光纤快轴和慢轴之间的角平分线入射；
步骤4：超短脉冲光在高非线性保偏光子晶体光纤中传输时，同时激发快轴方向和慢轴方向的孤子自频移效应，进而同时产生快轴和慢轴方向的光孤子；
步骤5：调节参考光路功率，使参考光路光功率和测量光路光功率相等；
步骤6：调节测量光路的时间延时；
步骤7：输出的干涉光谱的振荡程度随延时量的变化，根据干涉光谱计算光谱振荡程度求得高非线性保偏光子晶体光纤输出光孤子在快轴方向和慢轴方向的相对延迟时间，具体处理如下：
进而计算出光纤的双折射系数，公式如下：
Figure BDA0002079901410000031
nx,ny,νx,νy,tx,ty，
式中，nx，ny分别表示光纤快轴和慢轴方向的有效折射率，c表示光在真空中的速度，νx，νy表示光纤中快轴方向和慢轴方向的光速，L表示所使用的光纤长度，tx，ty表示光分别沿光纤的快轴和慢轴通过长度为L的光纤所用的时间，Δt表示光孤子在快轴方向和慢轴方向的相对延迟时间。
与现有技术相比，本发明存在以下技术优势：
1)由于光孤子波长可以通过控制入射超短脉冲光功率实现连续大范围的调谐，一般可达300nm以上，因此本发明可测量波长大范围连续调节时光纤的双折射系数的变化；
2)由于光孤子本身属于超短脉冲，具有脉冲宽度窄、峰值功率高、能量密度大的特点，因此本发明测量的双折射系数为光纤在强光场作用下的双折射系数，对于非线性光纤光学领域中偏振相关效应的分析具有重要支持作用；
3)本发明基于光谱相干方法直接测量快轴孤子和慢轴孤子之间的相对时间差，通过简单的计算即可得到光纤双折射系数，不涉及光纤的绝对有效折射率，测量结果准确可靠；
4)由于光孤子时间宽度很窄，因此快轴孤子和慢轴孤子的相对延时可以精确至飞秒量级，因此可以测量很短长度光纤的双折射系数。
附图说明
图1为本发明的基于孤子自频移的保偏光纤双折射系数的测量装置结构示意图；
图2为快轴孤子和慢轴孤子时域及光谱示意图；
图3为光孤子波长为900nm时光谱振荡程度随延时量变化时的实测结果示意图。
附图标记：
1、飞秒激光器，2、电控液晶波片，3、偏振分束棱镜，4、二分之一波片，5,、扩束镜，6、光纤耦合镜，7、高非线性保偏光子晶体光纤，8、光纤准直扩束镜，9、第一50:50分光片，10、第一反射镜，11、可调衰减片，12、第二反射镜，13、可调空间光延时线，14、第二50:50分光片，15、滤光片，16、光谱分析仪；131、第一直角反射棱镜，132、第二直角反射棱镜，133、高精度电控位移台。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明技术方案作进一步详细描述，所描述的具体实施例仅对本发明进行解释说明，并不用以限制本发明。
如图1所示，为本发明的基于孤子自频移的保偏光纤双折射系数测量装置结构示意图。包括飞秒激光器1、超短脉冲功率及偏振态调节部分、高非线性保偏光子晶体光纤、光谱相干及检测部分，具体工作过程如下：
飞秒激光器1输出脉宽为输出脉宽为40～200fs、线偏振的超短脉冲，入射至电控液晶波片2；
超短脉冲功率及偏振态调节部分由电控液晶波片2、偏振分束棱镜3、二分之一波片4、扩束镜5以及光纤耦合镜6构成：线偏振超短脉冲经电控液晶波片2后入射至偏振分束棱镜3，偏振分束棱镜3透射输出的水平线偏振超短脉冲依次经二分之一波片4和扩束镜5后，入射至光纤耦合镜6，光纤耦合镜6输出端接高非线性保偏光子晶体光纤7，用于将空间超短脉冲耦合进光纤；，电控液晶波片2和偏振分束棱镜3组合使用可以实现透射水平线偏振超短脉冲光功率的连续调节，旋转二分之一波片4的角度，调节进入保偏高非线性光子晶体光纤7的线偏振超短脉冲的偏振方向，使线偏振超短脉冲沿快轴和慢轴之间的角平分线入射至高非线性保偏光子晶体光纤7；
超短脉冲在高非线性保偏光子晶体光纤7中输出，发生孤子自频移效应，产生中心波长随入射超短脉冲光功率变化的光孤子，高非线性保偏光子晶体光纤7输出端经光纤准直扩束镜8将光纤传输的光孤子转换成空间光，然后进入光谱相干及检测部分；
光谱相干及检测部分分为参考光路和测量光路，由光纤准直扩束镜8、第一50:50分光片9、第一反射镜10、可调衰减片11、第二反射镜12、可调空间光延时线13以及第二50:50分光片14构成：光纤准直扩束镜8的输出光经第一50:50分光片9分为功率相等的透射光束和反射光束两部分，其中反射光束依次经第一反射镜10、可调衰减片11和第二反射镜12入射至第二50:50分光片14，此光路构成光谱相干及检测部分的参考光路；从第一50:50分光片9输出的透射光束入射至可调空间光延时线13，可调空间光延时线13由两个直角反射棱镜131、132和一个高精度电控位移台133组成，第一直角反射棱镜131将入射超短脉冲反射至固定于高精度电控位移台133的第二直角反射镜132，同时将第二直角反射棱镜132反射回来的光脉冲通过其另一直角边反射输出，高精度电控位移台133用于调节测量光路的时间延迟，可调空间光延时线13输出的超短脉冲入射至第二50:50分光片14，此光路构成光谱相干检测部分的测量光路；
参考光路输出光束经第二50:50分光片14的反射部分和测量光路输出光束经第二50:50分光片14的透射部分合束后经滤光片15后入射至光谱分析仪16，检测光谱相干及检测部分中参考光路和测量光路的干涉光谱随可调空间光延时线变化时振荡程度的变化，从而确定高非线性保偏光子晶体光纤7输出光谱中快轴孤子和慢轴孤子之间的相对时延，进而计算出高非线性保偏光子晶体光纤7的双折射系数。
电控液晶波片2可由外部电压控制，实现输出光偏振态的改变。
二分之一波片4用于调节进入高非线性保偏光子晶体光纤7的线偏振态方向，使之沿光纤快轴和慢轴之间的角平分线入射。
扩束镜5用于实现光束直径的扩大，提高空间光经光纤耦合镜6后耦合至高非线性保偏光子晶体光纤7的耦合效率。
超短脉冲在高非线性保偏光子晶体光纤7中传输时，应适当选择超短脉冲的入射波长，使之能够在高非线性保偏光子晶体光纤7产生明显的孤子自频移效应，产生中心波长随入射超短脉冲光功率变化的光孤子。
可调衰减片11用于调节参考光路的光功率，使之与测量光路的光功率向接近或者相等，以提高光谱相干的程度。
可调空间光延时线13用于调节测量光路的时间延迟。
滤光片14用于滤出高非线性保偏光子晶体光纤7输出的残余泵浦光脉冲。
光谱分析仪16应在整个孤子波长调节范围内具有响应，以检测孤子波长大范围连续调节时干涉光谱随可调空间光延时线13延时量的变化。
本发明提出的一种基于孤子自频移的保偏光纤双折射系数的测量方法，该方法包括如下步骤：
步骤1：飞秒激光器输出脉宽为40～200fs、线偏振的超短脉冲；以线偏振方向为水平的超短脉冲为例，超短脉冲经电控液晶波片后输出光的偏振态可在水平线偏振光、椭偏振光、圆偏振光、竖直线偏振光之间随电控液晶波片所施加的电压而变化；
步骤2：当电控液晶波片所施加的电压变化时，偏振分束棱镜透射输出的水平线偏振超短脉冲光功率随之变化；
步骤3：连续调节水平线偏振超短脉冲，调节二分之一波片的旋转角度，使进入高非线性保偏光子晶体光纤的线偏振超短脉冲的偏振方向沿高非线性保偏光子晶体光纤快轴和慢轴之间的角平分线入射；
步骤4：超短脉冲光在高非线性保偏光子晶体光纤中传输时，由于孤子自频移效应的影响，产生波长向长波长方向移动的光孤子，光孤子波长随入射超短脉冲光功率的增加而增加，由于本发明中使进入高非线性保偏光子晶体光纤的超短脉冲偏振方向沿光纤快轴和慢轴的角平分线方向，因此可以同时激发快轴方向和慢轴方向的孤子自频移效应，进而同时产生快轴和慢轴方向的光孤子，由于快轴和慢轴方向泵浦功率相同，光纤双折射效应对孤子自频移中光孤子波长的影响较小，因此快轴和慢轴方向的光孤子的光谱是近似相同的，而由于光纤双折射效应的影响，快轴和慢轴方向的光孤子传输速度是不同的，从而造成快轴和慢轴方向光孤子的时域分裂；
步骤5：调节参考光路功率，使参考光路光功率和测量光路光功率相等；
步骤6：调节测量光路的时间延时；
步骤7：输出的干涉光谱的振荡程度随延时量的变化，根据干涉光谱计算光谱振荡程度求得高非线性保偏光子晶体光纤输出光孤子在快轴方向和慢轴方向的相对延迟时间，进而求得光纤的双折射系数，。
根据干涉光谱计算光谱振荡程度求得延迟时间的方法如下所述：
将参考光路和测量光路的两束脉冲相互分离时光谱分析仪输出的光谱信号记为光谱参考曲线；逐步调节可调空间光延时线，每次调节均记录一条光谱曲线，直至两束脉冲相遇后又完全分开为止；将所记录的每条光谱曲线均与光谱参考曲线做差并取其有效值，该有效值即可用于衡量干涉光谱振荡程度，则有效值随延时量的变化即为光谱振荡程度随延时量的变化。
如图3所示，为光孤子波长为900nm时光谱振荡程度随延时量变化时的实测结果示意图，可以看出实际测量中光谱振荡程度随延时量的变化。根据其中极大值点的位置即可求得快轴孤子和慢轴孤子的相对延时Δt，进而根据公式B＝nx-ny＝c/(L×Δt)计算出光纤的双折射系数，式中nx，ny分别表示光纤快轴和慢轴方向的有效折射率，c表示光在真空中的速度，L表示所使用的光纤长度。
尽管上面结合附图对本发明进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨的情况下，还可以做出很多变形，这些均属于本发明的保护之内。

Claims (3)

1.一种基于孤子自频移的保偏光纤双折射系数的测量装置，其特征在于，该装置包括飞秒激光器(1)、由电控液晶波片(2)、偏振分束棱镜(3)、二分之一波片(4)、扩束镜(5)以及光纤耦合镜(6)构成的超短脉冲功率及偏振态调节部分、高非线性保偏光子晶体光纤(7)和由光纤准直扩束镜(8)、第一50:50分光片(9)、第一反射镜(10)、可调衰减片(11)、第二反射镜(12)、可调空间光延时线(13)以及第二50:50分光片(14)构成光谱相干及检测部分；其中
所述飞秒激光器(1)输出脉宽为40～200fs、线偏振的超短脉冲，入射至电控液晶波片(2)；超短脉冲经电控液晶波片(2)后入射至偏振分束棱镜(3)，偏振分束棱镜(3)透射输出的水平线偏振超短脉冲依次经二分之一波片(4)、扩束镜(5)和光纤耦合镜(6)进入高非线性保偏光子晶体光纤(7)，其中电控液晶波片(2)和偏振分束棱镜(3)组合使用实现透射水平线偏振超短脉冲光功率的连续调节，旋转二分之一波片(4)使耦合进高非线性保偏光子晶体光纤(7)的线偏振方向沿光纤快轴和慢轴之间的角平分线入射；
高非线性保偏光子晶体光纤(7)输出端经光纤准直扩束镜(8)输出后由第一50:50分光片(9)分为功率相等的透射和反射两束光，其中反射光束依次经第一反射镜(10)、可调衰减片(11)和第二反射镜(12)入射至第二50:50分光片(14)，而另一透射光束则经可调空间延时线(13)同样入射至第二50:50分光片(14)与另一束光合束；
第二50:50分光片(14)输出的合束后的光束经滤光片(15)入射至光谱分析仪(16)。
2.利用如权利要求1所述的一种基于孤子自频移的保偏光纤双折射系数的测量装置实现的一种基于孤子自频移的保偏光纤双折射系数的测量方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
步骤1：飞秒激光器输出脉宽为40～200fs、线偏振的超短脉冲；
步骤2：当电控液晶波片所施加的电压变化时，偏振分束棱镜透射输出的水平线偏振超短脉冲光功率随之变化；
步骤3：连续调节水平线偏振超短脉冲，调节二分之一波片的旋转角度，使进入高非线性保偏光子晶体光纤的线偏振超短脉冲的偏振方向沿高非线性保偏光子晶体光纤快轴和慢轴之间的角平分线入射；
步骤4：超短脉冲光在高非线性保偏光子晶体光纤中传输时，同时激发快轴方向和慢轴方向的孤子自频移效应，进而同时产生快轴和慢轴方向的光孤子；
步骤5：调节参考光路功率，使参考光路光功率和测量光路光功率相等；
步骤6：调节测量光路的时间延时；
步骤7：输出的干涉光谱的振荡程度随延时量的变化，根据干涉光谱计算光谱振荡程度求得高非线性保偏光子晶体光纤输出光孤子在快轴方向和慢轴方向的相对延迟时间，具体处理如下：
进而计算出光纤的双折射系数，公式如下：
Figure FDA0002816808920000021
nx,ny,νx,νy,tx,ty，
式中，nx，ny分别表示光纤快轴和慢轴方向的有效折射率，c表示光在真空中的速度，νx，νy表示光纤中快轴方向和慢轴方向的光速，L表示所使用的光纤长度，tx，ty表示光分别沿光纤的快轴和慢轴通过长度为L的光纤所用的时间，Δt表示光孤子在快轴方向和慢轴方向的相对延迟时间。
3.如权利要求2所述的基于孤子自频移的保偏光纤双折射系数的测量方法，其特征在于，其中所述步骤7中根据干涉光谱计算光谱振荡程度求得高非线性保偏光子晶体光纤输出光孤子在快轴方向和慢轴方向的相对延迟时间的具体步骤如下：
将参考光路和测量光路的两束脉冲相互分离时光谱分析仪输出的光谱信号记为光谱参考曲线；逐步调节可调空间光延时线，每次调节均记录一条光谱曲线，直至两束脉冲相遇后又完全分开为止；将所记录的每条光谱曲线均与光谱参考曲线做差并取其有效值，该有效值用于衡量干涉光谱振荡程度，则有效值随延时量的变化即为光谱振荡程度随延时量的变化。
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