CN111366146A - 保偏光纤Sagnac干涉系统的非线性偏振控制方法 - Google Patents

保偏光纤Sagnac干涉系统的非线性偏振控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种保偏光纤Sagnac干涉系统的非线性偏振控制方法。利用保偏光纤中非线性受激布里渊散射轴向定向偏振牵引效应，在保偏光纤Sagnac干涉环中，增加泵浦光源，使之与探测光在Sagnac光纤环中发生非线性受激布里渊散射效应。通过调节入射泵浦光和探测光偏振态，使两者以线偏振态沿保偏光纤的某个主轴进入Sagnac干涉环，并调节入射泵浦光功率，使之大于受激布里渊散射的泵浦光阈值功率，即可实现顺时针传播的泵浦光对逆时针方向传播的探测光偏振态、逆时针传播的泵浦光对顺时针传播探测光偏振态的牵引，将顺/逆时针方向传播的探测光偏振态约束于保偏光纤的主轴偏振态位置，从而解决由于保偏光纤盘绕引入的随机应力双折射导致的偏振干涉噪声问题。

Description

保偏光纤Sagnac干涉系统的非线性偏振控制方法
技术领域
本发明涉及于光信息处理领域，尤其涉及一种基于保偏光纤中受激布里渊散射的非线性轴向偏振牵引效应，实现保偏光纤Sagnac干涉环中探测光偏振态被嵌位于保偏光纤主轴，从而消除由于Sagnac干涉环中光纤的随机双折射引起的偏振干涉噪声。
背景技术
光纤中的偏振随机扰动是困扰干涉型光纤传感系统的主要问题。在光传感系统中表现为由偏振扰动引起的偏振相位噪声和干涉信号的偏振衰落问题。在采用保偏光纤Sagnac环的传感系统，如光纤陀螺中，由于长达几公里的光纤盘绕引入的附加随机双折射，并且光纤盘绕的弯曲应力随环境温度变化改变，从而导致干涉环中的顺时针和逆时针传输光的偏振态的随机扰动，进而引起输出干涉光强的扰动变化，即干涉光强的偏振噪声。
现有的解决光纤陀螺的偏振噪声的主要方法一是减少光纤包层尺寸，采用80μm或更小尺寸40μm的细径光纤、以减少光纤弯曲盘绕引入的随机双折射；二是采用后期工艺处理方法，如后期退火工艺，释放光纤绕盘中的弯曲应力双折射；三是通过偏振反馈控制的方法，对干涉光偏振态进行监测、反馈、控制，从而减小干涉系统的偏振噪声。然而由于光纤陀螺的灵敏度与光纤长度成正比，并且由于光纤纤芯尺寸相对固定(5-10μm)，且光纤包层要远大于光纤纤芯，因此即使采用细径光纤，虽然会减小但不会消除由于光纤弯曲应力导致的光纤双折射。而后期光纤退火工艺也会严重损伤光纤的韧性。此外，光纤陀螺的小型化要求光纤盘绕尺寸更小，进而加剧了光纤的弯曲应力，而引入更多的应力双折射。
本发明内容基于保偏光纤中的非线性受激布里渊散射效应的偏振轴向定向牵引效应，即受激布里渊散射的探测光在泵浦光作用下，其偏振态总是向着保偏光纤主轴方向牵引的效应，提出在保偏光纤Sagnac光纤环中，增加泵浦光源，使之与探测光在光纤环中发生受激布里渊散射，实现对探测光偏振态的牵引。通过调节入射泵浦光和探测光偏振态，使两者以线偏振态沿保偏光纤的同一个主轴进入Sagnac干涉环，即可实现泵浦光偏振态对探测光偏振态的约束牵引，使之嵌位于保偏光纤的主轴偏振态位置，从而削弱光纤中随机应力双折射导致的探测光干涉偏振噪声。
因此，本领域的技术人员致力于开发一种保偏光纤Sagnac干涉系统的非线性偏振控制方法。
发明内容
有鉴于现有技术的上述缺陷，本发明所要解决的技术问题是如何削弱光纤中随机应力双折射导致的探测光干涉偏振噪声。
本发明提供一种保偏光纤Sagnac干涉系统的非线性偏振控制方法，包括如下步骤：(1)将频率为νp的泵浦光和频率为νs的探测光同时送入光纤Sagnac干涉环，泵浦光和信号光分别通过偏振控制器调节，使其输入偏振态为线偏振态且沿保偏光纤的同一偏振主轴注入光纤Sagnac干涉环，(2)输入的泵浦光和探测光分别分为顺时针和逆时针传输光，顺时针传输的探测光和逆时针传输的泵浦光之间、逆时针传输的探测光和顺时针传输的泵浦光之间分别发生受激布里渊散射效应，顺时针传播和逆时针传播的探测光偏振态分别受到逆时针和顺时针传输泵浦光偏振态的轴向偏振牵引，使得顺/逆时针传输的探测光偏振态始终被拉向保偏光纤的主轴方向，从而使得Sagnac光纤环的输出干涉探测光的偏振态始终保持一致。
进一步的，保偏光纤Sagnac干涉环由保偏光纤耦合器和保偏光纤构成，所述保偏光纤耦合器的分光比为1:1。
进一步的，泵浦光频率νp和探测光频率νs满足关系式：νp-νs＝2νAn/λp，其中λp是泵浦光波长，νA是光纤中的声波频率，n是纤芯折射率；且泵浦光功率需要大于光纤中的受激布里渊泵浦功率阈值。
进一步的，所述探测光的偏振态的被牵引方向总是向着保偏光纤的两个主轴中的一个的偏振态方向。
进一步的，探测光偏振态的被牵引方向由泵浦光偏振态与保偏光纤偏振矢量
Figure BDA0002477666140000021
的相对位置决定，探测光偏振态总是被拉向
Figure BDA0002477666140000022
即最靠近泵浦光偏振态的保偏光纤主轴偏振态；当输入泵浦光偏振态沿保偏光纤的主轴注入时，顺/逆时针方向传播的探测光偏振态以最大牵引力被拉向该保偏光纤主轴，其中探测光偏振态的演进方程为：
Figure BDA0002477666140000023
其中
Figure BDA0002477666140000024
为探测光偏振态Stokes矢量，
Figure BDA0002477666140000025
为保偏光纤的偏振矢量，r0为SBS增益系数，IP0为输入端泵浦光功率功率，
Figure BDA0002477666140000026
为输入端泵浦光偏振态Stokes矢量。
微分方程(1)的解为：
Figure BDA0002477666140000027
Figure BDA0002477666140000028
为入射探测光偏振态。
进一步的，所述泵浦光对探测光偏振态的轴向牵引力与输入泵浦光功率成正比，入射泵浦光功率越大，则轴向偏振牵引力越大。
进一步的，所述泵浦光对探测光偏振态的轴向牵引力与Sagnac干涉环内保偏光纤长度有关，光纤越长，受激布里渊散射的作用距离越长，对探测光偏振态的偏振牵引约束力越大。
进一步的，所述保偏光纤Sagnac干涉环同时输出探测干涉光和泵浦干涉光，可以通过光滤波器滤除泵浦光，实现对探测光干涉信息信号的检测。
本发明还提供了一种保偏光纤Sagnac干涉系统的非线性偏振控制系统，包括隔离器、偏振控制器、保偏光纤Sagnac干涉环、光纤环形器和光滤波器，将频率为vs的探测光和频率为νp的泵浦光同时分别经过隔离器和光纤环形器后再经过偏振控制器送入保偏光纤Sagnac干涉环。在保偏光纤Sagnac环中，顺时针方向传播的泵浦光和逆时针传播的探测光之间、逆时针方向传播的泵浦光和顺时针传播的探测光之间分别发生受激布里渊散射效应，顺/逆时针方向传播的探测光偏振态都被牵引嵌位在泵浦偏振光所在的主轴方向。
进一步的，保偏光纤Sagnac干涉环包括保偏光纤和保偏光纤耦合器，所述保偏光纤耦合器的分光比为1:1。
技术效果
与现有技术相比，本发明基于受激布里渊散射在保偏光纤中的轴向偏振牵引效应的物理机理，提出在保偏光纤Sagnac干涉环中；
通过增加泵浦光源，使之与探测光在光纤环中发生非线性受激布里渊散射效应，实现对探测光偏振态的牵引嵌位。通过调节入射泵浦光和探测光偏振态，使两者以线偏振态沿保偏光纤的某个主轴进入Sagnac干涉环，即可实现泵浦光偏振态对探测光偏振态的约束牵引，使之嵌位于保偏光纤的主轴偏振态位置，从而消除现有保偏光纤盘绕中随机应力双折射导致的探测光干涉偏振噪声。
以下将结合附图对本发明的构思、具体结构及产生的技术效果作进一步说明，以充分地了解本发明的目的、特征和效果。
附图说明
图1是本发明的一个实施例的保偏光纤Sagnac干涉系统的非线性偏振控制方法的系统展示图；
图2是本发明的一个实施例的保偏光纤Sagnac干涉系统的非线性偏振控制方法的系统展示图；
图3是本发明的一个实施例的保偏光纤Sagnac干涉系统的非线性偏振控制方法的系统展示图。
具体实施方式
以下参考说明书附图介绍本发明的多个优选实施例，使其技术内容更加清楚和便于理解。本发明可以通过许多不同形式的实施例来得以体现，本发明的保护范围并非仅限于文中提到的实施例。
文中提及的“保偏光纤Sagnac干涉环”与“保偏光纤Sagnac干涉系统”的意思一致，“SBS效应”指受激布里渊散射效应。
保偏光纤Sagnac干涉系统的非线性偏振控制方法的原理在于：当泵浦光频率νp和探测光频率νs满足关系式：νp-νs＝2νAn/λp(其中λp是泵浦光波长，νA是光纤中的声波频率，n是纤芯折射率)，且泵浦光功率大于SBS阈值功率时，在保偏光纤Sagnac干涉环中，顺时针传输的泵浦光和逆时针传输的探测光之间、逆时针传输的泵浦光和顺时针传输的探测光之间分别发生非线性SBS效应。其中探测光偏振态的演进方程为：
Figure BDA0002477666140000041
其中
Figure BDA0002477666140000042
为探测光偏振态Stokes矢量，
Figure BDA0002477666140000043
为保偏光纤的偏振矢量，r0为SBS增益系数，IP0为输入端泵浦光功率功率，
Figure BDA0002477666140000044
为输入端泵浦光偏振态Stokes矢量。
微分方程(1)的解为：
Figure BDA0002477666140000045
其中：
Figure BDA0002477666140000046
为入射探测光偏振态。
(2)式表明，沿着探测光传播方向，
Figure BDA0002477666140000047
即如果泵浦光沿保偏光纤的某个主轴偏振方向注入，相向而行的探测光在传播过程中，其偏振态将被牵引向泵浦光偏振态所在的光纤主轴方向。实际系统中，对于光纤盘绕引入随机双折射而导致探测光偏振态偏离该光纤主轴的现象，利用上述保偏光纤的SBS效应所具有的定向轴向牵引效应，只要沿相同主轴偏振态注入的泵浦光，则会把探测光偏振态拉回该光纤主轴方向。上述公式还表明：SBS偏振牵引力与入射泵浦光偏振态与保偏光纤主轴的夹角
Figure BDA0002477666140000048
成正比，当入射泵浦光偏振态沿主轴注入时，即
Figure BDA0002477666140000049
SBS偏振牵引力最大；上述公式还表明，入射泵浦光功率越大，牵引力也越大；作用光纤越长，牵引效应的结果越强。
实施例1
如图1所示，保偏光纤Sagnac干涉环由分光比为1:1保偏光纤耦合器4和保偏光纤5构成。频率为vs的探测光1经过光隔离器2后进入第一偏振控制器3，使其输入偏振态为线偏振态且沿保偏光纤的某个主轴方向由④端口注入光纤Sagnac干涉环。频率为vp的泵浦光6经过光纤放大器7进行功率放大后，由光纤环形器8的①端口输入，②端口输出，经过第二偏振控制器9，使其输入偏振态为线偏振态且沿与探测光相同的保偏光纤主轴方向由⑤端口注入光纤Sagnac干涉环。输入的泵浦光和探测光分别等光强分为顺时针和逆时针传输光在Sagnac环中传输。顺时针传输探测光的偏振态受到逆时针传输泵浦光的受激布里渊偏振牵引，逆时针传输探测光的偏振态受到顺时针传输泵浦光的SBS偏振牵引，使得探测光的顺时针和逆时针传输光的偏振态始终约束在保偏光纤的主轴方向，从而保证Sagnac光纤环的输出干涉探测光的偏振态始终保持一致。由Sagnac干涉环端口⑤同时输出顺时针和逆时针传输的探测信号光和泵浦光，由光纤环形器8的端口②输入，端口③输出后，进入光纤滤波器10滤除泵浦光，得到探测干涉光。由于顺时针和逆时针传输的探测光的偏振态总是保持一致，因此消除了偏振干涉噪声。
实施例2
如图2所示，一种保偏光纤Sagnac干涉系统的非线性偏振控制方法的系统，干涉探测光输出也可由探测光入射端输出检测。频率为vs的探测光1由光纤环形器8的①端口输入，②端口输出，经过第一偏振控制器3，使其输入偏振态为线偏振态且沿保偏光纤的某个主轴方向，由端口④注入光纤Sagnac干涉环。频率为vp的泵浦光6经过光纤放大器7进行功率放大后，经过光隔离器2后进入第二偏振控制器9，使其输入偏振态为线偏振态且沿与探测光相同的保偏光纤主轴方向由端口⑤注入光纤Sagnac干涉环。输入的泵浦光和探测光分别等光强分为顺时针和逆时针传输光在Sagnac环中传输。顺时针传输探测光的偏振态受到逆时针传输泵浦光的受激布里渊偏振牵引，逆时针传输探测光的偏振态受到顺时针传输泵浦光的受激布里渊偏振牵引，使得探测光的顺时针和逆时针传输光的偏振态始终约束在保偏光纤的主轴方向，从而使得Sagnac光纤环的输出干涉探测光的偏振态始终保持一致。由Sagnac干涉环端口①同时输出顺时针和逆时针传输的探测信号光和泵浦光，由光纤环形器8的端口②输入，端口③输出后，进入光纤滤波器10滤除泵浦光，得到探测干涉光。由于顺时针和逆时针传输的探测光的偏振态总是保持一致，因此消除了偏振干涉噪声。
实施例3
如图3所示，实现探测光和泵浦光的合波耦合和输入偏振态控制功能的耦合偏振控制准直模块可由光纤器件、光波导器件以及空间光学系统实现。泵浦光和探测光由耦合偏振控制准直模块送入保偏光纤Sagnac环；保偏光纤Sagnac环由保偏光纤耦合器和保偏光纤构成；泵浦光、探测光输入偏振态为线偏振态且沿保偏光纤的同一偏振主轴注入。在保偏光纤Sagnac环中，顺时针方向传播的泵浦光和逆时针传播的探测光之间、逆时针方向传播的泵浦光和顺时针传播的探测光之间分别发生SBS效应，顺/逆时针方向传播的探测光偏振态都被牵引嵌位在泵浦偏振光所在的主轴方向。
以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术无需创造性劳动就可以根据本发明的构思作出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。

Claims (10)

1.一种保偏光纤Sagnac干涉系统的非线性偏振控制方法，其特征在于，包括如下步骤：
(1)将频率为νp的泵浦光和频率为νs的探测光同时送入保偏光纤Sagnac干涉环，泵浦光和探测光分别通过偏振控制器调节，使其输入偏振态为线偏振态且沿保偏光纤的同一偏振主轴注入光纤Sagnac干涉环，
(2)输入的泵浦光和探测光分别分为顺时针和逆时针传输光，顺时针传输的探测光和逆时针传输的泵浦光之间、逆时针传输的探测光和顺时针传输的泵浦光之间分别发生受激布里渊散射效应，顺时针传播和逆时针传播的探测光偏振态分别受到逆时针和顺时针传输泵浦光偏振态的轴向偏振牵引，使得顺时针和逆时针传输的探测光偏振态始终被拉向保偏光纤的主轴方向，从而使得Sagnac光纤环的输出干涉探测光的偏振态始终保持一致。
2.如权利要求1所述的非线性偏振控制方法，其特征在于，所述保偏光纤Sagnac干涉环由保偏光纤耦合器和保偏光纤构成，所述保偏光纤耦合器的分光比为1:1。
3.如权利要求1所述的非线性偏振控制方法，其特征在于，泵浦光频率νp和探测光频率νs满足关系式：νp-νs＝2νAn/λp，其中λp是泵浦光波长，νA是光纤中的声波频率，n是纤芯折射率，泵浦光功率需要大于光纤中的受激布里渊泵浦功率阈值。
4.如权利要求1所述的非线性偏振控制方法，其特征在于，所述探测光的偏振态的被牵引方向总是向着保偏光纤的两个主轴中的一个的偏振态方向。
5.如权利要求4所述的非线性偏振控制方法，其特征在于，探测光偏振态的被牵引方向由泵浦光偏振态与保偏光纤偏振矢量
Figure FDA0002477666130000011
的相对位置决定；探测光偏振态总是被拉向
Figure FDA0002477666130000012
即最靠近泵浦光偏振态的保偏光纤主轴偏振态，当输入泵浦光偏振态沿保偏光纤的主轴注入时，顺/逆时针方向传播的探测光偏振态以最大牵引力被拉向该保偏光纤主轴，其中探测光偏振态的演进方程为：
Figure FDA0002477666130000013
其中
Figure FDA0002477666130000014
为探测光偏振态Stokes矢量，
Figure FDA0002477666130000015
为保偏光纤的偏振矢量，r0为SBS增益系数，IP0为输入端泵浦光功率功率，
Figure FDA0002477666130000016
为输入端泵浦光偏振态Stokes矢量。
微分方程(1)的解为：
Figure FDA0002477666130000021
Figure FDA0002477666130000022
Figure FDA0002477666130000023
为入射探测光偏振态。
6.如权利要求1所述的非线性偏振控制方法，其特征在于，所述泵浦光对探测光偏振态的轴向牵引力与输入泵浦光功率成正比，入射泵浦光功率越大，则轴向偏振牵引力越大。
7.如权利要求1所述的非线性偏振控制方法，其特征在于，所述泵浦光对探测光偏振态的轴向牵引力与Sagnac干涉环内保偏光纤长度有关，光纤越长，受激布里渊散射的作用距离越长，对探测光偏振态的偏振牵引约束力越大。
8.如权利要求1所述的非线性偏振控制方法，其特征在于，所述光纤Sagnac干涉环同时输出探测干涉光和泵浦干涉光，可以通过光滤波器滤除泵浦光，实现对探测光干涉信息信号的检测。
9.一种保偏光纤Sagnac干涉系统的非线性偏振控制系统，其特征在于，包括隔离器、偏振控制器、保偏光纤Sagnac干涉环、光纤环形器和光滤波器，将频率为vs的探测光和频率为νp的泵浦光同时分别经过隔离器和光纤环形器后再经过偏振控制器送入保偏光纤Sagnac干涉环，在保偏光纤Sagnac环中，顺时针方向传播的泵浦光和逆时针传播的探测光之间、逆时针方向传播的泵浦光和顺时针传播的探测光之间分别发生受激布里渊散射效应，顺/逆时针方向传播的探测光偏振态都被牵引嵌位在泵浦偏振光所在的主轴方向。
10.如权利要求9所述的非线性偏振控制系统，其特征在于，所述保偏光纤Sagnac干涉环包括保偏光纤和保偏光纤耦合器，所述保偏光纤耦合器的分光比为1:1。
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