CN111912400B - 一种保偏光纤环分布式偏振串扰双向同时测量装置及方法 - Google Patents
一种保偏光纤环分布式偏振串扰双向同时测量装置及方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明提出一种保偏光纤环分布式偏振串扰双向同时测量装置，解决现有测量保偏光纤环正反向偏振特性的方案容易引起测量误差的问题，装置的光源模块产生的测量光信号注入保偏光纤环双向测量共用光路模块中并在保偏光纤环中发生耦合，信号差分光程扫描与干涉解调模块中的第一解调干涉仪、第二解调干涉仪共用差分光程扫描器，可同时获得待测光纤环中任意位置的双向偏振串扰测量结果，本发明还提出一种保偏光纤环分布式偏振串扰双向同时测量方法，能够降低正反向测量差异，测量准确性和可靠性高，可广泛用于保偏光纤环的分布式偏振串扰双向测量、互易性评估以及绕环对称性评价。
Description
技术领域
本发明涉及光学测量的技术领域，更具体地，涉及一种保偏光纤环分布式偏振串扰双向同时测量装置及方法。
背景技术
光纤陀螺相较于传统的机电陀螺或激光陀螺具有无运动部件、重量轻、精度高、成本低、寿命长及抗冲击能力强等优点，已经成为航空、航天、航海等领域中最具有发展前景的主流惯性仪表。保偏光纤环是光纤陀螺系统的核心关键部件，其绕制工艺和偏振性能将直接影响到光纤陀螺系统的整机性能，尤其是保偏光纤环的绕环对称性决定了光纤陀螺的导航精度。因此，对保偏光纤环的偏振性能进行测试与评估，并由此改进绕环工艺提高保偏光纤环的互易性，对光纤陀螺系统的性能优化具有重大意义。
传统关于光纤环绕环质量的检测与评估，多数都是从光纤环的温度分布或应力分布的角度来进行光纤环的对称性与质量评定，仅能表征光纤径向方向受到外界影响的变化情况。伴随着基于白光干涉原理的光学相干域偏振测量技术(OCDP)的快速发展，超高灵敏度、超大动态范围的保偏光纤分布式偏振串扰测量已经能够实现，该技术能够测量沿光纤轴向传输光信号在光纤环各个位置的能量耦合情况，为光纤环的绕环对称性和质量评定提供更加直观且有效的评价方法。2011年12月21日，哈尔滨工程大学在中国专利中公开了一种提高保偏光纤偏振耦合测量精度和对称性的装置与方法(公布号：CN102288388A)，通过在光源与待测光纤之间加入光信号可控换向机构，使光信号分别从正向和反向进入待测光纤，从而达到双向测量的目的，非常方便快捷；2017年2月22日，哈尔滨工程大学公开了一种光纤陀螺环偏振耦合的对称性评估装置(公布号：CN106441353A)，该发明中利用多个起偏器、检偏器和环形器等光学器件搭建被测光路，可同时将光信号双向注入待测光纤陀螺环中，并分别采用两套解调干涉仪实现光纤陀螺环的双向同时测量。2017年10月24日，哈尔滨工程大学公开了一种共光路的光纤环正反向同时测量装置(公布号：CN107289922A)，该发明利用共光路的结构，同时将光信号双向注入待测光纤环，采用一套干涉光路对信号进行解调，对解调干涉仪部分进行了改进，极大简化了测量装置的复杂程度。
然而，上述用于测量保偏光纤环正反向偏振特性的方案，均是采用多个光学器件来搭建保偏光纤环被测光路，正向和反向光信号传输时所经过的光器件不同，尤其是像起偏器和检偏器这类具有偏振特性的光学器件，其自身微小的性能参数(如偏振消光比)差异，将会对正反向测量结果带来较为严重的测量误差。
因此，目前仍然缺乏一种准确有效的装置及方法，能够实现保偏光纤环偏振串扰的双向同时测量。
发明内容
为解决现有测量保偏光纤环正反向偏振特性的方案容易引起测量误差的问题，本发明提出一种保偏光纤环分布式偏振串扰双向同时测量装置及方法，降低正反向测量差异，提高测量准确性和可靠性。
本发明旨在至少在一定程度上解决上述技术问题。
为了达到上述技术效果，本发明的技术方案如下：
一种保偏光纤环分布式偏振串扰双向同时测量装置，包括：光源模块、保偏光纤环双向测量共用光路模块、差分光程扫描与干涉解调模块、信号检测与处理模块，所述光源模块产生测量光信号并注入到保偏光纤环双向测量共用光路模块中，测量光信号在保偏光纤环双向测量共用光路模块中均分，形成正向输入光及反向输入光，正向输入光及反向输入光分别在双向测量共用光路模块中发生耦合，形成正向耦合光及反向耦合光，所述保偏光纤环双向测量共用光路模块设有反向偏振输出端A及正向偏振输出端B，差分光程扫描与干涉解调模块包括第一解调干涉仪、第二解调干涉仪及共用差分光程扫描器，正向输入光、正向耦合光从正向偏振输出端B出射注入至第一解调干涉仪中，反向输入光、反向耦合光从反向偏振输出端A出射注入至第二解调干涉仪中，第一解调干涉仪、第二解调干涉仪均通过共用差分光程扫描器同时进行光程补偿，使正向输入光与正向耦合光发生干涉，反向输入光与反向耦合光发生干涉，第一解调干涉仪及第二解调干涉仪均连接信号检测与处理模块，将干涉后的测量光信号传输至信号检测与处理模块中处理分析。
在此，信号检测与处理模块利用内置的测量与处理软件，同时获得正向和反向测量光信号信息，通过对比分析双向测量结果，评价保偏光纤环的双向偏振特性、互易性和绕环对称性等参数。
优选地，所述光源模块包括宽谱SLD光源、光学隔离器及光学起偏器，宽谱SLD光源、光学隔离器及光学起偏器依次连接，宽谱SLD光源输出测量光信号，测量光信号通过光学隔离器传输至光学起偏器，光学起偏器上设有保偏尾纤，光学起偏器将光信号起偏至快轴并通过保偏尾纤输出，注入到保偏光纤环双向测量共用光路模块中。
在此，光学隔离器的光传输方式为单向传输，即从宽谱SLD光源输出的测量光信号可传输至光学起偏器，称之为导通状态。反之，则不能从光学起偏器返回宽谱SLD光源，称之为截止状态，该结构可降低对光源的干扰，提高测试性能。
优选地，所述保偏光纤环双向测量共用光路模块包括保偏耦合器、第一保偏环形器、第二保偏环形器、待测保偏光纤环、第三保偏环形器、第四保偏环形器及光学检偏器，光学检偏器上设有第一检偏器尾纤及第二检偏器尾纤，所述保偏耦合器的第一输入端通过保偏尾纤连接光源模块，保偏耦合器的第一输出端连接第一保偏环形器的第一端口，保偏耦合器的第二输出端连接第二保偏环形器的第一端口，第一保偏环形器的第二端口连接待测保偏光纤环的一端，连接点作为第一测量连接点，第二保偏环形器的第二端口连接待测保偏光纤环的另一端，连接点作为第二测量连接点；第一保偏环形器的第三端口连接第四保偏环形器的第一端口，第二保偏环形器的第三端口连接第三保偏环形器的第一端口，第三保偏环形器的第二端口连接第一检偏器尾纤，第四保偏环形器的第二端口连接第二检偏尾纤，所述第三保偏环形器的第三端口作为反向偏振输出端A，第四保偏环形器的第三端口作为正向偏振输出端B。
在此，第一保偏环形器、第二保偏环形器、第三保偏环形器、第四保偏环形器均为三端口器件，对于第一保偏环形器、第二保偏环形器、第三保偏环形器、第四保偏环形器中的任意一个，第一端口至第二端口、第二端口至第三端口为导通状态，与其相反的传输路径均为截止状态，光学检偏器为双向传输器件，其正向和反向的传输性能、功能参数完全相同，保证保偏光纤环双向测量共用光路模块的测量光信号的有效传输。
优选地，所述第一解调干涉仪包括第一单模耦合器、第一单模环形器、第二单模耦合器，所述第一单模耦合器的第一输入端连接正向偏振输出端B，第一单模耦合器的第一输出端连接第二单模耦合器的第一输入端口，第一单模耦合器的第二输出端连接第一单模环形器的第一端口，第一单模环形器的第二端口连接共用差分光程扫描器，第一单模环形器的第三端口连接第二单模耦合器的第二输入端口，第二单模耦合器的第一输出端口及第二输出端口均连接信号检测与处理模块；
所述第二解调干涉仪包括第三单模耦合器、第二单模环形器、第四单模耦合器，所述第三单模耦合器的第一输入端连接反向偏振输出端A，第三单模耦合器的第一输出端连接第四单模耦合器的第一输入端口，第三单模耦合器的第二输出端连接第二单模环形器的第一端口，第二单模环形器的第二端口连接共用差分光程扫描器，第二单模环形器的第三端口连接第四单模耦合器的第二输入端口，第四单模耦合器的第一输出端口及第二输出端口均连接信号检测与处理模块。
在此，第一解调干涉仪、第二解调干涉仪的光路结构、器件组成和参数选择完全相同，此外，第一解调干涉仪与第二解调干涉仪的两臂光程差相等，第一解调干涉仪、第二解调干涉仪输入光纤的长度和参考臂的光纤长度也相等。
优选地，所述共用差分光程扫描器包括第一光纤准直透镜、第二光纤准直透镜、双面扫描反射镜及光程扫描平台，所述第一光纤准直透镜、第二光纤准直透镜分别位于双面扫描反射镜的两侧，光程扫描平台位于双面扫描反射镜的下端，第一光纤准直透镜连接第一单模环形器的第二端口，第二光纤准直透镜连接第二单模环形器的第二端口，第一光纤准直透镜、第二光纤准直透镜共用光程扫描平台。
在此，共用差分光程扫描器中的第一光纤准直透镜和第二光纤准直透镜共用同一个光程扫描平台，且分别位于双面扫描反射镜的两侧，意味着一侧扫描距离的增加(或减少)量等于另一侧扫描距离的减少(或增加)量，采用差分扫描方式，可实现双向同一位置的同时测量，直接获取正反向测量的对比信号，无需复杂的数据处理过程，实现差分光程扫描的功能，效率高。
优选地，所述信号检测与处理模块包括第一差分光电探测器、第二差分光电探测器、第三差分光电探测器、第四差分光电探测器、信号采集与数据处理单元及计算机，第一差分光电探测器连接第二单模耦合器的第一输出端口，第二差分光电探测器连接第二单模耦合器的第二输出端口，第一差分光电探测器及第二差分光电探测器对第一解调干涉仪输出的干涉后的测量光信号进行探测；第三差分光电探测器连接第四单模耦合器的第二输出端口，第四差分光电探测器连接第四单模耦合器的第一输出端口，第三差分光电探测器及第四差分光电探测器对第二解调干涉仪输出的干涉后的测量光信号进行探测；第一差分光电探测器、第二差分光电探测器、第三差分光电探测器、第四差分光电探测器探测到的测量光信号同时传输至信号采集与数据处理单元中进行分析处理，信号采集与数据处理单元将分析处理后的测量光信号传输至计算机进行显示与存储，计算机的存在便于了测量数据的提取和分析。
优选地，保偏光纤环分布式偏振串扰双向同时测量装置中的任意一个连接处均为0°对轴熔接。
本发明还提出一种保偏光纤环分布式偏振串扰双向同时测量方法，所述方法基于保偏光纤环分布式偏振串扰双向同时测量装置实现，至少包括：
S1.设定保偏耦合器的第一输入端、第一输出端及第二输出端的保偏尾纤长度均为lr，计算保偏耦合器对应的光程量Sr；
S2.设定第一保偏环形器的第一端口、第二端口及第三端口的保偏光纤长度均为lc；第二保偏环形器的第一端口、第二端口及第三端口的保偏光纤长度均为lc；第三保偏环形器的第一端口、第二端口及第三端口的保偏光纤长度均为lc；第四保偏环形器的第一端口、第二端口及第三端口的保偏光纤长度均为lc，计算第一保偏环形器、第二保偏环形器、第三保偏环形器及第四保偏环形器对应的光程量Sc；
S3.设定光学检偏器的第一检偏器尾纤及第二检偏器尾纤的长度均为la，计算光学检偏器对应的光程量Sa；设定光学起偏器的保偏尾纤的长度为lp，计算光学起偏器对应的光程量Sp；
S4.计算待测保偏光纤环(23)输出端连接点对应的光程量S，判断待测保偏光纤环输出端连接点对应的光程量S是否大于宽谱SLD光源的纹波自相干峰最大光程量Sripple，若是，执行步骤S5；否则，保持第一保偏环形器、第二保偏环形器、第三保偏环形器及第四保偏环形器所有端口的保偏光纤长度不变，将光学检偏器的第一检偏器尾纤及第二检偏器尾纤的长度延长△l，返回步骤S3；
S5.将待测保偏光纤环接入保偏光纤环双向测量共用光路模块中，启动保偏光纤环分布式偏振串扰双向同时测量装置；
S6.从信号检测与处理模块获取待测保偏光纤环的分布式偏振串扰双向测量图谱并存储；
S7.根据步骤S1～步骤S3中设定的保偏尾纤长度，分别计算待测保偏光纤环输出端连接点的特征干涉峰的光程量S及待测保偏光纤环的输入端连接点的特征干涉峰的光程量S’；
S8.根据待测保偏光纤环输入端连接点及输出端连接点的光程量，提取待测保偏光纤环的分布式偏振串扰双向同时测量结果；
S9.利用信号检测与处理模块对比分析待测保偏光纤环正向和反向测量结果，评估光纤环的绕环质量、绕环对称性和互易性。
在此，为了简化偏振串扰测量结果的分析过程，提高分析效率，同一光学器件中设定的保偏尾纤的长度相等；计算出的待测保偏光纤环输出端连接点的特征干涉峰的光程量S及待测保偏光纤环的输入端连接点的特征干涉峰的光程量S’之间的图谱信息即为待测保偏光纤环的分布式偏振串扰测量结果，步骤S8所述的提取待测保偏光纤环的分布式偏振串扰双向同时测量结果包括提取双向分布式偏振串扰、绕环中点、集总消光比等表征光纤环绕环质量的测量信息。
优选地，保偏耦合器对应的光程量Sr表示为：
Sr＝lr×Δnb
其中，lr表示第一输入端、第一输出端及第二输出端的保偏尾纤长度；Δnb表示保偏光纤的双折射；
第一保偏环形器、第二保偏环形器、第三保偏环形器及第四保偏环形器对应的光程量Sc表示为：
Sc＝lc×Δnb
其中，lc表示第一保偏环形器的第一端口、第二端口及第三端口的保偏光纤长度；
光学检偏器对应的光程量Sa表示为：
Sa＝la×Δnb
其中，la表示光学检偏器的第一检偏器尾纤及第二检偏器尾纤的长度；
光学起偏器对应的光程量Sp表示为：
Sp＝lp×Δnb
其中，lp表示光学起偏器的保偏尾纤的长度。
优选地，待测保偏光纤环输出端连接点对应的光程量S表示为：
S＝4Sc+Sa
其中，Sc表示第一保偏环形器、第二保偏环形器、第三保偏环形器及第四保偏环形器对应的光程量；Sa表示光学检偏器对应的光程量；
正向测量时，所述待测保偏光纤环输出端连接点为第二测量连接点，反向测量时，所述待测保偏光纤环输出端连接点为第一测量连接点；正向测量时，所述待测保偏光纤环输入端连接点为第一测量连接点，反向测量时，所述待测保偏光纤环输出端连接点为第二测量连接点；
待测保偏光纤环的输入端连接点的特征干涉峰的光程量S’表示为：
S’＝2Sc+2Sr+Sp
其中，Sc表示第一保偏环形器、第二保偏环形器、第三保偏环形器及第四保偏环形器对应的光程量；Sr表示保偏耦合器对应的光程量；Sp表示光学起偏器对应的光程量。
与现有技术相比，本发明技术方案的有益效果是：
本发明提出一种保偏光纤环分布式偏振串扰双向同时测量，光源模块产生测量光信号并注入到保偏光纤环双向测量共用光路模块，形成的正向输入光及反向输入光采用共用光路的方式，消除了由于偏振器件自身性能参数差异引入的正反向测量误差，测量准确性和可靠性高；而且，注入第一解调干涉仪、第二解调干涉仪的正向测量光信号和反向测量光信号均通过共用差分光程扫描器同时进行光程补偿，可实现双向同一位置的同时测量，直接获取正反向测量的对比信号，无需复杂的数据处理过程，测试效率高；另外，装置采用保偏光纤环双向测量共用光路模块及共用差分光程扫描器，简化了测量装置本身的复杂程度，又降低了测量装置的构建成本，且整个测量装置采用全光纤光路搭建而成，具有体积小、测量精度高、稳定性好等优点。
附图说明
图1为本发明实施例中提出的保偏光纤环分布式偏振串扰双向同时测量装置的结构示意图；
图2为本发明实施例中提出的保偏光纤环双向测量共用光路模块中光信号的光路传输路径图。
图3为本发明实施例中提出的光信号在差分光程扫描与干涉解调模块中传输及输出信号示意图。
图4为本发明实施例中提出的保偏光纤环分布式偏振串扰双向同时测量方法的流程示意图。
具体实施方式
附图仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制；
为了更好说明本实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；
对于本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。
下面结合附图和实施例对本发明的技术方案做进一步的说明。
实施例1
如图1所示的保偏光纤环分布式偏振串扰双向同时测量装置的结构示意图，包括：
光源模块1、保偏光纤环双向测量共用光路模块2、差分光程扫描与干涉解调模块3、信号检测与处理模块4，光源模块1产生测量光信号并注入到保偏光纤环双向测量共用光路模块2中，测量光信号在保偏光纤环双向测量共用光路模块2中均分，形成正向输入光及反向输入光，正向输入光及反向输入光分别在双向测量共用光路模块2中发生耦合，形成正向耦合光及反向耦合光，保偏光纤环双向测量共用光路模块2设有反向偏振输出端A及正向偏振输出端B，差分光程扫描与干涉解调模块3包括第一解调干涉仪31、第二解调干涉仪32及共用差分光程扫描器33，正向输入光、正向耦合光从正向偏振输出端B出射注入至第一解调干涉仪31中，反向输入光、反向耦合光从反向偏振输出端A出射注入至第二解调干涉仪32中，第一解调干涉仪31、第二解调干涉仪32均通过共用差分光程扫描器33同时进行光程补偿，使正向输入光与正向耦合光发生干涉，反向输入光与反向耦合光发生干涉，第一解调干涉仪31及第二解调干涉仪32均连接信号检测与处理模块4，将干涉后的测量光信号传输至信号检测与处理模块4中处理分析。信号检测与处理模块4利用内置的测量与处理软件，同时获得正向和反向测量光信号信息，通过对比分析双向测量结果，评价保偏光纤环的双向偏振特性、互易性和绕环对称性等参数。
在本实施例中，参见图1，光源模块1包括宽谱SLD光源11、光学隔离器12及光学起偏器13，宽谱SLD光源11的中心波长为1550nm、半谱宽度大于45nm，出纤功率大于3mW，光源光谱纹波自相干峰幅值约为-60dB，纹波自相干峰的光程范围约4～7mm；光学隔离器12的工作波长为1550nm、插入损耗小于0.8dB，隔离度大于35dB；光学起偏器13为0°光学起偏器，工作波长为1550nm，偏振消光比大于30dB，插入损耗小于1dB，其保偏尾纤14为熊猫型光纤；宽谱SLD光源11、光学隔离器12及光学起偏器13依次连接，宽谱SLD光源11输出测量光信号，测量光信号通过光学隔离器12传输至光学起偏器13，光学起偏器13上设有保偏尾纤14，光学起偏器13将光信号起偏至快轴并通过保偏尾纤14输出，注入到保偏光纤环双向测量共用光路模块2中。
参见图1及图2，保偏光纤环双向测量共用光路模块2包括保偏耦合器21、第一保偏环形器22、待测保偏光纤环23、第二保偏环形器24、第三保偏环形器25、第四保偏环形器27及光学检偏器26，光学检偏器26上设有第一检偏器尾纤26a及第二检偏器尾纤26b，保偏耦合器21的第一输入端21a通过保偏尾纤14连接光源模块1，保偏耦合器21的第一输出端21b连接第一保偏环形器22的第一端口22a，保偏耦合器21的第二输出端21c连接第二保偏环形器24的第一端口24a，第一保偏环形器22的第二端口22b连接待测保偏光纤环23的一端，连接点作为第一测量连接点23a，第二保偏环形器24的第二端口24b连接待测保偏光纤环23的另一端，连接点作为第二测量连接点23b；第一保偏环形器22的第三端口22c连接第四保偏环形器27的第一端口27a，第二保偏环形器24的第三端口24c连接第三保偏环形器25的第一端口25a，第三保偏环形器25的第二端口25b连接第一检偏器尾纤26a，第四保偏环形器27的第二端口27b连接第二检偏尾纤26b，第三保偏环形器25的第三端口25c作为反向偏振输出端A，第四保偏环形器27的第三端口27c作为正向偏振输出端B。
在本实施例中，保偏耦合器21为1×2保偏耦合器，工作波长为1550nm，插入损耗小于1dB，分光比为50：50，偏振消光比大于20dB，3个端口的保偏尾纤均为熊猫型光纤；第一保偏环形器22、第二保偏环形器24、第三保偏环形器25、第四保偏环形器27均为三端口环形器，每两个端口之间的插入损耗小于1dB，隔离度大于40dB，其工作波长为1550nm，偏振消光比大于20dB，三个端口的保偏尾纤均为熊猫型光纤；光学检偏器26为45°光学检偏器，工作波长为1550nm，偏振消光比小于0.2dB，插入损耗小于1dB，其保偏尾纤26a和26b均为熊猫型光纤，该器件为双向传输器件，正反向的传输性能和功能参数完全相同；保偏光纤环双向测量共用光路模块2中光信号的光路传输路径图如图2所示，设光源模块1产生的测量光信号为Ex，并假定其偏振方向为保偏光纤14的慢轴，该测量光信号被保偏耦合器21均分，分别沿第一输出端21b正向和第二输出端21c反向进行传输，均分后的测量光信号分别记为正向输入光EFx和反向输入光EBx。其中，正向输入光EFx经过待测保偏光纤环23后，会有部分光能量耦合至快轴中并表示为正向耦合光EFy，未发生耦合的光能量表示为EFx’，两部分光信号经过45°光学检偏器26后，被映射到相同偏振方向并输出。同理，反向输入光EBx经过待测保偏光纤环23后，会有部分光能量耦合至快轴中并表示为反向耦合光EBy，未发生耦合的光能量表示为EBx’，两部分光信号经过45°光学检偏器26后被映射到相同偏振方向并输出，其中，发生光能量耦合的部分正向耦合光EFy与未发生耦合的剩余正向输入光EFx’通过正向偏振输出端B输出，发生光能量耦合的部分反向耦合光EBy与未发生耦合的剩余反向输入光EBx’通过反向偏振输出端A输出。
参见图1及图3，第一解调干涉仪31包括第一单模耦合器311、第一单模环形器312、第二单模耦合器313，在本实施例中，第一单模耦合器311、第三单模耦合器321的工作波长为1550nm，插入损耗小于0.5dB，分光比为50：50；第一单模环形器312、第二单模环形器322均为三端口环行器，每两个端口之间的插入损耗小于1dB，隔离度大于40dB，其工作波长为1550nm；第二单模耦合器313、第二2×2单模耦合器323的工作波长为1550nm，插入损耗小于0.5dB，分光比为50：50；第一单模耦合器311的第一输入端311a连接正向偏振输出端B，第一单模耦合器311的第一输出端311b连接第二单模耦合器313的第一输入端口313a，第一单模耦合器311的第二输出端311c连接第一单模环形器312的第一端口312a，第一单模环形器312的第二端口312b连接共用差分光程扫描器33，第一单模环形器312的第三端口312c连接第二单模耦合器313的第二输入端口313b，第二单模耦合器313的第一输出端口313c及第二输出端口313d均连接信号检测与处理模块4；第二解调干涉仪32包括第三单模耦合器321、第二单模环形器322、第四单模耦合器323，第三单模耦合器321的第一输入端321a连接反向偏振输出端A，第三单模耦合器321的第一输出端321b连接第四单模耦合器323的第一输入端口323a，第三单模耦合器321的第二输出端321c连接第二单模环形器322的第一端口322a，第二单模环形器322的第二端口322b连接共用差分光程扫描器33，第二单模环形器322的第三端口322c连接第四单模耦合器323的第二输入端口323b，第四单模耦合器323的第一输出端口323c及第二输出端口323d均连接信号检测与处理模块4。
通过图1和图3可以看出，第一解调干涉仪31、第二解调干涉仪32的光路结构、器件组成和参数选择完全相同，此外，第一解调干涉仪31与第二解调干涉仪32两臂光程差相等，第一解调干涉仪31、第二解调干涉仪32的输入光纤长度和参考臂光纤长度也相等。如图3所示，发生光能量耦合的部分正向耦合光EFy与未发生耦合的剩余正向输入光EFx’通过正向偏振输出端B输出，传输至第一解调干涉仪31的第一单模耦合器311，被第一单模耦合器311均分，传输至第一解调干涉仪31的两臂中，参见图3，其中下侧一臂通过共用差分光程扫描器33进行光程补偿，使得发生光能量耦合的部分正向耦合光EFy与未发生耦合的剩余正向输入光EFx’在第二单模耦合器313处发生干涉；同理，发生光能量耦合的部分反向耦合光EBy与未发生耦合的剩余反向输入光EBx’通过反向偏振输出端A输出第二解调干涉仪32的第三单模耦合器321，被第三单模耦合器321均分，传输至第二解调干涉仪32的两臂中，参见图3，其中上侧一臂通过共用差分光程扫描器33进行光程补偿，使得发生光能量耦合的部分反向耦合光EBy与未发生耦合的剩余反向输入光EBx’在第四单模耦合器323处发生干涉。
共用差分光程扫描器33包括第一光纤准直透镜332、第二光纤准直透镜333、双面扫描反射镜334及光程扫描平台331，第一光纤准直透镜332、第二光纤准直透镜333的工作波长为1550nm，双面扫描反射镜334的反射率大于92％，光程扫描平台331的平均插入损耗小于2dB，损耗波动小于±0.2dB，光程扫描范围200mm(扫描范围可依据待测光纤环的长度进行调整)，第一光纤准直透镜332、第二光纤准直透镜333分别位于双面扫描反射镜334的两侧，光程扫描平台331位于双面扫描反射镜334的下端，第一光纤准直透镜332连接第一单模环形器312的第二端口312b，第二光纤准直透镜333连接第二单模环形器322的第二端口322b，第一光纤准直透镜332、第二光纤准直透镜333共用光程扫描平台331。参见图1，共用差分光程扫描器33中的第一光纤准直透镜332和第二光纤准直透镜333共用同一个光程扫描平台331，且分别位于双面扫描反射镜334的两侧，意味着一侧扫描距离的增加(或减少)量等于另一侧扫描距离的减少(或增加)量，采用差分扫描方式，可实现双向同一位置的同时测量，直接获取正反向测量的对比信号，无需复杂的数据处理过程，实现差分光程扫描的功能，效率高。具体来说，假定在测量过程中，双面扫描反射镜334的起始位置靠近第一光纤准直透镜332，那么正向测量的图谱中将会依据光程量从小到大依次显示各个偏振串扰干涉峰，也就是说第二测量连接点23b的偏振串扰信息在前，第一测量连接点23a的偏振串扰信息在后。而对于反向测量来说，双面扫描反射镜334的起始位置远离第二光纤准直透镜333，那么反向测量的图谱中将会依据光程量从大到小依次显示各个偏振串扰干涉峰，也就是说第二测量连接点23b的偏振串扰信息仍然在前，第一测量连接点23a的偏振串扰信息仍然在后。如图3所示，如果待测保偏光纤环23的绕环对称性较好，那么正向和反向测量图谱是完全一致的，图3中图谱横坐标表示光程量OPD，纵坐标表示偏振串扰干涉峰的强度I，这也极大简化了数据处理和对比的过程。
信号检测与处理模块4包括第一差分光电探测器41、第二差分光电探测器42、第三差分光电探测器43、第四差分光电探测器44、信号采集与数据处理单元45及计算机46，第一差分光电探测器41、第二差分光电探测器42、第三差分光电探测器43、第四差分光电探测器44的光敏材料为InGaAs，光波长探测范围1200～1700nm，光电转换的响应度大于0.8，第一差分光电探测器41连接第二单模耦合器313的第一输出端口313c，第二差分光电探测器42连接第二单模耦合器313的第二输出端口313d，第一差分光电探测器41及第二差分光电探测器42对第一解调干涉仪31输出的干涉后的测量光信号进行探测；第三差分光电探测器43连接第四单模耦合器323的第二输出端口323d，第四差分光电探测器44连接第四单模耦合器323的第一输出端口323a，第三差分光电探测器43及第四差分光电探测器44对第二解调干涉仪32输出的干涉后的测量光信号进行探测；第一差分光电探测器41、第二差分光电探测器42、第三差分光电探测器43、第四差分光电探测器44探测到的测量光信号同时传输至信号采集与数据处理单元45中进行分析处理，信号采集与数据处理单元45将分析处理后的测量光信号传输至计算机46进行显示与存储，计算机46的存在便于了测量数据的提取和分析。
在本实施例中，保偏光纤环分布式偏振串扰双向同时测量装置中的任意一个连接处均为0°对轴熔接。
如图4所示，本发明还提出一种保偏光纤环分布式偏振串扰双向同时测量方法，所述方法基于保偏光纤环分布式偏振串扰双向同时测量装置实现，包括：
S1.设定保偏耦合器的第一输入端、第一输出端及第二输出端的保偏尾纤长度均为lr，计算保偏耦合器对应的光程量Sr；保偏耦合器对应的光程量Sr表示为：
Sr＝lr×Δnb
其中，lr表示第一输入端、第一输出端及第二输出端的保偏尾纤长度；Δnb表示保偏光纤的双折射，按5×10-4计；
S2.设定第一保偏环形器的第一端口、第二端口及第三端口的保偏光纤长度均为lc；第二保偏环形器的第一端口、第二端口及第三端口的保偏光纤长度均为lc；第三保偏环形器的第一端口、第二端口及第三端口的保偏光纤长度均为lc；第四保偏环形器的第一端口、第二端口及第三端口的保偏光纤长度均为lc，计算第一保偏环形器、第二保偏环形器、第三保偏环形器及第四保偏环形器对应的光程量Sc；
第一保偏环形器、第二保偏环形器、第三保偏环形器及第四保偏环形器对应的光程量Sc表示为：
Sc＝lc×Δnb
其中，lc表示第一保偏环形器的第一端口、第二端口及第三端口的保偏光纤长度；
S3.设定光学检偏器的第一检偏器尾纤及第二检偏器尾纤的长度均为la，计算光学检偏器对应的光程量Sa；设定光学起偏器的保偏尾纤的长度为lp，计算光学起偏器对应的光程量Sp；光学检偏器对应的光程量Sa表示为：
Sa＝la×Δnb
其中，la表示光学检偏器的第一检偏器尾纤及第二检偏器尾纤的长度；
光学起偏器对应的光程量Sp表示为：
Sp＝lp×Δnb
其中，lp表示光学起偏器的保偏尾纤的长度；
S4.计算待测保偏光纤环对应的光程量S，判断待测保偏光纤环输出端连接点对应的光程量S是否大于宽谱SLD光源的纹波自相干峰最大光程量Sripple，若是，执行步骤S5；否则，保持第一保偏环形器、第二保偏环形器、第三保偏环形器及第四保偏环形器所有端口的保偏光纤长度不变，将光学检偏器的第一检偏器尾纤及第二检偏器尾纤的长度延长△l，返回步骤S3；
S5.将待测保偏光纤环接入保偏光纤环双向测量共用光路模块中，启动保偏光纤环分布式偏振串扰双向同时测量装置；
S6.从信号检测与处理模块获取待测保偏光纤环的分布式偏振串扰双向测量图谱并存储；
S7.根据步骤S1～步骤S3中设定的保偏尾纤长度，分别计算待测保偏光纤环输出端连接点的特征干涉峰的光程量S及待测保偏光纤环的输入端连接点的特征干涉峰的光程量S’；待测保偏光纤环输出端连接点对应的光程量S表示为：
S＝4Sc+Sa
其中，Sc表示第一保偏环形器、第二保偏环形器、第三保偏环形器及第四保偏环形器对应的光程量；Sa表示光学检偏器对应的光程量；
在本实施例中，步骤S4所述的将光学检偏器的第一检偏器尾纤及第二检偏器尾纤的长度延长△l中“△l”为实际操作时适当选择的长度；正向测量时，所述待测保偏光纤环输出端连接点为第二测量连接点，反向测量时，所述待测保偏光纤环输出端连接点为第一测量连接点；正向测量时，所述待测保偏光纤环输入端连接点为第一测量连接点，反向测量时，所述待测保偏光纤环输出端连接点为第二测量连接点；
待测保偏光纤环的输入端连接点的特征干涉峰的光程量S’表示为：
S’＝2Sc+2Sr+Sp
其中，Sc表示第一保偏环形器、第二保偏环形器、第三保偏环形器及第四保偏环形器对应的光程量；Sr表示保偏耦合器对应的光程量；Sp表示光学起偏器对应的光程量；
S8.根据待测保偏光纤环输入端连接点及输出端连接点的光程量，提取待测保偏光纤环的分布式偏振串扰双向同时测量结果；
S9.利用信号检测与处理模块对比分析待测保偏光纤环正向和反向测量结果，评估光纤环的绕环质量、绕环对称性和互易性。
具体实施时，假定0°光学起偏器13的保偏尾纤14的长度为lp，计算其对应的光程量为Sp；设定保偏耦合器21的第一输入端21a、第一输出端21b、第二输出端21c的保偏尾纤14的长度lr相等，为2m，计算其对应的光程量为Sr＝lr×Δnb＝1000um；设定第一保偏环形器的第一端口、第二端口及第三端口的保偏光纤长度、第二保偏环形器的第一端口、第二端口及第三端口的保偏光纤长度均为lc；第三保偏环形器的第一端口、第二端口及第三端口的保偏光纤长度均为lc；第四保偏环形器的第一端口、第二端口及第三端口的保偏光纤长度均为lc，lc为2m,计算其对应的光程量为Sc,Sc＝lc×Δnb＝1000um；设定45°光学检偏器26两端保偏尾纤26a和26b的长度相等并记为la，la取20m，计算其对应的光程量为Sa，Sa＝la×Δnb＝10000um，0°光学起偏器13的保偏尾纤14的长度为lp＝10m，计算其对应的光程量为Sp＝lp×Δnb＝5000um；待测保偏光纤环输出端连接点对应的光程量S为：S＝4Sc+Sa＝4×1000+10000＝14000um；由于宽谱SLD光源11的纹波自相干峰最大光程量为Sripple＝7000um，待测保偏光纤环输出端连接点对应的光程量S大于宽谱SLD光源的纹波自相干峰最大光程量Sripple；将待测保偏光纤环接入保偏光纤环双向测量共用光路模块中，启动保偏光纤环分布式偏振串扰双向同时测量装置，根据所测得的各光学器件保偏尾纤的长度，定位待测保偏光纤环23的输出端连接点的特征干涉峰的光程量S及待测保偏光纤环的输入端连接点的特征干涉峰的光程量S’，其中S为距离测量图谱起始位置的光程量，S’为距离测量图谱结尾位置的光程量，两个特征干涉峰之间的图谱信息即为待测保偏光纤环23的分布式偏振串扰测量结果。
附图中描述位置关系的用于仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制；
显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种保偏光纤环分布式偏振串扰双向同时测量装置，其特征在于，包括：光源模块(1)、保偏光纤环双向测量共用光路模块(2)、差分光程扫描与干涉解调模块(3)、信号检测与处理模块(4)，所述光源模块(1)产生测量光信号并注入到保偏光纤环双向测量共用光路模块(2)中，测量光信号在保偏光纤环双向测量共用光路模块(2)中均分，形成正向输入光及反向输入光，正向输入光及反向输入光分别在双向测量共用光路模块(2)中发生耦合，形成正向耦合光及反向耦合光，所述保偏光纤环双向测量共用光路模块(2)设有反向偏振输出端A及正向偏振输出端B，差分光程扫描与干涉解调模块(3)包括第一解调干涉仪(31)、第二解调干涉仪(32)及共用差分光程扫描器(33)，正向输入光、正向耦合光从正向偏振输出端B出射注入至第一解调干涉仪(31)中，反向输入光、反向耦合光从反向偏振输出端A出射注入至第二解调干涉仪(32)中，第一解调干涉仪(31)、第二解调干涉仪(32)均通过共用差分光程扫描器(33)同时进行光程补偿，使正向输入光与正向耦合光发生干涉，反向输入光与反向耦合光发生干涉，第一解调干涉仪(31)及第二解调干涉仪(32)均连接信号检测与处理模块(4)，将干涉后的测量光信号传输至信号检测与处理模块(4)中处理分析。
2.根据权利要求1所述的保偏光纤环分布式偏振串扰双向同时测量装置，其特征在于，所述光源模块(1)包括宽谱SLD光源(11)、光学隔离器(12)及光学起偏器(13)，宽谱SLD光源(11)、光学隔离器(12)及光学起偏器(13)依次连接，宽谱SLD光源(11)输出测量光信号，测量光信号通过光学隔离器(12)传输至光学起偏器(13)，光学起偏器(13)上设有保偏尾纤(14)，光学起偏器(13)将光信号起偏至快轴并通过保偏尾纤(14)输出，注入到保偏光纤环双向测量共用光路模块(2)中。
3.根据权利要求2所述的保偏光纤环分布式偏振串扰双向同时测量装置，其特征在于，所述保偏光纤环双向测量共用光路模块(2)包括保偏耦合器(21)、第一保偏环形器(22)、待测保偏光纤环(23)、第二保偏环形器(24)、第三保偏环形器(25)、第四保偏环形器(27)及光学检偏器(26)，光学检偏器(26)上设有第一检偏器尾纤(26a)及第二检偏器尾纤(26b)，所述保偏耦合器(21)的第一输入端(21a)通过保偏尾纤(14)连接光源模块(1)，保偏耦合器(21)的第一输出端(21b)连接第一保偏环形器(22)的第一端口(22a)，保偏耦合器(21)的第二输出端(21c)连接第二保偏环形器(24)的第一端口(24a)，第一保偏环形器(22)的第二端口(22b)连接待测保偏光纤环(23)的一端，连接点作为第一测量连接点(23a)，第二保偏环形器(24)的第二端口(24b)连接待测保偏光纤环(23)的另一端，连接点作为第二测量连接点(23b)；第一保偏环形器(22)的第三端口(22c)连接第四保偏环形器(27)的第一端口(27a)，第二保偏环形器(24)的第三端口(24c)连接第三保偏环形器(25)的第一端口(25a)，第三保偏环形器(25)的第二端口(25b)连接第一检偏器尾纤(26a)，第四保偏环形器(27)的第二端口(27b)连接第二检偏尾纤(26b)，所述第三保偏环形器(25)的第三端口(25c)作为反向偏振输出端A，第四保偏环形器(27)的第三端口(27c)作为正向偏振输出端B。
4.根据权利要求3所述的保偏光纤环分布式偏振串扰双向同时测量装置，其特征在于，所述第一解调干涉仪(31)包括第一单模耦合器(311)、第一单模环形器(312)、第二单模耦合器(313)，所述第一单模耦合器(311)的第一输入端(311a)连接正向偏振输出端B，第一单模耦合器(311)的第一输出端(311b)连接第二单模耦合器(313)的第一输入端口(313a)，第一单模耦合器(311)的第二输出端(311c)连接第一单模环形器(312)的第一端口(312a)，第一单模环形器(312)的第二端口(312b)连接共用差分光程扫描器(33)，第一单模环形器(312)的第三端口(312c)连接第二单模耦合器(313)的第二输入端口(313b)，第二单模耦合器(313)的第一输出端口(313c)及第二输出端口(313d)均连接信号检测与处理模块(4)；
所述第二解调干涉仪(32)包括第三单模耦合器(321)、第二单模环形器(322)、第四单模耦合器(323)，所述第三单模耦合器(321)的第一输入端(321a)连接反向偏振输出端A，第三单模耦合器(321)的第一输出端(321b)连接第四单模耦合器(323)的第一输入端口(323a)，第三单模耦合器(321)的第二输出端(321c)连接第二单模环形器(322)的第一端口(312a)，第二单模环形器(322)的第二端口(322b)连接共用差分光程扫描器(33)，第二单模环形器(322)的第三端口(322c)连接第四单模耦合器(323)的第二输入端口(323b)，第四单模耦合器(323)的第一输出端口(323c)及第二输出端口(323d)均连接信号检测与处理模块(4)。
5.根据权利要求4所述的保偏光纤环分布式偏振串扰双向同时测量装置，其特征在于，所述共用差分光程扫描器(33)包括第一光纤准直透镜(332)、第二光纤准直透镜(333)、双面扫描反射镜(334)及光程扫描平台(331)，所述第一光纤准直透镜(332)、第二光纤准直透镜(333)分别位于双面扫描反射镜(334)的两侧，光程扫描平台(331)位于双面扫描反射镜(334)的下端，第一光纤准直透镜(332)连接第一单模环形器(312)的第二端口(312b)，第二光纤准直透镜(333)连接第二单模环形器(322)的第二端口(322b)，第一光纤准直透镜(332)、第二光纤准直透镜(333)共用光程扫描平台(331)。
6.根据权利要求5所述的保偏光纤环分布式偏振串扰双向同时测量装置，其特征在于，所述信号检测与处理模块(4)包括第一差分光电探测器(41)、第二差分光电探测器(42)、第三差分光电探测器(43)、第四差分光电探测器(44)、信号采集与数据处理单元(45)及计算机(46)，第一差分光电探测器(41)连接第二单模耦合器(313)的第一输出端口(313c)，第二差分光电探测器(42)连接第二单模耦合器(313)的第二输出端口(313d)，第一差分光电探测器(41)及第二差分光电探测器(42)对第一解调干涉仪(31)输出的干涉后的测量光信号进行探测；第三差分光电探测器(43)连接第四单模耦合器(323)的第二输出端口(323d)，第四差分光电探测器(44)连接第四单模耦合器(323)的第一输出端口(323c)，第三差分光电探测器(43)及第四差分光电探测器(44)对第二解调干涉仪(32)输出的干涉后的测量光信号进行探测；第一差分光电探测器(41)、第二差分光电探测器(42)、第三差分光电探测器(43)、第四差分光电探测器(44)探测到的测量光信号同时传输至信号采集与数据处理单元(45)中进行分析处理，信号采集与数据处理单元(45)将分析处理后的测量光信号传输至计算机(46)进行显示与存储。
7.根据权利要求1-6任意一项所述的保偏光纤环分布式偏振串扰双向同时测量装置，其特征在于，保偏光纤环分布式偏振串扰双向同时测量装置中的任意一个连接处均为0°对轴熔接。
8.一种保偏光纤环分布式偏振串扰双向同时测量方法，所述方法基于权利要求3所述的保偏光纤环分布式偏振串扰双向同时测量装置实现，其特征在于，至少包括：
S1.设定保偏耦合器(21)的第一输入端(21a)、第一输出端(21b)及第二输出端(21c)的保偏尾纤长度均为lr，计算保偏耦合器(21)对应的光程量Sr；
S2.设定第一保偏环形器(22)的第一端口(22a)、第二端口(22b)及第三端口(22c)的保偏光纤长度均为lc；第二保偏环形器(24)的第一端口(24a)、第二端口(24b)及第三端口(24c)的保偏光纤长度均为lc；第三保偏环形器(25)的第一端口(25a)、第二端口(25b)及第三端口(25c)的保偏光纤长度均为lc；第四保偏环形器(27)的第一端口(27a)、第二端口(27b)及第三端口(27c)的保偏光纤长度均为lc，计算第一保偏环形器(22)、第二保偏环形器(24)、第三保偏环形器(25)及第四保偏环形器(27)对应的光程量Sc；
S3.设定光学检偏器(26)的第一检偏器尾纤(26a)及第二检偏器尾纤(26b)的长度均为la，计算光学检偏器(26)对应的光程量Sa；设定光学起偏器(13)的保偏尾纤(14)的长度为lp，计算光学起偏器(13)对应的光程量Sp；
S4.计算待测保偏光纤环(23)输出端连接点对应的光程量S，判断待测保偏光纤环(23)输出端连接点对应的光程量S是否大于宽谱SLD光源(11)的纹波自相干峰最大光程量Sripple，若是，执行步骤S5；否则，保持第一保偏环形器(22)、第二保偏环形器(24)、第三保偏环形器(25)及第四保偏环形器(27)所有端口的保偏光纤长度不变，将光学检偏器(26)的第一检偏器尾纤(26a)及第二检偏器尾纤(26b)的长度延长△l，返回步骤S3；
S5.将待测保偏光纤环(23)接入保偏光纤环双向测量共用光路模块(2)中，启动保偏光纤环分布式偏振串扰双向同时测量装置；
S6.从信号检测与处理模块(4)获取待测保偏光纤环(23)的分布式偏振串扰双向测量图谱并存储；
S7.根据步骤S1～步骤S3中设定的保偏尾纤长度，分别计算待测保偏光纤环(23)输出端连接点的特征干涉峰的光程量S及待测保偏光纤环(23)的输入端连接点的特征干涉峰的光程量S’；
S8.根据待测保偏光纤环(23)输入端连接点及输出端连接点的光程量，提取待测保偏光纤环(23)的分布式偏振串扰双向同时测量结果；
S9.利用信号检测与处理模块(4)对比分析待测保偏光纤环(23)正向和反向测量结果，评估光纤环的绕环质量、绕环对称性和互易性。
9.根据权利要求8所述的保偏光纤环分布式偏振串扰双向同时测量方法，其特征在于，保偏耦合器(21)对应的光程量Sr表示为：
Sr＝lr×Δnb
其中，lr表示保偏耦合器(21)的第一输入端(21a)、第一输出端(21b)及第二输出端(21c)的保偏尾纤长度；Δnb表示保偏光纤的双折射；
第一保偏环形器(22)、第二保偏环形器(24)、第三保偏环形器(25)及第四保偏环形器(27)对应的光程量Sc表示为：
Sc＝lc×Δnb
其中，lc表示第一保偏环形器(22)的第一端口(22a)、第二端口(22b)及第三端口(22c)的保偏光纤长度；
光学检偏器(26)对应的光程量Sa表示为：
Sa＝la×Δnb
其中，la表示光学检偏器(26)的第一检偏器尾纤(26a)及第二检偏器尾纤(26b)的长度；
光学起偏器(13)对应的光程量Sp表示为：
Sp＝lp×Δnb
其中，lp表示光学起偏器(13)的保偏尾纤(14)的长度。
10.根据权利要求9所述的保偏光纤环分布式偏振串扰双向同时测量方法，其特征在于，待测保偏光纤环(23)输出端连接点对应的光程量S表示为：
S＝4S+S
c a
其中，Sc表示第一保偏环形器(22)、第二保偏环形器(24)、第三保偏环形器(25)及第四保偏环形器(27)对应的光程量；Sa表示光学检偏器(26)对应的光程量；
正向测量时，所述待测保偏光纤环(23)输出端连接点为第二测量连接点(23b)，反向测量时，所述待测保偏光纤环(23)输出端连接点为第一测量连接点(23a)；正向测量时，所述待测保偏光纤环(23)输入端连接点为第一测量连接点(23a)，反向测量时，所述待测保偏光纤环(23)输入端连接点为第二测量连接点(23b)；
待测保偏光纤环(23)的输入端连接点的特征干涉峰的光程量S’表示为：
S’＝2Sc+2Sr+Sp
其中，Sc表示第一保偏环形器(22)、第二保偏环形器(24)、第三保偏环形器(25)及第四保偏环形器(27)对应的光程量；Sr表示保偏耦合器(21)对应的光程量；Sp表示光学起偏器(13)对应的光程量。
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