CN113465878A - 一种保偏少模光纤拍长测量装置和测量方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种保偏少模光纤拍长测量装置和测量方法。本测量装置包括前处理光路、光线延迟器、标准单模光纤、测试光纤、显示终端、分束器和合束器，光线延迟器、标准单模光纤依次设置于分束器与合束器之间组成参考光路，测试光纤设置于分束器与合束器之间组成测量光路，合束器与CCD感光器组成成像光路，显示终端与CCD感光器电性连接。测量方法包括使用测量装置获取保偏少模光纤拍长的步骤。本发明的技术方案属于非接触测量，对测量环境适应性好，操作简单，精度高，具有良好一致性。本仪器可对保偏少模光纤的基模和高阶模拍长进行同时测量，对保偏少模光纤的研制、发展具有指导作用。
Description
技术领域
本发明涉及光学技术领域，特别是指一种保偏少模光纤拍长测量装置和测量方法。
背景技术
近年来随着互联网、人工智能等技术的飞速发展，全世界的网络带宽和数据中心对网络容量的需求呈现剧烈增长，多种复用技术与调制技术的结合使得单模光纤通信系统己经接近其传输极限，但仍无法满足信息化社会对传输容量的需求，因此光纤技术的发展已将目光投向少模光纤。少模光纤因为传输信息量能比单模光纤高出几个数量级，目前是模分复用系统主要的传输介质。但是在少模光纤通信系统中主要的问题是模式耦合引起的串扰，因此通常在接收端需要借助额外的硬件软件，利用MIMO恢复技术消除串扰，增加了总体成本。此外，MIMO的复杂性与模式的数量呈线性增长，很容易给信号处理模块带来巨大压力，所以保偏少模光纤开始引起研究人员的重视。
保偏少模光纤的模式退简并，有效折射率差比较大，能够有效解决模式串扰，从而简化或消除MIMO恢复技术，所以在短距离接入网和数据中心系统中，保偏少模光纤可以有效减少数据中心的光纤数量、提高运行速度和减少工程成本。
综合最近几年国内外关于保偏少模光纤的研究成果可以发现，保偏少模光纤的设计趋势是支持更多数量的模式有效分离，并且偏振模在C波段和L波段上的群速度色散要保持在很小的范围内，所以研究人员希望能设计出传输性能好，有效分离模式数量多的保偏少模光纤用以优化通信系统的性能，提高传输效率。虽然保偏少模光纤的研制正在不断发展，但是在保偏少模光纤性能参数的测量与评估方面，目前还缺少一种有效的测量方法。拍长定义为两个偏振基模相位差变化2π时，光在光纤中传输的距离，是重要的衡量保偏少模光纤性能的参量，精确地测量拍长对保偏少模光纤的发展和应用具有指导作用。但是主流拍长测量方法针对保偏单模光纤，尚未出现一种方法能实现对保偏少模光纤的基模和高阶模拍长的同时测量。
目前，对于拍长测量的方法主要有压力法，电磁调制法，扭转法，剪短法以及干涉法。压力法在被测光纤上施加周期性外力，光纤的双折射会发生改变，当外力沿光纤轴向移动的时候，输出光的偏振态会发生周期性的变化，从而测出光纤的拍长，该方法属于接触测量，操作难度较大，测量结果易受到光纤的放置状态影响，精度不高。电磁调制法在光纤中施加强磁场，由于光纤材料的法拉第效应，其输出光的偏振态发生变化，当磁场沿光纤轴向移动时，输出光的偏振态会发生周期性的变化，根据此变化周期得出拍长。电磁调制法是一种非接触的无损检测方法，但是测量所需的大磁场难以控制，并且需要设计合适的电路系统，增大了系统的复杂度。扭转法是一种非破坏性的测量方法，测量光纤在各种扭转角下的偏振态，根据周期性变化规律计算拍长，但是由于该方法对光纤两端进行固定的部分不能扭转，限制了拍长的最小可测值。剪断法是一种通过测量输出偏振态随光纤长度变化的关系来确定拍长的方法，该方法由于每次切下的光纤端面的不会完全相同，故会造成误差，并且对光纤造成了不可逆的损坏，无法保证一致性。例如公开号为：“CN101587011A”的专利文献，公开了一种测量保偏光纤拍长的方法，属于保偏光纤参数测量领域。该方法利用宽谱光源和偏振度测试仪，测量输出光在不同光纤长度下的偏振度，经过函数参数拟合得出拍长；实现该方法的测量装置包括宽谱光源、起偏器、起偏器尾纤、待测保偏光纤、偏振度测试仪；从宽谱光源出射的宽谱光经保偏光纤尾纤的起偏器后，通过光纤熔接点，进入待测保偏光纤，从待测保偏光纤出射的偏振光通过光纤连接器连接到偏振度测试仪上，记录测试仪上显示的偏振度数据，并不断剪短光纤长度进行重复测量，直到待测保偏光纤长度为零，通过参数拟合曲线得到拍长。该专利文献主要基于输出光偏振态随光纤长度的变化规律进行测量，这种测量装置对测量精度的要求极高，测量装置结构和算法复杂，测量过程漫长，测量效率较低，对光纤造成了不可逆的损害，因而方法的一致性也很难验证。
干涉法通过分析干涉谱或干涉图的特性来测量光纤的拍长。目前，干涉法主要有Sagnac干涉法和Michelson干涉法。其中，Sagnac干涉法利用Sagnac干涉环，根据光纤快轴和慢轴方向的光通过光纤，产生不同的相位延迟后发生干涉，采集相邻两个极值的波长，通过干涉谱的极值特性计算出待测光纤的拍长，但是该方法需要昂贵的光学设备，如用于波长扫描的光谱分析仪，对光谱仪的分辨率要求高，后续数据处理也比较复杂，测量时间较长。Michelson干涉法的原理是：两个偏振模式以不同的群速度在光纤中传输，在光纤的输出端产生光程差。通过分析仪将两种偏振模式混合，利用扫描Michelson干涉仪对光程差进行补偿，分析低相干干涉图的展宽从而得出拍长，但是该方法测量精度受电动位移平台的限制，难以实现实时测量。
目前这些拍长测量方法都是针对保偏单模光纤，不能对保偏少模光纤的基模和高阶模拍长进行同时测量。
发明内容
为了解决现有技术问题，本发明的目的在于克服已有技术存在的不足，提供一种保偏少模光纤拍长测量装置和测量方法，属于非接触测量，对光纤无损害，精度高，操作简单，测量范围广。
为达到上述发明创造目的，本发明采用如下技术方案：
一种保偏少模光纤拍长测量装置，包括前处理光路、光线延迟器、标准单模光纤、测试光纤、显示终端、分束器、合束器，所述光线延迟器、标准单模光纤依次设置于所述分束器与合束器之间组成参考光路，所述测试光纤设置于分束器与合束器之间组成测量光路，所述参考光路与所述测量光路相互并联，所述合束器还与CCD感光器组成成像光路，所述显示终端与所述CCD感光器电性连接，所述光线延迟器与所述控制终端电性连接。
优选地，所述标准单模光纤两端还分别连接有第一耦合器。
优选地，所述测试光纤两端还分别连接有第二耦合器。
优选地，所述参考光路还包括第一显微物镜，第一显微物镜设置于标准单模光纤与合束器之间。
优选地，所述测量光路还包括第二显微物镜，第二显微物镜设置于测试光纤与合束器之间。
优选地，所述显示终端和控制终端组成计算机系统。
优选地，在所述计算机系统中，通过控制终端内置的保偏少模光纤拍长测试软件系统，对在CCD感光器上生成干涉全息图依次进行傅里叶变换运算、基于模式特征的频域滤波处理后分别得到在两个主轴下的偏振模式能量波动曲线，分析基模和高阶模的正交偏振模式间的延时差，得到基模和高阶模的拍长，并通过显示终端向用户显示。
优选地，所述前处理光路包括光源生成器、波长选择器和偏振器，光源生成器、波长选择器、偏振器与所述分束器依次设置组成前处理光路。
一种使用本发明保偏少模光纤拍长测量装置的保偏少模光纤拍长测量方法，包括以下操作步骤：
a.调整偏振器，观察CCD感光器上干涉全息图的强度，使偏振器的角度与保偏少模光纤的某一主轴对齐，此时前处理光路输出的特征光束经过分束器传播后生成第一测试光束和第二测试光束，使第一测试光束通过参考光路，同时使第二测试光束经过测量光路传输后生成物光光束，再使参考光束与物光光束经过成像光路汇合后在所述CCD感光器上生成干涉全息图；
b.通过所述显示终端提取该干涉全息图并经过计算获得在该主轴下的保偏少模光纤的偏振模式能量波动曲线；
c.此时再次调整偏振器的角度，使偏振器的角度与保偏少模光纤的另一主轴对齐，重复上述步骤后获得在另一主轴下的保偏少模光纤的偏振模式能量波动曲线；
d.分离出在保偏少模光纤两个主轴下传输的偏振模式，同时计算得出基模和高阶模的拍长，并向用户显示。
优选地，所述步骤a中的特征光束是由所述光源生成器生成的超连续宽光谱光束经过前处理光路传播后对其波长进行筛选后形成。
本发明与现有技术相比较，具有如下显而易见的突出实质性特点和显著优点：
1.采用本发明的技术方案，通过调整偏振器使其分别与保偏少模光纤的主轴对齐，进行两次实验，分离出保偏少模光纤的两个主轴；光源生成器生成超连续宽光谱光束，超连续宽光谱光束经过前处理光路、分束器后生成第一测试光束和第二测试光束，第一测试光束经过参考光路传播后生成参考光束，第二测试光束经过测量光路传播后生成物光光束，再使参考光束与物光光束经过成像光路汇合后在所述CCD感光器上生成干涉全息图，通过所述显示终端提取该干涉全息图并获得偏振模式能量波动曲线，进过两次实验，分离出两个主轴下传输的偏振模式，最后计算出基模和高阶模的拍长；
2.本发明的测量装置和测量方法属于非接触测量，对光纤没有任何损害，精度高，操作简单，测量范围广，能够同时测量保偏少模光纤基模和高阶模的拍长，调整偏振器的角度，进行两次实验，使其分别与保偏少模光纤的两个主轴对齐，解决了模式延时较为接近的模式在偏振模式能量波动曲线中出现的混叠问题，第一测试光路经过光线延迟器后变换成经过延时后的参考光束，光线延迟器由计算机进行控制，对延时时间进行调节，获得参考光束不同的光程延时量，从而获得不同延时状态下的实时干涉全息图，经过实时处理后分别构建出两个主轴下的偏振模式能量波动曲线，最终计算出保偏少模光纤基模和高阶模的拍长；
2.本发明对保偏少模光纤的研制和应用具有指导作用，并对偏振光学的研究、保偏少模光纤传感等领域提供试验基础，具有适用范围广，实用价值高的优点。
附图说明
图1是本发明优选实施例的结构示意图。
图2是本发明优选实施例的保偏少模光纤在两个主轴下的偏振模式能量波动曲线图。
图3是本发明优选实施例获得的保偏少模光纤在x轴下传输的偏振模式的数字全息图。
图4是本发明优选实施例获得的保偏少模光纤在x轴下传输的偏振模式的强度分布图。
图5是本发明优选实施例获得的保偏少模光纤在y轴下传输的偏振模式的数字全息图。
图6是本发明优选实施例获得的保偏少模光纤在y轴下传输的偏振模式的强度分布图。
图中：1-光线延迟器，2-标准单模光纤，3-测试光纤，4-显示终端，5-分束器，6-合束器，7-CCD感光器，8-第一耦合器，9-第二耦合器，10-第一显微物镜，11-第二显微物镜，12-控制终端，13-光源生成器，14-波长选择器，15-偏振器。
具体实施方式
以下结合具体的实施例子对上述方案做进一步说明，本发明的优选实施例详述如下：
实施例一：
在本实施例中，参见图1，一种保偏少模光纤拍长测量装置，包括前处理光路、光线延迟器1、标准单模光纤2、测试光纤3、显示终端4、分束器5、合束器6，所述光线延迟器1、标准单模光纤2依次设置于所述分束器5与合束器6之间组成参考光路，所述测试光纤3设置于分束器5与合束器6之间组成测量光路，所述参考光路与所述测量光路相互并联，所述合束器6还与CCD感光器7组成成像光路，所述显示终端4与所述CCD感光器7电性连接，所述光线延迟器1与所述控制终端12电性连接。
本实施例保偏少模光纤拍长测量装置能进行非接触测量，对光纤无损害，精度高，操作简单，测量范围广。
实施例二：
本实施例与实施例一基本相同，特别之处在于：
在本实施例中，所述标准单模光纤2两端还分别连接有第一耦合器8。
在本实施例中，所述测试光纤3两端还分别连接有第二耦合器9。
在本实施例中，所述参考光路还包括第一显微物镜10，第一显微物镜10设置于标准单模光纤2与合束器6之间。
在本实施例中，所述测量光路还包括第二显微物镜11，第二显微物镜11设置于测试光纤3与合束器6之间。
在本实施例中，所述显示终端4和控制终端12组成计算机系统。
在本实施例中，在所述计算机系统中，通过控制终端12内置的保偏少模光纤拍长测试软件系统，对在CCD感光器7上生成干涉全息图依次进行傅里叶变换运算、基于模式特征的频域滤波处理后分别得到在两个主轴下的偏振模式能量波动曲线，分析基模和高阶模的正交偏振模式间的延时差，得到基模和高阶模的拍长，并通过显示终端4向用户显示。
在本实施例中，所述前处理光路包括光源生成器13、波长选择器14和偏振器15，光源生成器13、波长选择器14、偏振器15与所述分束器5依次设置组成前处理光路。
本实施例通过调整偏振器使其分别与保偏少模光纤的主轴对齐，进行两次实验，分离出保偏少模光纤的两个主轴；光源生成器生成超连续宽光谱光束，超连续宽光谱光束经过前处理光路、分束器后生成第一测试光束和第二测试光束，第一测试光束经过参考光路传播后生成参考光束，第二测试光束经过测量光路传播后生成物光光束，再使参考光束与物光光束经过成像光路汇合后在所述CCD感光器上生成干涉全息图，通过所述显示终端提取该干涉全息图并获得偏振模式能量波动曲线，进过两次实验，分离出两个主轴下传输的偏振模式，最后计算出基模和高阶模的拍长；本实施例测量装置采用非接触测量方式，对光纤没有任何损害，精度高，操作简单，测量范围广。
实施例三：
本实施例与上述实施例基本相同，特别之处在于：
在本实施例中，一种使用上述实施例所述保偏少模光纤拍长测量装置的保偏少模光纤拍长测量方法，包括以下操作步骤：
a.调整偏振器15，观察CCD感光器7上干涉全息图的强度，使偏振器15的角度与保偏少模光纤的某一主轴对齐，此时前处理光路输出的特征光束经过分束器5传播后生成第一测试光束和第二测试光束，使第一测试光束通过参考光路，同时使第二测试光束经过测量光路传输后生成物光光束，再使参考光束与物光光束经过成像光路汇合后在所述CCD感光器7上生成干涉全息图；所述光源生成器13生成的超连续宽光谱光束经过前处理光路传播后对其波长进行筛选后形成；
b.通过所述显示终端4提取该干涉全息图并经过计算获得在该主轴下的保偏少模光纤的偏振模式能量波动曲线；
c.此时再次调整偏振器15的角度，使偏振器15的角度与保偏少模光纤的另一主轴对齐，重复上述步骤后获得在另一主轴下的保偏少模光纤的偏振模式能量波动曲线；
d.分离出在保偏少模光纤两个主轴下传输的偏振模式，同时计算得出基模和高阶模的拍长，并向用户显示。
本实施例保偏少模光纤拍长测量装置能进行非接触测量，对光纤无损害，精度高，操作简单，测量范围广。
实施例四：
本实施例与上述实施例基本相同，特别之处在于：
在本实施例中，如图1至图6、表1所示，本实施例一种保偏少模光纤拍长测量装置，包括光线延迟器1、标准单模光纤2、测试光纤3、显示终端4、分束器5、合束器6，光线延迟器1、标准单模光纤2依次设置于分束器5与合束器6之间组成参考光路，测试光纤3设置于分束器5与合束器6之间组成测量光路，参考光路与测量光路相互并联，合束器6还与CCD感光器7组成成像光路，所述显示终端4与所述CCD感光器7电性连接，光线延迟器1与控制终端12电性连接。
另外，标准单模光纤2两端还分别连接有第一耦合器8。测试光纤3两端还分别连接有第二耦合器9。参考光路2还包括第一显微物镜10，第一显微物镜10设置于标准单模光纤2与合束器6之间。测量光路还包括第二显微物镜11，第二显微物镜11设置于测试光纤3与第合束器6之间。第一显微物镜10和第二显微物镜11主要用于放大经过相应参考光路和测量光路的光束。
此外，本实施例显示终端4是计算机。保偏少模光纤拍长测量装置还包括控制终端12，控制终端12是由计算机控制。计算机通过内置的保偏少模光纤拍长测试软件对在CCD感光器上生成干涉全息图依次进行傅里叶变换运算、基于模式特征的频域滤波处理后分别得到在两个主轴下的偏振模式能量波动曲线，分析基模和高阶模的正交偏振模式间的延时差最终得到基模和高阶模的拍长，为后期开展对保偏少模光纤特性的研究奠定了基础。
此外，保偏少模光纤拍长测量装置还包括光源生成器13、波长选择器14和偏振器15，光源生成器13、波长选择器14、偏振器15与所述分束器5依次设置组成前处理光路。
表1.本发明实施例四获得的保偏少模光纤基模和高阶模的拍长值对比表
本实施例使用如前保偏少模光纤拍长测量装置的保偏少模光纤拍长测量方法，包括以下步骤：
调整偏振器15，观察CCD感光器7上干涉全息图的强度，使偏振器15的角度与保偏光纤的某一主轴对齐，此时特征光束经过分束器5传播后生成第一测试光束和第二测试光束，使第一测试光束通过参考光路，同时使第二测试光束经过测量光路传输后生成物光光束，再使参考光束与物光光束经过成像光路汇合后在所述CCD感光器7上生成干涉全息图，通过所述显示终端4提取该干涉全息图并经过计算获得在该主轴下的保偏少模光纤的偏振模式能量波动曲线，此时再次调整偏振器15的角度，使偏振器15的角度与保偏光纤的另一主轴对齐，重复上述步骤后获得在另一主轴下的保偏少模光纤的偏振模式能量波动曲线，在分离出保偏少模光纤两个主轴下传输的偏振模式后，经过计算同时得出基模和高阶模的拍长，并向用户显示。特征光束是由光源生成器13生成的超连续宽光谱光束经过前处理光路传播后对其波长进行筛选后形成
本实施例通过调整偏振器使其分别与保偏少模光纤的主轴对齐，进行两次实验，分离出保偏少模光纤的两个主轴。光源生成器生成超连续宽光谱光束，超连续宽光谱光束经过前处理光路、分束器后生成第一测试光束和第二测试光束，第一测试光束经过参考光路传播后生成参考光束，第二测试光束经过测量光路传播后生成物光光束，再使参考光束与物光光束经过成像光路汇合后在所述CCD感光器上生成干涉全息图，通过所述显示终端提取该干涉全息图并获得偏振模式能量波动曲线，进过两次实验，分离出两个主轴下传输的偏振模式，最后计算出基模和高阶模的拍长，本发明的测量装置和测量方法属于非接触测量，对光纤没有任何损害，精度高，操作简单，测量范围广，能够同时测量保偏少模光纤基模和高阶模的拍长，调整偏振器的角度，进行两次实验，使其分别与保偏少模光纤的两个主轴对齐，解决了模式延时较为接近的模式在偏振模式能量波动曲线中出现的混叠问题，第一测试光路经过光线延迟器后变换成经过延时后的参考光束，光线延迟器由计算机进行控制，对延时时间进行调节，获得参考光束不同的光程延时量，从而获得不同延时状态下的实时干涉全息图，经过实时处理后分别构建出两个主轴下的偏振模式能量波动曲线，最终计算出保偏少模光纤基模和高阶模的拍长。对保偏少模光纤的研制和应用具有指导作用，并对偏振光学的研究、保偏少模光纤传感等领域提供试验基础，具有适用范围广，实用价值高的优点。
上面对本发明实施例结合附图进行了说明，但本发明不限于上述实施例，还可以根据本发明的发明创造的目的做出多种变化，凡依据本发明技术方案的精神实质和原理下做的改变、修饰、替代、组合或简化，均应为等效的置换方式，只要符合本发明的发明目的，只要不背离本发明的技术原理和发明构思，都属于本发明的保护范围。
Claims (10)
1.一种保偏少模光纤拍长测量装置，包括前处理光路、光线延迟器(1)、标准单模光纤(2)、测试光纤(3)、显示终端(4)、分束器(5)、合束器(6)，其特征在于：所述光线延迟器(1)、标准单模光纤(2)依次设置于所述分束器(5)与合束器(6)之间组成参考光路，所述测试光纤(3)设置于分束器(5)与合束器(6)之间组成测量光路，所述参考光路与所述测量光路相互并联，所述合束器(6)还与CCD感光器(7)组成成像光路，所述显示终端(4)与所述CCD感光器(7)电性连接，所述光线延迟器(1)与所述控制终端(12)电性连接。
2.根据权利要求1所述的保偏少模光纤拍长测量装置，其特征在于：所述标准单模光纤(2)两端还分别连接有第一耦合器(8)。
3.根据权利要求1所述的保偏少模光纤拍长测量装置，其特征在于：所述测试光纤(3)两端还分别连接有第二耦合器(9)。
4.根据权利要求1所述的保偏少模光纤拍长测量装置，其特征在于：所述参考光路还包括第一显微物镜(10)，第一显微物镜(10)设置于标准单模光纤(2)与合束器(6)之间。
5.根据权利要求1所述的保偏少模光纤拍长测量装置，其特征在于：所述测量光路还包括第二显微物镜(11)，第二显微物镜(11)设置于测试光纤(3)与合束器(6)之间。
6.根据权利要求1所述的保偏少模光纤拍长测量装置，其特征在于：所述显示终端(4)和控制终端(12)组成计算机系统。
7.根据权利要求6所述的保偏少模光纤拍长测量装置，其特征在于：在所述计算机系统中，通过控制终端(12)内置的保偏少模光纤拍长测试软件系统，对在CCD感光器(7)上生成干涉全息图依次进行傅里叶变换运算、基于模式特征的频域滤波处理后分别得到在两个主轴下的偏振模式能量波动曲线，分析基模和高阶模的正交偏振模式间的延时差，得到基模和高阶模的拍长，并通过显示终端(4)向用户显示。
8.根据权利要求1所述的保偏少模光纤拍长测量装置，其特征在于：所述前处理光路包括光源生成器(13)、波长选择器(14)和偏振器(15)，光源生成器(13)、波长选择器(14)、偏振器(15)与所述分束器(5)依次设置组成前处理光路。
9.一种使用根据权利要求1至8任一项所述保偏少模光纤拍长测量装置的保偏少模光纤拍长测量方法，其特征在于：包括以下操作步骤：
a.调整偏振器(15)，观察CCD感光器(7)上干涉全息图的强度，使偏振器(15)的角度与保偏少模光纤的某一主轴对齐，此时前处理光路输出的特征光束经过分束器(5)传播后生成第一测试光束和第二测试光束，使第一测试光束通过参考光路，同时使第二测试光束经过测量光路传输后生成物光光束，再使参考光束与物光光束经过成像光路汇合后在所述CCD感光器(7)上生成干涉全息图；
b.通过所述显示终端(4)提取该干涉全息图并经过计算获得在该主轴下的保偏少模光纤的偏振模式能量波动曲线；
c.此时再次调整偏振器(15)的角度，使偏振器(15)的角度与保偏少模光纤的另一主轴对齐，重复上述步骤后获得在另一主轴下的保偏少模光纤的偏振模式能量波动曲线；
d.分离出在保偏少模光纤两个主轴下传输的偏振模式，同时计算得出基模和高阶模的拍长，并向用户显示。
10.根据权利要求9所述的保偏少模光纤拍长测量方法，其特征在于：所述步骤a中的特征光束是由所述光源生成器(13)生成的超连续宽光谱光束经过前处理光路传播后对其波长进行筛选后形成。
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