CN113566861B - 一种光纤偏振分析仪的偏振态校准装置及校准方法 - Google Patents

Abstract

本发明针对光纤偏振分析仪特有的偏振态参数校准难题，提出了一种新型的校准装置及方法。校准装置采用整体的比对校准方法，通过标准斯托克斯矢量计直接对光纤输出光的偏振态进行标定，然后接光纤偏振分析仪进行校准；针对在定标至校准的过程中不可避免的造成光纤跳线形状改变，导致光纤输出光的偏振态与标定值产生微小差异，本发明提出利用部分测试数据对光纤形变矩阵进行标定，然后通过修正使光纤输出光偏振态的实际值与标定值保持高度一致，进一步减小校准误差。通过以上校准装置及方法方法，能够从根本上克服光纤特殊结构的不利影响，实现对光纤偏振分析仪偏振态参数的高质量校准。

Description

一种光纤偏振分析仪的偏振态校准装置及校准方法

技术领域

本发明属于偏振态校准技术领域，具体涉及一种光纤偏振分析仪的偏振态校准装置及校准方法。

背景技术

光纤偏振分析仪特指在光纤技术中使用的偏振测试设备，测量波长一般在1310nm和1550nm波段。光纤偏振分析仪根据组成、功能和应用不同可以分为三大类：1)单纯对光纤输出光的偏振度、偏振态等进行测试的设备，一般称为斯托克斯矢量计，主要用于光纤传输光的偏振特性分析；2)将光纤输出光的偏振特性测试作为过程量分析的设备，一般称为偏振合成分析仪，主要用于光纤传输光的偏振控制和稳定；3)将光纤输出光的偏振特性测试作为终端量分析的设备，一般称为偏振综合测试仪，主要对光纤器件及系统的偏振特性测试。

偏振态是光纤偏振分析仪测试的主要参数，为了方便通过邦加球直接观察光波偏振态的变化走势，偏振态参数通常由归一化斯托克斯矢量、偏振方位角和椭圆度等表示。近些年，随着高速光通信和高精度光纤传感技术的快速发展，光纤偏振分析仪在光纤技术中的实用价值不断提高，如何对偏振态进行高质量的校准也成为业界和计量领域的关注重点。

目前已有的偏振态参数校准方法，主要是通过空间光偏振态定标源进行实现。空间光偏振态定标源一般由旋转位移器、起偏器和延迟波片等光学器件组成，通过旋转位移器带动起偏器或延迟波片转动使输出光的偏振态产生改变，通过精确定标旋转位移器转动角度、延迟波片延迟量等对输出光的偏振态进行标定，将定标源输出光引入偏振态分析仪进行校准。这种方法在光纤偏振分析仪校准中存在一定的技术局限性，主要是由于光纤的特殊结构造成。空间光偏振态定标源与光纤偏振分析仪之间需要通过准直器、光纤跳线等进行连接，由于光纤的不均匀性、不对称性、残余应力等因素影响，空间偏振态定标源输出光经过光纤跳线后的偏振态将会产生随机改变。

现有基于空间光偏振态定标源的偏振态校准技术主要存在以下不足之处：1、空间光偏振态定标源与光纤偏振分析仪之间需要通过光纤跳线进行连接，由于光纤的特殊结构，空间偏振态定标源输出光经过光纤跳线后的偏振态将会产生随机改变，也就是说光纤输出光的偏振态与标定值将会产生未知差异。2、通过一定的技术手段可以将光纤输出光的偏振态与标定值建立对应关系，但由于原始标定值与实际测量值差异过大，这种校准在很大程度上只能被认为是一种相对校准。

发明内容

本发明针对光纤偏振分析仪特有的偏振态参数校准难题，提出了一种新型的偏振态参数校准装置及方法。

一种光纤偏振分析仪的偏振态校准装置，包括依次设置的窄线宽激光器、偏振控制器、第一准直器、起偏器、四分之一延迟波片系统、二分之一延迟波片系统、第二准直器、光纤跳线、标准斯托克斯矢量计；其中窄线宽激光器输出的激光依次通过偏振控制器、第一准直器，变为空间光后依次通过起偏器、四分之一延迟波片系统、二分之一延迟波片系统，然后通过第二准直器经过耦合进入光纤跳线的接收端，光纤跳线的输出端连接标准斯托克斯矢量计。

上述中，所述窄线宽激光器为具有相干控制模式的可调谐激光器或DFB激光器。

上述中，所述偏振控制器为自带尾纤的手动型偏振控制器。

上述中，所述四分之一延迟波片系统包括四分之一波片和旋转位移器。

上述中，所述二分之一延迟波片系统包括二分之一波片和旋转位移器。

上述中，所述旋转位移器为带有反馈方式的电控旋转位移器，能够显示位移器当前的角度位置，并能够进行良好的重复定位。

上述中，所述光纤跳线为短距离单模光纤跳线。

上述中，所述标准斯托克斯矢量计为基于旋转波片法的斯托克斯矢量测试系统。

在上述内容的基础上，本发明还提供一种的偏振态校准装置进行校准的方法，包括以下步骤：

步骤1：将光纤跳线输出端连接标准斯托克斯矢量计的测试接口，设置窄线宽激光器与标准斯托克斯矢量计的波长一致，使标准斯托克斯矢量计进入工作模式；

步骤2：调节手动偏振控制器，使标准斯托克斯矢量计能够接收到尽量大的光信号；

步骤3：以标准斯托克斯矢量计的偏振态测试结果为指导，控制四分之一延迟波片系统和二分之一波片系统的旋转位移器转动，当测试结果达到或接近预期的偏振态时停止转动；

步骤4：按照步骤3操作6次，预期的偏振态分别为水平线偏振光、垂直线偏振光、45°线偏振光、-45°线偏振光、右旋圆偏振光和左旋圆偏振光，记录每一次完成后的旋转位移器角度位置，以及归一化斯托克斯矢量测试结果，构建矩阵S，S中的每一列对应每一次的归一化斯托克斯矢量测试结果；

步骤5：按照步骤3操作n次，预期的偏振态为待校准的偏振态，或基本在邦加球上均匀分布的多个偏振态，记录每一次完成后的旋转位移器角度位置，以及标准斯托克斯矢量计的归一化斯托克斯矢量测试结果，构建矩阵T，T中的每一列对应每一次的归一化斯托克斯矢量测试结果；

步骤6：将光纤跳线的输出端由标准斯托克斯矢量计测试接口取出，然后连接待校光纤偏振分析仪的测试接口，设置待校光纤偏振分析仪与窄线宽激光器的波长一致，使待校光纤偏振分析仪进入工作模式；

步骤7：按照步骤4中记录的角度位置，按照顺序控制旋转位移器进行6次转动，记录每一次的归一化斯托克斯矢量测试结果，构建矩阵Q，Q中的每一列对应每一次的归一化斯托克斯矢量测试结果；

步骤8：对光纤形变矩阵M进行标定，为S的右伪逆矩阵；

步骤9：利用光纤形变矩阵对T进行修正，得到修正矩阵T′，T′＝M·T；

步骤10：按照步骤5中记录的角度位置，按照顺序控制旋转位移器进行n次转动，记录每一次的归一化斯托克斯矢量测试结果，构建矩阵O，O中的每一列对应每一次的归一化斯托克斯矢量测试结果；

步骤11：通过比对T′和O，可以得到待校光纤偏振分析仪的归一化斯托克斯矢量测量误差，根据归一化斯托克斯矢量与偏振方位角、椭圆度的换算关系，利用T′和O，可以得到待校光纤偏振分析仪的与偏振方位角、椭圆度测量误差。

本发明采用整体的比对校准方法，通过标准斯托克斯矢量计直接对光纤输出光的偏振态进行标定，然后接光纤偏振分析仪进行校准；针对在定标至校准的过程中不可避免的造成光纤跳线形状改变，导致光纤输出光的偏振态与标定值产生微小差异，本发明提出利用部分测试数据对光纤形变矩阵进行标定，然后通过修正使光纤输出光偏振态的实际值与标定值保持高度一致，进一步减小校准误差。通过以上校准装置及方法方法，能够从根本上克服光纤特殊结构的不利影响，实现对光纤偏振分析仪偏振态参数的高质量校准。

附图说明

图1为本发明的新型的偏振态参数校准装置结构示意图。

具体实施方式

为了便于理解本发明，下面结合附图和具体实施例，对本发明进行更详细的说明。除非另有定义，本说明书所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本说明书中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是用于限制本发明。本说明书所使用的术语“及/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。

实施例一

如图1所示，本发明的一个实施例是，光纤偏振分析仪的偏振态校准装置：包括依次设置的窄线宽激光器1、偏振控制器2、第一准直器3、起偏器4、四分之一延迟波片系统5、二分之一延迟波片系统6、第二准直器7、光纤跳线8、标准斯托克斯矢量计9；其中窄线宽激光器1输出的激光依次通过偏振控制器2、第一准直器3，变为空间光后依次通过起偏器4、四分之一延迟波片系统5、二分之一延迟波片系统6，然后通过第二准直器7经过耦合进入光纤跳线8的接收端，光纤跳线8的输出端连接标准斯托克斯矢量计9。

所述窄线宽激光器为具有相干控制模式的可调谐激光器或DFB激光器，应根据校准波长点需要，选择不同的可调谐激光器或DFB激光器。

所述偏振控制器2为自带尾纤的手动型偏振控制器。

所述四分之一延迟波片系统包括四分之一波片和旋转位移器。

所述二分之一延迟波片系统包括二分之一波片和旋转位移器。

所述旋转位移器为带有反馈方式的电控旋转位移器，能够显示位移器当前的角度位置，并能够进行良好的重复定位。

所述光纤跳线为短距离单模光纤跳线，整个校准过程应尽量保持光纤跳线的位置固定、形状不变。

所述标准斯托克斯矢量计为基于旋转波片法的斯托克斯矢量测试系统，测试系统可以进行分项溯源，保证良好的偏振态测试精度。

实施例二

在实施例一的基础上，本发明还提出了一种利用上述的偏振态校准装置进行校准的方法，包括以下步骤：

步骤1：将光纤跳线输出端连接标准斯托克斯矢量计的测试接口，设置窄线宽激光器与标准斯托克斯矢量计的波长一致，使标准斯托克斯矢量计进入工作模式；

步骤2：调节手动偏振控制器，使标准斯托克斯矢量计能够接收到尽量大的光信号；

步骤3：以标准斯托克斯矢量计的偏振态测试结果为指导，控制四分之一延迟波片系统和二分之一波片系统的旋转位移器转动，当测试结果达到或接近预期的偏振态时停止转动；

步骤4：按照步骤3操作6次，预期的偏振态分别为水平线偏振光、垂直线偏振光、45°线偏振光、-45°线偏振光、右旋圆偏振光和左旋圆偏振光，记录每一次完成后的旋转位移器角度位置，以及归一化斯托克斯矢量测试结果，构建矩阵S，S中的每一列对应每一次的归一化斯托克斯矢量测试结果；

步骤5：按照步骤3操作n次，预期的偏振态为待校准的偏振态，或基本在邦加球上均匀分布的多个偏振态，记录每一次完成后的旋转位移器角度位置，以及标准斯托克斯矢量计的归一化斯托克斯矢量测试结果，构建矩阵T，T中的每一列对应每一次的归一化斯托克斯矢量测试结果；

步骤6：将光纤跳线的输出端由标准斯托克斯矢量计测试接口取出，然后连接待校光纤偏振分析仪的测试接口，设置待校光纤偏振分析仪与窄线宽激光器的波长一致，使待校光纤偏振分析仪进入工作模式；

步骤7：按照步骤4中记录的角度位置，按照顺序控制旋转位移器进行6次转动，记录每一次的归一化斯托克斯矢量测试结果，构建矩阵Q，Q中的每一列对应每一次的归一化斯托克斯矢量测试结果；

步骤8：对光纤形变矩阵M进行标定，为S的右伪逆矩阵；

步骤9：利用光纤形变矩阵对T进行修正，得到修正矩阵T′，T′＝M·T；

步骤10：按照步骤5中记录的角度位置，按照顺序控制旋转位移器进行n次转动，记录每一次的归一化斯托克斯矢量测试结果，构建矩阵O，O中的每一列对应每一次的归一化斯托克斯矢量测试结果；

步骤11：通过比对T′和O，可以得到待校光纤偏振分析仪的归一化斯托克斯矢量测量误差，根据归一化斯托克斯矢量与偏振方位角、椭圆度的换算关系，利用T′和O，可以得到待校光纤偏振分析仪的与偏振方位角、椭圆度测量误差。

进一步而言，针对偏振态校准装置进行校准的方法，具体的：

步骤1：将光纤跳线输出端连接标准斯托克斯矢量计的测试接口，设置窄线宽激光器与标准斯托克斯矢量计的波长一致，使标准斯托克斯矢量计进入工作模式；

步骤2：调节手动偏振控制器，使标准斯托克斯矢量计能够接收到尽量大的光信号；

步骤3：以标准斯托克斯矢量计的偏振态测试结果为指导，控制四分之一延迟波片系统和二分之一波片系统的旋转位移器转动，当测试结果达到或接近预期的偏振态时停止转动；

步骤4：按照步骤3操作6次，预期的偏振态分别为水平线偏振光、垂直线偏振光、45°线偏振光、-45°线偏振光、右旋圆偏振光和左旋圆偏振光，记录每一次完成后的旋转位移器角度位置，以及归一化斯托克斯矢量测试结果，构建矩阵S，S中的每一列对应每一次的归一化斯托克斯矢量测试结果；

步骤5：按照步骤3操作8次，预期的偏振态为待校准的8个偏振态，记录每一次完成后的旋转位移器角度位置，以及标准斯托克斯矢量计的归一化斯托克斯矢量测试结果，构建矩阵T，T中的每一列对应每一次的归一化斯托克斯矢量测试结果；

步骤6：将光纤跳线的输出端由标准斯托克斯矢量计测试接口取出，然后连接待校光纤偏振分析仪的测试接口，设置待校光纤偏振分析仪与窄线宽激光器的波长一致，使待校光纤偏振分析仪进入工作模式；

步骤7：按照步骤4中记录的角度位置，按照顺序控制旋转位移器进行6次转动，记录每一次的归一化斯托克斯矢量测试结果，构建矩阵Q，Q中的每一列对应每一次的归一化斯托克斯矢量测试结果；

步骤8：对光纤形变矩阵M进行标定，为S的右伪逆矩阵；

步骤9：利用光纤形变矩阵对T进行修正，得到修正矩阵T′，T′＝M·T；

步骤10：按照步骤5中记录的角度位置，按照顺序控制旋转位移器进行8次转动，记录每一次的归一化斯托克斯矢量测试结果，构建矩阵O，O中的每一列对应每一次的归一化斯托克斯矢量测试结果；

步骤11：通过T′和O，得到待校光纤偏振分析仪的各项偏振态参数测量误差：

归一化斯托克斯矢量测量误差为：

偏振方位角测量误差为：

椭圆度测量误差为：

本发明涉及的校准装置及方法，能够从根本上克服光纤特殊结构的不利影响，实现对光纤偏振分析仪偏振态参数的高质量校准。

需要说明的是，上述各技术特征继续相互组合，形成未在上面列举的各种实施例，均视为本发明说明书记载的范围；并且，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，而所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。

Claims (1)

1.一种光纤偏振分析仪的偏振态校准装置进行校准的方法，其特征在于，其中，光纤偏振分析仪的偏振态校准装置包括：依次设置的窄线宽激光器、偏振控制器、第一准直器、起偏器、四分之一延迟波片系统、二分之一延迟波片系统、第二准直器、光纤跳线、标准斯托克斯矢量计；其中窄线宽激光器输出的激光依次通过偏振控制器、第一准直器，变为空间光后依次通过起偏器、四分之一延迟波片系统、二分之一延迟波片系统，然后通过第二准直器经过耦合进入光纤跳线的接收端，光纤跳线的输出端连接标准斯托克斯矢量计；其特征在于，所述窄线宽激光器为具有相干控制模式的可调谐激光器或DFB激光器；所述偏振控制器为自带尾纤的手动型偏振控制器；所述四分之一延迟波片系统包括四分之一波片和旋转位移器；其特征在于，所述二分之一延迟波片系统包括二分之一波片和旋转位移器；所述旋转位移器为带有反馈方式的电控旋转位移器，能够显示位移器当前的角度位置，并能够进行良好的重复定位；所述光纤跳线为短距离单模光纤跳线；所述标准斯托克斯矢量计为基于旋转波片法的斯托克斯矢量测试系统；

光纤偏振分析仪的偏振态校准装置进行校准的方法，其特征在于，采用整体的比对校准方法，针对在定标至校准的过程中不可避免的造成光纤跳线形状改变，通过部分测试数据对光纤形变矩阵进行标定，然后通过修正使光纤输出光偏振态的实际值与标定值保持高度一致；具体包括以下步骤：

步骤1：将光纤跳线输出端连接标准斯托克斯矢量计的测试接口，设置窄线宽激光器与标准斯托克斯矢量计的波长一致，使标准斯托克斯矢量计进入工作模式；

步骤2：调节手动偏振控制器，使标准斯托克斯矢量计能够接收到尽量大的光信号；

步骤3：以标准斯托克斯矢量计的偏振态测试结果为指导，控制四分之一延迟波片系统和二分之一波片系统的旋转位移器转动，当测试结果达到或接近预期的偏振态时停止转动；

步骤4：按照步骤3操作6次，预期的偏振态分别为水平线偏振光、垂直线偏振光、45°线偏振光、-45°线偏振光、右旋圆偏振光和左旋圆偏振光，记录每一次完成后的旋转位移器角度位置，以及归一化斯托克斯矢量测试结果，构建矩阵S，S中的每一列对应每一次的归一化斯托克斯矢量测试结果；

步骤5：按照步骤3操作n次，预期的偏振态为待校准的偏振态，或基本在邦加球上均匀分布的多个偏振态，记录每一次完成后的旋转位移器角度位置，以及标准斯托克斯矢量计的归一化斯托克斯矢量测试结果，构建矩阵T，T中的每一列对应每一次的归一化斯托克斯矢量测试结果；

步骤6：将光纤跳线的输出端由标准斯托克斯矢量计测试接口取出，然后连接待校光纤偏振分析仪的测试接口，设置待校光纤偏振分析仪与窄线宽激光器的波长一致，使待校光纤偏振分析仪进入工作模式；

步骤7：按照步骤4中记录的角度位置，按照顺序控制旋转位移器进行6次转动，记录每一次的归一化斯托克斯矢量测试结果，构建矩阵Q，Q中的每一列对应每一次的归一化斯托克斯矢量测试结果；

步骤8：对光纤形变矩阵M进行标定， 为S的右伪逆矩阵；

步骤9：利用光纤形变矩阵对T进行修正，得到修正矩阵T′，T′＝M·T；

步骤10：按照步骤5中记录的角度位置，按照顺序控制旋转位移器进行n次转动，记录每一次的归一化斯托克斯矢量测试结果，构建矩阵O，O中的每一列对应每一次的归一化斯托克斯矢量测试结果；

步骤11：通过比对T′和O，可以得到待校光纤偏振分析仪的归一化斯托克斯矢量测量误差，根据归一化斯托克斯矢量与偏振方位角、椭圆度的换算关系，利用T′和O，可以得到待校光纤偏振分析仪的与偏振方位角、椭圆度测量误差。