CN113804300A - 一种基于光频域最优移频干涉的分布式偏振串音测量装置 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种基于光频域最优移频干涉的分布式偏振串音测量装置，属于光纤测试领域，该装置由可调谐激光器，待测器件模块，主干涉仪阵列，辅助干涉仪模块，数据采集模块，数据处理模块组成，其特征在于：光源输出的光通过耦合器分别注入到辅助干涉仪模块和待测器件模块中，注入到辅助干涉仪模块的光，被接收后对主干涉仪的数据进行重采样，校正光源的非线性扫频，注入到待测器件模块的光经过待测器件后被均匀的注入到多个主干涉仪模块中，之后被数据采集模块分别采集后送入数据处理模块进行处理。本装置使用多个具有不同臂长差的主干涉仪，能够在保证测量信噪比，精度的前提下，极大的拓展待测器件的长度测量范围，适合于仪器应用。
Description
技术领域
本发明设计数据光纤测量技术领域，具体涉及到一种基于光频域，具有最优移频干涉的分布式偏振串音测量装置。
背景技术
保偏光纤作为一种特种光纤，它通过在光纤几何尺寸上的设计，产生更强烈的双折射效应，来消除应力对入射光偏振态的影响，所以保偏光纤一般应用在对偏振态比较敏感的应用中，例如关乎国家战略安全的光纤陀螺，光纤水听器等器件上，所以对其中保偏光纤和光纤偏振器件与组件的性能进行检测具有十分重要的意义。保偏光纤及光纤偏振器件内都具有两个正交的特征轴，当光波经过其中的耦合点(例如熔接点，缺陷点，扰动点等)时，工作在主轴的光波会被耦合到正交轴上，这个现象被描述为偏振串音现象，沿传输方向偏振串音的连续分布能直接反应器件的光学偏振性能，也能间接反应其制备工艺和外部环境的状态。因此，偏振串音测试不仅能用来评估保偏光纤和光纤偏振器件与组件的性能和外界环境的信息，对保偏光纤和光纤偏振器件与组件的制备工艺，光纤环的绕环工艺的改良等也具有指导性的意义。
目前对保偏光纤和光纤偏振器件和组件进行分布式偏振串音检测的一种比较成熟的方案是在20世纪90年代初所提出的基于白光干涉原理的光学相干域偏振测量技术(OCDP)，其通过扫描式光学干涉仪进行光程补偿来实现不同偏振模式间的干涉，实现了对保偏光纤和光纤偏振器件及组件中偏振耦合点的空间位置，强度的测量和分析，且其具有高精度，大动态范围，长距离等优点。
2012年，哈尔滨工程大学的杨军等人提出了基于全光纤光路的偏振串音测量测试装置(一种光学器件偏振串扰测量的全光纤测试装置，201210379406.6)，其采用全光纤光路和抑制拍噪声的技术方案，灵敏度提升了到了-95dB，动态范围则保持在95dB。
2013年哈尔滨工程大学的杨军等人提出了一种利用程控位移台的高精度扫描来标定光学延迟线的装置(一种大量程连续光程延迟线的标定装置，201310743383.7)，光程延迟量的延迟精度可达到fs量级，从而极大的提高了测量的精度；同年哈尔滨工程大学的杨军等人公开了一种提升测量距离的方法(一种大扫描量程光学相干域偏振测量装置201310739313.4)，可以在不改变现有系统整体尺寸的情况下，实现了大范围的光程扫描的无限拓展，极大的提升了系统的测量范围；在2016年，哈尔滨工程大学的杨军等人公开了一种提升动态范围的方法(一种用于光学相干域偏振计的大动态范围标定方法，201611073448.1)，通过改变保偏光纤的焊接对轴角度，实现了超过100dB的动态范围，且标定精度高。
虽然利用光学相干域偏振测量技术(OCDP)可以实现对分布式偏振串音的高精度的测量与分析，但是仍然存在提升测量精度就要降低测量速度，提升测量距离就会使得扫描式光学干涉仪的光程补偿装置越来越复杂的问题，由于光频域测量原理不需要使用扫描式光学干涉仪就可以实现不同偏振模式之间的偏振耦合，而且测量速度只与光源的扫频速度有关，所以有学者提出了将白光干涉与光频域测量原理相结合的方法来改善光学相干域偏振测量技术(OCDP)中测量速度与测量距离的问题，在2011年天津大学的刘铁根等人提出了一种光频域偏振敏感测量方案(偏振敏感的分布式光频域反射扰动传感装置和解调方法，201110237417.6)，其使用光频域反射技术和偏振控制及提取技术，在解调方法上采用光频非线性及光源相位噪声的抑制和补偿，超分辨分析方法，先进去噪方法以及基于光纤分布式波片模型的琼斯和穆勒矩阵的偏振结算方法实现了测量精度的提升以及偏振信息的提取，但是仅对光纤内的线性双折射等信息进行了测量，没有涉及具体对偏振串音的全面测试和评估。
本发明提供了一种动态的分布式偏振串音测试装置及方法，其使用光频域的测试方法实现对偏振串音位置和幅度的精确测量，其将扫频光源的线性扫频映射到频域上，不同耦合点的位置映射为频域不同的频率，不同耦合点偏振串音的强度映射为频域不同频率的幅值，实现了对偏振串音的位置和强度的全面测量。装置的特征包含两类具有不同作用的干涉仪，辅助干涉仪对主干涉仪模块所采集的数据进行重采样，校正扫频光源在扫频过程中出现的非线性扫频，提升测量的信噪比，主干涉仪则存在多个，其具有不同的臂长差，能够在保证测量信噪比和精度的前提下极大的拓展待测器件的长度测量范围，适合于仪器应用。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于光频域最优移频干涉的分布式偏振串音测量装置，该装置不仅可以解决传统光学相干域偏振串音测试技术中测量精度受限于扫描式光学干涉仪的光程补偿速度的问题，还可以显著提高测量速度，实现了在原有测量精度和信噪比的前提下长度测量范围的拓展。
本发明公开了一种基于光频域最优移频干涉的分布式偏振串音测量装置，由可调谐激光器101、待测器件模块2、第一主干涉仪模块31、第二主干涉仪模块32、……、第n主干涉仪模块33、辅助干涉仪模块4、数据采集模块5、数据处理模块6组成；其特征是：可调谐激光器101的输出光通过第一耦合器102分为两束，一束经过第一耦合器第一输出端104注入到辅助干涉仪模块4中得到辅助干涉信号407；另一束经过第一耦合器第二输出端103注入到待测器件模块2中，之后再通过第二耦合器301分别注入到第一主干涉仪模块31、第二主干涉仪模块32、……、第n主干涉仪模块33中分别得到第一主干涉信号317、第二主干涉信号327、……、第n主干涉信号337；
辅助干涉信号407分别接入到数据采集模块5中的第一采集卡501、第二采集卡502、……、第n采集卡503的时钟输入中，第一主干涉信号317、第二主干涉信号327、……、第n主干涉信号337分别输入到第一采集卡501、第二采集卡502、……、第n采集卡503中，在其中进行数据采集，然后输入到数据处理模块6中的计算与匹配单元601，在其中选择合适的数据，再送入到频谱分析单元602中进行傅里叶变换得到器件的特征信息；
所述的待测器件模块2，其特征是：光经过起偏器输入尾纤201首先注入起偏器202，接着经过起偏器输出尾纤203注入待测器件204，之后通过检偏器输入尾纤205注入检偏器206，然后通过检偏器输出尾纤207注入第二耦合器301；
所述的起偏器202和检偏器206，其特征是：
1)起偏器202的起偏角度为θ1＝0°±5°，起偏器输入尾纤201为单模光纤，起偏器输出尾纤203为保偏光纤，对应光程差为S1；
2)检偏器206的检偏角度为θ2＝45°±5°，检偏器输入尾纤205为保偏光纤，对应光程差S2，检偏器输出尾纤207为单模光纤；
所述的待测器件204，其特征是：待测器件204对应光程差为S3；
所述的第一主干涉仪模块31、第二主干涉仪模块32、……、第n主干涉仪模块33，其特征是：
1)第一主干涉仪模块31中，光由第二耦合器第一输出端310注入第五耦合器311，之后分成两束分别经过第一主干涉仪上臂312、带有第一主干涉仪延迟光纤314的第一主干涉仪下臂313，然后共同注入第六耦合器315合束，之后被第一差分探测器316接收，第一主干涉仪模块光程差为SFUT1；
2)第二主干涉仪模块32中，光由第二耦合器第二输出端320注入第七耦合器321，之后分成两束分别经过第二主干涉仪上臂322、带有第二主干涉仪延迟光纤324的第二主干涉仪下臂323，然后共同注入第八耦合器325合束，之后被第二差分探测器326接收，第二主干涉仪模块光程差为SFUT2；
3)第n主干涉仪模块33中，光由第三耦合器第n输出端330注入第九耦合器331，之后分成两束分别经过第n主干涉仪上臂332、带有第n主干涉仪延迟光纤334的第n主干涉仪下臂333，然后共同注入第十耦合器335合束，之后被第n差分探测器336接收，第n主干涉仪模块光程差为SFUTn；
4)第一主干涉仪模块光程差、第二主干涉仪模块光程差、……、第n主干涉仪模块光程差之间存在倍增关系，即为SFUT1＝SFUT2/2＝……＝SFUTn/n；
所述的辅助干涉仪模块4，其特征是：
光由第三耦合器401分成两束分别经过辅助干涉仪上臂402，带有辅助干涉仪延迟光纤404的辅助干涉仪下臂403，然后共同注入第四耦合器405合束，之后被第四差分探测器406接收，辅助干涉仪模块光程差为Sref，其应满足Sref≥2SFUTn；
所述的数据处理模块6中的计算与匹配单元601，具体包括以下过程，其特征是：
1)计算起偏器的输出尾纤203，待测器件204，检偏器的输入尾纤205的光程差之和S4＝S1+S2+S3；
2)确定S4所处的区间，使其满足下式：(m-1)×SFUT1＜S4≤m×SFUT1，m为正整数且1≤m≤n；
选择所采集的第m主干涉信号。
本发明是对基于光频域最优移频干涉的分布式偏振串音测量装置的一种改进，适合于仪器应用，目前基于光频域的分布式偏振串音测量装置中，由于主干涉仪臂长差长度固定，在这种情况下，待测器件长度过长会导致部分信息与低频噪声以及自干涉信息混叠无法准备判断，甚至无法测到；待测器件长度过短，过长的主干涉仪臂长差会引入测试装置所不希望的相位噪声，所以只有在测试与主干涉仪臂长差长度相对应的待测器件时会有较好的信噪比。本发明提供了一种基于光频域最优移频干涉的分布式偏振串音测量装置，在维持测量精度和信噪比的前提下，利用多个具有不同臂长差的主干涉仪，极大的拓展了待测器件的长度测量范围。
与现有技术相比，本发明的优点在于：
(1)作为一种基于光频域最优移频干涉的分布式偏振串音测量装置，在维持测量精度和信噪比的前提下，利用多个具有不同臂长差的主干涉仪，极大的拓展了待测器件的长度测量范围。
(2)系统仅在不同主干涉仪模块的臂长差上有所差别，其余部件均一致，减少了测量不同长度待测器件时系统对测量结果的影响。
(3)系统采用多个主干涉仪结构，无活动部件，避免了因为存在活动部件而导致的系统不稳定的问题，适合仪器化。
附图说明
图1是一种基于光频域最优移频干涉的分布式偏振串音测量装置
图2是三个主干涉仪时对光纤环进行测试时最优移频干涉的分布式偏振串音测量装置
图3是以光纤环为例当主干涉仪光程差过短时的测试结果示意图
图4是以光纤环为例当主干涉仪光程差合适时的测试结果示意图
图5是以光纤环为例当主干涉仪光程差过长时的测试结果示意图
具体实施方式
实施例1-三个主干涉仪时对光纤环进行测试的最优移频干涉的分布式偏振串音测量装置
测量装置如图1所示，测量装置的器件选择与参数如下：
(1)光源101的扫频范围160nm，覆盖1480nm～1640nm，出纤峰值功率大于20mw，扫频速度最高200nm/s，相对强度噪声RIN-145dB/Hz，光源线宽60kHz(相干控制关)；
(2)第一耦合器102为1×2单模光纤耦合器，分光比为99∶1，工作中心波长1550nm，带宽±100nm，插损≤0.2dB 99/≤24.1dB 1；
(3)第二耦合器301为1×3单模光纤耦合器，分光比为33∶33∶33，工作中心波长1550nm，带宽±100nm，插损≤5.4dB；
(4)第三耦合器401、第五耦合器311、第七耦合器321、第九耦合器331均为1×2单模光纤耦合器，分光比为50∶50，工作中心波长1550nm，带宽±100nm，插损≤3.6dB；
(5)第四耦合器405，第六耦合器315、第八耦合器325、第十耦合器335均为2×2单模光纤耦合器，分光比为50∶50，工作中心波长1550nm，带宽±100nm，插损≤3.6dB；
(6)起偏器202，起偏角度为0°，工作中心波长1550nm，带宽±100nm，插损≤1dB，起偏器输出尾纤203为直径80um熊猫型保偏光纤，其长度L1＝5m，对应光程差S1＝L1Δn＝2.5×10-3m，其中保偏光纤的线性双折射Δn≈5×10-4；
(7)检偏器206，检偏角度45°，工作中心波长1550nm，带宽±100nm，插损≤1dB，起偏器输入尾纤203为直径80um熊猫型保偏光纤，其长度L2＝5m，对应光程差S2＝L2Δn＝2.5×10-3m，其中保偏光纤的线性双折射Δn≈5×10-4；
(8)光纤环204R为直径80um熊猫型保偏光纤，其长度L3＝1800m，对应光程差S3＝L3Δn＝0.9m，其中保偏光纤的线性双折射Δn≈5×10-4；
(9)第一差分探测器406、第二差分探测器316、第三差分探测器326、第四差分探测器336，其光敏材料均为InGaAs，光探测范围为900～1700nm，响应度大于1A/W，共模抑制比典型值25dB。如采用Newport公司的1817-FC型平衡光纤接收器；
(10)第一采集卡501、第二采集卡502、第三采集卡503最大采样率均为180MHz/s，可以四通道同时采集，且拥有2个独立的全功能口，如采用SPECTRUM公司的M4i.4471-x8采集卡；
(11)第一主干涉仪模块31采用Mach-Zehnder型干涉仪，光程差SFUT1＝LFUT1n1＝0.4525m，其中臂长差LFUT1＝0.3108m，单模光纤的折射率n1＝1.456；
(12)第二主干涉仪模块32采用Mach-Zehnder型干涉仪，光程差SFUT2＝LFUT2n1＝0.905m，其中臂长差LFUT2＝0.6216m，单模光纤的折射率n1＝1.456；
(13)第三主干涉仪模块33采用Mach-Zehnder型干涉仪，光程差SFUT3＝LFUT3n1＝1.3575m，其中臂长差LFUT3＝0.9324m，单模光纤的折射率n1＝1.456；
(14)辅助干涉仪模块4采用Mach-Zehnder型干涉仪，光程差Sref＝Lrefn1＝2.715m，其中臂长差Lref＝1.8647m，单模光纤的折射率n1＝1.456；
测量装置的工作过程如下：
(1)确定测试光纤环的几何长度L3＝1800m，计算其对应的光程S3＝0.9m后接入仪器；
(2)将激光器的扫频范围设置为1480nm～1640nm，扫频速率设置为v＝200nm/s，启动仪器；
(3)光束经分光比为1∶99的第一耦合器102分别注入辅助干涉仪模块4和待测器件模块2，分光为1的光经过光程差Sref＝2.715m的辅助干涉仪模块4的后输出为辅助干涉信号407，之后接入第一采集卡501、第二采集卡502、第三采集卡503的时钟输入从而实现对主干涉信号的重采样；
(4)分光为99的光在待测器件模块2中依次经过起偏器输入尾纤201、起偏器202、光程差S1＝2.5×10-3m的起偏器输出尾纤203、光程差S3＝0.9m光纤环204R、光程差S2＝2.5×10-3m检偏器输入尾纤205、检偏器206、检偏器输出尾纤207后通过第二耦合器301分别接入光程差SFUT1＝0.4525m的第一主干涉模块31、光程差SFUT2＝0.905m的第二主干涉模块32、光程差SFUT3＝1.3575m的第三主干涉模块33得到第一主干涉信号317、第二主干涉信号327、第三主干涉信号337，然后被数据采集模块5采集后送入数据处理模块6中。
(5)对已知的数据以及已经采集的第一主干涉信号317、第二主干涉信号327、第三主干涉信号337在计算与匹配单元601对进行处理，计算与匹配的过程包括：首先计算起偏器输出尾纤203，待测器件204，检偏器输入尾纤205的光程差之和S4＝S1+S2+S3＝2.5×10-3+2.5×10-3+0.9＝0.905m；之后将SFUT1、S4的值代入式(m-1)×SFUT1＜S4≤m×SFUT1中得到下式(m-1)×0.4525＜0.905≤m×0.4525，得出m＝2，所以将采集到的第2主干涉信号送入频谱分析单元602进行傅里叶变换得到频域数据后得到最终结果。
Claims (7)
1.一种基于光频域最优移频干涉的分布式偏振串音测量装置，由可调谐激光器(101)、待测器件模块(2)、第一主干涉仪模块(31)、第二主干涉仪模块(32)、……、第n主干涉仪模块(33)、辅助干涉仪模块(4)、数据采集模块(5)、数据处理模块(6)组成；其特征是：可调谐激光器(101)的输出光通过第一耦合器(102)分为两束，一束经过第一耦合器第一输出端(104)注入到辅助干涉仪模块(4)中得到辅助干涉信号(407)；另一束经过第一耦合器第二输出端(103)注入到待测器件模块(2)中，之后再通过第二耦合器(301)分别注入到第一主干涉仪模块(31)、第二主干涉仪模块(32)、……、第n主干涉仪模块(33)中分别得到第一主干涉信号(317)、第二主干涉信号(327)、……、第n主干涉信号(337)；
辅助干涉信号(407)分别接入到数据采集模块(5)中的第一采集卡(501)、第二采集卡(502)、……、第n采集卡(503)的时钟输入中，第一主干涉信号(317)、第二主干涉信号(327)、……、第n主干涉信号(337)分别输入到第一采集卡(501)、第二采集卡(502)、……、第n采集卡(503)中，在其中进行数据采集，然后输入到数据处理模块(6)中的计算与匹配单元(601)，在其中选择合适的数据，再送入到频谱分析单元(602)中进行傅里叶变换得到器件的特征信息。
2.根据权利要求1所述的待测器件模块(2)，其特征是：光经过起偏器输入尾纤(201)首先注入起偏器(202)，接着经过起偏器输出尾纤(203)注入待测器件(204)，之后通过检偏器输入尾纤(205)注入检偏器(206)，然后通过检偏器输出尾纤(207)注入第二耦合器(301)。
3.根据权利要求2所述的起偏器(202)和检偏器(206)，其特征是：
1)起偏器(202)的起偏角度为θ1＝0°±5°，起偏器输入尾纤(201)为单模光纤，起偏器输出尾纤(203)为保偏光纤，对应光程差为S1；
2)检偏器(206)的检偏角度为θ2＝45°±5°，检偏器输入尾纤(205)为保偏光纤，对应光程差S2，检偏器输出尾纤(207)为单模光纤。
4.根据权利要求2所述的待测器件(204)，其特征是：待测器件(204)对应光程差为S3。
5.根据权利要求1所述的第一主干涉仪模块(31)、第二主干涉仪模块(32)、……、第n主干涉仪模块(33)，其特征是：
1)第一主干涉仪模块(31)中，光由第二耦合器第一输出端(310)注入第五耦合器(311)，之后分成两束分别经过第一主干涉仪上臂(312)、带有第一主干涉仪延迟光纤(314)的第一主干涉仪下臂(313)，然后共同注入第六耦合器(315)合束，之后被第一差分探测器(316)接收，第一主干涉仪模块光程差为SFUT1；
2)第二主干涉仪模块(32)中，光由第二耦合器第二输出端(320)注入第七耦合器(321)，之后分成两束分别经过第二主干涉仪上臂(322)、带有第二主干涉仪延迟光纤(324)的第二主干涉仪下臂(323)，然后共同注入第八耦合器(325)合束，之后被第二差分探测器(326)接收，第二主干涉仪模块光程差为SFUT2；
3)第n主干涉仪模块(33)中，光由第三耦合器第n输出端(330)注入第九耦合器(331)，之后分成两束分别经过第n主干涉仪上臂(332)、带有第n主干涉仪延迟光纤(334)的第n主干涉仪下臂(333)，然后共同注入第十耦合器(335)合束，之后被第n差分探测器(336)接收，第n主干涉仪模块光程差为SFUTn；
4)第一主干涉仪模块光程差、第二主干涉仪模块光程差、……、第n主干涉仪模块光程差之间存在倍增关系，即为SFUT1＝SFUT2/2＝……＝SFUTn/n。
6.根据权利要求1所述的辅助干涉仪模块(4)，其特征是：
光由第三耦合器(401)分成两束分别经过辅助干涉仪上臂(402)，带有辅助干涉仪延迟光纤(404)的辅助干涉仪下臂(403)，然后共同注入第四耦合器(405)合束，之后被第四差分探测器(406)接收，辅助干涉仪模块光程差为Sref，其应满足Sref≥2SFUTn。
7.根据权利要求1所述的数据处理模块(6)中的计算与匹配单元(601)，具体包括以下过程，其特征是：
1)计算起偏器的输出尾纤(203)，待测器件(204)，检偏器的输入尾纤(205)的光程差之和S4＝S1+S2+S3；
2)确定S4所处的区间，使其满足下式：
(m-1)×SFUT1＜S4≤m×SFUT1
m为正整数且1≤m≤n；
3)选择所采集的第m主干涉信号。
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