CN114112329A - 一种无损光纤的偏振消光比测量系统及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种无损光纤的偏振消光比测量系统，包括：偏振光源、保偏光纤、偏振分束器、偏振合束器和偏振分析仪；偏振光源发出的偏振光信号通过保偏光纤后依次经过偏振分束器、偏振合束器和偏振分析仪。本发明在现有偏振消光比测量系统的基础上引入了偏振分束器和偏振合束器，偏振分束器和偏振合束器的组合结构通过改变偏振光信号的两个正交偏振分量之间的相位差来实现输出偏振光信号的偏振状态的持续性变化，从而代替了现有技术中为实现输出偏振光信号的偏振状态的持续性变化而采取的对光纤施加外力的措施，避免了对光纤的机械性损伤，实现了对偏振消光比的无损光纤式的测量。
Description
技术领域
本发明涉及光测试技术领域，尤其涉及一种无损光纤的偏振消光比测量系统及方法。
背景技术
在光纤通信领域，光的偏振特性是一项重要的特性参数，无论是光源、光纤还是光学元器件，均具有偏振消光比的特性。偏振消光比是衡量光偏振特性的重要参数之一，其表征了光源和偏振器件的性能优劣，许多应用领域都要求偏振器件具有较高的偏振消光比。偏振消光比测量的准确性不仅影响着各种偏振器件的精度，还影响着光学系统和设备偏振响应的性能检测。
对于激光光源来说，偏振消光比表征了光信号的线偏振性；对于偏振器件来说，偏振消光比则表征了其对偏振光的偏振态的保持能力。
基于平面单色光波偏振态的不同表征方式，当前对光源和偏振器件的偏振消光比的测量方法主要有旋转偏振器法和邦加球法(斯托克斯参量法)。其中，邦加球法(斯托克斯参量法)为间接测量，斯托克斯参量构造的邦加球可表征各种偏振态，但通常的做法是对保偏光纤施加外界机械压力或改变外界温度等来改变折射率，从而使得两个轴向的光信号相位差发生变化，其优点是测试精确度高、结果一致性高，但是系统较繁杂，且更重要的是，由于测量过程中会对光纤施加一定的外力从而导致会对光纤造成一定程度的机械性损伤。
发明内容
针对背景技术中提到的有关现有技术的至少一个缺陷或改进需求，本发明提供一种无损光纤的偏振消光比测量系统及方法，其目的在于实现对偏振消光比的无损光纤式的测量。
本发明提供的一种无损光纤的偏振消光比测量系统，包括：偏振光源、保偏光纤、偏振分束器、偏振合束器和偏振分析仪；
所述偏振光源发出的偏振光信号通过所述保偏光纤后依次经过所述偏振分束器、所述偏振合束器和所述偏振分析仪；
所述偏振分束器和所述偏振合束器通过改变所述偏振光信号的两个正交偏振分量之间的相位差，来实现输出所述偏振光信号的偏振状态的持续性变化；
所述偏振分析仪获取并分析所述偏振光信号的偏振状态的持续性变化，得到偏振消光比。
根据本发明提供的无损光纤的偏振消光比测量系统，所述偏振分束器实现所述偏振光信号的偏振分束的方式包括通过晶体的双折射效应的方式、通过晶体的多层次结构的方式以及利用不同偏振光在光子晶体分束器中的禁带特性不同的方式中的一种或多种。
根据本发明提供的无损光纤的偏振消光比测量系统，所述偏振光源为恒定波长和恒定光功率的偏振光源，所述偏振光信号为完全偏振光。
根据本发明提供的无损光纤的偏振消光比测量系统，所述保偏光纤为应力双折射保偏光纤。
根据本发明提供的无损光纤的偏振消光比测量系统，所述保偏光纤通过低应力光纤连接器连接所述测量系统中的其他光学器件。
根据本发明提供的无损光纤的偏振消光比测量系统，所述偏振光源采用恒定波长、输出光功率为1mW、消光比为40dB的激光器光源。
本发明还提供一种无损光纤的偏振消光比测量方法，包括如下步骤：
S1.依次连接偏振光源、保偏光纤、偏振分束器、偏振合束器和偏振分析仪；
S2.调节所述偏振光源的偏振角度，观察光信号偏振状态的变化轨迹，记录若干组斯托克斯参量的数据；
S3.基于所述若干组斯托克斯参量的数据绘制对应的单位球面，通过所述单位球面计算得出偏振消光比。
根据本发明提供的无损光纤的偏振消光比测量方法，在步骤S1前还包括步骤：
S01.对所述偏振光源进行开启预设时间的预热。
根据本发明提供的无损光纤的偏振消光比测量方法，在步骤S1前还包括步骤：
S02.依次连接所述偏振光源、所述保偏光纤和所述偏振分析仪，观察并记录所述保偏光纤输出端的光信号的偏振状态和光功率。
根据本发明提供的无损光纤的偏振消光比测量方法，在步骤S1前还包括步骤：
S03.依次连接所述偏振光源、所述保偏光纤、所述偏振分束器和所述偏振分析仪，观察并记录所述偏振分束器输出光信号的偏振状态和光功率；
S04.依次连接所述偏振光源、所述保偏光纤、所述偏振分束器和所述偏振合束器，测试并记录所述偏振合束器输出光信号的光功率。
本发明在现有偏振消光比测量系统的基础上引入了偏振分束器和偏振合束器，偏振分束器和偏振合束器的组合结构通过改变偏振光信号的两个正交偏振分量之间的相位差来实现输出偏振光信号的偏振状态的持续性变化，从而代替了现有技术中为实现输出偏振光信号的偏振状态的持续性变化而采取的对光纤施加外力的措施，避免了对光纤的机械性损伤，实现了对偏振消光比的无损光纤式的测量，得到了更高精度的偏振消光比测量结果。
附图说明
为了更清楚地说明本发明或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见的，下面描述中的附图是本发明的一些较佳实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是归一化斯托克斯参数图；
图2是单色波偏振态的邦加球示意图；
图3是传统邦加球法测量系统框图；
图4是本发明实施例提供的新型邦加球法测量系统框图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合一些附图对本发明中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
基于平面单色光波偏振态的不同表征方式，当前对光源和偏振器件的偏振消光比的测量方法主要有旋转偏振器法和邦加球法(斯托克斯参量法)。研究表明，旋转偏振器法相对于邦加球法(斯托克斯参量法)更易受到输入偏振光波长和功率的影响。
根据偏振光学的知识，对于任意给定的光波，均可以用四个参量(斯托克斯参量)来描述这束光波的强度和偏振态。将斯托克斯参数归一化后(如图1所示)，任何偏振态都可以由单位斯托克斯向量(S1、S2、S3)呈现在单位球体上(如图2所示)，这个可表示任一种偏振态的球体即为邦加球。
本发明在现有偏振消光比测量系统(如图3所示)的基础上引入了偏振分束器和偏振合束器，偏振分束器和偏振合束器的组合结构通过改变偏振光信号的两个正交偏振分量之间的相位差来实现输出偏振光信号的偏振状态的持续性变化，从而代替了现有技术中为实现输出偏振光信号的偏振状态的持续性变化而采取的对光纤施加外力的措施，避免了对光纤的机械性损伤，实现了对偏振消光比的无损光纤式的测量，得到了更高精度的偏振消光比测量结果。
如图4所示，在一个实施例中，本发明设计了一种基于邦加球法的无损光纤的偏振消光比测量系统，包括：偏振光源、保偏光纤(图4中的两个相互重叠的圆圈表示保偏光纤)、偏振分束器、偏振合束器和偏振分析仪。
所述偏振光源发出的偏振光信号通过所述保偏光纤后依次经过所述偏振分束器、所述偏振合束器和所述偏振分析仪。
所述偏振分束器和所述偏振合束器通过改变所述偏振光信号的两个正交偏振分量之间的相位差，来实现输出所述偏振光信号的偏振状态的持续性变化。
所述偏振分析仪获取并分析所述偏振光信号的偏振状态的持续性变化，得到偏振消光比。
理想情况下，由偏振光源发出一束完全偏振光，经过较短的保偏光纤、单模光纤后，对光信号偏振态的影响可以忽略。当光经过偏振分束器后，被分成两束相互垂直的线偏振光(即X轴和Y轴的线偏振光)，接下来再通过偏振合束器，将两束光信号汇合成一束光，并将此输出到偏振分析仪中进行观察测量。
针对上述测量系统中使用到的光学器件分别进行如下详细说明。
偏振光源：可发出一束完全偏振光。在偏振消光比测量系统中，光源特性参数影响着保偏光纤的耦合质量和偏振消光比的精度等系统性能参数。通常用输出光功率、输出光信号的中心波长及精度、输出光信号的稳定性等指标来衡量光源的性能。目前，市面上除了有发出恒定波长和恒定光功率的偏振光源外，还有光波长可调节、输出光功率可调节的偏振光源。鉴于恒定波长和恒定光功率输出的光源相对于波长和光功率可调的光源来说，输出光信号会更稳定，优选的，本实施例测量系统使用恒定波长、输出光功率为1mW、偏振消光比可达40dB的激光器光源，默认输出Y轴线偏振光。
保偏光纤：种类甚多，主要的保偏光纤结构有熊猫型、蝴蝶结型、椭圆包层型和椭圆纤芯光纤等。本测量系统采用应力双折射保偏光纤，由于其X轴和Y轴方向的折射率差异，光信号在折射率较大的轴向(慢轴)上传输速率较慢，光信号在折射率较小的轴向(快轴)上传输速率较快。理想状态下，在保偏光纤两个轴向(快轴或慢轴)上传输的线偏振光，其光信号的偏振态保持不变。
光纤连接器：保偏光纤本身无法直接与偏振光源和偏振分束器等的端口相连，为了保证系统的完整性，需要使用保偏光纤连接器来与保偏光纤进行元器件互连。当线偏振光进入到光纤连接器中时，其偏振方向需要与连接器内保偏光纤的主轴方向对准，此过程含有光纤与连接器的耦合，不同性能的元器件会产生不同的模式耦合，即在垂直主轴方向上出现不同的偏振光功率。光纤连接器的作用就是将光纤的两端与各个元器件的端口进行连接，但不恰当的连接方式会对光纤产生较大应力，而应力会对偏振消光比的测量结果产生负面影响，优选的，保偏光纤通过低应力光纤连接器连接所述测量系统中的其他元器件。
偏振分束器：用来将正交的偏振分量彼此分离，并沿着不同方向传输的过程，从而实现将输入的偏振光信号分解为两个相互垂直的偏振光。偏振分束器有多样化的设计方法，可以是通过晶体的双折射效应或者是通过晶体的多层次结构来实现光信号的偏振分束，也可以利用不同偏振光在光子晶体分束器中的禁带特性不同来实现。
偏振合束器：当两束偏振态相互垂直的线偏振光通过棱镜、晶体等介质时，利用光在其中的双折射、反射、透射等传输特性，把两束光汇合成为一束，并将其耦合进单模光纤。理想状态时，偏振合束器即为偏振分束器的反向操作过程。
偏振分析仪：可测试和分析光信号在器件中的偏振特性，显示偏振态(SOP)、偏振度(DOP)、消光比(PER)、邦加球夹角(Angle)等光学偏振特性参数。系统测量过程中，启动偏振分析仪，将偏振合束器的输出端口连接到偏振分析仪的偏振态分析输入端口中。从偏振分析仪的显示界面，可以得到由斯托克斯参量构建的邦加球、光偏振态的变化轨迹分析、归一化的斯托克斯参量以及输出光信号的偏振度显示结果。
利用上述无损光纤的偏振消光比测量系统进行偏振消光比测量的具体操作步骤如下：
S1.将保偏光纤的一端通过低应力光纤连接器连接至偏振光源输出端，将保偏光纤的另一端通过低应力光纤连接器连接至偏振分束器的输入端；将偏振分束器的两路输出光信号分别接入偏振合束器的两路输入端；将光纤合束器的输出端口连接到偏振分析仪的“偏振态分析”端口。
S2.手动缓慢调节偏振光源的偏振角度旋钮，观察光信号偏振态的变化轨迹，记录若干组斯托克斯参量的数据；
S3.将上述记录的若干组斯托克斯参量的数据，在MATLAB中绘制一个以斯托克斯参量S1、S2、S3为极坐标的单位球面，先计算出该单位球面的外接圆的半径，再根据半径的均值计算该偏振光信号经过保偏光纤之后的偏振消光比的数值。
优选的，在步骤S1前还可包括步骤：
S01.对所述偏振光源进行开启预设时间的预热。开启偏振光源一定时间的预热过程是为了使光源输出的偏振光信号可以达到更稳定的状态，从而可以提高测量的精确度。
优选的，在步骤S1前还可包括步骤：
S02.依次连接所述偏振光源、所述保偏光纤和所述偏振分析仪，观察并记录所述保偏光纤输出端的光信号的偏振状态和光功率。
优选的，在步骤S1前还可包括步骤：
S03.依次连接所述偏振光源、所述保偏光纤、所述偏振分束器和所述偏振分析仪，观察并记录所述偏振分束器输出光信号的偏振状态和光功率。
S04.依次连接所述偏振光源、所述保偏光纤、所述偏振分束器和所述偏振合束器，测试并记录所述偏振合束器输出光信号的光功率。
优选的上述步骤S02、S03和S04主要是为了在正式测量偏振消光比之前，先行验证下此测量方法的可行性。通过每一步得到的光信号的功率和偏振状态，来证明此测量系统的所述连接方式是可以实现偏振消光比的测量的。
如上所述，通过此新型的邦加球法偏振消光比测量系统，可以得到偏振光源、保偏光纤、偏振元器件输出光信号的精准偏振状态，可以在不损伤光纤的基础上，实现对偏振消光比的测量。
以上所述仅为本发明的一些较佳实施例，并不用以限制本发明，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，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种无损光纤的偏振消光比测量系统，其特征在于，包括：偏振光源、保偏光纤、偏振分束器、偏振合束器和偏振分析仪；
所述偏振光源发出的偏振光信号通过所述保偏光纤后依次经过所述偏振分束器、所述偏振合束器和所述偏振分析仪；
所述偏振分束器和所述偏振合束器通过改变所述偏振光信号的两个正交偏振分量之间的相位差，来实现输出所述偏振光信号的偏振状态的持续性变化；
所述偏振分析仪获取并分析所述偏振光信号的偏振状态的持续性变化，得到偏振消光比。
2.根据权利要求1所述的无损光纤的偏振消光比测量系统，其特征在于，所述偏振分束器实现所述偏振光信号的偏振分束的方式包括通过晶体的双折射效应的方式、通过晶体的多层次结构的方式以及利用不同偏振光在光子晶体分束器中的禁带特性不同的方式中的一种或多种。
3.根据权利要求1所述的无损光纤的偏振消光比测量系统，其特征在于，所述偏振光源为恒定波长和恒定光功率的偏振光源，所述偏振光信号为完全偏振光。
4.根据权利要求1所述的无损光纤的偏振消光比测量系统，其特征在于，所述保偏光纤为应力双折射保偏光纤。
5.根据权利要求4所述的无损光纤的偏振消光比测量系统，其特征在于，所述保偏光纤通过低应力光纤连接器连接所述测量系统中的其他光学器件。
6.根据权利要求3所述的无损光纤的偏振消光比测量系统，其特征在于，所述偏振光源采用恒定波长、输出光功率为1mW、消光比为40dB的激光器光源。
7.一种无损光纤的偏振消光比测量方法，其特征在于，包括如下步骤：
S1.依次连接偏振光源、保偏光纤、偏振分束器、偏振合束器和偏振分析仪；
S2.调节所述偏振光源的偏振角度，观察光信号偏振状态的变化轨迹，记录若干组斯托克斯参量的数据；
S3.基于所述若干组斯托克斯参量的数据绘制对应的单位球面，通过所述单位球面计算得出偏振消光比。
8.根据权利要求7所述的无损光纤的偏振消光比测量方法，其特征在于，在步骤S1前还包括步骤：
S01.对所述偏振光源进行开启预设时间的预热。
9.根据权利要求7所述的无损光纤的偏振消光比测量方法，其特征在于，在步骤S1前还包括步骤：
S02.依次连接所述偏振光源、所述保偏光纤和所述偏振分析仪，观察并记录所述保偏光纤输出端的光信号的偏振状态和光功率。
10.根据权利要求7所述的无损光纤的偏振消光比测量方法，其特征在于，在步骤S1前还包括步骤：
S03.依次连接所述偏振光源、所述保偏光纤、所述偏振分束器和所述偏振分析仪，观察并记录所述偏振分束器输出光信号的偏振状态和光功率；
S04.依次连接所述偏振光源、所述保偏光纤、所述偏振分束器和所述偏振合束器，测试并记录所述偏振合束器输出光信号的光功率。
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| CN115585985B (zh) * | 2022-10-19 | 2023-08-18 | 深圳市新联恒光电科技有限公司 | 适用于保偏光纤器件的性能指标监测系统 |
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Legal Events
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| PB01 | Publication | ||
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Application publication date: 20220301 |
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