CN203259329U - 保偏光纤中偏振模耦合分布的测量装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种保偏光纤中偏振模耦合分布的测量装置，涉及保偏光纤领域，该测量装置包括宽带光源、强度调制器、第一偏振器、第二偏振器、光放大器、光电探测器和矢量网络分析仪，宽带光源通过光纤跳线与强度调制器相连，强度调制器通过光纤跳线与第一偏振器相连，第一偏振器与第二偏振器的间距为被测保偏光纤的长度，第二偏振器通过光纤跳线与光放大器相连，光放大器通过光纤跳线与光电探测器相连，光电探测器通过射频线缆与矢量网络分析仪相连，矢量网络分析仪通过射频线缆与强度调制器相连。本实用新型能测量50公里长的保偏光纤的偏振模耦合分布，测到的最小可探测偏振模耦合强度为10^-6～10^-5，信噪比比现有方案提高10分贝以上。

Description

保偏光纤中偏振模耦合分布的测量装置

技术领域

本实用新型涉及保偏光纤领域，特别是涉及一种保偏光纤中偏振模耦合分布的测量装置。

背景技术

光信号在PMF（Polarization Maintaining Fiber，保偏光纤）中传播时，如果输入光的偏振态沿着保偏光纤的快轴或者慢轴方向，则偏振态保持不变，保偏光纤通过引入非常大的两个偏振模式之间的双折射来获得这个性质。由于这种特殊的性质，保偏光纤在相干光纤通信系统、光纤传感系统中有着非常重要的应用，例如：众所周知的光纤陀螺仪；另外，保偏光纤也应用在各种各样的光学器件中，例如：PMD（Polarization Mode Dispersion，偏振模色散）仿真器、PMD补偿器、光纤起偏器、光纤光学干涉仪等等。

PMC（Polarization Mode Coupling，偏振模耦合）是保偏光纤中一些特殊位置的两个偏振模式之间的能量交换，这种能量交换由作用在保偏光纤的内部或者外部的扰动引起，可能分布在整个光纤长度上。偏振模耦合限制着保偏光纤中保偏的效果，降低了相干光通信系统或者光纤传感系统的性能。为了消除偏振模耦合，必须找出保偏光纤中发生偏振模耦合的位置。

通过搜索专利和论文数据库，查到通过无损的方式完成保偏光纤中偏振模耦合的分布测量的两种方案。

第一种是基于白光光源和MI（Michelson Interferometer，迈克尔逊干涉仪）的方案，这种方案的测量装置以SLD（super luminescentdiode，超辐射发光二极管）作为宽带光源，测量装置包括偏振调整部分和扫描迈克尔逊干涉仪，为了实现空间分布测量，同时也为了提高精确度，在扫描迈克尔逊干涉仪中使用了PZT（PiezoelectricTransducer，压电换能器）。已报道的被测的保偏光纤的最大长度为1km，这种方案的空间分辨率遵循关系式：L_D=L_C/Δn，其中：L_D是空间分辨率，L_C是光源的相干长度，Δn是两种偏振模式之间的折射率差。最小可探测偏振模耦合强度取决于系统的性能，已报道的最小偏振模耦合强度的值为10^-4。由于利用了PZT和带有可调平台的MI，这种测量装置对环境扰动比较敏感，并且在长时间测试中可能会失效。

第二种是基于P-OTDR（Polarimetric-Optical Time-DomainReflectometry，偏振光时域反射计）的方案，P-OTDR可以测量偏振态沿光纤长度的空间分布。如果保偏光纤中存在偏振模耦合，偏振态在偏振模耦合存在的地方将会发生改变，即使输入光是沿着保偏光纤的快轴或者慢轴注入的，因此POTDR可以用来测量保偏光纤中的偏振模耦合分布。它的空间分辨率由探测脉冲宽度决定，典型值为1m对应10ns的脉冲宽度。因为P-OTDR利用瑞利背向散射光作为探测信号，所以SNR（Signal to Noise Ratio，信噪比）比较低。为了增大SNR，可以采用较宽的脉冲宽度，但是易导致降低空间分辨率；或者，可以利用多次测量取平均来提高SNR，但是易导致测量时间延长至几分钟。

上述两种方案都可以用来实现利用保偏光纤的分布式光纤传感，当外部扰动作用在保偏光纤上一些特殊位置时，偏振模耦合将会出现，这两种方案均可以测量出偏振模耦合，依此即可传感例如应力等参数，但是，这两种方案都存在以下缺点：（1）仅仅适用于小于1公里的较短保偏光纤的偏振模耦合测量；（2）由于被测信号非常微弱，信噪比非常小。

实用新型内容

本实用新型的目的是为了克服上述背景技术的不足，提供一种保偏光纤中偏振模耦合分布的测量装置，能够测量50公里长的保偏光纤的偏振模耦合分布情况，测到的最小可探测偏振模耦合强度为10^-6～10^-5，还能够提高信噪比，比现有方案的信噪比提高10分贝以上。

本实用新型提供的保偏光纤中偏振模耦合分布的测量装置，包括宽带光源、强度调制器、第一偏振器、第二偏振器，宽带光源通过光纤跳线与强度调制器相连，强度调制器通过光纤跳线与第一偏振器相连，第一偏振器与第二偏振器之间的间距为被测保偏光纤的总长度，还包括光放大器、光电探测器和矢量网络分析仪，第二偏振器通过光纤跳线与光放大器相连，光放大器通过光纤跳线与光电探测器相连，光电探测器通过射频线缆与矢量网络分析仪相连，矢量网络分析仪通过射频线缆与强度调制器相连。

在上述技术方案的基础上，所述光放大器采用掺铒光纤放大器。

在上述技术方案的基础上，所述第一偏振器与第二偏振器之间的间距为50公里。

在上述技术方案的基础上，所述第二偏振器的光轴与被测保偏光纤的快轴之间的夹角为45度。

在上述技术方案的基础上，所述第二偏振器的光轴与被测保偏光纤的快轴之间的夹角为90度。

在上述技术方案的基础上，所述测量装置测到的最小可探测偏振模耦合强度为10^-6～10^-5。

与现有技术相比，本实用新型的优点如下：

（1）本实用新型能够测量50公里长的保偏光纤的偏振模耦合分布情况，测到的最小可探测偏振模耦合强度为10^-6～10^-5。

（2）本实用新型的测试装置中用到了光放大器，能够提高信噪比，比现有方案的信噪比提高10分贝以上。

（3）本实用新型通过引入射频调制来实现空间测量，整个测试过程中没有移动任何部件，与基于迈克尔逊干涉仪的方法相比，本实用新型的测试装置更牢固、稳定。

（4）随着待测保偏光纤长度的增加，射频信号的自由光谱范围随之减小，可以选用低频范围的射频信号源、射频探测器和调制器，能够降低成本。

附图说明

图1是本实用新型实施例中偏振模耦合分布测量装置的结构框图。

图2是本实用新型实施例中n个点产生偏振模耦合的保偏光纤的结构示意图。

图3是本实用新型实施例中α=π/4时，含有n个PMC的保偏光纤产生的微波光子滤波器效应的时域响应图。

图4是本实用新型实施例中α=π/2时，含有n个PMC的保偏光纤产生的微波光子滤波器效应的时域响应图。

具体实施方式

下面结合附图及具体实施例对本实用新型作进一步的详细描述。

参见图1所示，本实用新型实施例提供一种保偏光纤中偏振模耦合分布的测量装置，包括宽带光源、强度调制器、第一偏振器P1、第二偏振器P2、光放大器、光电探测器和矢量网络分析仪，宽带光源通过光纤跳线与强度调制器相连，强度调制器通过光纤跳线与第一偏振器P1相连，第一偏振器P1与第二偏振器P2之间的间距为被测保偏光纤的总长度，被测保偏光纤的总长度可以长达50公里，即第一偏振器P1与第二偏振器P2之间的间距也可以长达50公里；第二偏振器P2通过光纤跳线与光放大器相连，光放大器通过光纤跳线与光电探测器相连，光电探测器通过射频线缆与矢量网络分析仪相连，矢量网络分析仪通过射频线缆与强度调制器相连。光放大器一般采用EDFA（Erbium-Doped Optical Fiber Amplifier，掺铒光纤放大器）。

宽带光源输出的光信号经过光纤跳线进入强度调制器，旋转第一偏振器P1，强度调制器输出的光信号经过光纤跳线进入第一偏振器P1，第一偏振器P1的输出端与被测保偏光纤的一端相连，被测保偏光纤的另一端与第二偏振器P2的输入端相连，测量出第一偏振器P1的光轴与保偏光纤的快轴之间的夹角θ₀，第一偏振器P1以θ₀角耦合到保偏光纤中，计算出保偏光纤入射点的偏振模耦合强度η₀：η₀=sin²θ₀；旋转第二偏振器P2，测量出第二偏振器P2的光轴与保偏光纤的快轴之间的夹角α，通过调节第二偏振器P2的偏转角α来调整两个偏振模之间的消光比。

参见图2所示，保偏光纤中有n个点发生偏振模耦合，n为自然数。当一束光从光纤的一端入射时，从光纤另一端输出的能量包含很多部分，每一部分具有不同的时间延迟，如果入射光信号已被射频信号调制过，那么输出端的射频响应就相当于一个滤波器，因此起到了微波光子滤波器的作用。图2中L指向的方向为坐标轴方向，T是延迟时间变量，θ_i（i=1,2...,n）是保偏光纤中相邻两个节段间快轴的夹角，i是偏振模耦合点的位置编号，L_i是第i个偏振模耦合点的位置。n=0时，保偏光纤中没有发生偏振模耦合，θ_i=0；如果保偏光纤有内部或者外部的扰动，则θ_i≠0，表明保偏光纤中存在偏振模耦合，第i个偏振模耦合点的偏振模耦合强度为，η_i，理论上η_i=sin²θ_i，但是，一般情况下，θ_i和η_i都很小，难以测量。

S3、设置矢量网络分析仪的RF(Radio Frequency，射频)频率范围F₀和扫描步长△f，根据公式：

计算保偏光纤中偏振模耦合分布的测量装置的至问分辨率△L，至I司分辨率△L表不倔光纤中偏振模耦合分布的测量装置的最小可定位的空间精度。矢量网络分析仪发射调制射频信号s(t)至强度调制器，t是时间变量，对输入强度调制器的光信号加载调制射频信号s(t)；

由于θ_i(i=l，2…，n)非常小，假设cosθ_i=1，则第二偏振器P2后端的电场强席E为：

$E\∝\cos \mathrm{\α}\sqrt{S\left(t\right)}\exp \[j({\mathrm{\ω}}_{0}t+{\mathrm{\β}}_F{L}_0)\]+$

$\sin \mathrm{\α}\left\{\begin{array}{c}\sin {\mathrm{\θ}}_0\sqrt{S(t-T_0)}\exp \[j({\mathrm{\ω}}_{0}t-{\mathrm{\β}}_S{L}_0)\]+\·\·\·+\\ \sin {\mathrm{\θ}}_n\sqrt{S(t-T_n)}\exp \[j({\mathrm{\ω}}_{0}t-{\mathrm{\β}}_F(L_0-L_n)-{\mathrm{\β}}_S{L}_n)\]\end{array}\right\}---\left(1\right)$

其中，j是虚数单位，ω₀是光波的中心频率，β_F是保偏光纤的快轴的传播常数，L₀是入射端的位置，β_s是保偏光纤的慢轴的传播常数，T_n是第n个偏振模耦合点的时延，L_n是第n个偏振模耦合点的位置。通常可以忽略光场由慢轴反向耦合到快轴而引起的高阶无穷小项，第二偏振器P2输出的光信号的光功率P与第二偏振器P2后端的电场强度E的平方成正比：

$P\∝{\cos }^2\mathrm{\αS}\left(t\right)+{\sin }^2\mathrm{\α}\underset{i=0}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{\η}}_{i}S(t-T_i)---\left(2\right)$

其中，T_i是第i个偏振模耦合点的时延，S(t-T_i)是第i个偏振模耦合点的射频信号表达式，

是所有偏振模耦合点的耦合强度与射频信号的乘积之和。

第二偏振器P2输出的光信号经过掺铒光纤放大器进行放大，掺铒光纤放大器产生的射频滤波器响应为H(ω_m)：

$H\left({\mathrm{\ω}}_m\right)={\cos }^2\mathrm{\α}+{\sin }^2\mathrm{\α}\underset{i=0}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{\η}}_i\exp \left(j{\mathrm{\ω}}_m{T}_i\right)---\left(3\right)$

其中，ω_m是时域信号变换到频域中的信号频率，

是所有偏振模耦合点的耦合强度与光信号表达式乘积之和。

掺铒光纤放大器输出的光信号进入光电探测器，光电探测器对接收的光信号进行探测，探测到光信号的光强表达式为：

${\left|H\left({\mathrm{\ω}}_m\right)\right|}^2={\cos }^4\mathrm{\α}+{\sin }^4\mathrm{\α}\underset{i=0}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{{\mathrm{\η}}_i}^2{2\sin }^2\mathrm{\α}{\cos }^2\mathrm{\α}\underset{i=0}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{\η}}_i\cos {\mathrm{\ω}}_n{T}_i+$

$2{\sin }^4\mathrm{\α}\underset{i=0}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}\underset{k=i+1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{\η}}_i{\mathrm{\η}}_k\cos {\mathrm{\ω}}_m(T_i-T_k)$ $\left(4\right)$

其中，i、k均是位置编号，η_i是第i个偏振模耦合点的偏振模耦合强度，η_k是第k个偏振模耦合点的偏振模耦合强度，T_i是第i个偏振模耦合点的时延，T_k是第k个偏振模耦合点的时延，是所有偏振模耦合点的偏振模耦合强度的平方和。

光电探测器将探测到的光信号转换为电信号，输出电信号到矢量网络分析仪，矢量网络分析仪接收、显示、存储光电探测器发来的电信号，矢量网络分析仪对方程（4）做傅里叶逆变换，或者通过其他的软件对矢量网络分析仪接收的光强信号进行傅里叶逆变换，最终计算得到偏振模耦合发生的位置和强度对应的T_i和η_i的值。

在实际应用中，α可以取任意值，根据对α角选择的不同，具体计算细节略有不同，下面以α取π/4、π/2为例进行详细分析。

（1）α远离π/2时，例如：α=π/4（45度），η_i<<1，方程（4）改写为：

${\left|H\left({\mathrm{\&omega;}}_m\right)\right|}^2=\frac{1}{4}[1+\underset{i=0}{\overset{n}{\mathrm{\&Sigma;}}}{{\mathrm{\&eta;}}_i}^2+2\underset{i=0}{\overset{n}{\mathrm{\&Sigma;}}}{\mathrm{\&eta;}}_i\cos {\mathrm{\&omega;}}_m{T}_i+2\underset{i=0}{\overset{n}{\mathrm{\&Sigma;}}}\underset{j=i+1}{\overset{n}{\mathrm{\&Sigma;}}}{\mathrm{\&eta;}}_i{\mathrm{\&eta;}}_j\cos {\mathrm{\&omega;}}_m(T_i-T_j)]$

$\&ap;\frac{1}{4}\&lsqb;1+\underset{i=0}{\overset{n}{\mathrm{\&Sigma;}}}{{\mathrm{\&eta;}}_i}^2+2\underset{i=0}{\overset{n}{\mathrm{\&Sigma;}}}{\mathrm{\&eta;}}_i\cos {\mathrm{\&omega;}}_m{T}_i]---\left(5\right)$

对方程（5）进行傅里叶逆变换：

$F\left({\left|H\left({\mathrm{\&omega;}}_m\right)\right|}^2\right)=k\{(1+\underset{i=0}{\overset{n}{\mathrm{\&Sigma;}}}{{\mathrm{\&eta;}}_i}^2)\mathrm{\&delta;}\left(T\right)+\underset{i=0}{\overset{n}{\mathrm{\&Sigma;}}}{\mathrm{\&eta;}}_i\&lsqb;\mathrm{\&delta;}(T-T_i)+\mathrm{\&delta;}(T+T_i)]\}---\left(6\right)$

其中，k是傅里叶变换产生的常数因子，不影响最后的结果，δ(T)是脉冲函数，δ(T-T_i)是位置在T_i处的脉冲函数，δ(T+T_i)是位置在-T_i处的脉冲函数，矢量网络分析仪画出方程（6）的时域响应图，从方程（6）的时域响应图中读出T_i和η_i/η₀的比值。如果仅仅考虑T的正半轴，方程（6）的时域响应参见图3所示，由于T₀是整个保偏光纤的DGD（Differential Group Delay，差分群时延），η₀=sin²θ₀，其中，θ₀为已知量，整个测量装置产生MPF（Microwave Photonic Filter，微波光子滤波器）效应，第i个偏振模耦合点的位置L_i为：

$L_i=\frac{T_i}{T_0}L---\left(7\right)$

已知测量保偏光纤入射端的偏振模耦合强度η₀和η_i/η₀的比值，根据公式：η_i=(η_i/η₀)×η₀，计算出偏振模耦合的强度η_i,i=1,2,…,n。

这种情况下的信号处理过程十分清晰，计算简单，但是，由于存在较大的直流成分，信号的消光比比较小。

（2）α=π/2（90度）时，信号的消光比最佳。

方程（4）简化为：

${\left|H\left({\mathrm{\&omega;}}_m\right)\right|}^2=\underset{i=0}{\overset{n}{\mathrm{\&Sigma;}}}{{\mathrm{\&eta;}}_i}^2+2\underset{i=0}{\overset{n}{\mathrm{\&Sigma;}}}\underset{j=i+1}{\overset{n}{\mathrm{\&Sigma;}}}{\mathrm{\&eta;}}_i{\mathrm{\&eta;}}_j\cos {\mathrm{\&omega;}}_m(T_i-T_j)---\left(8\right)$

对方程（8）进行傅里叶逆变换：

$F\left({\left|H\left({\mathrm{\&omega;}}_m\right)\right|}^2\right)=k\{\underset{i=0}{\overset{n}{\mathrm{\&Sigma;}}}{{\mathrm{\&eta;}}_i}^2\mathrm{\&delta;}\left(T\right)+\underset{i=0}{\overset{n}{\mathrm{\&Sigma;}}}\underset{j=i+1}{\overset{n}{\mathrm{\&Sigma;}}}{\mathrm{\&eta;}}_i{\mathrm{\&eta;}}_j[\mathrm{\&delta;}(T-(T_i-T_j))+\mathrm{\&delta;}(T+(T_i+T_j))\}---\left(9\right)$

矢量网络分析仪画出方程（9）的时域响应图，从方程（9）的时域响应图中读出T_i和η₀η_i的值。如果仅仅考虑T轴的正半轴，方程（9）对应的时域响应参见图4所示，整个测量装置产生微波光子滤波器效应，与图3不同，在图4中不能清楚地标定所有时域响应的时间，可以确定的一个响应是最右边的一个有着最大的时延T₀-T_n的点。因为T₀是已知的，T_n可以最先得到。其实，时域响应的点数是一个组合

不包括零时延点，将这些响应点写成矩阵的形式：

$\left(\begin{array}{ccccc}{T}_0-T_1& T_0-T_2& T_0-T_3& \&CenterDot;\&CenterDot;\&CenterDot;& T_0-T_n\\ T_1-T_2& T_1-T_3& \&CenterDot;\&CenterDot;\&CenterDot;& T_1-T_n& \\ \&CenterDot;& & & & \\ \&CenterDot;& & & & \\ \&CenterDot;& & & & \\ T_{n-1}-T_n& & & & \end{array}\right)$

现在分别对矩阵的每一个元素加上-T₀和T_n，得到

$\left(\begin{array}{cccc}{-T}_1& {-T}_2& \&CenterDot;\&CenterDot;\&CenterDot;& {-T}_n\\ T_1-T_2-T_1& T_1-T_3-T_0& \&CenterDot;\&CenterDot;\&CenterDot;& T_1-T_n-T_0\\ \&CenterDot;& & & \\ \&CenterDot;& & & \\ \&CenterDot;& & & \\ T_{n-1}-T_n-T_0& & & \end{array}\right)$

和 $\left(\begin{array}{ccccc}{T}_0-T_1+T_n& T_0-T_2+T_n& T_0-T_3+T_n& \&CenterDot;\&CenterDot;\&CenterDot;& T_0\\ T_1-T_2+T_n& T_1-T_3+T_n& \&CenterDot;\&CenterDot;\&CenterDot;& & T_1\\ \&CenterDot;& & & & \\ \&CenterDot;& & & & \\ \&CenterDot;& & & & \\ T_{n-1}& & & & \end{array}\right)$

对比这两组结果，发现两个具有n-1个元素的序列，一个序列恰好是另一个序列的相反数，这些n-1个元素为{T₁T₂…T_n-1}，但是是随机排列的。另一方面，根据图2中T_i的定义，T₀>T₁>…>T_n-1>T_n，因此可以确定所有的T_i。根据公式：

计算出第i个偏振模耦合点的偏振模耦合位置L_i。因为η₀是已知的，η₀η_i由图4中的纵坐标读出，根据公式：η_i=η₀η_i/η₀，计算第i个偏振模耦合点的偏振模耦合强度η_i。

本领域的技术人员可以对本实用新型实施例进行各种修改和变型，倘若这些修改和变型属在本实用新型权利要求及其等同技术的范围之内，则这些修改和变型也在本实用新型的保护范围之内。

说明书中未详细描述的内容为本领域技术人员公知的现有技术。

Claims (6)

1.一种保偏光纤中偏振模耦合分布的测量装置，包括宽带光源、强度调制器、第一偏振器、第二偏振器，宽带光源通过光纤跳线与强度调制器相连，强度调制器通过光纤跳线与第一偏振器相连，第一偏振器与第二偏振器之间的间距为被测保偏光纤的总长度，其特征在于：还包括光放大器、光电探测器和矢量网络分析仪，第二偏振器通过光纤跳线与光放大器相连，光放大器通过光纤跳线与光电探测器相连，光电探测器通过射频线缆与矢量网络分析仪相连，矢量网络分析仪通过射频线缆与强度调制器相连。

2.如权利要求1所述的保偏光纤中偏振模耦合分布的测量装置，其特征在于：所述光放大器采用掺铒光纤放大器。

3.如权利要求1所述的保偏光纤中偏振模耦合分布的测量装置，其特征在于：所述第一偏振器与第二偏振器之间的间距为50公里。

4.如权利要求1至3中任一项所述的保偏光纤中偏振模耦合分布的测量装置，其特征在于：所述第二偏振器的光轴与被测保偏光纤的快轴之间的夹角为45度。

5.如权利要求1至3中任一项所述的保偏光纤中偏振模耦合分布的测量装置，其特征在于：所述第二偏振器的光轴与被测保偏光纤的快轴之间的夹角为90度。

6.如权利要求1至3中任一项所述的保偏光纤中偏振模耦合分布的测量装置，其特征在于：所述测量装置测到的最小可探测偏振模耦合强度为10^-6～10^-5。

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