CN204202850U - 一种y波导的双通道光学性能双向多对轴角度自动测试装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型设计属于光学器件测量技术领域，具体涉及到一种Y波导的双通道光学性能双向多对轴角度自动测试装置。包括高偏振稳定度宽谱光源、光信号换轴机构、光信号通道方向切换机构、待测集成波导调制器即Y波导、光程解调装置、偏振串音检测与记录装置，光信号换轴机构具有第一输入端尾纤、第二输入端尾纤，第三输出端尾纤、第四输出端尾纤分别与高偏振稳定度宽谱光源、光程解调装置、光信号通道方向切换机构的第一输入端、第二输入端连接。使用计算机控制装置的换轴、换向、换通道功能，可以对待测波导器件实现多对轴角度、双向、双通道的测试。其测试结果更加详细、全面和精确。

Description

一种Y波导的双通道光学性能双向多对轴角度自动测试装置

技术领域

本实用新型设计属于光学器件测量技术领域，具体涉及到一种Y波导的双通道光学性能双向多对轴角度自动测试装置。

背景技术

多功能集成光学器件俗称“Y波导”，一般采用铌酸锂材料作为基底，它将单模光波导、光分束器、光调制器和光学偏振器进行了高度集成，是组成干涉型光纤陀螺(FOG)和光纤电流互感器的核心器件，决定着光纤传感系统的测量精度、稳定性、体积和成本。

决定Y波导器件性能的好坏的参数主要有这么几个：波导芯片的消光比、波导尾纤串音、输出通道的光程差等等。Y波导的芯片消光比，决定着这些基于Y波导的光纤传感系统如光纤陀螺等设备仪器的测量精度，例如高精度精密级光纤陀螺中使用的Y波导的芯片消光比要求达到80dB以上。因此，对Y波导的光学性能进行定量、全面且准确的测量是研制高性能精密光学传感系统的迫切需求。

20世纪90年代初，法国Herve Lefevre等人(US 4893931)首次公开了基于白光干涉原理的OCDP系统，其采用超辐射发光二极管(SLD)和空间干涉光路测量结构。法国Photonetics公司根据此专利研制了WIN-P 125和WIN-P 400两种型号OCDP测试系统，主要用于较短(500m)和较长(1600m)保偏光纤的偏振特性分析。2002年美国Fibersense TechnologyCorporation公司的Alfred Healy等人公开一种集成波导芯片的输入/输出光纤的耦合方法(US6870628)，将白光干涉测量方法实现了波导芯片输入/输出光纤的耦合串音的测量；2004年北京航空航天大学的伊小素、肖文等人公开了一种光纤陀螺用集成光学调制器在线测试方法及其测试装置(CN 200410003424.X)，可以实现器件的损耗、分光比等光学参数的测量；2007年北京航空航天大学的伊小素、徐小斌等人公开了一种Y波导芯片与保偏光纤在线对轴装置及其在线对轴方法(CN 200710064176.3)，利用干涉光谱法同样实现了波导芯片与波导输入/输出光纤串音的测量。2012年，本研究组提出了基于全光纤光路的偏振串音测量测试装置(CN201210379406.6)及其提高光学器件偏振串音测量性能的方法(CN201210379407.0)，解决了高精度白光干涉测量的一些关键技术问题，使偏振串音测量的灵敏度提高的-95dB以上，同时动态范围能够相应保持在95dB，同时减小了测试系统的体积，增加了测量稳定性。为高消光比Y波导器件的特性测量奠定了基础。2013年，本研究组提出了一种多功能铌酸锂集成器件的光学性能测量方法(CN201310739315.3)，系统而全面的实现了超大消光比测量范围、高空间分辨率的集成波导测量与定量的评价与分析。然而，上述的测试方法与装置，均只能测试Y波导单通道的特性，当对另一个通道测试时候，需要重新连接装置。这样测试的一致性无法得到很好的保证。而且在测试的过程中，如果需对多对轴角度的光学特性进行测试，则需要手动旋转对轴角度，这样便增加了测试时间，而且引入了更多人为操作所带来的不确定性因素影响，降低了测试精度与可靠度。

本实用新型基于现有技术改进，其设计思路是：采用光信号换轴机构与光信号通道方向切换机构组合，采用计算机输出同步电信号对光开关进行切换，以实现集成波导器件的双通道双向测量多对轴角度的自动测量。其装置通过对波导芯片的传输轴和截止轴、尾纤传输轴和截至轴之间的白光干涉信号幅度和光程位置的检测，获得关于待测波导芯片不同通道关于中点对称的测量结果，实现对波导器件芯片噪声本底、消光、芯片线性双折射，波导输入/输出端尾纤的耦合串音、延长光纤焊点等多个光学参数的更精确测量。该装置一次连接好之后，便不需要再进行手动旋转、焊接等操作，而是用计算机输出电信号自动控制光开关，全程光程扫描与换轴、换向、换通道功能都由计算机程序来自动控制实现，这样不仅仅缩短了测试时间，提高了测试效率，更是大大简化了测试流程，将人为手动操作可能引入的不确定性因素影响降至最低，极大程度的避免了人为因素的干预，使测试结果具有更好的一致性，这也大大提高了测试系统的可靠性。这种自动测量的装置与方法可广泛用于集成光学器件的定量评价与特性分析测量系统中。

实用新型内容

本实用新型的目的在于提供一种Y波导的双通道光学性能双向多对轴角度自动测试装置。

本实用新型的目的是这样实现的：

一种Y波导的双通道光学性能双向多对轴角度自动测试装置，包括高偏振稳定度宽谱光源、光信号换轴机构、光信号通道方向切换机构、待测集成波导调制器即Y波导、光程解调装置、偏振串音检测与记录装置，光信号换轴机构具有第一输入端尾纤、第二输入端尾纤，第三输出端尾纤、第四输出端尾纤分别与高偏振稳定度宽谱光源、光程解调装置、光信号通道方向切换机构的第一输入端、第二输入端连接；

光信号通道方向切换机构的第一输入端尾纤、第二输入端尾纤、第一输出端尾纤、第二输出端尾纤、第三输出端尾纤分别与光信号通道方向切换机构的第一输入端、第二输入端、待测Y波导的输入端和第一输出端、第二输出端连接。

光信号换轴机构由4个1×2保偏光开关相互连接，其中第一1×2保偏光开关的常连端尾纤和第三1×2保偏光开关的常连端尾纤相互连接，其对轴角度为0°～0°；且第一1×2保偏光开关的动作端尾纤和第四1×2保偏光开关的动作端s3尾纤相互连接，其焊点对轴角度为0°～45°；第二1×2保偏光开关的常连端尾纤和第四1×2保偏光开关的常连端尾纤相互连接，其焊点对轴角度为0°～0°；第二1×2保偏光开关的动作端和第四1×2保偏光开关的动作端也相互连接，其焊点对轴角度为0°～45°；

光信号换轴机构的所有1×2保偏光开关在同步信号的作用下动作，从常连端同步切换到动作端。

光信号通道方向切换机构，由光信号正反向切换机构和光信号双通道切换机构连接构成；光信号正反向切换机构具有四个输入/输出端，第一输出端的保偏尾纤与Y波导输入通道的保偏尾纤连接，其焊点对轴角度为0°～0°；第二输出端输出尾纤与光信号双通道切换机构输入端保偏尾纤连接，其焊点对轴角度为0°～0°；第一输入端、第二输入端的保偏尾纤分别与光信号换轴机构的保偏光开关和保偏光开关的输入端保偏尾纤连接，其焊点对轴角度为0°～0°；光信号双通道切换机构的和动作端和常连端保偏尾纤分别与待测Y波导第一、二输出通道的保偏尾纤连接，其焊点对轴角度为0°～0°。

光信号通道方向切换机构的光信号正反向切换机构采用一个2×2保偏光开关实现；保偏光开关的状态A与状态B通过电信号实现状态的切换，当2×2保偏光开关处状态A时候，输入端与输出端内部连接，输入端与输出端内部连接；当2×2保偏光开关处于状态B时候，其输入端与输出端内部连接，输入端与输出端内部连接；通过控制状态A和状态B的切换，测试装置可以分别完成对待测Y波导的输出通道进行正向和反向测试的切换。

光信号通道方向切换机构的光信号正反向切换机构也可以采用4个1×2保偏光开关交叉相连实现；1×2保偏光开关的常连端和1×2保偏光开关的常连端连接，1×2保偏光开关的常连端和1×2保偏光开关的常连端连接；1×2保偏光开关的动作端和1×2保偏光开关的动作端连接，1×2保偏光开关的动作端和1×2保偏光开关的动作端连接；四个1×2保偏光开关之间连接的所有焊点对轴角度均为0°～0°。

光信号通道方向切换机构的光信号双通道切换机构采用一个1×2保偏光开关实现，输入端的输入尾纤与光信号正反向切换机构的输出端的输出尾纤相连，焊点对轴角度为0°～0°；动作端和常连端的输出尾纤分别与待测Y波导的输出端的输出尾纤连接，焊点对轴角度均为0°～0°；光信号双通道切换机构在电信号作用下实现常连端与动作端的切换，分别实现对Y波导的第一、第二输出通道的切换。

光信号换轴机构的与高偏振稳定度宽谱光源连接，起偏器的保偏尾纤连接光信号可换轴机构中1×2保偏光开关的输入端的输入保偏尾纤，连接焊点的对轴角度为0°～0°；光信号换轴机构中1×2保偏光开关的输出端输出尾纤和光信号切换机构的输入端尾纤连接，连接焊点的对轴角度为0°～0°；1×2保偏光开关的输出端输出尾纤和光信号通道方向切换机构的输入端尾纤连接，连接焊点的对轴角度为0°～0°；光信号换轴机构中的1×2保偏光开关的输出端的输出尾纤与光程解调装置的检偏器输入保偏尾纤连接，对轴角度为0°～0°；光信号正反向切换机构输出端输出尾纤与待测Y波导的输入通道的输入尾纤连接，对轴角度为0°～0°；光信号双通道切换机构的动作端与常连端分别连接待测Y波导的第一、二输出通道，其焊点对轴角度均为0°～0°。

Y波导的双通道光学性能双向多对轴角度测试装置，当已知仪器噪声本底，非器件首次测量时候，可以将装置简化，去掉光信号可换轴机构；此时则有光信号通道方向切换机构输入端直接连接高偏振稳定度宽谱光源，起偏器的输出尾纤与光信号通道方向切换机构输入尾纤的连接焊点对轴角度为0°～45°；光信号通道方向切换机构输出端P2直接与光程解调装置连接，输出尾纤与光程解调装置检偏器的输入尾纤对轴角度为45°～0°；装置中其他部分的连接方式均不改变。

本实用新型的有益效果：

(1)使用计算机控制装置的换轴、换向、换通道功能，可以对待测波导器件实现多对轴角度、双向、双通道的测试。其测试结果更加详细、全面和精确。

(2)待测器件连接好之后，全程测试流程由计算机自动控制切换，实现了测试装置与过程的自动化程度，减少了手动操作可能引入的误差和其他不确定性因素的影响，最大程度的避免了人为因素的干扰。这样也大大提高了测试速度，提高了效率，

(3)测试装置采用全光器件，搭建简单易行，测试过程全程都是计算机控制而不需要手动操作，这样便可以将装置高度集成，很适合仪器化。

附图说明

图1是基于白光干涉原理的光学相干域偏振测试系统(OCDP)测试Y波导的测试装置原理图。

图2是基于白光干涉原理的光学相干域偏振测试系统(OCDP)测试Y波导双通道双向多对轴角度测量的测试装置原理图。

图3是光信号正反向切换机构由2×2光保偏光开关构成时候，其处于状态A和状态B时候内部连接通道示意图。

图4是光信号正反向切换机构由多个1×2保偏光开关构成时候，其互相连接原理图。

图5是已知待测器件噪声本底数据时候对装置简化，去掉光信号可换轴机构，且光信号切换机构中采用2×2保偏光开关的装置示意图。

具体实施方式

为清楚地说明本实用新型集成波导调制器(Y波导)的双通道双向光学性能测量装置与方法，结合实施例和附图对本实用新型作进一步说明，但不应以此限制本实用新型的保护范围。

本实用新型的目的在于提供一种Y波导器件双通道光学性能的双向多对轴角度自动测试装置，通过计算机控制光信号的换轴、换向、换通道，用白光干涉测量的方法实现了Y波导两个通道波导芯片消光比、线性双折射、插入损耗、尾纤串音等光学参量的正向和反向光学性能测试，提高了测试效率与测量精度。

本实用新型提出了一种Y波导的双通道光学性能双向多对轴角度自动测试装置，包括高偏振稳定度宽谱光源1、光信号换轴机构2、光信号通道方向切换机构3、待测集成波导调制器(Y波导)4、光程解调装置5、偏振串音检测与记录装置6，其特征是：

1)光信号换轴机构2具有四个输入/输出端尾纤221、231、241、251，分别与高偏振稳定度宽谱光源1、光程解调装置5、光信号通道方向切换机构3的两个输入/输出端P1、P2连接；

2)光信号通道方向切换机构3的五个输入/输出端尾纤311、312、313、322、323分别与光信号通道方向切换机构3的两个输入/输出端P1和P2、待测Y波导4的输入端4A和第一、二输出端4B、4C连接；

3)偏振串音检测与记录装置6的控制计算机61利用内置的Y波导器件4的双通道双向多对轴角度偏振串音识别与处理算法，通过对测试装置的换轴、换向和换通道自动控制切换，实现对光程解调装置5输出的白光干涉信号的全程测试流程自动测试、记录和处理。最终可以全面获得Y波导4的第一、二输出通道4B、4C的正向和反向的光学性能，实现更精确、全面且简便的Y波导器件两个输出通道的波导芯片消光比、线性双折射、插入损耗、尾纤串音等参数测试；

所述的光信号换轴机构2，其特征是：

1)由4个1×2保偏光开关22、23、24、25相互连接，其中1×2保偏光开关22的常连端s2尾纤222和1×2保偏光开关24的常连端s2尾纤242相互连接，其对轴角度为0°～0°；且1×2保偏光开关22的动作端s3尾纤223和1×2保偏光开关24的动作端s3尾纤243相互连接，其焊点对轴角度为0°～45°；1×2保偏光开关23的常连端s2尾纤232和1×2保偏光开关25的常连端s2尾纤252相互连接，其焊点对轴角度为0°～0°；1×2保偏光开关23的动作端s3和1×2保偏光开关25的动作端s3也相互连接，其焊点对轴角度为0°～45°；

2)光信号换轴机构2的所有1×2保偏光开关22、23、24、25在同步信号的作用下动作，可以从常连端s2同步切换到动作端s3，完成光信号换轴操作；

所述的光信号通道方向切换机构3，其特征是：

1)光信号通道方向切换机构3由光信号正反向切换机构31和光信号双通道切换机构32连接构成；

2)光信号正反向切换机构31具有四个输入/输出端P1、P2、P3、P4，信号输入/输出端P3的保偏尾纤313与Y波导4输入通道4A的保偏尾纤41连接，其焊点对轴角度为0°～0°；信号输入/输出端P4输出尾纤314与光信号双通道切换机构32输入端s1保偏尾纤321连接，其焊点对轴角度为0°～0°；输入/输出端P1、P2保偏尾纤311、312分别光信号换轴机构2的保偏光开关24和保偏光开关25的输入端s1保偏尾纤241、251连接，其焊点对轴角度为0°～0°；

3)光信号双通道切换机构32的和动作端s3和常连端s2保偏尾纤323、322分别与待测Y波导4第一、二输出通道4B、4C的保偏尾纤42、43连接，其焊点对轴角度为0°～0°；

所述的光信号通道方向切换机构3，其特征是：

1)其光信号正反向切换机构31可以采用一个2×2保偏光开关实现；

2)保偏光开关的状态A与状态B通过电信号实现状态的切换，当2×2保偏光开关处状态A时候，其输入端P1与输出端P3内部连接，输入端P2与输出端P4内部连接；当2×2保偏光开关处于状态B时候，其输入端P1与输出端P4内部连接，输入端P2与输出端P3内部连接；通过控制状态A和状态B的切换，测试装置可以分别完成对待测Y波导4的输出通道进行正向和反向测试的切换；

所述的光信号通道方向切换机构3，其特征是：

其光信号正反向切换机构31也可以采用4个1×2保偏光开关315、316、317、318交叉相连来实现；

其连接方法如下：1×2保偏光开关315的常连端s2和1×2保偏光开关317的常连端s2连接，1×2保偏光开关316的常连端s2和1×2保偏光开关318的常连端s2连接；1×2保偏光开关315的动作端s3和1×2保偏光开关318的动作端s3连接，1×2保偏光开关316的动作端s3和1×2保偏光开关317的动作端s3连接。四个1×2保偏光开关之间连接的所有焊点对轴角度均为0°～0°；

其工作方式如下：在同步电信号的作用下，1×2保偏光开关315、316、317、318可由常连端s2同步切换到动作端s3，完成对Y波导4第一、二输出通道4B、4C正向和反向的切换；

所述的光信号通道方向切换机构3，其特征是：

其光信号双通道切换机构32采用一个1×2保偏光开关实现，输入端s1的输入尾纤312与光信号正反向切换机构31的输出端P4的输出尾纤314相连，焊点对轴角度为0°～0°；动作端s3和常连端s2的输出尾纤323，322分别与待测Y波导(4)的输出端4B、4C的输出尾纤42、43连接，焊点对轴角度均为0°～0°；光信号双通道切换机构32在电信号作用下实现常连端s2与动作端s3的切换，分别实现对Y波导4的第一、第二输出通道4B、4C的切换；

所述的光信号可换轴机构2和光信号通道方向切换机构3，其在装置中与高偏振稳定度宽谱光源1、待测Y波导器件4和光程解调装置5的连接关系，以及光信号可换轴机构2和光信号切换机构3二者之间的连接关系，其特征是：

1)光信号换轴机构2的与高偏振稳定度宽谱光源1连接，起偏器18的保偏尾纤19连接光信号可换轴机构2中1×2保偏光开关22的输入端s1的输入保偏尾纤21，连接焊点的对轴角度为0°～0°；

2)光信号换轴机构2中1×2保偏光开关24的输出端s1输出尾纤241和光信号切换机构3的输入端P1尾纤311连接，连接焊点的对轴角度为0°～0°；1×2保偏光开关25的输出端s1输出尾纤251和光信号通道方向切换机构3的输入端P2尾纤312连接，连接焊点的对轴角度为0°～0°；

3)光信号换轴机构2中的1×2保偏光开关23的输出端s1的输出尾纤231与光程解调装置5的检偏器502输入保偏尾纤501连接，对轴角度为0°～0°；

4)光信号正反向切换机构31输出端P3输出尾纤313与待测Y波导4的输入通道4A的输入尾纤41连接，对轴角度为0°～0°；光信号双通道切换机构32的动作端s3与常连端s2分别连接待测Y波导4的第一、二输出通道4B、4C，其焊点对轴角度均为0°～0°；

所述的Y波导的双通道光学性能双向多对轴角度测试装置，其特征是：

1)当已知仪器噪声本底，非器件首次测量时候，可以将装置简化，去掉光信号可换轴机构2。此时则有光信号通道方向切换机构3输入端P1直接连接高偏振稳定度宽谱光源1，起偏器18的输出尾纤19与光信号通道方向切换机构3输入尾纤311的连接焊点对轴角度为0°～45°；光信号通道方向切换机构3输出端P2直接与光程解调装置5连接，输出尾纤231与光程解调装置5检偏器502的输入尾纤501对轴角度为45°～0°；装置中其他部分的连接方式均不改变；

所述的Y波导器件(4)的双通道双向多对轴角度偏振串音识别与处理算法的的自动控制切换测试处理方法，其特征是：

1)Y波导4的输入端4A保偏尾纤41的长度要求满足如下关系式：

S_W-i＝l_W-i×Δn_f>S_ripple  (1)

式中：Δn_f为保偏尾纤线性双折射，S_ripple为光源(11)二阶相干峰的光程最大值。

2)如果不满足，则需要在光信号切换机构3输出端P3输出尾纤313与输入保偏尾纤41之间焊接一段延长保偏光纤l_f-i，且其与Y波导4输入端4A保偏尾纤41对轴角度为0～0°；长度要求满足下式：

S_f-i＝l_f-i×Δn_f>S_ripple  (2)

3)测量Y波导4的波导芯片4D长度l_W；

4)测量Y波导4的第一、二输出通道尾纤4B、4C长度l_W-o-1、l_W-o-2，其长度要求满足下面式子：

S_W-o-1＝l_W-o-1×Δn_f且S_W-o-2＝l_W-o-1×Δn_f>S_W＝l_W×Δn_W  (3)

式中：Δn_W波导芯片的线性双折射。

5)如输出尾纤42、43的长度l_W-o-1、l_W-o-2不满足(3)式，则需要在第一、二输出通道4B，4C上分别焊接两段长度相同的延长光纤l_f-o-1、l_f-o-2，其对轴角度均为0°～0°，满足(4)式，测量并记录延长光纤l_f-o-1、l_f-o-2；

S_f-o-1＝l_f-o-1×Δn_f且S_f-o-2＝l_f-o-1×Δn_f>S_W＝l_W×Δn_W  (4)

6)将Y波导4输入端4A连接光信号通道方向切换机构3的输出端P3，第一、二输出通道4B、4C分别连接光信号双通道切换机构32常连端s2、动作端s3，其焊点对轴的角度均为0°～0°；并且按照要求连接好测试装置其他器件；这时光信号正反向切换机构31处于状态A，其他切换装置中1×2保偏光开关输入/输出端s1均连至常连端s2；

7)启动白光干涉仪，获得第一输出通道4B对轴角度为0°的正向的分布式偏振串音测量结果曲线；

8)控制计算机61控制光信号双通道切换机构32从常连端s2自动切换至动作端s3，第二次启动白光干涉仪，获得第二输出通道4C对轴角度为0°的正向的分布式偏振串音测量结果曲线；

9)控制计算机61控制光信号正反向切换机构31自动切换至状态B，重复步骤7和步骤8，获得第一、二通道4B、4C对轴角度为0°的反向分布式偏振串音测量结果曲线；

10)控制计算机61控制光信号换轴机构2从常连端s2自动切换至动作端s3，重复步骤7、8、9，获得第一、二通道4B、4C对轴角度为45°的正、反向分布式偏振串音测量结果曲线；

11)利用已经测量的器件各部分的几何长度，包括：Y波导4输入保偏尾纤41长度l_W-i、输入延长保偏光纤长度l_f-i、波导芯片4D长度l_W、Y波导(4)两个输出通道4B、4C尾纤42、43长度l_W-o-1、l_W-o-2、输出延长光纤的长度l_f-o-1、l_f-o-2；并计算其在光路中的光程延迟量；

12)处理待测Y波导测试的8幅偏振串音曲线图，对于0°对轴角度的第一、二输出通道4B、4C通道偏振串音测试曲线的正向和反向测试结果取平均，获得更精确的Y波导4第一、二输出通道4B、4C噪声本底；对于45°的Y波导4第一、二输出通道4B、4C分布式偏振串音测量结果曲线正向和反向测试结果取平均，可以获得更精确的Y波导4第一、二输出通道4B、4C偏振串音测试曲线；

13)通过计算处理最终确定得到Y波导4第一、二通道4B、4C的保偏光纤尾纤和波导芯片消光比、线性双折射、插入损耗、尾纤串音等参数。

本实用新型是对基于白光干涉原理的光学相干域偏振测试系统(OCDP)测试Y波导技术的一种装置改进。OCDP测试系统对Y波导测试的装置示意图如图1所示。在图1所示的测试系统中，光源模块发出的检测光，经过待测Y波导器件2，获得了Y波导的器件光学特征，其通过检偏器进入白光干涉仪3，借助光电探测处理部分4，可以获得波导芯片消光比、线性双折射等多个光学参数测量。在图1所示装置中，当M-Z干涉仪的移动反射镜37通过位移台进行光程扫描，传输光与耦合光将发生光程匹配，产生白光干涉信号包络，其峰值幅度对应耦合光幅度，峰值之间的光程差对应耦合光发生的空间位置。因此通过扫描探测，便可根据扫描曲线图得知波导器件内部耦合位置与强度，从而获得器件内部消光比、光纤耦合点、光纤焊点等光学特征信息。

对于波导的白光干涉测量装置，当待测波导器件2与宽谱光源1和白光测量装置3的对准角度为0°～45°、45°～0°对准时，获得的白光干涉信号的幅度和光程延迟量，可以如下式表示：

$\begin{array}{c}\frac{I\left(S\right)}{I\left(0\right)}=R\left(S\right)+{\mathrm{\ρ}}_{f-i}R(S\±S_{f-i})+{\mathrm{\ρ}}_{W-i}R[S\±(S_{f-i}+S_{W-i})]\\ +{\mathrm{\ρ}}_{f-o}R(S\±S_{f-o})+{\mathrm{\ρ}}_{W-o}R[S\±(S_{f-o}+S_{W-o})]\\ +{\mathrm{\ρ}}_{W-i}{\mathrm{\ρ}}_{W-o}R[S\±(S_{f-i}+S_{W-i}+S_{f-o}+S_{W-o})]\\ +{\mathrm{\ϵ}}_{\mathrm{chip}}R[S\±(S_{f-i}+S_{W-i}+S_{f-o}+S_{W-o}+S_W)]\\ +{\mathrm{\ρ}}_{\mathrm{ripple}}R(S\±S_{\mathrm{ripple}})+\underset{i}{\mathrm{\Σ}}{\mathrm{\ρ}}_{i}R(S\±S_i)\end{array}---\left(5\right)$

其中，S为扫描的光程量，R(S)为宽谱光源的归一化自相干函数，R(0)＝1，传输光的白光干涉峰值信号幅度，光程差为零；R(S)＝0(S>S₀时，S₀为宽谱光源的相干长度)；S_f-i、S_f-o、S_W-i、S_W-o、S_W分别为输入/输出延长光纤、输入/输出尾纤和波导芯片的光程延迟量，当慢轴光程超前于快轴光程时，上述延迟量定义为“+”；否则定义为“－”。各光程延迟量可以依次表示为：

S_f-i＝l_f-i×Δn_f

S_W-i＝l_W-i×Δn_f

S_f-o＝l_f-o×Δn_f

S_W-o＝l_W-o×Δn_f  (6)

S_W＝l_W×Δn_W

S_ripple＝2l_SLD×n_S

S_i＝l_i×Δn_i

式中，l_f-o、l_f-i、l_W-o、l_W-i、l_W分别为输出和输入延长光纤、输出和输入尾纤和波导芯片基底长度，Δn_f、Δn_W分别为保偏光纤和波导芯片的线性双折射大小；S_ripple为光源光谱纹波相干峰值的光程差，其和SLD光源的有源区和折射率长度成正比，S_i为白光干涉测试装置3中存在的其他光学缺陷导致的干涉峰值的光程延迟量；ρ_f-i、ρ_f-o分别为输入延长光纤和波导输入光纤的焊点、输出延长光纤和波导输出光纤的焊点的串音振幅幅值，ρ_W-i、ρ_W-o、分别为波导输入/输出光纤与波导芯片的耦合串音振幅幅值，ε_chip为Y波导消光比的振幅幅值，ρ_ripple为光源光谱纹波导致的相干峰值幅值；ρ_i为白光干涉测试装置1中存在的光学缺陷导致的干涉峰值幅值。由此可知，只要知道了输出和输入延长光纤、输出和输入尾纤以及波导芯片的长度及其双折射，即可用白光干涉扫描装置获取白光干涉峰，通过对幅度计算，获得ρ_f-i、ρ_f-o、ρ_W-i、ρ_W-o、ε_chip等光学参数。

而本专利则在此基础上，在待测波导与光源以及光程解调装置之间，加入了光信号可换轴机构与光信号通道方向切换机构，使用计算机自动控制切换光开关，便可实现待测Y波导的换轴、换向、换通道切换，对Y波导双通道的正反向噪声本底和光学特性进行详细而全面的测试，大大提高了测试效率。原方法对Y波导每个参量进行测试时候，每次测量都需要手动重新连接，才能测得Y波导双通道的正向与反向光学性能参数。而采用本装置结构，则可以一次连接好，然后全程通过计算机程序控制，实现了测试流程的自动化。这种装置极大的提高了测试速度，提高了测试精度，而且降低了测试成本，在大批量Y波导测试中更是能得到很好应用，是一种很优良的Y波导全面测试评价的测试装置与方法。

连接方式：在对Y波导测试之前，需要对装置正确连接。如图2所示，采用4个1×2保偏光开关搭建光信号可换轴机构，其中光开关22和24的常连端s2连接且对轴角度为0°～0°，动作端s3连接且对轴角度为0°～45°；光开关23和25的常连端s2连接且对轴角度为0°～0°，动作端s3连接且对轴角度为0°～45°；然后搭建光信号切换机构，采用一个2×2保偏光开关和1×2保偏光开关连接，2×2保偏光开关的P4端连接1×2保偏光开关的输入端s1，对轴角度为0°～0°；将这两个装置接入光路，按照如图的方式连接好，其中光信号可换轴机构2的光开关22输入端s1连接高偏振宽谱光源装置1中的起偏器18，对轴角度为0°～0°，这样光源发出的光便可注入光路中；待测Y波导4的输入端4A连接光信号切换机构3的P3输出端，输出端4B和4C分别连接光信号切换机构3的两个输出端s2和s3；再将光信号换轴机构与光信号切换机构连接，P1连接24的输入端s1，P2连接25的输入端s1对轴角度均为0°～0°；最后将其接入光程解调装置，即23的输出端s1与光程解调装置相连，对轴角度0°～0°。

器件参数选择：

(1)宽带光源11的中心波长1550nm、半谱宽度大于45nm，出纤功率大于2mW，光源光谱纹波<0.05dB(峰值幅度大约为-60dB)，相干峰的光程范围4～7mm；DFB光源311的半谱宽度小于50MHz，出纤功率大于1mW；

(2)2/98光纤耦合器12工作波长1550nm、分光比2：98；

(3)光纤隔离器16工作波长1550nm、插入损耗0.8dB，隔离度>35dB；

(4)光纤起偏器18，光纤检偏器502的工作波长为1550nm，消光比为30dB，插入损耗小于1dB；

(5)光纤耦合器506、510参数相同，工作波长为1310/1550nm，分光比50：50；

(6)光纤环形器为三端口环行器，插入损耗1dB，回波损耗大于55dB；

(7)光纤准直透镜511的工作波长为1550nm，它与光程扫描器512(反射率为92％以上)之间的光程扫描距离大约在0～200mm之间变化，平均插入损耗为2.0dB，损耗波动±0.2dB以内，并且光程扫描器512大约处于100mm位置时，光程解调装置5的两臂光程差大约为零；

(8)差分探测器513、514光敏材料均为InGaAs，光探测范围为1100～1700nm，响应度大于0.85；

(9)选择待测的Y波导器件4，其工作波长为1550nm，波导尾纤慢轴与波导芯片的快轴对准，波导芯片长度20mm。

测试工作流程：

(1)先测量Y波导输入尾纤长度l_w-i，判断其产生的光程差S_w-i是否大于光源光谱纹波相干峰光程S_ripple，如果不满足，则需要焊接一段延长光纤l_f-i，且要求S_f-i>S_W。然后记录输入尾纤长度l_w-i；

(2)测量并记录Y波导芯片的长度l_W；

(3)测量输出尾纤长度l_w-o，判断其产生的光程差S_w-o是否大于波导芯片快慢轴之间的光程差S_W，如果不满足，则需要焊接一段延长光纤l_f-o，且要求S_f-o>S_W。然后记录输入尾纤长度l_w-o；

(4)将待测器件接入搭建好的测试系统，按照上面所述的连接方式连接；

(5)启动白光干涉仪，此时整个装置中所有1×2保偏光开关输入端s1连接常连端s2，2×2保偏光开关处于状态A；计算机控制光程扫描台扫描，获得待测Y波导第一输出通道对轴角度为0°时候的正向的分布式偏振串音测量结果曲线；

(6)计算机控制光信号双通道测试切换机构切换至动作端，第二次启动白光干涉仪，获得待测Y波导第二输出通道对轴角度为0°的正向的分布式偏振串音测量结果曲线；

(7)计算机控制光信号正反向切换机构至状态B，重复步骤(5)和步骤(6)，获得待测Y波导第一、二通道对轴角度为0°的反向分布式偏振串音测量结果曲线；

(8)计算机控制光信号换轴机构的保偏光开关切换至动作端s3，重复步骤(5)、(6)、(7)获得对轴角度为45°的待测Y波导第一、第二输出通道正反向分布式偏振串音测量结果曲线；

(9)利用已经测量的器件各部分的几何长度，包括：Y波导4输入保偏尾纤41长度l_W-i、输入延长保偏光纤长度l_f-i、波导芯片4D长度l_W、Y波导4两个输出通道4B、4C尾纤42、43长度l_W-o-1、l_W-o-2、输出延长光纤的长度l_f-o-1、l_f-o-2；并计算其在光路中的光程延迟量；

(10)处理待测Y波导测试的8幅偏振串音曲线图，对于0°对轴角度的4B与4C通道偏振串音测试曲线正向和反向取平均，得到更精确的Y波导两个输出通道4B和4C的噪声本底；对于45°的4B与4C通道分布式偏振串音测量结果曲线正向和反向取平均，可以获得更精确的Y波导双通道4B和4C的偏振串音测试曲线；

(11)通过计算机计算，最终确定出Y波导4两个通道的保偏光纤尾纤和波导芯片消光比、线性双折射、插入损耗、尾纤串音等参数。

Claims (8)

1.一种Y波导的双通道光学性能双向多对轴角度自动测试装置，包括高偏振稳定度宽谱光源(1)、光信号换轴机构(2)、光信号通道方向切换机构(3)、待测集成波导调制器即Y波导(4)、光程解调装置(5)、偏振串音检测与记录装置(6)，其特征是： 

光信号换轴机构(2)具有第一输入端尾纤(221)、第二输入端尾纤(231)，第三输出端尾纤(241)、第四输出端尾纤(251)分别与高偏振稳定度宽谱光源(1)、光程解调装置(5)、光信号通道方向切换机构(3)的第一输入端(P1)、第二输入端(P2)连接； 

光信号通道方向切换机构(3)的第一输入端尾纤(311)、第二输入端尾纤(312)、第一输出端尾纤(313)、第二输出端尾纤(322)、第三输出端尾纤(323)分别与光信号通道方向切换机构(3)的第一输入端(P1)、第二输入端(P2)、待测Y波导(4)的输入端(4A)和第一输出端(4B)、第二输出端(4C)连接。 

2.根据权利要求1所述的一种Y波导的双通道光学性能双向多对轴角度自动测试装置，其特征是：所述的光信号换轴机构(2)由4个1×2保偏光开关(22，23，24，25)相互连接，其中第一1×2保偏光开关(22)的常连端(s2)尾纤(222)和第三1×2保偏光开关(24)的常连端(s2)尾纤(242)相互连接，其对轴角度为0°～0°；且第一1×2保偏光开关(22)的动作端(s3)尾纤(223)和第四1×2保偏光开关(24)的动作端(s3)尾纤(243)相互连接，其焊点对轴角度为0°～45°；第二1×2保偏光开关(23)的常连端(s2)尾纤(232)和第四1×2保偏光开关(25)的常连端(s2)尾纤(252)相互连接，其焊点对轴角度为0°～0°；第二1×2保偏光开关(23)的动作端(s3)和第四1×2保偏光开关(25)的动作端(s3)也相互连接，其焊点对轴角度为0°～45°； 

光信号换轴机构(2)的所有1×2保偏光开关(22，23，24，25)在同步信号的作用下动作，从常连端(s2)同步切换到动作端(s3)。 

3.根据权利要求1所述的一种Y波导的双通道光学性能双向多对轴角度自动测试装置，其特征是：所述的光信号通道方向切换机构(3)，由光信号正反向切换机构(31)和光信号双通道切换机构(32)连接构成；光信号正反向切换机构(31)具有四个输入/输出端(P1，P2，P3，P4)，第一输出端(P3)的保偏尾纤(313)与Y波导(4)输入通道(4A)的保偏尾纤(41)连接，其焊点对轴角度为0°～0°；第二输出端(P4)输出尾纤(314)与光信号双通道切换机构(32)输入端(s1)保偏尾纤(321)连接，其焊点对轴角度为0°～0°；第一输入端(P1)、第二输入端的保偏尾纤(311，312)分别与光信号换轴机构(2)的保偏光开关(24)和保偏光开关(25)的输入端(s1)保偏尾纤(241，251)连接，其焊点对轴角度为0°～0°；光信号双通道切换机构(32)的和动作端(s3)和常连端(s2)保偏尾纤(323，322)分别与待测Y波导(4)第一、二输出通道(4B，4C)的保偏尾纤(42，43)连接，其焊点对轴角度为0°～0°。 

4.根据权利要求1所述的一种Y波导的双通道光学性能双向多对轴角度自动测试装置， 其特征是：所述的光信号通道方向切换机构(3)的光信号正反向切换机构(31)采用一个2×2保偏光开关实现；保偏光开关的状态A与状态B通过电信号实现状态的切换，当2×2保偏光开关处状态A时候，输入端(P1)与输出端(P3)内部连接，输入端(P2)与输出端(P4)内部连接；当2×2保偏光开关处于状态B时候，其输入端(P1)与输出端(P4)内部连接，输入端(P2)与输出端(P3)内部连接；通过控制状态A和状态B的切换，测试装置可以分别完成对待测Y波导(4)的输出通道进行正向和反向测试的切换。 

5.根据权利要求1所述的一种Y波导的双通道光学性能双向多对轴角度自动测试装置，其特征是：所述的光信号通道方向切换机构(3)的光信号正反向切换机构(31)也可以采用4个1×2保偏光开关(315，316，317，318)交叉相连实现；1×2保偏光开关(315)的常连端(s2)和1×2保偏光开关(317)的常连端(s2)连接，1×2保偏光开关(316)的常连端(s2)和1×2保偏光开关(318)的常连端(s2)连接；1×2保偏光开关(315)的动作端(s3)和1×2保偏光开关(318)的动作端(s3)连接，1×2保偏光开关(316)的动作端(s3)和1×2保偏光开关(317)的动作端(s3)连接；四个1×2保偏光开关之间连接的所有焊点对轴角度均为0°～0°。 

6.根据权利要求1所述的一种Y波导的双通道光学性能双向多对轴角度自动测试装置，其特征是：所述的光信号通道方向切换机构(3)的光信号双通道切换机构(32)采用一个1×2保偏光开关实现，输入端(s1)的输入尾纤(312)与光信号正反向切换机构(31)的输出端(P4)的输出尾纤(314)相连，焊点对轴角度为0°～0°；动作端(s3)和常连端(s2)的输出尾纤(323，322)分别与待测Y波导(4)的输出端(4B，4C)的输出尾纤(42，43)连接，焊点对轴角度均为0°～0°；光信号双通道切换机构(32)在电信号作用下实现常连端(s2)与动作端(s3)的切换，分别实现对Y波导(4)的第一、第二输出通道(4B，4C)的切换。 

7.根据权利要求1所述的一种Y波导的双通道光学性能双向多对轴角度自动测试装置，其特征是：光信号换轴机构(2)的与高偏振稳定度宽谱光源(1)连接，起偏器(18)的保偏尾纤(19)连接光信号可换轴机构(2)中1×2保偏光开关(22)的输入端(s1)的输入保偏尾纤(21)，连接焊点的对轴角度为0°～0°；光信号换轴机构(2)中1×2保偏光开关(24)的输出端(s1)输出尾纤(241)和光信号切换机构(3)的输入端(P1)尾纤(311)连接，连接焊点的对轴角度为0°～0°；1×2保偏光开关(25)的输出端(s1)输出尾纤(251)和光信号通道方向切换机构(3)的输入端(P2)尾纤(312)连接，连接焊点的对轴角度为0°～0°；光信号换轴机构(2)中的1×2保偏光开关(23)的输出端(s1)的输出尾纤(231)与光程解调装置(5)的检偏器(502)输入保偏尾纤(501)连接，对轴角度为0°～0°；光信号正反向切换机构(31)输出端(P3)输出尾纤(313)与待测Y波导(4)的输入通道(4A)的输入尾纤(41)连接，对轴角度为0°～0°；光信号双通道切换机构(32)的动作端(s3)与常连端(s2)分别连接待测Y波导(4)的第一、二输出通道(4B，4C)，其焊点对轴角度均为0°～0°。 

8.根据权利要求1所述的一种Y波导的双通道光学性能双向多对轴角度自动测试装置，其特征是：所述的Y波导的双通道光学性能双向多对轴角度测试装置，当已知仪器噪声本底，非器件首次测量时候，可以将装置简化，去掉光信号可换轴机构(2)；此时则有光信号通道方向切换机构(3)输入端(P1)直接连接高偏振稳定度宽谱光源(1)，起偏器(18)的输出尾纤(19)与光信号通道方向切换机构(3)输入尾纤(311)的连接焊点对轴角度为0°～45°；光信号通道方向切换机构(3)输出端(P2)直接与光程解调装置(5)连接，输出尾纤(231)与光程解调装置(5)检偏器(502)的输入尾纤(501)对轴角度为45°～0°；装置中其他部分的连接方式均不改变。