CN85100420B

CN85100420B - 单模光纤双折射测量方法

Info

Publication number: CN85100420B
Application number: CN85100420A
Authority: CN
Inventors: 黄上元; 林宗琦
Original assignee: Optical Fiber Inst Of Shanghai Jiaotong University
Current assignee: Optical Fiber Inst Of Shanghai Jiaotong University
Priority date: 1985-04-01
Filing date: 1985-04-01
Publication date: 1988-04-13
Also published as: CN85100420A

Abstract

一种单模光纤双折射测量方法，特别适用于测量短拍长的单模光纤。此方法是利用消光法测出单模光纤在不同扭曲下的偏振状态，即测出两个输出线偏振态的传播相位差２φ的绝对值，绘出ｓｉｎ²φ～ａ₂ｌ₂曲线（此处ｌ₂为光纤中间未粘部分的长度，ａ₂为其扭曲率），将曲线极值点的横坐标代入公式（Ⅰ），求出双折射值。测量是通过单色光源、偏振片、物镜、光纤固定装置、光纤扭曲装置、四分之一波长片、光检测器等进行的。

Description

单模光纤双折射测量方法

本发明涉及一种单模光纤双折射的测量方法，特别适用于测量短拍长单模光纤的双折射。

众所周知，单模光纤中只传输最低阶模即HE₁₁模。它实际上是由两个正交模简并而成，对于理想光纤来说，两者的传播常数（即单位长度上相位的变化）相等。但在实际光纤中，由于光纤内部结构不完善，如纤芯呈椭圆状，光纤包层带来的横向内应力等，或光纤受弯、受压、受扭等都会使两个正交模的传播常数不等。“双折射”△β（birefringence）就是在本地座标系中本地x轴及本地y轴方向上的光传播常数之差，即△β＝β_x-β_y，单位为度/米，与双折射△β对应的拍长L_b定义为2π/△β，表示光波经过L_b长度的传播后，相位差的主值将回复到原值。单模光纤不仅为高速度、长距离的光通信提供了可能性，而且在传感器等其它非通讯技术方面也得到了广泛应用。光纤中的双折射导致了光纤中偏振态的变化，在非单色光源下还导致了偏振模色散及退偏振现象，这些因素直接影响到光纤通信系统及其它应用领域（如传感器）的性能。具有不同双折射的光纤有着不同的用途，例如强双折射光纤（即拍长极短）可使得偏振态稳定，从而保证光外差通讯的质量，而低双折射的光纤是法拉弟效应测磁场所必需的。单模光纤测试方法可以帮助了解光纤的特性，对于指导光纤的生产及光纤的选用都非常有用。

关于单模光纤双折射的测量方法，在一九八一年四月二日出版的电子快报（Electronlcs Letters）第17卷第7期252页上，作者M.Monerie等在“用扭曲法测量单模光纤双折射”中提出了应用一米长光纤作非破坏性测量的方法，即在一定的入射偏振条件下用不同扭曲率测量光纤输出光的偏振椭圆度δ-（I_N-I_M）/（I_N+I_M）。式中I_M和I_m是输出光通过偏振片后的光强的最大和最小值。然后画出δ和扭曲率的关系曲线。再用曲线拟合法求出光纤的双折射值。其适用的测量范围是双折射△β＝10～10＊，相当于拍长L_b＝36m-3.6cm，即最短拍长为3.6厘米，数据处理用曲线拟合较烦琐，且因对光纤存在的初始扭曲没有考虑，使测量误差增大。

为了克服上述不足之处，作出改进，本发明的目的是提供一种单模光纤双折射测量方法，特别适用于测量短拍长单模光纤的双折射，此方法是根据黄上元、林宗琦在一九八四年十月十九日在中国光学学会纤维光学和集成光学专业委员会主办的学术交流大会上所作的学术报告“短拍长及具有不均匀性的单模光纤双折射测量方法”一文中经详细分析论证后提出的双折射公式进行的，该公式为：

其中：△β为双折射

K 为光弹系数，近似值为0.07，

l₂ 为光纤未粘部分的长度，

α₂ 为光纤未粘部分的扭曲率，

α₁′l₂为sin²φ～α₂l₂曲线上第一个极值点相对于曲线对称纵轴的横座标（2φ为两个输出线偏振态的传播相位差），α₂″l₂为sin²φ～α₂l₂曲线上第二个极值点相对于曲线对称纵轴的横座标。

在使用公式（Ⅰ）进行测量时，需要用到单色光源，偏振片、物镜、四分之一波长片、光检测器、光纤固定装置及光纤扭曲装置等，通过这些装置用消光法测出在光纤不同扭曲率下的｜φ｜值（此处φ为两个输出线偏振态的传播相位差之半，有关测量原理在上述黄上元、林宗琦的报告中也有论述），再通过sin²φ～α₂l₂曲线，找出该曲线的对称纵轴，测出该曲线上距对称纵轴最近的右侧极值点相对于对称纵轴的横座标α₂′l₂及此点右侧最近的极值点相对于对称纵轴的横座标α₂″l₂，然后用公式（Ⅰ）算出双折射△β值。

本发明的优点是由于用消光法进行测量，对单色光源的功率稳定度及光检测器的线性度的要求都可以降低，设备及方法都简单，测量偏振状态的精度完全由偏振片、光纤扭曲装置、四分之一波长片的转动架的机械精度来决定，因此测试的重复性十分良好。当光纤不存在初始扭曲时sin²φ～α₂l₂曲线对纵轴对称，但当光纤存在着初始扭曲时则该曲线对纵轴不对称，本发明测量方法是通过将纵轴平移到sin²φ～α₂l₂曲线的对称处，从而消除初扭带来的测量误差。本发明对各种拍长的光纤都可测量，特别适合于测量短拍长。且在使用公式（Ⅰ）时，与光纤粘固的长度无关，即测量结果不受粘固长度的影响。

附图说明：

图1为未装四分之一波长片时的测量装置图。

图2为已装四分之一波长片时的测量装置图。

图3A为实例Ⅰ测得的sin²φ～α₂l₂曲线图。

图3B为实例Ⅰ纵轴平移后sin²φ～α₂l₂曲线图。

图4A为实例Ⅱ测得的sin²φ～α₂l₂曲线图。

图4B为实例Ⅱ纵轴平移后sin²φ～α₂l₂曲线图。

下面是对本发明的实施步骤的具体描述：

如图1和图2所示，本发明所使用的测量装置包括：

（a）单色光源〔1〕，此光源可以用氦氖激光器;

（b）前偏振片〔2〕，此偏振片可绕光路轴线转动，转动的方位角可以从刻度上得出;

（c）前物镜〔3〕，此物镜为40倍的显微镜物镜，用来将平行光变成会聚光送进单模光纤〔5〕;

（d）光纤固定装置〔4〕，用来将单模光纤〔5〕的一端固定，通过502号胶将光纤〔5〕粘固，粘固长度l₁约1毫米左右;

（e）光纤扭曲装置〔6〕，用来将单模光纤〔5〕的另一端固定，通过502号胶将光纤〔5〕粘固，粘固长度l₁约1毫米左右，光纤扭曲装置〔6〕可绕光路轴线转动，转动时将光纤扭曲，转动的方位角可以从刻度上读出;

（f）后物镜〔7〕，此物镜为40倍的显微镜物镜，用来将从单模光纤〔5〕中出来的散射光变为平行光;

（g）四分之一波长片〔10〕，此波长片〔10〕在图1的装置中未装入，在图2中装在后物镜〔7〕与后偏振片〔8〕之间，此四分之一波长片〔10〕可以绕光路轴线转动，转动的方位角可读;

（h）后偏振片〔8〕，此片可以绕光路轴线转动，转动的方位角可从刻度上读出;

（i）光检测器〔9〕，当单色光源〔1〕在可见光范围时，也可用一张白纸作光检测器〔9〕来测出消光位置。

使用上述装置测量单模光纤〔5〕双折射△β的测量步骤包括：

（1）将单模光纤〔5〕的一端用502号胶粘固在光纤固定装置〔4〕上，另一端粘固在光纤扭曲装置〔6〕上，使光纤处于自然、无扭曲状态，并使单色光源〔1〕输出的光经过前偏振片〔2〕、前物镜〔3〕、单模光纤〔5〕、后物镜〔7〕、后偏振片〔8〕到达光检测器〔9〕。

（2）通过前偏振片〔2〕与后偏振片〔8〕的旋转，在光检测器〔9〕上找到消光位置，表明偏振本征矢已找到，记下后偏振片〔8〕的方位读数γ作为方位基准。

（3）将四分之一波长片〔10〕装在后物镜〔7〕与后偏振片〔8〕之间，保持前偏振片〔2〕与后偏振片〔8〕不动，调节四分之一波长片〔10〕的方位使光检测器〔9〕保持消光，此时表明四分之一波长片〔10〕的一个主轴已与输出光的线偏振态一致;

（4）将前偏振片〔2〕的方位增加45度，四分之一波长片〔10〕的方位增加或减少45度，这时四分之一波长片〔10〕的两个主轴（或称快轴、慢轴）已分别与光纤〔5〕输出的椭圆偏振光的长短轴对准，从四分之一波长片〔10〕出来的光为线偏振光;

（5）调整后偏振片〔8〕的方位，寻找新的消光位置，记下后偏振片〔8〕的方位读数γ′;

（6）根据｜φ｜＝｜γ+45°-γ′｜求出｜φ｜值;

（7）转动光纤扭曲装置〔6〕，在单模光纤〔5〕不同扭曲角（α₂l₂）的情况下，重复步骤（2）～（6），测出相应的｜φ｜值;

（8）在座标纸上以扭曲角α₂l₂为横座标，以sin²φ（＝sin²｜φ｜）为纵座标，绘出sin²φ～α₂l₂曲线。再以上述曲线的对称纵轴为新座标系的纵轴，原横轴不变，在新座标系中的sin²φ～α₂l₂曲线上测出纵轴右侧第一个极值点的横座标α₂′l₂及第二个极值点的横座标α₂″l₂，通过公式（Ⅰ）

求出单模光纤〔5〕的双折射值△β。

为了进一步说明上述实施步骤，下面给出两个测量实例：

实例Ⅰ 测量一段光纤试样，其l₂＝0.412米。

表Ⅰ为测量所得的数据及计算出的sin²φ值。

光纤扭曲角α₂l₂ (×360度）	γ （度）	γ′ （度）	\|φ\|=\|γ+45°-γ′\| （度）	sin²φ (=sin²\|φ\|)
					-5 -4.5 -4.375 -4.347 -4.25 -4 -3 -2 -1 0 1	2 0 130 121 935 -1 1 1.5 1.5 4 4	331 307 82.5 76 50 303 103.5 82 76 74 65	284 262 92.5 90 86.5 101 57.5 35.5 29.5 25 16	0.941 0.981 0.998 1 0.996 0.964 0.711 0.337 0.243 0.179 0.076

光纤扭曲角	γ	γ′	\|φ\|	sin²φ
					2 3 4 5 6 6.25 6.472 6.5 6.542 6.75 7 8 8.75 8.806 8.833 8.875 9	7 7 5.5 5.5 6.5 272.5 10.5 182 0 137 3.5 3.5 95 69.5 64 52 7	72 74 82 99.5 305 218 150 138.5 313 107 342 18 135 113.5 109 92 63	20 22 31.5 49 253.5 80.5 94.5 88.5 268 75 293.5 30.5 5 1 0 5 11	0.117 0.140 0.273 0.570 0.919 0.973 0.994 0.999 0.999 0.933 0.841 0.258 0.008 0.000 0 0.008 0.036

根据上述数据所得的sin²φ～α₂l₂曲线如图3A所述，以左峰1和右峰1为依据，找到新的对称纵轴在α₂l₂＝387.5°的地方，然后将原纵轴向右平移到新的对称纵轴处，原横轴不平移。于是得到图3B的sin²φ～α₂l₂曲线，这就消除了光纤存在着的初始扭曲对测量的影响。根据右侧峰1处的横座标定出α₂′l₂＝1952.5°，根据右侧谷1处的横座标定出α₂″l₂＝2792.5°，代入公式（Ⅰ）可求得△β＝92331.5度/米，对应于拍长L_b＝3.9毫米。

实例Ⅱ 测量一段光纤试样，其l₂＝1.127米。

表Ⅱ为测量所得的数据及计算出的sin²φ。

光纤扭曲角α₂l₂ （度）	γ （度）	γ′ （度）	\|φ\|=\|γ+45°-γ′\| （度）	sin²φ （=sin²\|φ\|）
					-1620 -1530 -1440	89 15 282.2	76 89.5 327	58 29.5 0.2	0.719 0.243 0.000
-1350 -1260 -1170 -1120 -1080 -990 -810 -720 -430 -270	202 114.5 40 13.5 175 101 107 16.5 269 292.2	219.5 212.5 338.1 340 145.2 25 187 86.5 320 323	27.5 53 253.1 281.5 74.8 121 35 25 6 14.2	0.213 0.638 0.915 0.960 0.931 0.735 0.329 0.179 0.011 0.060

光纤扭曲角	γ	γ′	\|φ\|	sin²φ
					0 90 260 360 450 590 720 810 830 900 945 1050 1125	21 296 160.5 267.5 187.5 186.5 29.5 320 38.4 353 135 17.3 166	33.5 308 75.5 117.5 40.5 2 221 61.4 63.9 307 39.5 2.3 28.5	33.5 308 75.5 117.5 40.5 2 221 61.4 63.9 307 39.5 2.3 28.5	0.388 0.621 0.937 0.787 0.402 0.001 0.430 0.771 0.806 0.638 0.405 0.002 0.228

根据上述数据所得的sin²φ～α₂l₂曲线如图4A所示。以图4A中的左峰1和右峰1的位置为依据，找到新的对称纵轴在α₂l₂＝-430°处。然后将原纵轴向左平移到新的对称纵轴处，原横轴不平移。于是得到图4B中的sin²φ～α₂l₂曲线，根据右侧峰1处的横座标定出α₂′l₂＝650°，根据右侧谷1处的横座标定出α₂″l₂＝1015°代入公式（Ⅰ）求得△β＝4503.45度/米，对应于拍长L_b＝8厘米。

Claims

1、一种单模光纤双折射的测量方法，特别适用于测量短拍长的单模光纤，其步骤包括：

（a）将单模光纤[5]的一端粘固在光纤固定装置[4]上，另一端粘固在光纤扭曲装置[6]上，并使单色光源[1]输出的光经过前偏振片[2]、前物镜[3]、单模光纤[5]、后物镜[7]、后偏振片[8]、到达光检测器[9];

（b）通过前偏振片[2]与后偏振片[8]的旋转，在光检测器[9]上找到消光位置，记下后偏振片[8]的方位读数τ;

（c）将四分之一波长片[10]装在后物镜[7]与后偏振片[8]之间，保持前偏振片[2]与后偏振片[8]不动，调节四分之一波长片[10]的方位使光检测器[9]保持消光;

（d）将前偏振片[2]的方位增加45度，四分之一波长片[10]的方位增加或减少45度;

（e）调整后偏振片[8]的方位，寻找新的消光位置，记下后偏振片[8]的方位读数γ′;

（f）根据｜φ｜＝｜γ+45°-γ′｜求出｜φ｜值;

（g）转动光纤扭曲装置[6]，在单模光纤[5]不同的扭曲角的情况下，重复步骤（b）～（f），测出相应的｜φ｜值。

（h）绘出sin²φ～α₂l₂曲线，找出该曲线的对称纵轴，测出曲线上距对称纵轴的最近的右侧极值点相对于对称纵轴的横座标a₂′l₂上述极值点右侧最近的极值点相对于对称纵轴的横座标a₂″l₂，然后用公式（Ⅰ）：

…（Ⅰ）

求出双折射值。

此处：△β为单模光纤的双折射;

K为光弹系数，近似值为0.07;

l₂为单模光纤未粘部分的长度;

α₂为单模光纤未粘部分的扭曲率;

φ为两输出线偏振态的的传输相位差之半。