专利名称：一种提高光学器件偏振串扰测量性能的装置及方法
技术领域：
本发明涉及的是一种于光纤测量装置，本发明也涉及一种于光纤测量方法。具体涉及到一种提高光学器件偏振串扰测量性能的方法与装置。
背景技术：
偏振光学器件是构成高精度光学测量与传感系统的重要组成部分，目前光学器件性能测试与评价方法和装置落后的现状，严重阻碍了高精度光学测量与传感系统的发展。例如高精度光纤陀螺的核心器件——铌酸锂集成波导调制器(俗称Y波导)的芯片消光比已经达到SOdB以上；而常用的偏振性能检测仪器一消光比测试仪，通常的检测分辨率在50dB左右(按照能量定义，即为105)，分辨率最高的为美国dBm Optics公司研制Model4810型偏振消光比，测量仪测量极限也仅有72dB。光学相干域偏振测量技术(OCDP)是一种高精度分布式偏振耦合测量技术，它基于宽谱光干涉原理，通过扫描式光学干涉仪进行光程补偿，实现不同偏振模式间的干涉，可对偏振串扰的空间位置、偏振耦合信号强度进行高精度的测量与分析，进而获得光学偏振器件的消光比、拍长等重要参数。OCDP技术作为一种非常有前途的分布式光学偏振性能的检测方法，被广泛用于保偏光纤制造、保偏光纤精确对轴、器件消光比测试等领域。与其他如偏振时域反射技术(P0TDR)、光频域反射技术(0FDR)、光相干域反射技术(OCDR)等分布式检测方法与技术相比，OCDP技术具有结构简单、高空间分辨率(5 10cm)、大测量范围(测量长度几公里)、超高测量灵敏度(耦合能量_8(T-100dB)、超大动态范围(IO8 101°)等优点，非常有希望发展成为一种高精度、通用化测试技术和系统。由于它最为直接和真实地描述了信号光在光纤光路中的传输行为，所以特别适合于对光纤器件、组件，以及光纤陀螺等高精度、超高精度干涉型光纤传感光路进行测试和评估。20 世纪 90 年代初，法国 Herve Lefevre 等人[Method for the detection ofpolarization couplings in a birefringent optical system and application ofthis method to the assembling of the components ofan optical system, US Patent4893931]首次公开了基于白光干涉原理的OCDP系统，它采用超辐射发光二极管(SLD)作为光源和空间干涉光路作为光程相关测量结构。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。其主要性能为偏振串扰灵敏度为_70dB、动态范围为70dB，后经过改进，灵敏度和动态范围分别提升到_80dB和80dB。2011年，天津大学张红霞等人公开了一种光学偏振器件偏振消光比的检测方法和检测装置(中国专利申请号201110052231. 3)，同样采用空间干涉光路作为O⑶P的核心装置，通过检测耦合点的耦合强度，推导出偏振消光比。该装置适用于保偏光纤、保偏光纤耦合器、偏振器等多种光学偏振器件。与Herve Lefevre等人的方案相比,技术性能和指标相近。同年，美国通用光电公司(General Photonics Corporation)的姚晓天等人公开了一种用于保偏光纤和光学双折射材料中分布式偏振串扰测量的全光纤测量系统(US20110277552, Measuring Distributed Polarization Crosstalk in PolarizationMaintaining Fiber and Optical Birefringent Material),利用在光程相关器之前增加光程延迟器，抑制偏振串扰测量时杂散白光干涉信号的数量和幅度。该方法可以将全光纤测量系统的偏振串扰灵敏度提高到_95dB，但动态范围保持在75dB。进一步提高偏振串扰的测试性能，包括测量灵敏度、动态范围和器件测量长度等。特别是如何在提高测量灵敏度的同时，保持动态范围也相应提高，成为研究的热点。保持测量灵敏度和动态范围数值上的一致性，这样就可以消除光源强度浮动对测量的影响，提高测量的准确性。

发明内容
本发明的目的在于提供能抑制光学本底噪声的幅度，提高偏振串扰测量的灵敏度和动态范围，用于光学器件偏振性能的高精度测量与分析的提高光学器件偏振串扰测量性能的装置。本发明的目的还在于提供一种提高光学器件偏振串扰测量性能的方法。本发明的提高光学器件偏振串扰测量性能的装置包括宽谱光源、起偏器、待测偏振器件、光程相关器、偏振串扰检测与信号记录装置；(I)宽谱光源通过起偏器、第I旋转连接器与待测光纤器件连接后，再通过第2旋转连接器与光程相关器连接，光程相关器中的第I、第2探测器、可移动光学反射镜分别与偏振串扰检测与信号记录装置连接；(2)光程相关器由1X2偏振分束器、三端口环形器、自聚焦准直透镜、可移动光学反射镜、2X2光纤稱合器、第I、第2光电探测器组成；偏振分束器的第I输出端连接光纤率禹合器的第I输入端，组成固定长度光程相关参考臂；偏振分束器的第2输出端连接环形器的输入端，环形器的第I输出端连接准直透镜和可移动光学反射镜；环形器的第2输出端连接耦合器的第2输入端，组成光纤长度可变的光程相关扫描臂；耦合器的第I、第2输出端分别连接第I、第2探测器；(3)线偏振光信号注入到1X2偏振分束器的第I输入尾纤的慢轴中，信号光仅从第I输出尾纤的慢轴中输出；注入到第I输入尾纤的快轴中，仅从第2输出尾纤的慢轴中输出。本发明的提高光学器件偏振串扰测量性能的装置还可以包括这样一些特征I、第I旋转连接器连接起偏器和待测光纤器件，并使二者的光纤偏振特征轴保持对准状态，将经过起偏的宽谱光源的输出光注入到待测光纤器件的一个偏振特征轴中；第2旋转连接器连接待测光纤器件和光程相关器的输入端时，二者的偏振特征轴存在对准和夹角45°两种状态。2、可移动光学反射镜处于运动起点位置时，光程相关器的光程相关参考臂的绝对光程略大于光程相关扫描臂；可移动光学反射镜连续移动的范围大于待测光学器件耦合光与传输光之间的最大光程差异。3、所述的起偏器，第I、第2旋转连接器，待测光纤器件，光程相关器，第I、第2探测器，波长工作范围能够覆盖宽谱光源的发射光谱；起偏器的输出尾纤，偏振分束器输入尾纤、第I和第2输出尾纤均工作在单模、偏振保持状态，其余器件仅工作在单模状态。
本发明的本发明的提高光学器件偏振串扰测量性能的方法为(I)宽谱光源的信号光经过起偏器的偏振极化成为线偏光；(2)调节第I旋转连接器的对准角度，将来自于起偏器的传输光耦合到待测光纤器件的偏振特征轴中； (3)调节第2旋转连接器的对准角度，将经过待测光纤器件的传输光，以及由于偏振串扰在待测光纤器件中产生的与传输光正交的偏振稱合光，注入到光程相关器中偏振分束器输入端保偏光纤的两个正交偏振轴中，即待测光纤器件与偏振分束器的输出、输入尾纤的特征轴处于对准状态；(4)偏振正交的传输光和稱合光被偏振分束器彻底分离后,分别传输在光程相关器的光程相关参考臂和扫描臂中，经过光程相关器后，在第I、第2探测器上产生光学干涉；(5)控制可移动光学反射镜从距离自聚焦准直透镜距离最近的起点开始光程扫描，同时记录第I、第2探测器输出的差分白光干涉信号幅度随扫描光程变化的曲线，其中干涉信号的数值与偏振串扰的幅值、输入光能量的乘积成正比；(6)调节第2旋转连接器的对准角度，在步骤(3)特征轴对准的基础上，将第2旋转连接器继续旋转45°，使待测光纤器件中输出的偏振正交的传输光和耦合光分别注入到偏振分束器输入端保偏光纤中的两个正交偏振轴中；(7)成45°角注入的传输光和稱合光分别被偏振分束器能量均分后,再次输入到光程相关器的光程相关参考臂和扫描臂中，经过光程相关器后，同样在第I、第2探测器上产生光学干涉；(8)再次控制可移动光学反射镜从距离自聚焦准直透镜距离最近的起点开始光程扫描，同时记录第I、第2探测器输出的差分白光干涉信号幅度随扫描光程变化的曲线；其中，当光程相关器的参考臂和扫描臂光程绝对相等时，干涉信号幅度与传输光功率成正比；(9)对比步骤(5)和(8)分别获得白光干涉信号幅度随扫描光程变化的曲线，利用步骤(8)得到输出光功率的绝对数值，然后对步骤(5)获得的数据进行处理，消除输出光功率的影响，获得分布式偏振串扰的绝对结果。本发明是对基于白光干涉原理的光学相干域偏振测试系统(OCDP)的一种技术改进。ODCP的工作原理如图I所示，以保偏光纤的性能测试为例，由宽谱光源发出的高稳定宽谱偏振光101注入到一定长度的保偏光纤121的慢轴(快轴时，原理相同)。由于制作时几何结构存在缺陷、预先施加应力的非理想作用，或者在外界温度和载荷的作用下，使光纤中存在某缺陷点111。信号光沿慢轴传输时，当信号光传输到缺陷点111时，慢轴中的一部分光能量就会耦合到正交的快轴中，形成耦合光束103，剩余的传输光束102依旧沿着慢轴传输。光纤存在线性双折射Λη (例如5Χ10_4)，使慢轴的折射率大于快轴折射率，当光纤的另外一端输出时(传输距离为I)，则传输在慢轴的传输光102和传输在快轴的稱合光103之间将存在一个光程差Anl。上述光束通过焊接点或者旋转连接头112，将传输光和耦合光偏振态旋转45°后,进入光程相关器130中。在光程相关器130中,光学分束镜132、固定反射镜133、移动反射镜134组成一个Michelson光学干涉仪。光束102和103经过检偏器131偏振极化后，由分光器132分别均匀地分成两部分。如图2所示，由传输光201和耦合光202组成参考光束，传输在干涉仪的固定臂中，经过固定反射镜133的反射后回到分光器132 ；由传输光203和稱合光204组成扫描光束，同样经过移动反射镜134的反射后也回到分光器132，两部分光汇聚在探测器137上形成白光干涉信号，被其接收并将光信号转换为电信号。此信号经过信号解调电路151处理后，送入测量计算机152中；测量计算机152另外还要负责控制移动反射镜134实现光程扫描。如图2所示，在测量计算机152的控制下，Michelson干涉仪的移动反射镜134使干涉仪两臂的光程差从Anl经过零，扫描至-Anl (I)当光程差等于Anl时，扫描光束中耦合光204与参考光束中的传输光201光
程发生匹配，则产生白光干涉信号，其峰值幅度为OC ,]P(I-P)I0，它与缺陷点的耦合幅度因子和光源强度成正比；(2)当光程差为零时，参考光束201、202分别与扫描光束中的传输光205、耦合光206光程发生匹配，分别产生白光干涉信号，其峰值幅度为二者的强度叠加，其幅度为Imain 00 1(1，它与光源输入功率成正比。如图可知，与前一个白光干涉信号相比，两个白光干涉信号峰值之间的光程差刚好为Λη 。如果已知光学器件的线性双折射△!!，则可以计算得到缺陷点发生的位置1，而通过干涉信号峰值强度的比值可以计算得到缺陷点的功率耦合大小P ;(3)当光程差等于-Anl时，扫描光束中传输光207与参考光束中的耦合光202光程发生匹配，则产生白光干涉信号，其峰值幅度为，它与光程差为Λη 时相同。如图可知，与光程差为Anl时相比，此白光干涉信号与之在光程上对称，幅度上相同。偏振串扰P可以根据光程差为Anl或者-Anl获得的偏振串扰信号幅度I_pling，以及光程差为零时获得传输光信号幅度Imain计算得到
权利要求
1.一种提高光学器件偏振串扰测量性能的装置，包括宽谱光源(301)、起偏器(311)、 待测偏振器件(632)、光程相关器(640)、偏振串扰检测与信号记录装置(150)，其特征是Cl)宽谱光源(301)通过起偏器(311)、第I旋转连接器(631)与待测光纤器件(632)连接后，再通过第2旋转连接器(633)与光程相关器(640)连接；(2 )所述光程相关器(640 )由I X 2偏振分束器(641 )、三端口环形器(645 )、自聚焦准直透镜(647)、可移动光学反射镜(648)、2X2光纤稱合器(649)、第I光电探测器(651)、第2光电探测器(652)组成；偏振分束器(641)的第I输出端(ps2)连接光纤稱合器(649)的第I输入端(Cl)，组成固定长度光程相关参考臂(ps2+cl);偏振分束器(641)的第2输出端(ps3)连接环形器(645)的输入端(crI),环形器(645)的第I输出端(cr2)连接准直透镜(647)和可移动光学反射镜(648);环形器(645)的第2输出端(cr3)连接稱合器(649)的第2输入端(c2),组成光纤长度可变的光程相关扫描臂(ps3+crl+2cr2+2grl+2x+cr3+c2);光纤耦合器(649)的第I、第2输出端(c3、c4)分别连接第I、第2探测器(651、652);第I、第2探测器(651、652)、可移动光学反射镜(648)分别与偏振串扰检测与信号记录装置(150)连接；(3)线偏振光信号注入到1X2偏振分束器(641)的第I输入尾纤(psl)的慢轴中，信号光仅从第I输出尾纤(ps2)的慢轴中输出；注入到第I输入尾纤(psl)的快轴中，仅从第2输出尾纤(ps3)的慢轴中输出。
2.根据权利要求I所述的提高光学器件偏振串扰测量性能的装置，其特征是 第I旋转连接器(631)连接起偏器(311)和待测光纤器件(632)，并使二者的光纤偏振特征轴保持对准状态，将经过起偏的宽谱光源(301)的输出光注入到待测光纤器件(632)的一个偏振特征轴中；第2旋转连接器(633)连接待测光纤器件(632)和光程相关器(640)的输入端(psl)时，二者的偏振特征轴存在对准和夹角45°两种状态。
3.根据权利要求I或2所述的提高光学器件偏振串扰测量性能的装置，其特征是:可移动光学反射镜(648)处于运动起点位置时，光程相关器(640)的光程相关参考臂(ps2+cl)的绝对光程略大于光程相关扫描臂(ps3+crl+2cr2+2grl+2x+cr3+c2);可移动光学反射镜(648)连续移动的范围(X)大于待测光学器件耦合光与传输光之间的最大光程差巳
4.根据权利要求I或2所述的提高光学器件偏振串扰测量性能的装置，其特征是所述起偏器(311)、第I旋转连接器(631)、第2旋转连接器(633)、待测光纤器件(632)、光程相关器(640)、第I探测器(651)、第2探测器(652)的波长工作范围能够覆盖宽谱光源(301)的发射光谱；起偏器(311)的输出尾纤、偏振分束器(641)输入尾纤(psl)、偏振分束器(641)的第I和第2输出尾纤(ps2、ps3)均工作在单模、偏振保持状态，其余器件仅工作在单模状态。
5.根据权利要求3所述的提高光学器件偏振串扰测量性能的装置，其特征是所述起偏器(311)、第I旋转连接器(631)、第2旋转连接器(633)、待测光纤器件(632)、光程相关器(640)、第I探测器(651)、第2探测器(652)的波长工作范围能够覆盖宽谱光源(301)的发射光谱；起偏器(311)的输出尾纤、偏振分束器(641)输入尾纤(psl)、偏振分束器(641)的第I和第2输出尾纤(ps2、ps3)均工作在单模、偏振保持状态，其余器件仅工作在单模状态。
6.一种基于权利要求I所述的提高光学器件偏振串扰测量性能的装置的提高光学器件偏振串扰测量性能的方法，其特征是 (O宽谱光源(301)的信号光经过起偏器(311)的偏振极化成为线偏光； (2)调节第I旋转连接器(631)的对准角度，将来自于起偏器(311)的传输光耦合到待测光纤器件(632)的偏振特征轴中； (3)调节第2旋转连接器(633)的对准角度，将经过待测光纤器件(632)的传输光、以及由于偏振串扰在待测光纤器件(632)中产生的与传输光正交的偏振I禹合光、注入到光程相关器(640)中偏振分束器(641)输入端(psI)保偏光纤的两个正交偏振轴中，即待测光纤器件(632)与偏振分束器(641)的输出、输入尾纤的特征轴处于对准状态； (4)偏振正交的传输光和稱合光被偏振分束器(641)彻底分离后,分别传输在光程相关器(640)的光程相关参考臂和扫描臂中，经过光程相关器(640)后，在第I、第2探测器(651,652)上产生光学干涉； (5)控制可移动光学反射镜(648)从距离自聚焦准直透镜(647)距离最近的起点开始光程扫描，同时记录第I、第2探测器(651、652)输出的差分白光干涉信号幅度随扫描光程变化的曲线，其中干涉信号的数值与偏振串扰的幅值、输入光能量的乘积成正比； (6)调节第2旋转连接器(633)的对准角度，在步骤(3)特征轴对准的基础上，将第2旋转连接器(633)继续旋转45°，使待测光纤器件(632)中输出的偏振正交的传输光和耦合光分别注入到偏振分束器(641)输入端(psl)保偏光纤中的两个正交偏振轴； (7)成45°角注入的传输光和稱合光分别被偏振分束器(641)能量均分后,再次输入到光程相关器(640)的光程相关参考臂和扫描臂中，经过光程相关器(640)后，同样在第I、第2探测器(651、652)上产生光学干涉； (8)再次控制可移动光学反射镜(648)从距离自聚焦准直透镜(647)距离最近的起点开始光程扫描，同时记录第I、第2探测器(651、652)输出的差分白光干涉信号幅度随扫描光程变化的曲线；其中，当光程相关器(640)的参考臂和扫描臂光程绝对相等时，干涉信号幅度与传输光功率成正比； (9)对比步骤(5)和(8)分别获得白光干涉信号幅度随扫描光程变化的曲线，利用步骤(8)得到输出光功率的绝对数值，然后对步骤(5)获得的数据进行处理，消除输出光功率的影响，获得分布式偏振串扰的绝对结果。
全文摘要
本发明提供的是一种提高光学器件偏振串扰测量性能的装置及方法。包括宽谱光源(301)、起偏器(311)、待测偏振器件(632)、光程相关器(640)、偏振串扰检测与信号记录装置(150)，宽谱光源(301)通过起偏器(311)、第1旋转连接器(631)与待测光纤器件(632)连接后，再通过第2旋转连接器(633)与光程相关器(640)连接。本发明可以极大地抑制噪声幅度，提高偏振串扰测量的灵敏度和动态范围，广泛用于光学器件偏振性能的高精度测量与分析中。
文档编号G01M11/02GK102928199SQ20121037940
公开日2013年2月13日 申请日期2012年10月9日 优先权日2012年10月9日
发明者杨军, 苑勇贵, 彭峰, 苑立波 申请人:哈尔滨工程大学