专利名称：一种用于测量光学双折射媒介中偏振串扰的方法及其设备的制作方法
技术领域：
本发明属于光学偏振特性测量技术领域，特别涉及通过对由于双折射色散引起串扰点包络宽度线性展宽进行补偿修正，实现对双折射光学材料及仪器中偏振串扰点的测量。
背景技术：
对于各种不同的光学装置、系统及应用中，光偏振特性是光信号一个相当重要的物理参量。由于在不同折射率的媒介中光信号以不同的偏振态进行传输，因此不同双折射的光学媒介又会改变或者影响光信号的偏振态。例如，光纤本身具有双折射效应，因此在其中传播的光偏振态会发生改变。光纤中的双折射通常会随时间而变化，也会随着其工作环 境一如压力或者温度的变化而随机变化。保偏光纤就是一种具有光学双折射材料的例子，它具有很高的双折射特性，从而保证其内部两个独立的偏振模传输态一HEslow11和HEfast11,即光仅沿着保偏光纤偏振态相互垂直的快轴和慢轴传播。在保偏光纤中，沿慢轴HEslw11的偏振光折射率要比沿快轴HEfast11模态偏振光折射率高。当线偏振光偏振方向与慢轴方向一致被I禹合进入保偏光纤，此时，只有HEslm11模态的偏振光被激发，传输光的偏振态将保持慢轴偏振光特性；相反，当线偏振光偏振方向与快轴方向一致被I禹合进入保偏光纤，则只有HEfast11模态的偏振光被激发，传输光的偏振态将保持快轴偏振光特性。保偏光纤这种保持光偏振态的特性可以有多种用途，例如光纤陀螺、集成光学设备、高性能干涉仪和偏振传感仪、量子保密密钥分配、光纤激光器等。发生在保偏光纤上的扰动-例如施加在保偏光纤上的应力，将会引起保偏光纤相互垂直的两偏振模之间产生光的串扰(或叫光耦合)，即一个偏振模的光能量将会转移到另一个偏振模上。在保偏光纤中，由于保偏光纤本身存在的内部缺陷或者作用在光纤上的外部应力影响，即使入射光与保偏光纤的快轴或慢轴完全对准入射，在保偏光纤两偏振模之间也会发生光能量的耦合。通常采用偏振串扰来表征保偏光纤中快轴和慢轴之间模式的耦合情况。在实际应用中，需要对保偏光纤中串扰点的位置进行定位和对其串扰点的大小进行测量。例如，在光纤陀螺应用中，通常采用偏振串扰测量来检测保偏环绕制前原料光纤的质量，以及对绕纤过程中串扰点对保偏光纤环的恶化进行控制和在光纤环绕制结束后的质量进行诊断。保偏光纤本身也可作为光学传感介质，可利用偏振串扰作为传感信息。例如，通过偏振串扰测量来获得沿保偏光纤长度上的应力分布，可对桥梁、隧道、堤坝、管道沿线或输油管输气管、建筑物等的结构变化进行监测。在保偏光纤上出现机械扰动，将直接引起其偏振串扰，因此对偏振串扰进行测量还可以发现保偏光纤链路中的侵入活动。偏振串扰测量还能用于检测保偏光纤的质量，通过对保偏光纤中串扰点缺陷部位进行定位，此举能帮助光纤生产商消除或者使用者避开光纤中的缺陷部位，或者通过预先的测量做到减少缺陷点的影响。偏振串扰测量还可用于测量偏振波导的高消偏比、获得光源的自相关函数、测量保偏光纤的双折射、保偏光纤和单模光纤的长度和对干涉仪的光程进行匹配。
沿保偏光纤上快慢轴之间传播的光波所发生的干涉信号，是体现在保偏光纤中串扰点位置上，而在多个串扰点之间的光波多次耦合干涉则被称为为鬼影干涉信号。当在保偏光纤上存在多个强的耦合点时鬼影干涉信号会变得很强，这样就容易造成对串扰点位置和串扰强度的误判。图I所示是一个使用光学干涉仪器对沿保偏光纤上偏振串扰的空间分布的进行测量的典型装置，其中图IA为测量装置的元件构成图；图IB给出了相对于保偏光纤主轴而言，起偏器的偏振方向；图IC给出了沿着保偏光纤多个位置由保偏光纤应力引起两个正交偏振态之间的偏振串扰分布情况。在图I中，由宽带光源产生的宽带光101经由位置A处进入保偏光纤110中。该光101偏振方向与保偏光纤慢轴相一致。在B点处的压力引起沿保偏光纤快轴和慢轴两个正交的偏振方向之间产生偏振I禹合，并直接产生一个与快轴方向相一致的偏振分量。由于保偏光纤中两个偏振成分以不同速度进行传播，因此在光纤的输出端111 (位置C)两偏振成分之间将会产生不同的相位延迟，两者的相位延迟差ΛΖ如公式(I)所示
Δ z = nsz_nfz =Δ nz (I)其中ns和nf分别是快轴和慢轴的折射率，两个折射率差是Λ n，Z是耦合点B到输出点C之间的距离。如果在光纤输出端111后放置一个起偏器120,并使得其偏振方向与保偏光纤的慢轴呈45度(

图1B)，此时对于两偏振成分而言，均有一半的光能量通过起偏器120,并以与起偏器偏振轴方向一致相同的偏振方向出射。因此，当直接将干涉仪用于接收从起偏器120输出的光时，由于起偏器120的作用使得保偏光纤中两正交偏振模成分发生干涉。因此这个光干涉仪可以用于偏振串扰的测量。图I中所举例的干涉仪为典型的迈克尔逊干涉仪，其结构工作原理为一个光分束器130用来接收来自起偏器120的输出光，并将所接收到的光分成两束，其中一束光沿着第一光路142传播经由固定反射镜140进行反射，而另一束光沿着第二光路143传播经由可移动反射镜141进行反射。通过一驱动马达改变可移动反射镜141的位置，进而对移动臂中的光程进行调整。由反射镜140和141反射后两束光将沿着第一光路和第二光路逆向回到分束器130。由反射镜140和141反射后的光回到分束器上时，由于空间交叠而发生干涉，产生干涉输出信号132，此干涉信号随着可移动反射镜的移动而呈周期重现。在干涉信号中相邻两干涉峰之间的光程差对应于反射镜141移动的距离Λ η · ζ，相应的根据公式(I)可以获得保偏光纤中的耦合点的位置为ζ =Λ ζ/ Λ η。耦合点的位置也可以从干涉图表中得出。耦合率也可以通过干涉峰的强度计算出。图IC所示是保偏光纤中存在多点耦合的情况。在这种情况下，测量过程变得更复杂。如果保偏光纤中有(η+1)个耦合点UciX1X2 · ·χη)，则沿着慢轴方向传输的线偏振输入光波112将在输出末端处113分成2η个沿着慢轴的小波包和2η个沿着快轴的小波包。这样，在第i个耦合点之后，沿快轴方向和慢轴方向的两个波包&和G分别包括2i波包，其光路光程可以描述为公式(2)f P \{ P \
* I1 f I
>1,1J I -
pP
Si,2Psi 二 · Pf= /(2)
f、,/jJW
·P .p .
J \ Js^ J其中及，j (j=lto 20和& . j (j=l to 20是分别表示5,和Λ中的第j个波包列的光程。第(i+1)个耦合点之后的波包串的光程可以用公式(3)计算出
f (ΧΜ^ x^S+pSlI、
(XM -也 +PSi2
(xM — Xf)ns + PPs =P = i .丄；…、基于公式(3)，保偏
(Λ,,」-.V, +,(3)
(Xf+| - Χ,.)Λ/ +/)/;2
、(x,+,+P為
光纤输出处的波包光程可以由公式(4)获得
r (-W,,—.>.ι+/ν" (f Λ,7°Γρ IW
sx U ,+d (u;為 .η、'I (x -x0)nf )对应的波包串强度1\和14可以通过下面公式计算
'* IJ /(1+^)I ( hnl lf(l + c ) ^
U+c.j/'Vi.: ,(! + Ο
·Is , = K ^'/(1 + ￡V}* /(1 + c->(5)
L 」* I+ Cb I + cK Jk ' IL u* Cv/(U C J0
DK/《1+00
Uui+cJo
·
^ + ‘.λΙ I 0 J
权利要求
1.一种用于测量光学双折射媒介中偏振串扰的方法，其特征在于，该方法包括以下步骤 1)将宽带光源输出的线性偏振光稱合入一具有保持传输光两正交偏振模的功能的光学双折射媒介中，并在该光学双折射媒介中产生一光信号； 2)将该光信号接入一干涉仪，获取两正交偏振模间光干涉信号； 3)对所获取的光干涉信号进行处理，获得光学双折射媒介中含有双折射色散影响的两正交偏振模间偏振串扰点的包络谱函数； 4)基于对步骤3)获得的含有双折射色散影响的包络谱函数测量，得出光学媒介中的双折射色散参数，基于该双折射色散参数求得包络宽度展宽补偿函数，利用该包络宽度展宽补偿函数对该含有双折射色散影响的包络谱函数的展宽进行修正，得到消除了双折射色散影响的包络谱函数，通过该修正后的包络谱函数获得光学双折射媒介中偏振串扰。
2.如权利要求I中所述的方法，其特征在于，所述步骤4)中所述基于双折射色散参数求得包络宽度展宽补偿函数具体包括 对光学双折射媒介中沿光路上两个或多个不同位置处包络谱函数包络宽度进行测量，提取光学双折射媒介的双折射色散参数；并用所获取的双折射色散参数，生成包络宽度展宽补偿函数。
3.如权利要求2中所述的方法，其特征在于，所述步骤4)得到修正后的包络谱函数具体方法为 通过将含有双折射色散影响的包络谱函数与包络宽度展宽补偿函数进行相乘得到修正后的包络谱函数。
4.如权利要求I中所述的方法，其特征在于，所述干涉仪是使用一基于光纤结构的干涉设备，或使用一全光纤结构的干涉仪。
5.如权利要求I中所述的方法，其特征在于，所述干涉仪为一迈克尔逊干涉仪。
6.如权利要求I中所述的方法，其特征在于，所述光双折射媒介为保偏光纤。
7.一种用于测量双折射光学媒介中偏振串扰的设备，其特征在于，该设备包括 一个耦合装置，用于将宽带光源发射的线偏振光耦合到可保持两个正交偏振模的光学双折射媒介中，并从光学双折射媒介产生输出光信号； 一个光学干涉仪，用于接收由双折射媒介的输出光信号，并处理该信号获得双折射媒介中两正交偏振模的光干涉信号； 一个处理设备，用于对所获得的光干涉信号进行处理，获得光学双折射媒介中两正交偏振模之间偏振串扰点的包络谱函数，并基于对光学双折射包络谱的测量，获得光学双折射媒介中的双折射色散参数，利用求取的双折射色散参数得到包络宽度展宽补偿函数，应用包络宽度展宽补偿函数与包络谱函数进行相乘，减小光学双折射媒介中双折射色散导致的包络谱函数中包络展宽现象。
8.如权利要求7中所述的设备，其特征在于，进一步包括一数据处理模块，用于运算出光学双折射媒介中沿光路上两点或多点不同位置处包络谱函数的包络宽度，并根据包络谱函数的包络宽度获得光学双折射媒介中的双折射色散参数。
9.如权利要求8中所述的设备，其特征在于，所述数据处理模块还包括将包络谱函数与包络宽度展宽补偿函数相乘，产生一校正后的包络谱函数，该校正后的包络谱函数的谱宽消除了由双折射色散而导致的包络谱展宽现象。
10.如权利要求7中所述的设备，其特征在于，所述光学干涉仪为一全光纤结构的干涉仪。
11.如权利要求7中所述的设备，其特征在于，所述光学干涉仪为一迈克尔逊干涉仪。
12.如权利要求7中所述的设备，其特征在于，还包括一个起偏器，置于光学干涉仪之前，用于对通过的光进行某一方向起偏，以保证由光学双折射媒介输出的光信号中两正交的偏振态产生混合，使得由起偏器输出的光信号直接入射至干涉仪中。
13.如权利要求7中所述的设备，其特征在于，所述干涉仪包括一光纤耦合器，用于接收由起偏器输出的光信号，并将该光信号分成第一和第二光束；耦合器中的第一路光纤用于接收第一光束；在第一路光纤末端连接第一法拉第旋转镜，用于将第一路光纤中输出的光信号反射按原路返回；耦合器的第二路光纤用于接收第二光束；在第二路光纤末端连接第二法拉第旋转镜，用于将第二路光纤中输出的光信号反射，并按原路返回；所述光纤耦合器接收由第一路光纤和第二路光纤回来的反射光，使其发生干涉； 在第二路光纤中耦合一个可变的光延迟装置，用于将该光路中的光进行可调节延迟；一光电探测器用于检测由光纤耦合器输出的携带有光干涉信息的光信号，并且将光干涉信号转变为电信号，输送到处理设备进行处理。
14.一种用于测量双折射光学媒介中偏振串扰的设备，其特征在于，该设备包括 一宽带光源模块，用于产生一宽谱线偏振光，该偏振光输入至一光学双折射媒介，该光学双折射媒介由于其自身所具有的光学双折射特性使得其具有使通过的光保持正交偏振模的能力，并由光学双折射媒介产生一光信号； 一光学干涉仪，用于接收由光学双折射媒介中输出的光信号，并生成两正交偏振模之间光的干涉信号； 一光学探测器，用于接收由光学干涉仪输出的携带有干涉信息的光信号，并产生一探测器输出电信号； 一处理器，用于处理由探测器输出的电信号，通过运算处理输出一控制信号，直接反馈至光学干涉仪控制干涉仪两臂中的相对延迟，获取光学双折射媒介中两正交偏振模之间偏振耦合点的包络谱函数，并对包络谱函数运用包络宽度展宽补偿函数，减小光学双折射媒介中由于光学双折射色散而导致的包络谱函数的包络展宽。
15.如权利要求14中所述的设备，其特征在于，所述处理器进一步包括通过运用包络宽度展宽补偿函数对包络谱函数运算，实现将包络谱函数乘以包络宽度展宽补偿函数，从而产生一修正后、包络宽度已消除了由双折射色散导致的包络展宽的包络谱函数。
全文摘要
本发明涉及一种用于测量光学双折射媒介中偏振串扰的方法和装置，该方法包括将线性偏振光耦合入光学双折射媒介中，并在其中产生一光信号；将该光信号接入一干涉仪，获取两正交偏振模间光干涉信号；对所获取的光干涉信号进行处理，获得含有双折射色散影响的光学双折射媒介中两正交偏振模间偏振串扰点的包络谱函数；对包络谱函数测量，得出光学媒介中的双折射色散参数，再用求得的包络宽度展宽补偿函数对包络谱函数的展宽进行修正，得到修正后的包络谱函数，通过该修正后的包络谱函数获得光学双折射媒介中偏振串扰。本发明可消除因为双折射色散引起的包络谱展宽带来的对测量精度的不良影响。
文档编号G01N21/23GK102914421SQ20121040133
公开日2013年2月6日 申请日期2012年10月19日 优先权日2012年10月19日
发明者姚晓天, 李志宏 申请人:苏州光环科技有限公司, 通用光讯光电技术(北京)有限公司