专利名称：一种对保偏光纤拍长的检测系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种用于测量被测保偏光纤的拍长检测系统，该拍长检测系统由硬件部分和软件部分组成。
背景技术：
保偏光纤是利用波导的形状双折射或应力双折射来实现偏振保持的。现在广泛采用施加应力来实现双折射，即利用了一种热膨胀系数比石英大的附加材料在光纤中产生应力。在制作应力型保偏光纤时，光纤预制棒是通过把两个高浓度掺杂的石英棒(通常采用硼、磷或铝)放置在芯区的两边而制成。在高温下拉成光纤，光纤拉成后这两个高掺杂棒在冷却时收缩，但它们的热收缩量受到周围石英的影响，使高掺杂棒处于拉压力下，通过反作用使光传播所在的纤芯区产生应力沿两个高掺杂棒的轴存在着一个拉应力作用，这个轴一般叫做慢轴；而沿与之正交的轴存在着一个压应力作用，这个轴一般叫做快轴。图1为三种常用的保偏光纤的断面图，图中101为应力区，102为光纤芯，103为普通包层。在图1(A)的“熊猫”型光纤中，高掺杂棒是圆的；在图1(B)的“领结”型光纤中，高掺杂区域形状象领结；在图1(C)的“椭圆”型光纤中，应力包层是椭圆的。由于不同方向的应力不一样，导致光纤断面X方向的等效折射率neqx和Y方向的等效折射率neqy产生了等效折射率差Δnb＝neqx-neqy。其X方向传输常数为βx=2πneqxλ,]]>Y方向传输常数为βy=2πneqyλ,]]>λ为光源发出的光波的中心波长。当这束光在保偏光纤中传播时，将激起两个传输常数βx和βy的传播模式，它们在光纤中传输时，由于传输常数不一样，随着传输距离的增加，其相位差将增大，当这个相位差对应的光程差大于所用光源的相干长度时，这两个模式将失去干涉对比度，此时对应的传输光纤长度被定义为干涉仪去相干长度。这种由传输常数差所产生的光程差将影响到保偏光纤在光纤通讯与光纤传感系统中的应用前景。
拍长是指耦合进保偏光纤的同相位的HE11X模和HE11Y模的相位差变为2π时，光在光纤中传播的距离LB=2πβx-βy,]]>βx、βy为两正交偏振模式的传播常数。
拍长作为衡量保偏光纤模式双折射的一个重要参数，由于保偏光纤的种类及尺寸的多样化给拍长的测量带来很大难度，并且原有的测量方法都存在一些问题。目前，保偏光纤的测量方法主要有三种1.kaminow I P Polarization in Optical Fibers IEEE J QuantumElectronics.1981；17(1)；150～220论文中公开的瑞利散射法的测量原理为，将大功率激光器发出的光耦合进被测光纤，通过观察被测光纤上周期变化的亮、暗条纹的间距测出拍长。此种方法虽然设备简单，方便易行，但只能测量可见光，并且由于是目测，空间分辨率低。
2.Takada K.precision Measurement of model Birefringence of HighlyBirefringent Fibers by periodic lateral Force.Appl optics.1985；24(24)；4387～4391论文中公开的是动态压力法，该方法在被测光纤上加以周期性外力，令外力沿光纤轴移动使输出光偏振态周期性变化，从而测出光纤拍长。此方法所需设备简单，但是测量结果与光纤放置状态有关，故测量精度不高。
3.宁鼎 偏振保持光纤拍长的磁光调制法测量 光通信技术Vol.21 No.1论文中公开的是磁光调制法，该方法是将交变磁场沿光纤轴移动，由于光纤材料的法拉第效应使输出光的偏振态呈周期性变化，此变化的一个周期即为光纤的拍长。此方法测量仪器成本低，测量方法简单，但所能测量的拍长的最小值受所加磁场磁隙宽度的影响。
发明内容
本发明的目的是提供一种对保偏光纤的拍长的检测系统，该拍长检测系统通过对采集的干涉光强信号进行矩形扫描法处理，提取干涉信号的两个峰值，从而获得与峰值对应的补偿光程差测量镜移动的距离信息，并根据所述移动距离、待测保偏光纤长度及宽谱光源发出的光波的中心波长解算出待测保偏光纤的拍长值。
本发明的一种对保偏光纤拍长的检测系统，包括计算机、以及存储于计算机内的拍长检测装置、宽谱光源、光纤起偏器、光电探测器、迈克尔逊干涉仪、信号发生器和锁相放大器，所述拍长检测装置包括数据采集单元、峰值拾取单元和拍长解算单元；
所述迈克尔逊干涉仪包括耦合透镜、检偏镜、分光镜、参考镜和测量镜，其安装在一个安装台上，安装台上设有直线导轨平移台、旋转台和支架，测量镜安装在直线导轨平移台上，检偏镜安装在旋转台上，耦合透镜、分光镜和参考镜分别固定在自的支架上；参考镜的背部固定有压电陶瓷；所述计算机上连接有A/D采集卡和GPIB接口卡，A/D采集卡上连接有用于对探测器输出的光强信号进行处理的前放电路，GPIB接口卡上连接有锁相放大器，计算机的一个RS232串口A上连接有用于驱动测量镜水平移动的直线导轨平移台的电机上，计算机的另一个RS323串口B上连接有用于驱动检偏镜旋转的旋转台的电机上；宽谱光源与光纤起偏器采用光纤连接，且宽谱光源的尾纤与光纤起偏器的入纤单模熔接，光纤起偏器的尾纤与待测保偏光纤的一端为45°熔接；由宽谱光源射出的光进入光纤起偏器后经待测保偏光纤入射到迈克尔逊干涉仪中，光电探测器接收到迈克尔逊干涉仪输出的光波后，并对其进行光波的干涉信号转化处理后输出光强信号给前放电路，前放电路对所述光强信号进行电流电压转换处理后输出给锁相放大器，锁相放大器对接收的所述光强电压信号和由信号发生器输出的正弦波脉冲进行解调处理后输出调制信号给计算机中的拍长检测装置；直线导轨平移台的电机在接收到由计算机输出的驱动信号后带动所述测量镜移动，并将移动距离信息反馈给计算机中的拍长检测装置；所述拍长检测装置对接收的所述调制信号和所述移动距离信息进行解算处理获得待测保偏光纤的拍长。
所述的保偏光纤的拍长检测系统，其拍长检测装置对接收的所述调制信号和所述移动距离信息进行解算处理是依据(A)在数据采集单元中获得并存储有锁相放大器输出的干涉光强信号V和测量镜的移动距离信号Z；(B)在峰值拾取单元中采用矩形扫描法对所述数据采集单元中的干涉光强信号进行峰值拾取，获得干涉光强信号的次峰与主峰的位置差Z＝Z1-Z0，Z1表示次峰峰值对应的位置，Z0表示主峰峰值的位置；(C)在拍长解算单元中采用拍长式LB=λl2Z]]>进行计算获得待测保偏光纤的拍长值，λ表示宽谱光源发出的光波的中心波长，l表示待测保偏光纤的长度，Z表示干涉光强信号的次峰与主峰的位置差。
本发明拍长检测系统的优点在于(1)本发明采用矩形扫描对峰值的拾取，并对拾取后的峰值与补偿光程差信息进行融合解算，有效地提高了拍长的测量精度(达到0.01mm)；(2)本发明采用调制解调技术减小各种噪声和环境对信号的影响，信噪比高；(3)本发明的精密导轨由伺服电机驱动，在测量镜移动过程中的振动噪声小、测量速度高；(4)参考镜与测量镜采用角锥棱镜，保证其上入射光线经反射后平行出射；(5)本发明的测量方法简单易行、所有类型保偏光纤均可测量。
图1是保偏光纤的断面图。
图2是本发明拍长检测系统的结构框图。
图3是计算机与部分硬件的连接关系示意图。
图4是前放电路的原理图。
图5是电源转换电路的原理图。
图6是本发明矩形扫描对峰值的拾取曲线图。
图7是本发明检测获得的干涉信号图。
图8是本发明拍长检测装置的界面示意图。
图9是本发明峰值信号拾取流程图。
图中1.宽谱光源2.光纤起偏器3.待测保偏光纤4.耦合透镜5.检偏镜 6.分光镜 7.参考镜8.测量镜 9.探测器10.压电陶瓷驱动器 11.前放电路 12.信号发生器13.锁相放大器 14.计算机具体实施方式
下面将结合附图对本发明作进一步的详细说明。
请参见图2所示，本发明是一种对保偏光纤拍长的检测系统，由宽谱光源1、光纤起偏器2、光电探测器9、迈克尔逊干涉仪、信号发生器12、锁相放大器13、计算机和存储于计算机内的拍长检测装置组成。所述迈克尔逊干涉仪包括耦合透镜4、检偏镜5、分光镜6、参考镜7和测量镜8，这五个镜子的光路关系为(A)经耦合透镜4耦合的光入射到检偏镜5上，经检偏镜5后的光入射到分光镜6上；(B)入射到分光镜6上的光透射到参考镜7上，参考镜7反射回的光经分光镜6反射到探测器9的光敏面上；(C)入射到分光镜6上的光反射到测量镜8上，测量镜8反射回的光经分光镜6透射到探测器9的光敏面上；这两束光与探测器9的光敏面垂直，探测器9输出是这两束光的干涉光强信号(分光镜6设在中心位置，分光镜6的正前方放置检偏镜5，检偏镜5的后面放置耦合透镜4，分光镜6的上方放置测量镜8，分光镜6的正后方放置参考镜7，耦合透镜4、检偏镜5、分光镜6和参考镜7放置在同一水平线上，测量镜8和分光镜6)。这五个镜子分别安装在一个安装台上，安装台上设有直线导轨平移台、旋转台和支架，测量镜8安装在直线导轨平移台(采用卓立汉光的型号TSA200台)上，检偏镜5安装在旋转台(采用卓立汉光的RSA电控旋转台)上，耦合透镜4、分光镜6和参考镜7这三个镜子分别固定在各自的支架上。参考镜7的背部固定有压电陶瓷(晶丰电子公司生产的，型号为XZT 500G)，信号发生器12输出的正弦波用于控制压电陶瓷的驱动输出。
请参见图3所示，所述计算机上连接有A/D采集卡和GPIB接口卡，A/D采集卡上连接有用于对探测器9输出的光强信号进行处理的前放电路11，GPIB接口卡上连接有锁相放大器13，计算机的一个RS232串口A上连接有用于驱动测量镜8水平移动的直线导轨平移台的电机上，计算机的另一个RS323串口B上连接有用于驱动检偏镜5旋转的旋转台的电机上。
在本发明中，前放电路11的输入端接收由探测器9输出的光强信号，光强信号经低噪声运算放大器A1进行电流电压转换处理后输出电压信号给低噪声运算放大器A2进行电压放大处理后输出给锁相放大器13，低噪声运算放大器A1与低噪声运算放大器A2之间连接电容C4起到对输入信号的交流耦合。前放电路11是一个常规的放大微弱信号电路，其电路原理结构如图4所示。为本发明控制提供-5V、+5V、+1.5V电信号的电路为常规电源转换电路结构，如图5所示，故此处不作详细说明。
在本发明的拍长检测系统中，宽谱光源1与光纤起偏器2采用光纤连接，且宽谱光源1的尾纤与光纤起偏器2的入纤单模熔接，光纤起偏器2的尾纤与待测保偏光纤的一端为45°熔接。由宽谱光源1射出的光进入光纤起偏器2后经待测保偏光纤3入射到迈克尔逊干涉仪中，光电探测器9接收到迈克尔逊干涉仪输出的光波后，并对其经进行光波的干涉信号转化处理后输出光强信号输出给前放电路11，前放电路11对接收的所述光强信号进行电流电压转换处理后输出给锁相放大器13，锁相放大器13对接收的所述光强电压信号和由信号发生器12输出的正弦波脉冲进行解调处理后输出调制信号给计算机14中的拍长检测装置；直线导轨平移台的电机在接收到由计算机输出的驱动信号后带动所述测量镜8移动，并将移动距离信息反馈给计算机14中的拍长检测装置；所述拍长检测装置对接收的所述调制信号和所述移动距离信息进行解算处理获得待测保偏光纤3的拍长。
在本发明中，拍长检测装置包括数据采集单元、峰值拾取单元和拍长解算单元。所述拍长检测装置对接收的所述调制信号和所述移动距离信息进行解算处理是依据(A)数据采集单元中获得并存储有锁相放大器13输出的干涉光强信号V和测量镜8的移动距离信号Z。
(B)在峰值拾取单元中采用矩形扫描法对所述数据采集单元中的干涉光强信号进行峰值拾取，获得干涉光强信号的次峰与主峰的位置差Z＝Z1-Z0，Z1表示次峰峰值对应的位置，Z0表示主峰峰值的位置。
峰值拾取曲线如图6所示，图中，移动搜索矩形法是对数据局部峰值的拾取方法，它简单易行、效率高，著名的数据处理软件Origin的峰值拾取工具就是基于该算法。该方法通过设定矩形宽度W和判定高度H，在矩形宽度W的范围内搜索数据最大值，当该最大值都大于矩形两端对应的数据值，且大于判定高度H时，认为该值为数据局部峰值。然后通过不断移动该矩形，就可以检测出不同数据段的局部峰值。因为干涉信号的包络图中包含了许多小峰，搜索参数不恰当，很有可能将这些小峰搜出，在本发明中，发明人选取一个包络图的峰值作为参量输入。因此，在X到X+W的矩形区间内，数据的最大值为P1，在X+W到X+2W的矩形区间内，数据的最大值为P2，在X+2W到X+3W的矩形区间内，数据的最大值为P3。预设高度为H。X处对应的数据值为a，X+W处对应的数据值为b，首先在X到X+W的矩形区间内搜索到数据最大值P1，如果P1＞a，P1＞b且P1＞H，则P1为该数据段的峰值，同理可以搜索到X+2W到X+3W的峰值P2，X+2W到X+3W的峰值P3。可见，由于宽度W和高度H选取的不同，可能搜索到多个信号峰值，而对于拍长检测数据来说，信号包络峰值P2才是需要的，因此要不断改变宽度W和高度H来搜索。
(C)在拍长解算单元中采用拍长式LB=λl2Z]]>进行计算获得待测保偏光纤3的拍长值，λ表示宽谱光源1发出的光波的中心波长，l表示待测保偏光纤3的长度，Z表示干涉光强信号的次峰与主峰的位置差。
请参见图8所示，在本发明中，存储于计算机内的拍长连续测量界面(软件部分)是用来对本发明设计的拍长检测系统的硬件部分进行实时采集、测量、控制、解算、输出等相关性的解调处理的。
在本发明中，拍长检测装置进行峰值自动拾取方式为(请参见图9所示)通过不断改变矩形宽度W和判定高度H，对数据峰值进行搜索。每次将会搜索到一系列峰值，当搜索到的一系列峰值满足下列条件时，认为这些峰值便是拍长检测信号包络图的峰值。搜索的峰值点数目等于期望数目，通过该条件可以初步排除不恰当的搜索结果。搜索的一系列峰值关于最大峰值对称。该条件利用干涉信号的对称性进一步排除不对称的搜索结果。搜索到的峰值间的距离大于白光光源相干长度。该条件表明，当主峰和次峰间距小于白光光源相干长度时，由于光强叠加，其峰值点不能准确地求取。同时该条件也排除了搜索到主要峰值附近的小峰的情况。通过实验表明，该法能自动准确的搜索到多耦合点干涉数据峰值。
在本发明中，待测保偏光纤3应力轴与光纤起偏器2和检偏镜4的夹角分别为α、β，入射光穿过光纤起偏器2的振幅为EA，穿过待测保偏光纤3后的分量为ES=EAcosαEF=EAsinα·ejδf---(1)]]>ES表示待测保偏光纤3的慢轴上的振幅，EF表示待测保偏光纤3的快轴上的振幅，δf表示两偏振模式在待测保偏光纤3中传输后的相位差。
光通过检偏镜4后，两分量在透过方向的投影的和为EB=(sinαsinβ·ejδf+cosαcosβ)·EA---(2)]]>测试时，设定α＝β＝45°，则上式为
EB=12(ejδf+1)·EA---(3)]]>光经过分光镜6，分别射入迈克尔逊干涉仪的测量镜8和参考镜7。设参考镜7与测量镜8的位置差为Z，则从参考镜7和测量镜8反射到光电探测器9处的光波电场为ED=12(EB+EB·ejδm)---(4)]]>δm表示由迈克尔逊干涉仪引入的补偿相位，则光电探测器9接收的光强为I=EA28·(2+2cos(δf)+2cos(δm)+]]>cos(δf+δm)+cos(δf-δm))]]>(5)在上述推导中，没有考虑光源谱宽的影响，在这个系统中，采用了宽谱的SLD光源，设其相干函数为γ(δ)，则上式应改写为I=EA28·(2+2γ(δf)·cos(δf)+2γ(δm)·cos(δm)+]]>γ(δf+δm)·cos(δf+δm)+γ(δf-δm)·cos(δf-δm))]]>(6)由于在测试时lf＞＞ld，ld表示宽谱光源1的去相干长度，因此γ(δf)＝0，则上式应改写为I=EA28·(2+2γ(δm)·cos(δm)+γ(δf+δm)·cos(δf+δm)+]]>γ(δf-δm)·cos(δf-δm))]]>(7)当迈克尔逊干涉仪两臂相等时δm＝0出现干涉主峰，通过移动测量镜8来补偿相位差δf，即|δm|＝|δf|，在主峰的两侧对称出现两个次干涉峰，如图7所示。
通过峰值拾取得到主峰与任一次峰的距离位置差Z通过下式计算拍长LB=λl2Z---(8)]]>式中l为待测保偏光纤3的长度，Z为干涉光强信号的次峰与主峰之间的距离位置差，λ为宽谱光源1发出的光波的中心波长。
权利要求
1.一种对保偏光纤拍长的检测系统，包括计算机、宽谱光源(1)、光纤起偏器(2)、光电探测器(9)、迈克尔逊干涉仪、信号发生器(12)、锁相放大器(13)，其特征在于还包括存储于计算机内的拍长检测装置；所述拍长检测装置包括数据采集单元、峰值拾取单元和拍长解算单元；所述迈克尔逊干涉仪包括耦合透镜(4)、检偏镜(5)、分光镜(6)、参考镜(7)和测量镜(8)，其安装在一个安装台上，安装台上设有直线导轨平移台、旋转台和支架，测量镜(8)安装在直线导轨平移台上，检偏镜(5)安装在旋转台上，耦合透镜(4)、分光镜(6)和参考镜(7)分别固定在自的支架上；参考镜(7)的背部固定有压电陶瓷(10)；所述计算机上连接有A/D采集卡和GPIB接口卡，A/D采集卡上连接有用于对探测器(9)输出的光强信号进行处理的前放电路(11)，GPIB接口卡上连接有锁相放大器(13)，计算机的一个RS232串口A上连接有用于驱动测量镜(8)水平移动的直线导轨平移台的电机上，计算机的另一个RS323串口B上连接有用于驱动检偏镜(5)旋转的旋转台的电机上；宽谱光源(1)与光纤起偏器(2)采用光纤连接，且宽谱光源(1)的尾纤与光纤起偏器(2)的入纤单模熔接，光纤起偏器(2)的尾纤与待测保偏光纤的一端为45°熔接；由宽谱光源(1)射出的光进入光纤起偏器(2)后经待测保偏光纤(3)入射到迈克尔逊干涉仪中，光电探测器(9)接收到迈克尔逊干涉仪输出的光波后，并对其进行光波的干涉信号转化处理后输出光强信号给前放电路(11)，前放电路(11)对所述光强信号进行电流电压转换处理后输出给锁相放大器(13)，锁相放大器(13)对接收的所述光强电压信号和由信号发生器(12)输出的正弦波脉冲进行解调处理后输出调制信号给计算机(14)中的拍长检测装置；直线导轨平移台的电机在接收到由计算机输出的驱动信号后带动所述测量镜(8)移动，并将移动距离信息反馈给计算机(14)中的拍长检测装置；所述拍长检测装置对接收的所述调制信号和所述移动距离信息进行解算处理获得待测保偏光纤(3)的拍长。
2.根据权利要求1所述的保偏光纤的拍长检测系统，其特征在于所述拍长检测装置对接收的所述调制信号和所述移动距离信息进行解算处理是依据(A)在数据采集单元中获得并存储有锁相放大器(13)输出的干涉光强信号V和测量镜(8)的移动距离信号Z；(B)在峰值拾取单元中采用矩形扫描法对所述数据采集单元中的干涉光强信号进行峰值拾取，获得干涉光强信号的次峰与主峰的位置差Z＝Z1-Z0，Z1表示次峰峰值对应的位置，Z0表示主峰峰值的位置；(C)在拍长解算单元中采用拍长式LB=λl2Z]]>进行计算获得待测保偏光纤(3)的拍长值，λ表示宽谱光源(1)发出的光波的中心波长，l表示待测保偏光纤(3)的长度，Z表示干涉光强信号的次峰与主峰的位置差。
3.根据权利要求1所述的保偏光纤的拍长检测系统，其特征在于所述迈克尔逊干涉仪的光路关系为(A)经耦合透镜(4)耦合的光入射到检偏镜(5)上，经检偏镜(5)后的光入射到分光镜(6)上；(B)入射到分光镜(6)上的光透射到参考镜(7)上，参考镜(7)反射回的光经分光镜(6)反射到探测器(9)的光敏面上；(C)入射到分光镜(6)上的光反射到测量镜(8)上，测量镜(8)反射回的光经分光镜(6)透射到探测器(9)的光敏面上。
4.根据权利要求1所述的保偏光纤的拍长检测系统，其特征在于所述前放电路(11)的输入端接收由光电探测器(9)输出的光强信号，光强信号经低噪声运算放大器A1进行电流电压转换处理后输出电压信号给低噪声运算放大器A2进行电压放大处理后输出给锁相放大器(13)，低噪声运算放大器A1与低噪声运算放大器A2之间连接电容C4起到对输入信号的交流耦合。
全文摘要
本发明公开了一种对保偏光纤拍长的检测系统，由宽谱光源射出的光进入光纤起偏器后经待测保偏光纤入射到迈克尔逊干涉仪中，光电探测器接收到迈克尔逊干涉仪输出的光波后，并对其进行光波的干涉信号转化处理后输出光强信号给前放电路，前放电路对所述光强信号进行电流电压转换处理后输出给锁相放大器，锁相放大器对接收的所述光强电压信号和由信号发生器输出的正弦波脉冲进行解调处理后输出调制信号给计算机中的拍长检测装置；直线导轨平移台的电机在接收到由计算机输出的驱动信号后带动所述测量镜移动，并将移动距离信息反馈给计算机中的拍长检测装置；所述拍长检测装置对接收的所述调制信号和所述移动距离信息进行解算处理获得待测保偏光纤的拍长。
文档编号G01M11/00GK1811365SQ20061000828
公开日2006年8月2日 申请日期2006年2月21日 优先权日2006年2月21日
发明者杨远洪, 贾岩, 蒋大钢, 牛清红 申请人:北京航空航天大学