测量保偏光纤和双折射介质的分布式偏振串扰方法及装置的制作方法

专利名称：测量保偏光纤和双折射介质的分布式偏振串扰方法及装置的制作方法
技术领域：
本发明属于光学测量技术领域，特别涉及用于测量光学材料和装置偏振特性的装 置、系统和方法。
背景技术：
对于各种光学器件、系统和应用来说，光学偏振是光信号的一个重要的参数。当光 与具有光学双折射的光学介质相互作用时，光信号的光偏振特性将发生改变，这种光学双 折射介质对于其中传输的不同光偏振态具有不同的折射率。例如，光纤具有光学双折射，因 此光从光纤中传输将改变其偏振态。光纤的双折射随时间变化，经常随工作环境的改变，如 光纤所受压力和温度的改变，而随机变化。保偏(PM)光纤具有很高的双折射，可提供两个独立的偏振传输模式，分别沿保偏 光 纤互相正交的慢轴和快轴的HEs1ot11和HEfast11两个模式传输。光在保偏光纤中传输，沿慢 轴传输的HEsltw11模的折射率比沿快轴传输的HEfast11模的折射率高。当线偏振光耦合到偏 振光纤中，沿保偏光纤的慢轴传输，仅有HEs1ot11模可以被激发并且沿慢轴传输光的偏振态 得以保持，相反的，当线偏振光耦合到偏振光纤中，沿保偏光纤的快轴传输，仅有HEfast11模 可以被激发并且沿快轴传输光的偏振态得以保持。保偏光纤的这个保持光偏振态的特性被 应用于各种应用，例如光纤陀螺、集成光学器件、高性能光干涉仪、偏振传感器、量子密钥分 配和光纤激光器等。对于保偏光纤的微扰动，例如施加在保偏光纤上的压力，将导致在两个 正交偏振模之间的光学耦合或串扰，即一个偏振模的光学能量传输到另一个偏振模中，反 之亦然。

发明内容
本发明的目的是为克服已有技术的不足之处，提出一种测量保偏光纤和双折射材 料的分布式偏振串扰方法及装置，采用此方法和装置可以抑制重影干涉峰数目和幅度，并 可获得高测量灵敏度、宽动态范围和高空间测量精度。本发明包含基于抑制重影干涉峰的数目和幅度的方法，用于测量双折射光学介质 的偏振串扰分布的技术和装置。这种双折射光学介质包括保偏光纤。本发明一方面提出一种测量光学双折射介质的偏振串扰分布的方法。该方法包括 将具有宽光谱的线性偏振光耦合到光学双折射介质中，由于光学双折射原因，光将沿光学 双折射介质提供的两个正交偏振传输模式中传输，产生从光学双折射介质的输出光信号， 将从光学双折射介质输出的光信号导入一个光学延迟器，此延迟器可以在由光学双折射介 质产生的两个正交偏振模式中附加一个比光学双折射介质产生的光学延迟更大的光学延 迟，产生一个调制的光学输出信号，将此调制光学输出信号传输过一个线性起偏器，其偏振 方向为使得在其中传输光的两个正交偏振模可以产生混合。将线性起偏器输出的光导入一 个光学干涉仪以使得在光学双折射介质中的两个正交偏振模发生干涉，通过处理获得的干 涉信号来识别在光学双折射介质中两个偏振模耦合的位置。
本发明另一方面提出一种用于测量光学双折射介质的偏振串扰分布的装置。该装置包含一种机构用于将宽光谱线性偏振光耦合到光学双折射介质中，由于光学双折射原 因，光将沿光学双折射介质的两个正交偏振传输模式中传输，从光学双折射介质产生输出 光信号，在光学双折射介质之后，沿着从光学介质输出光的光路上放置一个光学延迟器，此 延迟器构造为可以在由光学双折射介质产生的两个正交偏振模式中附加一个比光学双折 射介质产生的光学延迟更大的光学延迟，产生一个调制的光学输出信号。此装置包含一个 线性光起偏器，其偏振方向为使得在其中传输光的两个正交偏振模可以产生混合。线性起 偏器放置在调制光的光路上，并且传输光到一个光学干涉仪，干涉仪构造为可使得在光学 双折射介质中的两个正交偏振模发生干涉，处理器通过处理获得的干涉信号来识别在光学 双折射介质中两个偏振模耦合的位置，处理器也可以构造为通过处理获得的干涉信号来获 取在识别的偏振耦合点处的强度。本发明另一方面，提出一种装置，其中包括线性偏振的宽带光源入射到被测量的 保偏光纤中，一个具有光学输入端口的光学延迟器，接收来自测保偏光纤的输出光，对从输 入端口输入光的两个正交偏振轴之间生成附加的光学延迟，并从该装置的输出端口输出， 一个起偏器用于将上述光学延迟器中的两个正交偏振态的光信号混合为同样沿起偏器方 向传输的偏振态。一个干涉仪在上述的起偏器之后接收光学信号并生成干涉信号，一个控 制和处理器件接收干涉仪输出信号，并且给出沿保偏光纤上的串扰耦合点的位置和强度信息。
本发明的一种典型的光学延迟器包含一个偏振分束器(PBS)，该偏振分束器从光 纤或自由空间接收光信号，并且把接收的光束分为偏振态相互正交的第一束光和第二束 光，一个偏振光合束器(PBC)用于将上述的第一束光和第二束光合并，并从上述的PBC输 出。第一束光与第二束光沿不同光路传输，在输出的两个正交偏振态之间引入了附加的光 学延迟。本发明的另外一种典型的光学延迟器的构成包括一个偏振分束器(PBS)，该偏振 分束器从光纤或自由空间接收光信号，然后将接收的光束分为偏振正交的第一束光和第二 束光。在通过一个半玻片或45度旋转器后，第一束光反射回其从PBS的出射端口，在通过 一个半玻片或者45度旋转器后，第二束光反射回其从PBS的出射端口。然后第一束光和第 二束光在PBS中合束，并从PBS的第四端口输出。第一束光和第二束光沿不同光路传输将在输出的两正交偏振态之间生成附加的 光学延迟。这个在被测保偏光纤的两个正交偏振态之间产生的附加光学延迟可以有效的消 除在测量保偏光纤分布式串扰时产生的重影干涉峰。这些和其他应用方面将在具体实施方式
、附图和权利要求中详细阐述。本发明的特点及效果本发明提出用于测量沿保偏光纤两正交偏振模之间串扰分布的方法和装置的实 施例，基于在被测保偏光纤输出后的光学干涉测量。本发明的方法和装置可以用于有效地 抑制重影干涉峰的数目和强度，此重影干涉峰是由于在保偏光纤多个耦合点或区域施加压 力，沿保偏光纤的多个耦合点发生干涉产生的串扰。在本发明方法和装置中，使用宽带光 源，通过分析沿保偏光纤长度方向由于压力引入的偏振串扰耦合来来获得沿保偏光纤所受 压力的空间分布。采用此方法和装置可以获得高测量灵敏度、宽动态范围和高空间测量精度。


图1显示一个典型的采用干涉仪结构测量沿保偏光纤空间分布的偏振串扰的装 置；其中，图IA显示了该装置的元件构成，图IB阐述了光学起偏器相对于保偏光纤主轴的方向，图IC描述了在保偏光纤多个位置施加压力以在保偏光纤中的两个正交偏振模中 引入串扰的情况。
图2A显示本发明的一个用于测量沿保偏光纤空间分布的偏振串扰的典型装置， 该装置提供一个在被测保偏光纤和光学干涉仪之间的光学延迟，在后面将对该装置的操作 进行详细说明。图2B说明保偏光纤由上到下在沿保偏光纤的3个耦合点承受压力，同时在保偏光 纤输出端，分别沿慢轴和快轴偏振的波包和图1所示装置输出波包，和图2A具有光学延迟 器件输出的波包。图3显示本发明的一个在两个线性正交偏振态Pl和P2之间产生预期光学延迟的 延迟器实施例。图4显示本发明的另一个在两个线性正交偏振态Pl和P2之间产生预期光学延迟 的延迟器实施例。图5显示本发明的另一个在两个线性正交偏振态Pl和P2之间产生预期光学延迟 的延迟器实施例。图6显示本发明的另一个在两个线性正交偏振态Pl和P2之间产生预期光学延迟 的延迟器实施例，该实施例仅使用一个偏振分束器棱镜。图7显示本发明的另一个在两个线性正交偏振态Pl和P2之间产生预期光学延迟 的延迟器实施例，该实施例也仅使用一个偏振分束器棱镜。图8显示本发明的另一个在两个线性正交偏振态Pl和P2之间产生预期光学延迟 的延迟器实施例，该实施例使用一个4尾纤端口的偏振分束器。图9显示本发明用于分布式测量保偏光纤偏振串扰的一个典型仪器。图10显示本发明的另一个典型的用于分布式测量保偏光纤偏振串扰的使用光纤 尾纤的元件的仪器。图11显示为本发明的一个用于测量通过波导器件传输光的两正交偏振模之间衰 减比的装置的实施例。图12显示为一个用于测量光学双折射介质——如保偏光纤，分布式偏振串扰的处 理范例。
具体实施例方式在保偏光纤中，当入射的光严格与保偏光纤的慢轴或者快轴对准时，保偏光纤两 个偏振模式之间会由于保偏光纤内在缺陷或者外界压力产生光学耦合。保偏光纤慢轴和快 轴之间的模式耦合称为偏振串扰。一种描述偏振串扰的方法是慢轴和快轴中分别传输的两个偏振模式的光强比。在具体应用中，需要确定在保偏光纤中偏振串扰的发生的位置和测 量偏振串扰的程度。举例来说，在光纤陀螺中，偏振串扰的测量可以用于在绕制保偏光纤环 之前监视保偏光纤的质量、在绕制过程中控制串扰损耗、在绕环后诊断保偏光纤环的存在 的问题。当保偏光纤用做光学传感介质时，偏振串扰可以用做传感的机制。举例来说，偏振 串扰测量可以用于获得沿着保偏光纤的压力分布，监视沿桥梁、隧道、大坝、管道或传输液 体(例如石油)或气体(例如天然气)的管道、楼宇建筑等空间结构变化。偏振串扰测量 也可用于安防入侵的探测，安防入侵可导致保偏光纤链路的结构发生变化，从而在保偏光 纤中引入偏振耦合。偏振串扰测量还可用于保偏光纤质量检查，通过监测发生串扰的点来 发现保偏光纤的缺陷区域，使得保偏光纤生产厂家或用户可以移去具有缺损的保偏光纤区 域或预先减小保偏光纤此缺损区域造成的影响。偏振串扰测量也可用于测量偏振波导的高 消偏比，通过获得光源的自相关函数，测量保偏光纤的双折射和保偏光纤和单模(SM)光纤 的长度，匹配干涉仪的光程。沿着保偏光纤慢轴和快轴传输的光波的光学干涉可以在保偏光纤发生耦合的地方产生一个实干涉信号和一个重影干涉信号，此重影干涉信号是由多个串扰点之间的光波 多次耦合造成的。当保偏光纤中存在多个强串扰点时，此重影干涉信号将会很强，因此会导 致对串扰点位置和强度的错误判断。图1所示为一个通过使用一个光学干涉仪测量沿保偏光纤偏振串扰空间分布的 典型装置100，其中图IA显示装置的组成元件，图IB说明光学起偏器相对于保偏光纤主轴 的方向，图IC说明当沿保偏光纤多个位置施加压力对保偏光纤两正交偏振模之间引入串 扰的情况。在图1中，从宽带光源发出的宽带光101在位置AllO输入到保偏光纤中。输入光 101具有一个与保偏光纤慢轴对准的偏振分量。在位置B处的压力导致沿保偏光纤快轴和 慢轴的两正交偏振态之间的偏振耦合，同时产生一个与快轴对准的偏振分量。由于两个偏 振分量在保偏光纤中以不同的群速度传输，在光纤的输出端111 (位置C)，两个偏振分量会 经历不同的延迟Δ ζ = nsz-nfz = Δηζ(1)其中，ns和nf分别为慢轴和快轴的折射率，两个折射率之差Δη是双折射率，ζ是 耦合点B到输出点C之间的距离。如果放置在光纤输出端111之后的光学起偏器120的起 偏轴与慢轴成45度(图1Β)，两偏振分量各自一半的光功率通过起偏器120，并且具有相同 的线偏振态，其方向与起偏器120的偏振轴相同。因此，当光学干涉仪用于接收从起偏器120输出的光时，起偏器120的作用就是使 接收的光发生光学干涉，其中接收光分别包含保偏光纤中的两个偏振模式中的偏振分量， 此光学干涉可以用来进行偏振串扰的测量。在图1中，一个迈克尔逊干涉仪作为此干涉仪的一种例子。分束器130用来接收 从起偏器120输出的光，并且将接收光分为沿第一光路142传输到固定反射镜140的第一 束光和沿第二光路143传输到一个可以移动反射镜141的第二束光。可移动反射镜141用 一个驱动器控制可移动反射镜141的位置来调整第二光路143相对于第一光路142的相对 光程。两个反射镜140和141将两束光分别沿第一光路和第二光路反向传输到分束器130。 从两个反射镜140和141返回的光束在分束器130处相互发生空间交叠，光学干涉产生输出光132，包含具有周期干涉峰的干涉信号，此信号是由反射镜141的位置发生移动产生。 在干涉信号中，由于移动反射镜141而产生的两个干涉峰之间的距离为Δηζ，因此，从等式 (1)可知，保偏光纤中的耦合点位置为ζ = Δζ/Δη。因此，通过干涉图可以定为耦合点， 同时通过干涉峰可以计算耦合比。 图IC说明在保偏光纤中包含多个耦合点的情况。在此情况下，测量过程将更加复 杂一些。假设，在保偏光纤中有(η+1)个耦合点(^l X1 X2- · χη)，沿慢轴输入的线偏振的 波包112在保偏光纤的输出端113分为2η个沿慢轴传输的小波包和2η个沿快轴传输的小 波包。因此，在第i个耦合点，两个波序列Psi和Pfi分别沿慢轴和快轴偏振，在其传输光路 中包含21个波包，它们的光程可表示为 其中，Psij j(j = 1 to 21)和Pfi,」(j = 1 to 21)分别表示在第Psi和Pfi波序列中
的第j个波包。在第(i+Ι)个耦合点之后的波序列的光程可以通过下式计算 基于公式(3)，在保偏光纤输出端的波包的光程可以通过下式获得 同时，Psn和Pfn波包序列的对应的光强度Isn和Ifn可以通过下式计算 其中cn是在耦合点xn的耦合系数，并且可以用做串扰定义的一个参数 在通过45°起偏器120后，原始沿保偏光纤慢轴和快轴传输的两个波包序列Psn和 Pfn，将相互混合成一个波包序列，并沿着起偏器120方向传输。沿起偏器120偏振方向传输 的波包序列的光程P和对应的光强可以由下式计算 当第二光路中的反射镜141移动改变其位置时，波包序列P(参考公式(7))中的 任意两个脉冲可以产生一个干涉信号，同时干涉条纹的位置由这两个脉冲之间的延迟差决 定。η个耦合点总共有2n*(2n-l)/2个峰，其中有η个峰表明实际的耦合点，其余的均为重 影干涉峰。这些重影干涉峰不仅产生假的耦合信号，而且还可能形成由真实耦合点产生的 真实干涉峰中的一部分，因此这些重影干涉峰将会降低测量串扰分布和幅度的精确度。从公式(7)和公式(8)可看出，波包序列包含两组，一组是公式(7)的上半部， 表示为Psil1，在保偏光纤中沿慢轴，另一组为公式(7)的下半部，表示为Pflri，在保偏光纤 中沿快轴。在Pslri组中任意两个脉冲的干涉图的位置与保偏光纤最后一段(Xn-Xlri),的 长度没有关系，它们之间的延迟差都小于(Xy-xORAn。在Pflri组中任意两个脉冲的干 涉图的位置也与保偏光纤最后一段(Xn-Xlri),的长度没有关系，它们之间的延迟差都小于 (Xlri-XO) * Δ η。对于在波包P中的上半部和下半部之间的干涉，分别从Pslri和Pflri组中任 意一个波包其延迟差都为(W1) Δ n+(Pslri，j-PU。如果最后一段保偏光纤段的长度 Xn-Xn-!比保偏光纤从0到n-1段总共长度要长的情况下，在此位置的干涉峰将被分为两组， 一组是由在Pslri或？+工序列中的任何两个波包产生的干涉形成，另一组是分别由Psn-I序 列中的一个波包和Psm序列中的一个波包干涉形成。一段具有高消光比(ER)的保偏光纤 链路通常表明保偏光纤链路的耦合系数cl，c2……ci很小，所以在公式(7)中的脉冲Pl具 有相对高的功率。如果由2次以上的耦合产生，同时忽略3阶以上的干涉项，这时在第二组 干涉组中仅有η个干涉信号，对应的干涉仪(图1Α)中的参考臂的第一光路(142)与干涉 仪的改变臂的第二光路的延迟差为 其中准确的对应保偏光纤中从O到n-1的耦合点。为了减少重影干涉峰，可以在保偏光纤和起偏器120之间插入一个光学延迟器以 可以选择性的对在保偏光纤传输光的两个偏振模其中一个中引入一个附加光学延迟。图2A 所示为一个典型的用于测量沿保偏光纤沿光纤分布的偏振串扰的装置，该装置在被测保偏光纤和干涉仪之间加入一个光学延迟器件，下面具体阐述该装置的工作过程。在通过被测 保偏光纤202后，输入光201被分为两个正交波包序列，这两个序列的偏振方向分别沿保偏 光纤的慢轴和快轴。延迟器件210在两个正交波包序列之间附加一个延迟L，其中在空气 中的延迟L应比Δη*1要长，其中Δ η为保偏光纤的双折射率，1为保偏光纤的长度。在这 个例子中，附加的延迟L加载到沿保偏光纤慢轴方向偏振的光上。在通过45°起偏器220 后，这两个经过附加延迟L的波包序列混合在一起，并且具有相同的偏振态，此偏振态由起 偏器220决定。在起偏器220之后的光学干涉仪230用来产生延迟在Δη*1和(L_An*l) 之间的一系列干涉信号。这些干涉信号仅与由在耦合点产生的偏振耦合引起的实部信号对 应，因此可以抑制或消除重影干涉峰。一个处理器240用于接收光学干涉仪230的输出信 号，通过处理输出的信号来测量保偏光纤耦合点的位置和强度。图2B所示分别为在一根保偏光纤从上到下3个耦合点施加压力下，在保偏光纤输出端沿慢轴和快轴偏振的波包序列；在图1所示不具有光学延迟器件的输出波包序列；在 图IA所示具有光学延迟器件的输出波包序列。考虑下述情况下，沿保偏光纤具有3个耦合点xl，x2和x3，并且输入保偏光纤的 光偏振方向沿保偏光纤的慢轴，没有快轴分量。在每个耦合点，光不仅从慢轴的偏振模式耦 合到快轴的偏振模式中，而且也从快轴的偏振模式耦合到慢轴的偏振模式中，这样耦合的 结果是，保偏光纤输出的波包序列包含了多次耦合的波包。如图2B所示，保偏光纤输出与保偏光纤慢轴对准的4个波包SQ，S12，S23和S13。S。 是从光纤的输入端Xtl沿慢轴直接传输到光纤的输出端Xmd。Stl传输的光程为nsL其中L是 光纤长度。S12，S23和S13是由沿保偏光纤的耦合点产生。更具体的说，S12是从输入端沿慢 轴传输到X1的光，然后从X1到X2是沿着快轴传输，然后从X2到输出端是沿慢轴传输；；S23 是从输入端沿慢轴传输到X2的光，然后从X2到X3是沿着快轴传输，然后从X3到输出端沿慢 轴传输；S13是从输入端沿慢轴传输到X1的光，然后从X1到X3是沿着快轴传输，然后从X3到 输出端沿慢轴传输。在光纤输出端快轴出现有3个主波包f1;f2，和f3，它们分别为在耦合点^2和X3 处慢轴耦合到快轴所产生。更具体的说，波包是从输入端沿慢轴传输到X1,然后从X1到 输出端沿快轴传输；波包f2是从输入端沿慢轴传输到X2,然后从X2到输出端沿快轴传输； 波包f3是从输入端沿慢轴传输到X3,然后从X3到输出端沿快轴传输。在慢轴从输入端到 X1，在快轴从X1到X2，在慢轴从X2到X3，在快轴从X3到输出端产生三阶耦合的波包，在许多 实际情况下，这些三阶耦合由于其光功率很低，因此可以忽略。在经过45°方向的检偏器后，沿慢轴和快轴方向的波包将互相混合(图2B中的 270和280)。如果这些混合的光输入到干涉仪，当干涉仪的一臂的延迟发生改变，则可以获 得一系列的干涉峰。表1列出了如图2B所示例子中的干涉峰。由Sll^f1,，S0^f2,,和 之间产生的干涉峰表明了在保偏光纤上的实际耦合点Xl，X2和x3。在表1中的其它干涉峰 是重影干涉峰，这些干涉峰可能引起在识别真实耦合点X1, X2和X3时不必要的错误。重影 干涉峰也会影响真实干涉峰，降低串扰测量精度。本发明为了抑制不需要的重影干涉峰的数目和振幅，可在保偏光纤的输出和起偏 器的输入之间放置如图2A中所示的延迟器210。这个延迟器可以偏振选择并能在保偏光纤 的慢轴和快轴之间加入附加延迟，因此，在经过检偏器后快轴和慢轴的两个波包从时间上被分离开(参考图2B的280)。如果给干涉仪的固定臂和移动臂相同的延迟，那么，当延迟 器进行扫描的时候，将不会产生零阶、二阶和更高阶干涉信号(参考表1)，因此，在测量过 程中，绝大部分的重影干涉峰都会消失。从而，图2A所示的装置比图1所示的基于其它干 涉仪方法的装置具有更高的测量精度、更大的动态范围和更高的灵敏度。图2A中的偏振选择光学延迟器210可以有多种组成结构，并根据不同应用需要选 择图2A中的装置。沿保偏光纤两个偏振模式中传输的光通过采用偏振分束器分为沿两个 独立光路传输的两个独立光信号，一个可调光延迟机构可以对这两个独立光信号在合束之 前加入可调的光学延迟，通过光学干涉仪之后的线性光起偏器将两个独立光信号合成为一 个光信号以便进一步的处理。图3，4，5，6，7和8所示为实施这样一个光学延迟器的几种例 子。这些例子可配置为具有固定光学延迟器件来产生需要的光学延迟AL(AL>n*l其中 1是被测保偏光纤的长度)，或者为大于需要的光学延迟AL的可调光学延迟。表1为本发明方法和其它方法的比较
图3给出了本发明的一个在两个线性正交偏振态Pl和P2之间产生需要延迟的 一个光学延迟器的典型例子。在输入端311，输入的正交线偏振态与偏振分束器310 (简称 PBS)的轴对准，在输出端口分为两个信号312(P1)和313 (P2)，分别并被耦合到两个独立的 干涉臂320和321。在干涉臂320和321中的一臂可以插入一个光学延迟线，以在320臂举 例来说，在两个偏振态中引入需要的光学延迟，且延迟可调。偏振合束器将两个干涉臂320 和321耦合，分别用输入端口 332和333接收两个干涉臂的两个线性正交偏振态。偏振合束器(简称PBC) PBC) 330将具有延迟L的两个偏振态合成一个信号，并在PBC的输出端口 331输出。延迟L是干涉臂320的延迟(Delay32tl)和另一个干涉臂321的延迟(Delay321)之差。图4给出了本发明的另一个在保偏光纤两个线性正交偏振态Pl和P2之间产生需 要延迟的一个光学延迟器的典型例子。在被测保偏光纤的输入和输出端加入保偏准直器 401，其作用是从保偏光纤接收光并保持光的偏振态。从保偏准直器401接收的光被耦合到 光学延迟装置的一个自由空间偏振分束器(PBS) 410用来合束的时候叫PBC。光学延迟器 使用(PBS) 410来将输入的光分为两个正交偏振光束，沿第一光路412传输的S态和沿第二 独立光路413传输的P态。第二个PBS 440用作偏振合束器(PBC)来接收从两个光路412 和413的输出光束，并将接收的S态和P态的两个光束合并为一个光输出443。反射镜420 和421用于将沿第一光路413传输的光反射到PBS 440。在两个光路413和412其中之一 路加入一个光学传输介质422，在两个偏振态之间产生需要的延迟L，此光学介质可以调整 来改变延迟L。另外，反射镜420和421也可以调整来改变延迟L。准直器401应分别使得Pl和P2与PBS410的s态和ρ态平行方向对齐。P偏振光 直接传输到一个自由空间偏振合束器(PBC)440的P偏振输入口 411，其光程可以通过调节 PBS410和PBS 440之间的距离来改变。S偏振光经过反射镜420、延迟介质422和反射镜 421后到达PBS 440的S偏振输入口 442。第一光路的光程可以通过改变两个反射镜420和 421的位置或者在此干涉臂加入一些光学传输介质422来调节。在PBC 440中，s偏振光和 P偏振光合成一束光输出，当采用光纤结构的干涉仪时，使用准直器将输出光束耦合到保偏 光纤，或直接耦合到自由空间干涉仪用于进一步测量。图5给出本发明的一个在两个线性正交偏振态Pl和P2之间产生需要延迟的基于 光纤结构的典型光学延迟器。在被测保偏光纤的输入和输出端连接到具有尾纤的偏振分束 器PBS510的输入端511保偏光纤上，被测保偏光纤的慢轴与PBS的输入保偏光纤的慢轴对 准，这样，偏振态Pl和P2在PBS 510的输出端口 512和513将分为两个独立的光信号。两 个光纤环路520和521分别耦合到PBS 510的输出端512和513，接收两个独立的具有Pl和 P2偏振态的光信号，并给光信号提供光路。偏振合束器(PBC) 530的两个输入端532和533 耦合到两个光纤环路520和521，分别接收偏振态Pl和偏振态P2的两个光信号。PBC530 将接收的光信号合并，经过PBC 530的输出保偏光纤输出。可变延迟器，例如光纤拉伸器， 可以耦合到两个光纤环路中的一路，用来在两个偏振态Pl和P2之间产生可变延迟L。图6显示为一个仅使用一个PBS棱镜在两个线性正交偏振态Pl和P2之间产生需 要的延迟的典型光学延迟器。在输入端，被测保偏光纤连接到一个保偏准直器601来接收 保偏光纤中传输的两个偏振态的光，接收的光从输入端口 611耦合到一个自由空间偏振分 束器(PBS) 610。准直器应该分别使得Pl和P2与PBS 610的s态和ρ态平行方向对齐。从 PBS610的输入端611接收的P偏振光和S偏振光从输出端口 613和612分别输出到两个独 立光路。P偏振光传过一个延迟介质640和一个光学偏振元件651 (例如四分之一玻片或 45°法拉第旋转器)，然后被反射镜650反射回PBS 610。当光从45°法拉第旋转器经过一 次时，法拉第旋转器改变光偏振态45°，如果传输的光经过反射后再次经过法拉第旋转器， 反射光偏振态总共经过90°的旋转。从端口 612输出的S偏振光经过第二个延迟介质620 和第二个光学偏振元件631 (例如四分之一玻片或45°法拉第旋转器)，然后由一个反射镜630反射回PBS 610。PBS 610将S偏振光和P偏振光合成输出660，从输出端口 614输出。输出660可以用一个准直器耦合到保偏光纤，通过光纤干涉仪或直接耦合到自由空间干涉 仪来做进一步测量处理。输出660的两个偏振态Pl和P2之间的延迟可以通过改变反射镜 630或650的位置，或者通过放入需要的光学传输介质620或640来改变。图7所示为本发明的另一个仅使用一个PBS棱镜在两个线性正交偏振态Pl和P2 之间产生需要的延迟的典型光学延迟器。在输入端，被测保偏光纤701连接到一个保偏准 直器703，然后光从输入端口 711耦合到一个自由空间偏振分束器PBS 710。准直器应该 分别使得Pl和P2与PBS 710的s态和ρ态平行方向对齐。PBS 710将入射光分为从输出 端口 712输出的S偏振光和从输出端口 713输出的P偏振光。S偏振光经过一个偏振元件 721 (例如四分之一玻片或45°法拉第旋转器)，由反射镜720反射回PBS 710的端口 712。 P偏振光在PBS 710的端口 713通过一个单模(SM)光纤准直器731耦合到一个单模光纤环 732。一个具有尾纤的法拉第旋转镜733耦合到光纤环732之后，并且反射光再次经过单模 光纤环732和单模准直器731后回到PBS 710的端口 713。在PBS 710的端口 714，S偏振 光和P偏振光合并为一个光束。一个直角棱镜740用来接收从PBS 710的输出端口 714的 合并光，并将合并后的光束导入保偏光纤准直器或单模光纤准直器750。一个45°起偏器 741放置在单模光纤准直器750和直角棱镜740之间，用于混合S和P偏振光为一束光。通 过在光纤环732中的光纤拉伸器改变光纤环732的长度，从而调节在输出760处两个偏振 态Pl和P2之间的延迟。图8给出本发明的一个使用一个四端口 PBS在两个线性正交偏振态Pl和P2之间 产生需要的延迟的典型全光纤光学延迟器。被测保偏光纤的输出801连接到四端口带尾纤 PBS810的保偏输入端811，被测保偏光纤的慢轴与PBS的输入保偏光纤慢轴对准，所以偏 振态Pl和P2分别独立到PBS 810的两个端口 812和813。两个单模/保偏光纤环820和 821连接到端口 812和813。两个45°法拉第镜830和831分别耦合到光纤环820和831 的末端，从光纤环820和831反射的光信号回到PBS 810，并且选择其偏振态90°。从光纤 环820和821反射回来的S偏振光和P偏振光合成一束光，在PBS 810的保偏输出端814 输出，在输出光850的两个偏振态Pl和P2之间的延迟可以通过一个或两个光纤拉伸器改 变两个光纤环820和821的相对长度来调整。图9更加深入的显示了本发明基于图2A的设计和图6A的光学延迟器件的用于测 量保偏光纤偏振串扰的分布的典型装置。一束宽带光在位置901进入保偏光纤，它只具有 一个偏振分量，与被测保偏光纤910的慢轴对准。在经过被测保偏光纤之后，在输入端901 的波包分成两组分别沿快轴和慢轴的波包序列。这两个波包序列与图6所示的延迟器600 的轴对准，在600的输出端给两个偏振态Pl和P2之间加入附加的相位延迟AL。在经过 45°起偏器936，起偏器将光学延迟器600输出的两个偏振态Pl和P2混合，之后光输入到 一个迈克尔逊干涉仪950，由一个光学分束器BS 951，一个固定反射镜952形成参考臂954， 一个可移动反射镜953形成可调光干涉臂955组成。PBS 951将接收从起偏器936的光，分 为第一光束(例如，反射)到反射镜952和第二光束(例如，透射)到反射镜953，并且合并 从两臂反射回来的光形成一束光输出。一个光学探测器956用来接收从PBS 951合束的光 输出来探测合束光输出的光学干涉信息。参考干涉臂954和移动干涉臂955之间的延迟可 以通过延迟器600设置为一个偏置AL。通过移动反射镜953从0到-Δη*1，其中1为被测保偏光纤的长度，来产生干涉图。采用这样的结构，零阶干涉可以得到抑制，绝大部分由 于多次相互耦合产生的重影干涉峰将被抑制和消除。
图10所示为本发明基于图2A设计原理使用带尾纤元件的测量保偏光纤偏振串扰 分布的典型装置1000。一个线性偏振宽带光源1001用于产生从输入端1011输入到被测保 偏光纤1010的入射光，其中输入光的偏振态与被测保偏光纤1010的慢轴对准。在经过被 测保偏光纤1010，在输入端的1011的波包被分为偏振态分别沿快轴和慢轴的两组波包。这 两个波序列输入到光学延迟器1030，在1030的输出，在被测保偏光纤1010的两个正交偏振 态Pl和P2之间引入附加光学延迟AL(L> Δη*1，其中1为被测保偏光纤的长度)。在光 学延迟器1030之后为一个45°的起偏器1040，两个波包序列混合为相同偏振态，并沿着起 偏器1040的光轴传输。起偏器1040的输出光输入到一个光纤干涉仪用于光学干涉测量。 光纤干涉仪的结构显示在名为“光纤式光学干涉仪”的虚线框中。其中，起偏器1040的输出 耦合到一个光学环行器1050的端口 1，传导从环行器1050的端口 1输入光由端口 2输出。 一个四端口光纤耦合器1060在输入端口 1061与环行器1050端口 2相连。从端口 2接收 的光在耦合器1060的输出端口 1063和1064分为两个独立信号。一个可调延迟线1070耦 合到端口 1064，一个法拉第旋转镜1081耦合到光学延迟器1070的另一端，用来反射光，同 时使得反射光与入射到法拉第反射镜1081的入射光的偏振态正交。第二个法拉第反射镜 1080耦合到光纤耦合器的输出端口 1063，用来反射光，同时使得反射光与入射到法拉第旋 转镜1080的入射光偏振态正交。干涉仪参考臂1063与移动臂1064之间的延迟可以设置 为一个偏置AL，并与光学延迟器1030产生的延迟相等。从端口 1063和1064接收的反射 光信号在耦合器1060产生空间交叠形成光学干涉，在光纤耦合器1060的端口 1061和1062 形成合并的两个输出干涉信号。在端口 1061输出干涉信号传输到光环行器1050的端口 2， 再经过环行器端口 3，成为第一个干涉信号1091。从端口 1062输出干涉信号为第二干涉信 号 1092。通过改变可调延迟线1070的延迟从0到- Δη*1，其中，Δη和1是被测保偏光纤 的双折射率和长度，干涉信号1091和1092输入到平衡探测器1090。采用此结构，在扫描干 涉仪的延迟线1070时，零阶干涉信号被抑制，并且绝大部分由多次耦合之间干涉产生的重 影干涉峰将被消除。一个处理器1100用于接收平衡探测器1090的输出，其中平衡探测器 包含两个光学探测器来接收光纤光学干涉仪的两个光学输出，第一个光学输出是从光纤耦 合器的端口 1061经过环行器1050，第二个光学输出是从光纤耦合器1060的光纤端口 1062 输出。处理器1100来处理平衡探测器1090输出的数据来测量保偏光纤耦合点的位置和强 度。图11所示是本发明的一个用于测量波导器中光波两个正交偏振态，如横电场 (TE)模和横磁场(TM)模之间衰减比的典型装置。在这个装置中，线性偏振宽带光源1101 用于产生输入到被测波导器件1110的输入端口 1111的入射光，其中输入到波导器件1110 的光学偏振态对准使得在光波导1110中传输的光的TE和TM模在输入到光波导器件1110 的输入端口时具有相等的光功率。在通过被测光波导器件1110之后，接收的波包在输入 口 1111被分为偏振方向分别沿正常光轴(IV TM模)和寻常光轴(ne，TE模)的两个波包 序列。这两个波包序列输入到延迟装置1130，以在延迟器1130的输出产生被测波导器件 1110两个正交偏振模TE和TM之间附加延迟Δ L (大于被测波导器件1110产生的延迟)。一个45°起偏器1140放置在延迟器1130之后来混合两个波包并沿起偏器1040的方向传 输。在起偏器1040处，TM和TE模混合产生光学干涉。起偏器1040的输出光输入到一个 光纤干涉仪。这个光纤干涉仪的结构显示在名为“光纤式光学干涉仪”的框图中。起偏器1140 的输出耦合到一个光学环行器1150的端口 1，传导从环行器1150的端口 1输入光由端口 2输出。一个四端口光纤耦合器1160在输入端口 1161与环行器端口 2相连。从端口 2接 收的光在耦合器1160的输出端口 1163和1164分为两个独立信号。一个可调延迟线1170 耦合到端口 1164，一个法拉第旋转镜1181耦合到光学延迟器1170的另一端，用来反射光， 同时使得反射光与入射到法拉第反射镜1181的入射光的偏振态正交。第二个法拉第反射 镜1180耦合到光纤耦合器的输出端口 1163，用来反射光，同时使得反射光与入射到法拉第 旋转镜1180的入射光偏振态正交。干涉仪参考臂1163与移动臂1164之间的延迟可以设 置为一个偏置L，并与光学延迟器1130产生的延迟相等。从端口 1163和1164接收的反射 光信号在耦合器1160产生空间交叠形成光学干涉，在光纤耦合器1160的端口 1161和1162 形成合并的两个输出干涉信号。在端口 1161输出干涉信号传输到光环行器1150的端口 2， 再经过环行器端口 3，成为第一个干涉信号1191。从端口 1162输出干涉信号为第二干涉信 号 1192。通过改变可调延迟线1170的延迟从0到-Δ η*1，其中Δ η和1是被测光波导的双 折射率和长度，干涉信号1191和1192输入到平衡探测器1190。采用此结构，在扫描干涉仪 的延迟线1170时，零阶干涉信号被抑制，并且绝大部分由多次耦合之间干涉产生的的重影 干涉峰将被消除。一个处理器1195用于接收平衡探测器1190的输出来测量被测波导器件 1110传输光的TM和TE模之间的衰减比。基于以上描述的方法和装置，可以构成一个分布式偏振串扰分析仪，通过抑制或消除在目前通用的其他用于测量保偏光纤偏振串扰分布的干涉仪中不需要的零阶干涉和 减少多次耦合干涉来实现。在一些实施例中，一个基于这些方法和装置设计的分布式偏振 串扰分析仪可以配置为一个利用保偏光纤自身作为传感介质的传感器，来消除在一些基于 光栅传感时需要沿光纤放置多个光纤光栅的问题，并且可以获得比基于正弦光栅传感器更 高的压力传感空间分辨率。这样的基于保偏光纤传感器没有分离的传感单元，并且容易安 装和校准，使得其适用于监测沿桥梁、隧道、大坝、油管或建筑的空间结构变化。基于这些方 法和装置设计的偏振串扰分析仪可以设置为一个入侵监测系统，利用保偏光纤的机械扰动 和由入侵导致的相关偏振耦合来检测入侵的位置。这些方法和装置也可以用于保偏光纤质 量检测，来判断保偏光纤的缺损区域，并且可以用作检测光纤环在绕制过程中引入压力的 区域。安装图2Α所示的数据处理装置的数据处理软件，图10和图11的装置可用于以距离 为变量显示每个压力点的位置和偏振耦合比，并且标记出偏振耦合超过用户定义的触发阈 值的压力点。质量监测报告窗口显示保偏光纤或保偏光纤环的通过/失败状态，并列出所 有压力点的位置和耦合强度。其它基于这些方法和装置设计的应用包括测量偏振波导的高 消偏比，获得光源的自相关函数，测量保偏光纤的双折射率、保偏和单模光纤长度、匹配干 涉仪光程。图12所示为一个测量光学双折射介质，例如保偏光纤，的分布式偏振串扰的方法 实施例。这个方法包括；
步骤1210，耦合一个具有宽光谱的线性偏振光入射到光学双折射介质中，沿光学 双折射介质提供的两个正交偏振模式方向传输，由于光学双折射在光学双折射介质的输出 产生一个输出信号。步骤1220，从光学双折射介质输出的光信号输入到一个光学延迟器，对输出的光 信号引入附加的光学延迟形成一个调制光输出信号，这个光学延迟要大于由光学双折射介 质两个正交偏振模之间产生的延迟。步骤1230，将调制的光输出信号输入过一个沿某方向偏振，例如与光学双折射介 质两个正交偏振态之一成45°，的线性光学起偏器，来使得通过其的光的两个正交偏振模
混合ο步骤1240，将经过光学起偏器传输到一个光学干涉仪来使得光学双折射介质两个 正交偏振模之间发生干涉。步骤1250，处理干涉信号来识别光学双折射介质两正交偏振模之间发生偏振串扰 的位置，另外干涉信号还可以处理获得在识别位置偏振耦合的幅度。上述描述的例子，图10和11所示的全光纤装置设计即使在没有上述的光学延迟 器1130的情况下，在很多应用中都具有优势。全光纤装置设计使得尺寸更紧凑、重量更轻、 性能更强。在图10和图11中的全光纤装置使用时，也可以用图5和图8中所示的光学延 迟器1130实现基于全光纤的设计，其他光纤设计也可以使用。上述内容包含了许多具体的实施细节，这些不应该被认为是对本发明范围或权利 要求内容的限制，而是对本发明特定体现的特性的具体描述。在此描述的分离的具体体现 的这些特性也可以合成为一个单独体现来实施。相反的，在一个具体体现中描述的那些特 性也可以单独作为多个体现，或作为合适下级组合。此外，虽然上述描述的一些特性以及这 些组合列入了权利要求中，但一个或几个个权利要求也可以进行组合成为本发明的方案之一。同样地，尽管操作时按描绘的附图的一个特定的顺序，这不应被理解为要求此类 操作应在具体按照命令或显示顺序执行，或者说所有的说明执行操作，以达到理想的结果。 在某些情况下，在上述具体应用的各分立的系统部件并不表示在应用的时候整体上是独立 的。因此，该发明具体的体现和实现的公开，基于本发明描述的具体实施例，以及其它 实施例的变化、修改和增强也被公开。
权利要求
一种测量光学双折射介质偏振串扰分布的方法，其特征在于，包括以下步骤耦合一个具有宽光谱的线性偏振光进入光学双折射介质，沿由于光学双折射引起的光学双折射介质的两个正交偏振模传输，从光学双折射介质产生光学输出信号；使光学双折射介质的光输出信号进入一个光学延迟器，使两个正交偏振模之间产生延迟，该延迟大于由光学双折射介质引起的两个正交偏振模之间光程的延迟，从而输出一个调制光输出信号；使所述调制光输出信号经过一个沿某个方向起偏的线性光学起偏器，使得经过起偏器传输光的两正交偏振模相互混合；使透过起偏器的光进入一个光学干涉仪获得光学双折射介质两正交偏振模之间的干涉；处理获得的干涉信号来识别光学双折射介质两正交偏振模之间偏振耦合的位置。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述光学干涉仪为光纤干涉仪或自由空间 干涉仪。
3.如权利要求2所述的方法，其特征在于，所述光学延迟器为光纤光学延迟器。
4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，还包括处理获得的光学干涉来获得在识别 位置的偏振耦合幅度。
5.如权利要求1所述的方法，其特征在于，还包括处理获得的光学干涉来获得两个正 交偏振之间的衰减比。
6.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述光学双折射介质为一段保偏光纤。
7.如权利要求6所述的方法，其特征在于，所述保偏光纤作为感受结构压力的传感介 质，并且处理获得的干涉信号来测量一种结构的压力分布。
8.如权利要求7所述的方法，其特征在于，所述一种结构是建筑结构，包括桥梁或隧道 或大坝或液体传输管线或气体传输管线或楼宇。
9.如权利要求1所述的方法，其特征在于，使用一段长度保偏光纤作为所述光学双折 射介质，并且还包括处理获得的光学干涉来测量保偏光纤的压力分布以评估保偏光纤的质 量。
10.一种测量光学双折射介质偏振串扰分布的装置，其特征在于，包括一个具有宽光谱的线性光源，用于发出偏振光进入光学待测双折射介质，沿由于光学 双折射引起的光学双折射介质的两个正交偏振模传输，从光学双折射介质产生光学输出信 号；一个放置在光学双折射介质之后，沿光学双折射介质输出光信号光路上的光学延迟 器，该光学延迟器用于构造使两个正交偏振模之间产生延迟，该延迟大于由光学双折射介 质引起的两个正交偏振模之间光程的延迟，从而输出一个调制的光学输出信号；一个沿某个方向偏振的线性光学起偏器，使得经过起偏器传输光的两正交偏振模相互 混合；该线性光学起偏器放置在调制光输出信号的光路上产生透射光；一个光学干涉仪，用于接收线性光学起偏器透过的光，该光学干涉仪用于获得光学双 折射介质两正交偏振模之间的干涉；一个处理器，用于将处理获得的干涉信号来识别光学双折射介质两正交偏振模之间偏 振耦合的位置。
11.如权利要求10所述的装置，其特征在于，所述处理器还用于将处理获得的光学干 涉来获得在识别位置的偏振耦合幅度。
12.如权利要求10所述的装置，其特征在于，所述处理器还用于将处理处理获得的光 学干涉来获得两个正交偏振之间的衰减比。
13.如权利要求10所述的装置，其特征在于所述光学双折射介质包含一段长度的保偏 光纤作为传感沿结构压力的传感介质；并且所述处理器还用于将处理获得的干涉信号来测 量结构的压力分布。
14.如权利要求10所述的装置，其特征在于，所述光学延迟器为光纤光学延迟器。
15.如权利要求10所述的装置，其特征在于，所述光学干涉仪为光纤干涉仪。
16.如权利要求10所述的装置，其特征在于，该装置中的光学延迟器和光学干涉仪均 使用基于光纤的器件。
17.如权利要求10所述的装置，其特征在于，还包括；一个光电探测器，用来接收光学干涉仪输出光学干涉信号，探测产生具有干涉信息的 输出电信号；该处理器还将处理获得的干涉电信号来识别光学双折射介质两正交偏振模之间偏振 耦合的位置。
18.如权利要求10所述的装置，其特征在于，所述光学干涉仪包括一个光学环行器，其端口 1接收透过线性光学起偏器的输出光，传输端口 1接收光到环 行器的端口 2，并且传输端口 2接收的光到环行器的端口 3 ；一个光纤耦合器，具有耦合到环行器的第二个端口的第一个端口，第二个光纤耦合器 端口，第三个光纤耦合器端口，第四个光纤耦合器端口 ；第一段光纤，耦合到光纤耦合器的第二个端口来接收第一个光纤耦合器从环行器第二 端口传输光的第一部分；第一个法拉第旋转镜，耦合到第一段光纤反射光并沿着第一段光纤回到光纤耦合器第 二个端口 ；第二段光纤，耦合到光纤耦合器的第三个端口来接收第一个光纤耦合器从环行器第二 端口传输光的第二部分；第二个法拉第旋转镜，耦合到第二段光纤反射光并沿着第二段光纤回到光纤耦合器第 三个端口 ；其中，光纤耦合器混合和重叠从第二端口接收的第一段光纤反射回来的光和从第三端 口接收的第二段光纤反射回来的光，产生光学干涉的合并光束，并从第一个耦合器的第一 端口和第四端口输出，并且，一个光学延迟器，耦合到第一段光纤或第二段光纤其中的一段中，在第一段和第二段 光纤之间产生附件的光学延迟；一个光学探测器，接收从环行器第三个端口输出的光和从耦合器第四个端口输出的 光，形成探测器输出信号。
19.如权利要求18所述的装置，其特征在于，所述光学探测器为平衡光学探测器，该平 衡光探测器包含两个光学探测器分别接收从环行器第三个端口和耦合器第四个端口输出 光。
20.如权利要求18所述的装置，其特征在于，还包括一个放置在光学双折射介质和线性光学起偏器之间，沿着线性光起偏器输出光路的光 学延迟器，用于对接收的线性光学起偏器的输出信号产生调制光输出信号；该光学延迟器 可以产生比由光学双折射介质两正交偏振模之间产生的延迟更大的附加光学延迟，产生一 个调制的光输出信号。
21.如权利要求18所述的装置，其特征在于，所述光学双折射介质包含一段长度的偏 振保持光纤，用作感受结构压力的传感介质；并且，所述处理器还用于将处理获得的干涉信 号来测量结构的压力分布。
全文摘要
本发明涉及测量保偏光纤和双折射介质的分布式偏振串扰方法及装置，属于光学测量技术领域；该方法包括耦合一个具有宽光谱的线性偏振光进入光学双折射介质，产生两个正交偏振模传输的信号；使两个正交偏振模之间产生延迟，从而输出一个调制光输出信号；再使得两正交偏振模相互混合；并使两正交偏振模之间的干涉；处理获得的干涉信号来识别光学双折射介质两正交偏振模之间偏振耦合的位置。该装置包括线性光源、光学延迟器、线性光学起偏器、光学干涉仪和处理器。采用此方法和装置可以抑制重影干涉峰数目和幅度，并可获得高测量灵敏度、宽动态范围和高空间测量精度。
文档编号G01D5/26GK101871788SQ20101019122
公开日2010年10月27日 申请日期2010年6月4日 优先权日2010年6月4日
发明者姚晓天 申请人:北京高光科技有限公司