专利名称：监测光纤偏振变化的方法与光路系统的制作方法
技术领域：
本发明属于光纤技术领域，具体涉及一种光纤偏振变化监测方法及光路系统。
背景技术：
随着光纤技术的发展，光纤的应用领域越来越广，其不仅作为传输介质广泛地应用于光通信，而且在传感技术领域也发挥着越来越多、越重要的作用，特别在近年来，更有蓬勃发展的趋势。在理想的光纤中，光纤横截面的形状及折射率分布是均勻的，偏振模式是简并的， 沿着光纤传输光，其偏振态不会发生改变，然而在实际中，由于纤芯不可能做成完美的圆， 同时，施加在光纤上的各向异性应力在弹光效应的作用下，光纤自身存在着双折射，使得在光纤中传输的光的偏振特性发生变化，特别地，光纤易受到环境温度、自身状态的变化的影响，输出光的偏振态具有很大的随机性。光纤的这种在实际应用的不完美特性，在一定程度上限制了光纤优势的发挥，但是，光纤的偏振特性却在一些领域中得到应用，一个典型的应用即为，在光纤周界中，监测传感光纤的偏振变化，来判断外界是否有侵扰行为的发生，其探测原理是利用当外界扰动引起光纤状态发生变化，导致光纤偏振特性发生变化，导致经传感光纤传输的光的偏振发生变化，通过检测输出光的偏振变化即可探测到光纤是否被扰动。专利US 7，693，359 B2 即是一种基于检测光纤偏振变化的光纤入侵探测技术。对光纤偏振的检测，通常是采用偏振器或偏振分束器等器件获得一个偏振分量， 对其进行观察。
图1为专利US 7，693，359 B2中提及的一种方案，偏振光源1从被监测光纤2 (传感光纤)的一端注入，被监测光纤2的另一端输出的光注入到偏振器3，偏振器3输出的光用接收器4进行检测。在这个方案中，通过偏振器3的作用，获得了随偏振变化而变化的光强。
发明内容
本发明的目的在于提供一种简便易行，且成本较低的监测光纤偏振变化的方法与光路系统。本发明提出的监测光纤偏振变化的方法，利用光纤自身固有偏振的特性，构建光纤干涉光路，通过对干涉光强的检测来监测被监测光纤偏振的变化。本发明适用于引起光纤偏振变化的物理量的监测。本发明方法的具体步骤为首先，采用完全偏振或部分偏振光源，利用光纤耦合器构造干涉光路；然后，将被监测光纤连接在干涉光路的光输入路径上；最后，检测干涉光强，从干涉光强的变化获得被监测光纤的偏振变化。本发明利用光纤耦合器构成监测光纤偏振变化的光路系统。具体光路如图2所示，包括被监测光纤6，光源7，偏振检测组件8 ；偏振检测组件8由光纤耦合器5构成，5al、 5a2、...、5aN、5bl、5b2 为光纤耦合器 5 的端口，5al、5a2、...、5aN 为同向端口(共 N 个)，5b 1和恥2为同向端口 ；7a为光源7的端口。被监测光纤6接在光源7的传输路径上，光源7输出的光经被监测光纤6传输后，经端口 5al输入到偏振检测组件8中，偏振检测组件8中的光纤耦合器5的端口 5bl与恥2相连接，构成干涉光路，从端口如2、…、5aN可得到干涉光强，用于偏振检测。被监测光纤6接入光源传输路径的方法可如图3所示，即将被监测光纤6直接串接在光源7 (端口 7a)与端口 fe之间。图4则为又一种被监测光纤6的接入方式。即通过光纤耦合器9和反射装置10(如带尾纤的反射镜)接入；设9al、9a2Jbl为光纤耦合器9的端口，9al、9a2为同向端口，9bl为另一方向端口 ；光源7的端口与耦合器的端口 9al相连； 被监测光纤6的一端与端口 9bl相连，另一端与一反射装置10相连；端口 9a2与端口 5al 相连，光的传输路径为
7a — 9al — 9b 1 —被监测光纤6 —反射装置10 —被监测光纤6 — 9bl — 9a2 — 5al0本发明的工作原理分析如下。设从端口 5al处输入的光为E。二 [Εχ, Ey ]Γ，“Τ”表示转置；由于光纤实际应
用的光纤可以看作具有一定双折射的器件，可设从端口 5bl到恥2间的传输矩阵为琼斯矩阵J，忽略这段光纤的传输损耗，不影响偏振分析结果，J可表示为
其中，Ji, Ji为J的元素，“*”表示共轭。则从端口 5aM (M=l，2，…)输出的光为
以下两路光的干涉
5al — 5bl — 5b2 — 5aM，5al — 5b2 — 5bl — 5aM (M =1，2，…)
输出矢量为
Erm = (lcJe〒M/2 -ι- IcJj ζ~ιφη'2 ) E0 (M=1，2，…)⑵
其中，Iir , t沉分别为从光输入端口 5al经顺时针和逆时针方向从端口 5aM (Μ
=1，2，…)的传输系数，为实数，4t为耦合器引入的干涉相位差。则，相应的输出光强
为Fk I -PYI ^ ^Ek-Ey
从式(4)中可以看出，第一项和第二项是常值，第三项与输入到端口 5aM的偏振有关， 当输入偏振发生变化时，引起偏振分量Ex、Ey的幅度和相位发生变化，这一项会发生变化，导致输出光强I发生变化。因此，通过检测干涉光强In可以判断从端口 5aM输入的光的偏振变化。从式(4)中可以看出，当从端口 5ai输入的光的偏振变化，即&、知变化时，若第三项发生变化，必须有
Sin φΙΛ Φ 0 ’ 即 φω φ ηπ (n = 0,±l, -J(5)
因此，必须选择相位差^(η = 0，±1,…J的干涉光强输出端口。一般来说，当取 5al为光输入端口时，从5al输出的干涉光的相位差我为0，因此该端口不易作为监测偏振变化的端口。而对于耦合器5为2*2耦合器的结构，光端口 5a2输出干涉光的相位差为為为冗，因此，也不易作为监测端口。这样，5al和5a2皆不易作为监测端口。虽然在实际使用的器件中，由于2*2耦合器自身的不完美性，使相位差轻微的偏离O (或ι )，使得输入偏振发生变化时，干涉输出会发生轻微的变化，在该发明采用的方法中，耦合器5不易采用2*2 華禹合器。当光源7为完全或部分偏振光，经过光纤传输路径(被监测光纤6)输入到端口 5al，传输路径光纤因光纤状态的变化引起偏振发生变化时，会引起fe入到端口 5al的光的
偏振发生变化，因而会导致光强Im发生变化，因此，通过检测干涉光强I11的变化，可以监测
传输路径上被监测光纤6的偏振是否发生变化。需要注意的是，采用图4所示的被监测光纤6的接入方式中，反射装置10不能为法拉第旋转镜，因为法拉第旋转镜会消除端口 9bl与反射装置10之间的偏振影响，使得从端口 9bl入射，经被监测光纤6至反射装置10，重新进入端口 9bl的光的偏振不受被监测光纤6的偏振影响。在本发明中，特别地，如图5所示，在光进入端口 5al之前，先经过一段保偏光纤11 (Ila为保偏光纤11的一端口，lib为保偏光纤的另一端，与端口 5al相连接)，可获得类似线偏振器的效果。相应的被监测光纤6的接入方式分别如图6和图7所示。图6中被监测光纤6与保偏光纤11串接；图7中，耦合器9的端口 9a2与保偏光纤的尾端11相连接。图5工作原理分析如下。假设保偏光纤的长度远大于消偏长度，即可以将两个偏振模式完全分开，使其不具有相干性。设保偏光纤的轴恰与端口 5al处光波的琼斯矢量的坐标轴一致，则有，
Ey . Ey =0(6)
即，又，由于
权利要求
1.一种监测光纤偏振变化的方法，其特征在于，首先，采用完全偏振或部分偏振光源， 利用光纤耦合器构造干涉光路；然后，将被监测光纤连接在干涉光路的光输入路径上；最后，检测干涉光强，从干涉光强的变化获得被监测光纤的偏振变化。
2.一种监测光纤偏振变化的光路系统，其特征在于包括被监测光纤6，光源7，偏振检测组件8 ；偏振检测组件8由第一光纤耦合器5构成，5al、5a2、…、5aN、5bl、5l32为光纤耦合器5的端口，5al、5a2、…、5aN为同向端口，共N个，5bl和釙2为同向端口 ；7a为光源7 的端口 ；被监测光纤6接在光源7的传输路径上，光源7输出的光经被监测光纤6传输后， 经端口 5al输入到偏振检测组件8中，偏振检测组件8中的第一光纤耦合器5的端口 5bl 与恥2相连接，构成干涉光路，从端口如2、…、5aN可得到干涉光强，用于偏振检测。
3.根据权利要求2所述的监测光纤偏振变化的光路系统，其特征在于被监测光纤6接入光源传输路径的方式为将被监测光纤6直接串接在光源7的端口 7a与第一光纤耦合器 5的端口 5al之间。
4.根据权利要求2所述的监测光纤偏振变化的光路系统，其特征在于被监测光纤6接入光源传输路径的方式为通过第二光纤耦合器9和反射装置10接入，设9al、9a2、5bl为光纤耦合器9的端口，9al、9a2为同向端口，9bl为另一方向端口 ；光源7的端口与光纤耦合器9的端口 9al相连；被监测光纤6的一端与光纤耦合器9的端口 9bl相连，另一端与一反射装置10相连；光纤耦合器9的端口 9a2与光纤耦合器5的端口 5al相连，光的传输路径为7a — 9al — 9b 1 —被监测光纤6 —反射装置10 —被监测光纤6 — 9bl — 9a2 — 5al0
5.根据权利要求3所述的监测光纤偏振变化的光路系统，其特征在于被监测光纤6接入光源传输路径的方式为在光进入端口 5al之前，先经过一段保偏光纤11，设Ila为保偏光纤11的一端口，lib为保偏光纤的另一端，lib然后与端口 5al相连接。
全文摘要
本发明属于光纤技术领域，具体涉及一种光纤偏振变化监测方法及光路系统。本发明基于光纤自身固有的偏振特性，采用光纤耦合器构成干涉光路，被监测光纤连接在干涉光路的输入光路径上，通过对干涉光强进行检测，来监测光纤偏振状态的变化。该发明还提供了一种等效于线偏振器效果的光纤光路构成方法。本发明的方法可用于对引起光纤偏振变化物理量的监测，例如，特别适用于采用光纤来感应外界扰动的周界安防等应用中。
文档编号G01J4/04GK102322958SQ201110226648
公开日2012年1月18日 申请日期2011年8月9日 优先权日2011年8月9日
发明者章骅, 肖倩, 贾波 申请人:复旦大学