专利名称：一种保偏光纤Verdet常数测量装置及方法
技术领域：
本发明涉及提高保偏光纤陀螺精度的技术领域，具体涉及一种保偏光纤Verdet常数测量装置及方法。
背景技术：
光纤陀螺是利用萨格纳克(Sagnac)效应测量物体转动角速度的一种高精度传感器，是一种结构简单、成本低、潜在精度较高的新型全固态惯性器件，将成为惯性导航和战略应用领域的主要仪表。在敏感环是单模光纤的光纤陀螺中，由于纤芯的椭圆度、内部残余应力等因素引入的双折射效应在萨格纳克干涉仪中产生了偏振相位误差，导致了陀螺的零漂和信号衰落。为了减小随机双折射引入的偏振误差，具有良好线偏振保持能力的保偏光纤被广泛采用，它推动了光纤陀螺的高精度和小型化发展。保偏光纤的采用不仅有利于减小双折射引起的非互异性，还能抑制光纤陀螺中的法拉第效应。法拉第效应这样描述:当一束线偏振光通过某一介质时，若在光束传播的方向上存在磁场，光经过介质后，线偏振光的偏振面就会旋转一个角度，即磁场让介质有了旋光效应。事实上，对于10_4T的磁场，保偏光纤的应用使残余相位误差降为I U rad的量级。目前，保偏光纤陀螺在空间应用中仍然需要采取磁屏蔽措施，以进一步减小法拉第效应引起的非互异性相位误差。在保偏光纤陀螺应用中，地磁场产生的法拉第效应将产生偏差，例如:对环长度300m，精度0.2° /h的陀螺，地磁场( 10_5T)产生大约为2° /h的偏差。因此，如果能够精确测量出陀螺中的法拉第效应，对陀螺精度的提高存在着积极的意义。光纤线圈中因为扭转引起的圆双折射是产生法拉第相位误差的主要原因。由于预制棒制做、绕环等因素会不可避免地引入扭转，保偏光纤中依旧存在着残余圆双折射。假设地磁场Bearth沿光纤环长度L相长地积分，最大非互异性相位误差小F = 2VBearthL，其中V是光纤的Verdet (维尔德)常数。Verdet通常取决于材质、温度和波长。研究表明，可以用光纤双折射系数△ 3、光纤扭转率tw、单位长度的法拉第旋转角eK来估计法拉第相位误差的数值，并由此计算出光纤陀螺的误差。其中eK直接反映了 Verdet常数的影响:0k=BV，B为磁感应强度。因此保偏光纤的Verdet常数测量至关重要。光纤本身的双折射对传统测量Verdet常数方法有着很大的影响。法拉第旋转角0 和Verdet常数V之间存在这样的关系:9 F = VBL，B为磁感应强度、L为磁场作用距离。法拉第效应对普通光纤体现为输入线偏光偏振面的旋转，所以只需测量出偏振面的旋转角
0[^和作用长度上的磁场强度就可以确定Verdet常数。然而光纤残余双折射会引入圆偏振光，无法和法拉第旋转角分开，给测量带来很大的误差。普通单模光纤的残余线双折射较小，检测信号尚能反应出法拉第旋转角的影响，由于保偏光纤的高双折射特性带来的相位差a远大于法拉第旋转角0F，例如磁场强度为5 X 10 5A/m时，在Imm作用距离下，a和0F分别为0.6rad和10_3rad，高双折射抑制了线偏振光的旋转，因此很难通过直接检测输入线偏光的偏振面旋转的角度来确定Verdet常数。
传统方法采用空间光耦合的方式测量保偏光纤的Verdet常数，基本原理是测量磁场作用下的法拉第旋转角，该方法被广泛应用于测量单模光纤等线性双折射较小的介质，但该方法需要很大的磁场强度或者需要对磁场进行一定频率的调制并辅以相干解调电路。
发明内容
本发明针对传统方法测量保偏光纤Verdet常数的局限性，提供了一种保偏光纤Verdet常数测量装置及方法。本发明充分利用了保偏光纤的双折射特性，不需要很强的磁场或复杂的相干解调电路。本发明的一种保偏光纤Verdet常数测量装置，包括:激光器、隔离器、Y波导、1/2波片、1/4波片、光纤夹具、磁场及调制模块、精密移动平台、被测保偏光纤、偏振分束器、PIN光电探测器、信号处理模块、峰值检测模块以及输出面板。激光器、隔离器、Y波导、1/2波片和1/4波片依次通过光纤相连；被测保偏光纤的两端通过光纤夹具固定在磁场及调制模块的磁场中；磁场及调制模块放置在精密移动平台上；1/4波片的输出端通过光纤适配器与被测保偏光纤的入射端连接，被测保偏光纤的出射端通过光纤适配器与光纤偏振分束器的输入端连接；偏振分束器通过光纤适配器连接PIN光电探测器，PIN光电探测器再通过电线依次连接信号处理模块、峰值检测模块以及输出面板。被测保偏光纤的某一特征轴在出射端与偏振分束器对轴I禹合。激光器产生的光经隔离器输出给Y波导，经Y波导后变成线偏振光，线偏振光通过1/2波片和1/4波片变成圆偏振光，圆偏振光进入被测保偏光纤。磁场及调制模块提供稳定的磁场，并通过精密移动平台以某恒定速率移动；被测保偏光纤出射的光经偏振分束器分为两束，PIN光电探测器探测两束光的强度，并将光强转化为两路模拟电压信号输入信号处理模块。信号处理模块对两路模拟电压信号进行数字量化得到电压信号V1和V2，经过
运算得到电压信号S，并将电压信号S再次转换为模拟信号输出给峰值检测模块和
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输出面板。峰值检测模块检测输入的电压信号的峰峰值Vp_p，并输出给输出面板；输出面板
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对信号处理模块输入的模拟信号进行滤波，并实时确定Verdet常数通./ I
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其中，H为磁场及调制模块的磁场强度，Lb为被测保偏光纤拍长，I为磁隙宽度。本发明的一种保偏光纤Verdet常数测量方法，应用上述装置，进行如下步骤:步骤1:搭建如下光路:将激光器输出尾纤连接旋转起偏器，旋转起偏器通过FC/PC光纤头连接被测保偏光纤的入射端，被测保偏光纤的出射端通过FC/PC光纤头连接消光比测试仪。打开激光器，调节旋转起偏器至消光比测试仪的读数最大，保持旋转起偏器与被测保偏光纤的位置不变。步骤2:将被测保偏光纤的出射端通过“适配器-法兰-适配器”的方式与偏振分束器连接，偏振分束器的两输出臂通过光纤适配器接入双通道光功率计。旋转偏振分束器其中一个输出臂连接的光纤适配器，使得双通道光功率计两通道的输出一个达到最大值，另一达到最小值，然后保持被测保偏光纤与偏振分束器的位置不变。
步骤3:将被测保偏光纤与偏振分束器接入本发明的测试装置中，用光纤夹具将被测保偏光纤固定于精密移动平台上的磁场及调制模块的磁场中，启动本发明测试装置。步骤4:设定磁场及调制模块提供一个稳定的磁场，通过精密移动平台以某恒定速率按照某一固定方向，移动磁场及调制模块；PIN光电探测器采集偏振分束器两臂输出的正交偏振光，两臂输出的正交偏振光的光强为1:、12，通过信号处理模块得到输出电压信号 S=| I1-121 / (Ii+I2)。步骤5:电压信号S转换为模拟信号输出给峰值检测模块和输出面板。峰值检测模块将检测的电压信号的峰峰值Vp_p输出给输出面板；输出面板对输入的模拟信号进行滤
波，并实时确定Verdet常数
权利要求
1.一种保偏光纤Verdet常数测量装置，其特征在于，包括如下组件:激光器(I)，隔离器(2)，Y波导(3)，1/2波片⑷，1/4波片(5)，光纤夹具(6)，磁场及调制模块(7)，精密移动平台(8)，被测保偏光纤(9)，偏振分束器(10)，PIN光电探测器(11)，信号处理模块(12)，峰值检测模块(13)，以及输出面板(14);激光器(I)、隔离器(2)、Y波导(3)、1/2波片(4)和1/4波片(5)依次通过光纤相连；被测保偏光纤(9)的两端通过光纤夹具(6)固定在磁场及调制模块(7)的磁场中；磁场及调制模块(7)放置在精密移动平台⑶上；1/4波片(5)的输出端通过光纤适配器与被测保偏光纤(9)的入射端连接，被测保偏光纤(9)的出射端通过光纤适配器与光纤偏振分束器(10)的输入端连接；偏振分束器(10)通过光纤适配器连接PIN光电探测器(11)，PIN光电探测器(11)再通过电线依次连接信号处理模块(12)、峰值检测模块(13)以及输出面板(14);被测保偏光纤(9)的某一特征轴在出射端与偏振分束器(10)对轴稱合； 激光器⑴产生的光经隔离器⑵输出给Y波导(3)，经Y波导(3)后变成线偏振光，线偏振光通过1/2波片(4)和1/4波片(5)变成圆偏振光，圆偏振光进入被测保偏光纤(9)；磁场及调制模块(7)提供稳定的磁场，并通过精密移动平台(8)以某恒定速率移动；被测保偏光纤(9)出射的光经偏振分束器(10)分为两束，PIN光电探测器(11)探测两束光的强度，并将光强转化为两路模拟电压信号输入信号处理模块(12);信号处理模块(12)对两路 模拟电压信号进行数字量化得到电压信号V1和v2，经过
2.根据权利要求1所述的测试装置，其特征在于，所述的1/2波片(4)的主轴和1/4波片(5)的主轴之间的夹角调制成45°。
3.根据权利要求1所述的测试装置，其特征在于，所述的被测保偏光纤(9)为应力致偏保偏光纤或实心光子晶体保偏光纤。
4.应用权利要求1至3任一所述的测试装置进行保偏光纤Verdet常数测量的方法，其特征在于，包括如下步骤: 步骤1:首先，搭建如下光路:将激光器连接旋转起偏器，旋转起偏器通过FC/PC光纤头连接被测保偏光纤的入射端，被测保偏光纤的出射端通过FC/PC光纤头连接消光比测试仪；然后，打开激光器，调节旋转起偏器至消光比测试仪的读数最大，保持旋转起偏器与被测保偏光纤的位置不变； 步骤2:将被测保偏光纤的出射端通过“适配器-法兰-适配器”的方式与偏振分束器连接，偏振分束器的两输出臂通过光纤适配器接入双通道光功率计；旋转偏振分束器其中一个输出臂连接的光纤适配器，使得双通道光功率计两通道的输出一个达到最大值，另一达到最小值，然后保持被测保偏光纤与偏振分束器的位置不变；步骤3:将被测保偏光纤与偏振分束器接入本发明的测试装置中，用光纤夹具将被测保偏光纤固定于精密移动平台上的磁场及调制模块的磁场中，启动本发明测试装置； 步骤4:设定磁场及调制模块提供一个稳定的磁场，通过精密移动平台以某恒定速率按照某一固定方向，移动磁场及调制模块；PIN光电探测器采集偏振分束器两臂输出的正交偏振光，两臂输出的正交偏振光的光强为1:、12，通过信号处理模块得到输出电压信号S=I I1-121 / (Ii+I2)； 步骤5:电压信号S转换为模拟信号输出给峰值检测模块和输出面板；峰值检测模块将检测的电压信号的峰峰值Vp_p输出给输出面板；输出面板对输入的模拟信号进行滤波，并实时确定Verdet常数
全文摘要
本发明公开了一种保偏光纤Verdet常数的测试装置及其方法。测试装置主要包括光源与隔离模块、偏振控制注入模块、磁场及调制模块、精密移动平台、偏振分束器、光电探测器、信号处理模块和峰值检测模块。被测光纤的某一特征轴在出射端与偏振分束器对轴耦合。测试方法将激光器发出的光经偏振控制注入模块变成圆偏振光输入待测光纤，经偏振分束器分为两束光，移动导轨控制磁场的位置，采集两束光强，对两束光强进行处理获取相应的电压信号峰峰值，进一步计算保偏光纤的Verdet常数。本发明简单易操作，在保证最大测量灵敏度的同时，避免了在光纤注入端的对轴操作和角度调整引入的测量误差，且进一步提高了测量精度。
文档编号G01M11/00GK103196655SQ20131011156
公开日2013年7月10日 申请日期2013年4月1日 优先权日2013年1月14日
发明者金靖, 王曙, 宋凝芳, 宋镜明, 李彦, 孙祚明 申请人:北京航空航天大学