一种带有光程扫描在线校正的光学相干域偏振测量装置制造方法
【专利摘要】本发明提供的是一种带有光程扫描在线校正的光学相干域偏振测量装置。包括宽谱光源、待测偏振器件、光程相关光路、窄带光源、光纤干涉信号解调模块、信号处理系统，其特征是由波分复用器和光纤耦合器构成两个嵌套复用的Mach-Zehnder干涉仪，它们共用同一个光学延迟线；一个干涉仪用于偏振相干测量的光程相关解调，另外一个完成光学延迟线光程扫描位置和均匀性校正；基于3×3耦合器的无源调制光路实现干涉仪信号的快速解调，同时获得精确光程扫描位置和白光干涉信号幅度。该装置可以实现光程扫描精确性的在线校正，消除光路受外界环境影响引起的畸变，具有体积小、测量精度高、等优点，能广泛用于白光干涉测量原理与【技术领域】。
【专利说明】一种带有光程扫描在线校正的光学相干域偏振测量装置
【技术领域】
[0001]本发明涉及的是一种光纤测量装置，具体涉及到一种带有光程扫描在线校正的光学相干域偏振测量装置。
【背景技术】
[0002]光学相干域偏振测量技术(OCDP)是一种高精度分布式偏振耦合测量技术，它基于宽谱光干涉原理，通过扫描式光学干涉仪进行光程补偿，实现不同偏振模式间的干涉，可对偏振串扰的空间位置、偏振耦合信号强度进行高精度的测量与分析，进而获得光学偏振器件的消光比、拍长等重要参数。OCDP技术作为一种非常有前途的分布式光学偏振性能的检测方法，被广泛用于保偏光纤制造、保偏光纤精确对轴、器件消光比测试等领域。与其他如:偏振时域反射技术(P0TDR)、光频域反射技术(0FDR)、光相干域反射技术(OCDR)等分布式检测方法与技术相比，OCDP技术具有结构简单、高空间分辨率(5?IOcm)、大测量范围(测量长度几公里)、超高测量灵敏度(耦合能量-80?-1OOdB)及超大动态范围(108?1010)等优点，非常有希望发展成为一种高精度、通用测试技术和系统。由于它最为直接和真实地描述了信号光在光纤光路中的传输行为，所以特别适合于对光纤器件、组件，以及光纤陀螺等高精度、超高精度干涉型光纤传感光路进行测试和评估。
[0003]早在80年代，国外已经在就提高偏振检测精度开始了研究。20世纪90年代初，法国 Herve Lefevre 等人(Method for the detection of polarization couplings ina birefringent optical system and application of this method to the assemblingof the components of an optical system, USPatent4893931)首次公开了基于白光干涉原理的OCDP系统，它采用超辐射发光二极管(SLD)作为光源和空间干涉光路作为光程相关测量结构。法国Photonetics公司根据此专利研制了 WIN-P125和WIN-P400两种型号O⑶P测试系统，主要用于较短(500m)和较长(1600m)保偏光纤的偏振特性分析。其主要性能为偏振串扰灵敏度为-70dB、动态范围为70dB。韩国Fiberpro公司推出了的I⑶800主要用于替换WIN-P系列O⑶P系统，空间分辨率为10cm，扫描保偏光纤长度增加到1000m，灵敏度提高到_80dB。
[0004]2011年，美国通用光电公司(General Photonics Corporation)的姚晓天等人公开了一种用于保偏光纤和光学双折射材料中分布式偏振串扰测量的全光纤测量系统(Measuring Distributed Polarization Crosstalk in Polarization Maintaining Fiberand Optical BirefringentMaterial, US20110277552),利用在光程相关器之前增加光程延迟器，抑制偏振串扰测量时杂散白光干涉信号的数量和幅度。该方法可以将全光纤测量系统的偏振串扰灵敏度提高到_95dB，但动态范围保持在75dB。
[0005]同年，天津大学张红霞等人公开了一种光学偏振器件消光比的检测方法和检测装置(中国专利申请号:CN201110052231.3)，同样采用空间干涉光路作为O⑶P的核心装置，通过检测耦合点的耦合强度，推导出偏振消光比。该装置适用于保偏光纤、保偏光纤耦合器、偏振器等多种光学偏振器件。其与Herve Lefevre等人的方案相比,技术性能和指标相近。
[0006]2012年，本发明的 申请人:公开了一种光学器件偏振串扰测量的全光纤测试装置(中国专利申请号:CN201210379406)，此发明采用全光纤测试装置，具有测量精度高、较好温度和振动稳定性，可用于光学器件偏振性能的高精度测量与分析。同年，本发明的 申请人:又公开了一种提高光学器件偏振串扰测量性能的装置及方法(中国专利申请号:CN201210379407)，此发明可以极大地抑制噪声幅度，提高偏振串扰测量的灵敏度和动态范围。
[0007]光学相干域偏振测量技术(OCDP )通过扫描式光学干涉仪进行光程补偿，实现不同偏振模式间的干涉，可对偏振串扰的空间位置、偏振耦合信号强度及光纤长度变化等进行高精度的测量与分析，进而获得光学偏振器件的消光比、拍长等重要参数。光学延迟线的扫描均匀性及位移精度直接影响OCDP的测量精度，而目前公开的文献中没有关于OCDP光程扫描均匀性校正的报道，因此提高光学延迟线的扫描均匀性及位移精度对提高OCDP的测量精度及应用推广具有重要意义。
【发明内容】
[0008]本发明的目的在于提供一种测量精度高、能广泛用于白光干涉测量的带有光程扫描在线校正的光学相干域偏振测量装置。
[0009]本发明的目的是这样实现的:
[0010]包括光源模块200、第I连接器211、待测光纤器件212、第2连接器213、Mach-Znhder结构的光程相关光路220、DFB光源241、1310隔离器242、光纤干涉信号解调模块230和信号处理系统260，
[0011](I)光源模块由宽谱光源201、2/98耦合器202、第一光电探测器203、第二 1550隔离器204及0°起偏器205组成，宽谱光源201与2/98耦合器202的第2输入端Cll连接，第一光电探测器203与2/98耦合器202的第I输出端C13端连接，2/98耦合器202的第2输出端C14与1310隔离器204连接，再依次连接0°起偏器205、第I连接器211、待测光纤器件212与第2连接器213，最后通过45°起偏器206与Mach-Znhder结构的光程相关光路220连接，Mach-Znhder结构的光程相关光路220的光电信号及光学延迟线225的控制信号均通过信号线传输至信号处理系统260 ；DFB光源241与1310隔离器242连接，通过第I耦合器第2输入端C22与Mach-Zehnder结构的光程相关光路220连接；光程相关光路220输出光信号通过光纤干涉信号解调模块230，然后输出至信号处理系统260 ;光学延迟线225的控制信号通过信号线与信号处理系统260连接；
[0012](2)光程相关光路220由45°起偏器206、2X2耦合器221、光纤环形器222、自聚焦透镜223、λ /2波片224、参考臂光纤226、测量臂光纤228、光学延迟线225的第I镜面Μ1，及波分复用器227、229组成；2Χ2耦合器221的第2输出端C24连接参考臂光纤226、第I波分复用器227的输入端W11，通过第I波分复用器227与光纤干涉信号解调模块230连接；2Χ2耦合器221的第I输出端C23连接三端口光纤环形器222的输入端Cd，环形器222的第I输出端Cc2连接自聚焦透镜223、λ /2波片224及可移动光学反射镜225，环形器222的第2输出端Cc3连接测量臂光纤228、第2波分复用器229的输入端W21及光纤干涉信号解调模块230 ；[0013](3)光纤干涉信号解调模块230由第I至第4单模光纤231、232、233、234和3X3耦合器235、236组成，第I波分复用器227的1550输出端W12连接第I单模光纤231、1550波长3X3耦合器235的第I输入端C31 ;第2波分复用器229的1550输出端W22连接第3单模光纤233、1550波长3X3耦合器235的第2输入端C32 ;第I波分复用器227的1310输出端W13连接第2单模光纤232、1310波长3X3耦合器236的第I输入端C41 ;第2波分复用器229的1310输出端W23连接第4单模光纤234、1310波长3X3耦合器236的第2输入端C42 ；
[0014](4)信号处理系统260由第I至第6光电探测器263、264、265、266、267、268、信号处理模块261和计算机262组成，其特征是，第1、2、3光电探测器263、264、265分别连接1550波长3X3耦合器235的第1、2、3输出端C33、C34、C35 ;第4、5、6光电探测器266、267、268分别连接1310波长3X3耦合器236的第1、2、3输出端C43、C44、C45 ;第I至第6光电探测器263、264、265、266、267、268通过信号处理模块261连接至计算机262，光学延迟线225通过信号线连接到信号处理模块261。
[0015]所述的0°起偏器205、45°起偏器206、第I至第2旋转连接器211、213、待测光纤器件212、第I至第3光电探测器263、264、265的波长工作范围能够覆盖宽谱光源201的发射光谱；0°起偏器205、45°起偏器206的输出尾纤及待测光纤器件212均工作在单模、偏振保持状态，其余器件仅工作在单模状态。
[0016]波分复用器227、229能够将叠加在一起的1550nm波长和1310nm波长的激光分离。
[0017]1310隔离器242、第4至第6光电探测器266、267、268的波长工作范围能够覆盖窄线宽DFB光源241的发射光谱。
[0018]光程相关光路220能够在1550nm和13IOnm双波长下工作。
[0019]光程相关光路220和光纤干涉信号解调模块230中，可移动光学反射镜225处于运动起点位置时，光程相关光路220)的光程相关参考臂C24+226+W11+227+W12+231+C31+235的绝对光程略大于光程相关扫描臂C23+Ccl+2Cc2+2grl+21+Cc3+228+W21+229+W22+233+C32+235,可移动光学反射镜225连续移动的范围I大于待测光学器件稱合光与传输光之间的最大光程差异；两臂光信号在1550波长3X3耦合器235输出端C33、C34、C35形成干涉条纹被第1、2、3个光电探测器263、264、265转换为待测光学器件稱合光与传输光之间的光程差异信号，实现待测光纤器件212的偏振参数测量。
[0020]光程相关光路220)和光纤干涉信号解调模块230中，可移动光学反射镜225处于运动起点位置时，光程相关光路220)的光程相关参考臂C24+226+W11+227+W13+232+C41+236 的绝对光程略大于光程相关扫描臂 C23+Ccl+2Cc2+2grl+21+Cc3+228+W21+229+W23+234+C42+236 ;两臂光信号在 1310 波长 3X3 耦合器 236 输出端C43、C44、C45形成干涉条纹被光电探测器250中的第4、5、6光电探测器266、267、268转换为光程扫描位移信号，通过信号处理模块261及计算机262处理转换为光程扫描校准信号，实现对光学延迟线225光程扫描准确性和运动均匀性的评估。
[0021]本发明公开了一种在线光程扫描位置和速度校正的光学相干域偏振测量装置，包括宽谱光源、待测偏振器件、光程相关光路、窄带光源、光纤干涉信号解调模块及信号处理系统。在线光程扫描均匀性校正技术采用单模光纤光路实现光程扫描的高精度测量，利用波分复用技术使单频激光干涉位移测量光路与OCDP测量光路实现复用，1550nm宽谱光源用于0CDP，可测量器件偏振衰落及相关信息测量；1310nm窄线宽DFB光源用于单频激光干涉仪，可测量可移动反射镜的扫描均匀性；利用3X3耦合器输出信号的相差特性，实现无源调制干涉信号的解调。该测量技术具有结构简单、测量精度高、具有良好的温度和振动稳定性，广泛用于基于白光干涉测量远离的干涉光程扫描与测试中。
[0022]本发明是对基于白光干涉原理的光学相干域偏振测试系统(OCDP)的一种技术改进。ODCP的工作原理如图2所示，以保偏光纤的性能测试为例，由宽谱光源201发出的高稳定宽谱偏振光注入到一定长度的保偏光纤212的慢轴(快轴时,原理相同)。由于制作时几何结构存在缺陷、预先施加应力的非理想作用，或者在外界温度和载荷的作用下，使光纤中存在某缺陷点114。信号光沿慢轴传输时，当信号光传输到缺陷点114时，慢轴中的一部分光能量就会耦合到正交的快轴中，形成耦合光束115，剩余的传输光束116依旧沿着慢轴传输。光纤存在线性双折射An (例如:5X10_4)，使慢轴的折射率大于快轴折射率，当光纤的另外一端输出时(传输距离为I)，则传输在慢轴的传输光116和传输在快轴的稱合光115之间将存在一个光程差Λη?。上述光束通过焊接点或者旋转连接头117，将传输光和耦合光偏振态旋转45°后,进入光程相关器150中。在光程相关器150中,光学分束镜154、固定反射镜155、移动反射镜156组成一个Michelson光学干涉仪。光束115和116经过检偏器151偏振极化后，由分光器154分别均匀地分成两部分。如图3所示，由传输光201和耦合光202组成参考光束，传输在干涉仪的固定臂中，经过固定反射镜155的反射后回到分光器154 ;由传输光203和稱合光204组成扫描光束，同样经过移动反射镜156的反射后也回到分光器154，两部分光汇聚 在探测器159上形成白光干涉信号，被其接收并将光信号转换为电信号。此信号经过信号解调电路141处理后，送入测量计算机142中；测量计算机142另外还要负责控制移动反射镜154实现光程扫描。
[0023]光程相关光路220中的测量光束和参考光束经过分别经过波分复用器227、229，分离出1310nm波长的激光，经过1310波长3X3耦合器236叠加形成干涉信号并且分束，分别被第4、5、6光电探测器266、267、268接收,转换成电信号后进入信号处理模块261,经过处理可获得光学延迟线225反射镜的位移信息，进而实现光程扫描均匀性校正。
[0024]由于3X3耦合器的输出特性，其输出端的干涉信号，两两之间存在相差，第4、5、6光电探测器266、267、268其输出信号可表示为:
[0025]Ρ4=Α+Βοο8(ΦΡ+Φ02+α ⑴) (I)
[0026]P5=A+Bcos ( Φ F+Φ c4+ct (t)) (2)
[0027]Ρ6=Α+Βοο8(ΦΡ+Φ06+α (t)) (3)
[0028]其中A表不输出信号直流信号幅度，B表不输出干涉信号的交流幅强，a (t)为光学延迟线225的反射镜移动引起的相位差，ΦΡ为光路引起的相位变化，Φ04> Φα及cK6S3X3耦合器引起的输出相位变化，可知，其两两之间相差2 π /3，式(I)、(2)、(3)可写成
[0029]P4=A+Bcos Φ (t) (4)
[0030]P5=A+Bcos[<j5 (t)_120° ] (5)
[0031]P6=A+Bcos|> (t)+120° ] (6)
[0032]其中
[0033]φ (?) = Φρ+Φ02+α (t) (7)[0034]解调算法如图4所示，通过将式(4 )、( 5 )、( 6 )三项求和，可得
[0035]Σ =3A+Bcos Φ (t)+Bcos [ Φ (t)-120 ° ]+Bcos [ Φ (t) +120 ° ]=3A
(8)
[0036]根据式(8)求出直流分量A值，将三路信号的直流分量消除，得
[0037]a=Bcos Φ (t)(9)
[0038]b=Bcos[(J) (t)_120° ](10)
[0039]c=Bcos [ Φ (t)+120。](11)
[0040]式(9)、(10)、(11)分别微分得
[0041]d=-B Φ ' (t) sin Φ (t)(12)
[0042]e=-B Φ ' (t) sin [ Φ (t) —120。 ](13)
[0043]f=-B Φ ' (t) sin [ Φ (t)+120。 ](14)
[0044]通过信号其中两路微分后相减，差值再与另一路信号相乘，分别可得
[0045]
【权利要求】
1.一种带有光程扫描在线校正的光学相干域偏振测量装置，包括光源模块(200)、第I连接器(211)、待测光纤器件(212)、第2连接器(213)、Mach-Znhder结构的光程相关光路(220)、DFB光源(241)、1310隔离器(242)、光纤干涉信号解调模块(230)和信号处理系统(260)，其特征是: (1)光源模块由宽谱光源(201)、2/98耦合器(202)、第一光电探测器(203 )、第二 1550隔离器(204 )及O °起偏器(205 )组成，宽谱光源(201)与2/98耦合器(202 )的第2输入端(Cll)连接，第一光电探测器(203)与2/98耦合器(202)的第I输出端(C13)端连接，2/98耦合器(202)的第2输出端(C14)与1310隔离器(204)连接，再依次连接0°起偏器(205)、第I连接器(211)、待测光纤器件(212)与第2连接器(213)，最后通过45°起偏器(206)与Mach-Znhder结构的光程相关光路(220)连接，Mach-Znhder结构的光程相关光路(220)的光电信号及光学延迟线(225 )的控制信号均通过信号线传输至信号处理系统(260 ) ;DFB光源(241)与1310隔离器(242)连接，通过第I耦合器第2输入端(C22)与Mach-Zehnder结构的光程相关光路(220)连接；光程相关光路(220)输出光信号通过光纤干涉信号解调模块(230)，然后输出至信号处理系统(260);光学延迟线(225)的控制信号通过信号线与信号处理系统(260)连接； (2)光程相关光路(220)由45。起偏器(206)、2X2耦合器(221)、光纤环形器(222)、自聚焦透镜(223)、λ/2波片(224)、参考臂光纤(226)、测量臂光纤(228)、光学延迟线(225)的第I镜面(Μ1)，及波分复用器(227、229)组成；2Χ2耦合器(221)的第2输出端(C24)连接参考臂光纤(226)、第I波分复用器(227)的输入端(W11)，通过第I波分复用器(227)与光纤干涉信号解调模块(230)连接；2 X 2耦合器(221)的第I输出端(C23)连接三端口光纤环形器(222)的输入端(Cd)，环形器(222)的第I输出端(Cc2)连接自聚焦透镜(223)、λ/2波片(224)及可移动光学反射镜(225)，环形器(222)的第2输出端(Cc3)连接测量臂光纤(228)、第2波分复用器(229)的输入端(W21)及光纤干涉信号解调模块(230); (3)光纤干涉信号解调模块(230)由第I至第4单模光纤(231、232、233、234)和3X3耦合器(235、236)组成，第I波分复用器(227)的1550输出端(W12)连接第I单模光纤(231)、1550波长3X3耦合器(235)的第I输入端(C31);第2波分复用器(229)的1550输出端(W22)连接第3单模光纤(233)、1550波长3X3耦合器(235)的第2输入端(C32);第I波分复用器(227)的1310输出端(W13)连接第2单模光纤(232)、1310波长3X3耦合器(236)的第I输入端(C41);第2波分复用器(229)的1310输出端(W23)连接第4单模光纤(234)、1310波长3X3耦合器(236)的第2输入端(C42)； (4)信号处理系统(260)由第I至第6光电探测器(263、264、265、266、267、268)、信号处理模块(261)和计算机(262)组成，其特征是，第1、2、3光电探测器(263、264、265)分别连接1550波长3X3耦合器(235)的第1、2、3输出端(C33、C34、C35);第4、5、6光电探测器(266、267、268)分别连接 1310 波长 3X3 耦合器(236)的第 1、2、3 输出端(C43、C44、C45);第I至第6光电探测器(263、264、265、266、267、268)通过信号处理模块(261)连接至计算机(262 )，光学延迟线(225 )通过信号线连接到信号处理模块(261)。
2.根据权利要求1所述的带有光程扫描在线校正的光学相干域偏振测量装置，其特征是:所述的0°起偏器(205)、45°起偏器(206)、第I至第2旋转连接器(211、213)、待测光纤器件(212)、第I至第3光电探测器(263、264、265)的波长工作范围能够覆盖宽谱光源(201)的发射光谱；0°起偏器(205)、45°起偏器(206)的输出尾纤及待测光纤器件(212)均工作在单模、偏振保持状态，其余器件仅工作在单模状态。
3.根据权利要求1所述的带有光程扫描在线校正的光学相干域偏振测量装置，其特征是:波分复用器(227、229)能够将叠加在一起的1550nm波长和1310nm波长的激光分离。
4.根据权利要求1所述的带有光程扫描在线校正的光学相干域偏振测量装置，其特征是:1310隔离器(242)、第4至第6光电探测器(266、267、268)的波长工作范围能够覆盖窄线宽DFB光源(241)的发射光谱。
5.根据权利要求1所述的带有光程扫描在线校正的光学相干域偏振测量装置，其特征是:光程相关光路(220)能够在1550nm和1310nm双波长下工作。
【文档编号】G01M11/02GK103900798SQ201410120888
【公开日】2014年7月2日 申请日期:2014年3月28日 优先权日:2014年3月28日
【发明者】杨军, 吴冰, 苑勇贵, 闫德凯, 彭峰, 苑立波 申请人:哈尔滨工程大学