一种用于具有超高分布式双折射色散的光纤保偏器件的色散补偿方法与流程

本发明属于光学相干域偏振测量技术(Optical Coherence Domain Polarization，简称为OCDP)领域，具体涉及一种通过抑制超高分布式双折射色散对光学相干域偏振测量装置输出信号的影响来提高测试系统性能的用于具有超高分布式双折射色散的光纤保偏器件的色散补偿方法。

背景技术：

光学相干域偏振测量技术(OCDP)是基于白光干涉法(White Light Interferometry，简称为WLI)的用于测量保偏器件的分布偏振串扰的一种技术方案。OCDP一般采用宽谱光源，如超辐射发光二极管(SLD)，而且为了避免干涉峰具有本征旁瓣，一般选用高斯型光谱的宽谱光源；宽谱光经过起偏器注入待测器件，依据待测器件的不同选择不同的起偏器对轴角度，如对于光纤环的检测，我们一般使用0°起偏器将宽谱光由慢轴注入，而对于Y波导的检测，一般使用45°起偏器将宽谱光由快轴和慢轴同时注入；待测器件的快慢轴输出的光被一个45°检偏器耦合至其单模输出尾纤，然后通过一个2×2耦合器进入一个马赫增德尔干涉仪(Mach-Zehnder Interferometer，简称MZI)或迈克尔逊干涉仪(Michelson Interferometer，简称MI)；最后干涉仪输出的信号通过一个差分探测电路进行探测。保偏待测器件中的缺陷点会导致其快慢轴中的光向另一轴耦合，而且由于保偏待测器件的快慢轴之间存在模式双折射(Modal Birefringence)，因此从待测器件快慢轴输出的光之间会存在一定的光程差，并且该光程差通常是大于光源相干长度的。通过干涉仪中的位移台可以进行光程匹配，实现将待测器件快慢轴的输出光进行干涉，并最终输出一系列干涉峰，这些干涉峰能够反映待测器件中缺陷点的位置、消光比等参数信息(参见在先技术[1]，中国专利CN103900680A)。

由于待测器件的快慢轴之间存在的双折射色散(Birefringence Dispersion)，会导致OCDP输出信号的劣化，(参见在先技术[2]，中国专利CN 102332956B)具体包括二阶双折射色散会导致干涉峰包络的展宽以及幅度的降低，也就是降低了空间分辨率并使消光比测量值失真。甚至在某些情况下，两个相邻的干涉峰会由于双折射色散的存在而出现分裂的情况，导致得到错误的测试结果(参见在先技术[3]，中国专利CN 104006948B)。因此，双折射色散补偿成为实现高分辨率、高消光比测量精度的OCDP系统的一个关键技术。

双折射色散补偿方法主要分为硬件补偿和软件补偿两类。硬件补偿方法通常是在参考臂中插入色散补偿器件，使干涉仪两臂的色散匹配，而对于双折射线性变化的情况，可以通过在位移台中嵌入一对平行的闪耀光栅来实现二阶、三阶色散补偿(参见在先技术[4]，中国专利CN 100398057C)。然而，硬件补偿方法需要使用复杂的硬件装置，提高了位移台的调试难度，而且需要已知待测器件的双折射色散量。软件补偿方法通常无需对现有系统的硬件进行更改，而是对采集的信号进行后处理来实现双折射色散补偿，虽然不能像硬件补偿方法那样进行实时补偿，但是软件补偿方法要更灵活，并且一般无需已知待测器件的双折射色散量。对于使用空间光路干涉仪输出的干涉数据，可以通过使用矩形窗函数分别截取出主峰数据以及需要进行双折射色散补偿的某一干涉峰的数据，然后通过计算两者包络宽度的比值来进行双折射色散系数的估计，进而构造相位补偿因子来进行双折射色散补偿(参见在先技术[2]，中国专利CN 102332956B)。然而该技术仅对空间光路干涉仪有效，并且需要进行双折射色散补偿的干涉峰是能够进行包络宽度度量的，对于那些被噪声淹没的干涉峰则无法实现双折射色散补偿。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种补偿由于超高分布式双折射色散的存在而导致的OCDP测试系统性能的劣化，包括提高光学相干域偏振测量装置用于分布偏振串扰测试的位置精度、空间分辨率，以及消光比测试的幅度精度的用于具有超高分布式双折射色散的光纤保偏器件的色散补偿方法。

本发明的目的是这样实现的：

本发明包括下列步骤：

(1)将光学相干域偏振测量装置对待测保偏器件进行分布偏振串扰测试得到的分布偏振串扰原始数据的两端进行补零得到初始的待补偿数据I₁(d)，其中d≥0是光程差，且I₁(d)在光程差范围d∈[0,Δd₁]以及d∈[d_max-Δd₁,d_max]内均为所添加的数据0，Δd₁取为Δd₁＝0.5mm，d_max为光程差d的最大值；

(2)提取待补偿数据I₁(d)在光程差范围d∈[Δd₁,d₁+Δd₁]内的数据段作为首端数据I_s1(d)，d₁取为d₁＝4mm；

(3)对首端数据I_s1(d)使用优化色散测量技术测得色散参数，即二阶色散G₁和三阶色散T₁，并确定首端数据I_s1(d)使用色散参数G₁与T₁进行FFT色散补偿模块后的结果的峰值位置的光程差l₁，然后计算分布式二阶色散DG_j＝G_j/l_j；

(4)利用上一步中得到的色散参数G₁与T₁，对待补偿数据I₁(d)使用FFT色散补偿模块进行色散补偿，得到局部补偿数据I_local(d)；

(5)对局部补偿数据I_local(d)进行数据分割，提取其中光程差范围d∈[Δd₁,d₁+Δd₁]内的数据段作为补偿后的首端数据I_c1(d)，并提取其中光程差范围d∈[d₁,d_max-Δd₁]内的数据段作为补偿后的尾端数据I_e1(d)，I_local(d)中d∈[0,Δd₁]以及d∈[d_max-Δd₁,d_max]的部分被丢弃，而首端数据I_c1(d)与尾端数据I_e1(d)则存在长度为光程差Δd₁的交叠部分；

(6)检验补偿后的尾端数据I_e1(d)的数据长度是否满足δd＝d_max-d₁≥d₁，若满足，则首先依据允许的色散残留导致的幅度误差ΔI_dB＝0.5dB计算一个与色散有关的参数更新d₁及Δd₁分别为和其中为宽谱光源相干长度，λ₀,Δλ分别为光源的中心波长和半高全宽，c为真空中的光速，SNR＝90为系统的动态范围，将补偿后的尾端数据I_e1(d)的末端进行补零作为新的待补偿数据I₂(d)，补零数据长度为Δd₂，更新光程差d使其最小值为0；

(7)重复步骤(2)至(6)直到当补偿后的尾端数据I_ej(d)的数据长度不满足δd＝d_max-d₁≥d₁关系；

(8)将所有补偿后的首端数据I_cj(d)依次地进行首尾拼接即得到完全补偿数据I_out(d)。

所述的优化色散测量包括：

构造一个目标函数S＝Obj(I_sj(d),G_j,T_j)，其以首端数据I_s1(d)以及二阶色散G₁和三阶色散T₁作为输入，并利用色散参数使用FFT色散补偿模块对首端数据I_s1(d)进行色散补偿尝试，最后计算补偿结果的锐度S作为输出；使用最优化算法搜索目标函数S＝Obj(I_sj(d),G_j,T_j)取得最大值时的色散参数G_j,T_j。

所述的FFT色散补偿模块包括：

对待补偿数据I_j(d)进行快速傅里叶变换，得到其幅度谱A(ω)和相位谱即其中ω为光角频率；同时利用色散参数计算色散补偿相位其中ω₀为光源中心角频率；然后计算色散补偿后的相位谱为最后通过快速傅里叶逆变换IFFT得到局部补偿数据I_local(d)＝IFFT[A(ω)exp[iφ(ω)]]。

与现有技术相比，本发明的优点在于：

1、本发明无需额外的硬件配置即可实现对OCDP输出信号进行超高分布式双折射色散补偿，而且灵活度高，可以补偿二阶、三阶双折射色散，并且可以依据需求补偿更高阶的双折射色散。

2、不仅无需待测器件的双折射色散这一先验知识，而且对于那些由于双折射累积量过大而导致的被噪声淹没的干涉峰也能实现双折射色散补偿。

3、相比于将数据直接分成多个小段单独处理，本发明具有更快的处理速度。

附图说明

图1是OCDP测试系统原理图；

图2是超高分布式双折射色散补偿的原理框图；

图3是OCDP测试系统的仿真信号及其经过双折射色散补偿后的输出结果。

图4是对一个具有若干标定焊点的保偏光纤环实测数据进行色散补偿的结果。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做更详细地描述：

一种用于具有超高分布式双折射色散的光纤保偏器件的色散补偿方法。该方法通过截取首端数据进行基于最优化的色散测量技术得到此处的色散参数，并以此补偿所有待补偿数据，截取并保存已经完美补偿的首端数据后，将剩下的尾端数据再次进行上述步骤，直至所有数据均被完美补偿，最后将它们全部拼接后得到消除超高分布式双折射色散影响的偏振串扰数据；该方法通过数据补零的操作和设置数据分割时的冗余量来保证补偿后的数据不受端头效应影响，从而能够直接进行首尾拼接。该方法使用的色散测量技术使色散参数确定不需要高信噪比干涉峰，适用性更强；而且逐次色散补偿的特点能够使那些被噪声淹没的干涉峰随着迭代过程逐渐显露，最终被完美补偿。

本发明包括：

第1、将光学相干域偏振测量装置对待测保偏器件进行分布偏振串扰测试得到的分布偏振串扰原始数据的两端进行补零得到初始的待补偿数据I₁(d)，其中d≥0是光程差，且I₁(d)在光程差范围d∈[0,Δd₁]以及d∈[d_max-Δd₁,d_max]内均为所添加的数据0，这里Δd₁取为Δd₁＝0.5mm，d_max为光程差d的最大值；

第2、提取待补偿数据I₁(d)在光程差范围d∈[Δd₁,d₁+Δd₁]内的数据段作为首端数据I_s1(d)，这里d₁取为d₁＝4mm；

第3、对首端数据I_s1(d)使用优化色散测量技术测得色散参数，即二阶色散G₁和三阶色散T₁，并确定首端数据I_s1(d)使用色散参数G₁与T₁进行FFT色散补偿模块后的结果的峰值位置的光程差l₁，然后计算分布式二阶色散DG_j＝G_j/l_j；

第4、利用上一步中得到的色散参数G₁与T₁，对待补偿数据I₁(d)使用FFT色散补偿模块进行色散补偿，得到局部补偿数据I_local(d)；

第5、对局部补偿数据I_local(d)进行数据分割，提取其中光程差范围d∈[Δd₁,d₁+Δd₁]内的数据段作为补偿后的首端数据I_c1(d)，并提取其中光程差范围d∈[d₁,d_max-Δd₁]内的数据段作为补偿后的尾端数据I_e1(d)，这里I_local(d)中d∈[0,Δd₁]以及d∈[d_max-Δd₁,d_max]的部分被丢弃，而首端数据I_c1(d)与尾端数据I_e1(d)则存在长度为光程差Δd₁的交叠部分；

第6、检验补偿后的尾端数据I_e1(d)的数据长度是否满-0足δd＝d_max-d₁≥d₁，若满足，则认为数据长度足够大，则首先依据允许的色散残留导致的幅度误差ΔI_dB＝0.5dB计算一个与色散有关的参数然后更新d₁及Δd₁分别为和其中为宽谱光源相干长度，λ₀,Δλ分别为光源的中心波长和半高全宽，c为真空中的光速，而SNR＝90为系统的动态范围，然后将补偿后的尾端数据I_e1(d)的末端进行补零作为新的待补偿数据I₂(d)(补零数据长度为Δd₂)，并更新光程差d使其最小值为0；

第7、重复步骤2至6(其中所有变量的下脚标加1)，直到当补偿后的尾端数据I_ej(d)的数据长度不满足δd＝d_max-d₁≥d₁关系；

第8、将所有补偿后的首端数据I_cj(d)依次地进行首尾拼接即得到完全补偿数据I_out(d)。

所述的优化色散测量是：

首先构造一个目标函数S＝Obj(I_sj(d),G_j,T_j)，其以首端数据I_s1(d)以及二阶色散G₁和三阶色散T₁作为输入，并利用色散参数使用FFT色散补偿模块对首端数据I_s1(d)进行色散补偿尝试，最后计算补偿结果的锐度S作为输出；其次，使用最优化算法搜索目标函数S＝Obj(I_sj(d),G_j,T_j)取得最大值时的色散参数G_j,T_j。

所述的FFT色散补偿模块是：

对待补偿数据I_j(d)进行快速傅里叶变换(FFT)，得到其幅度谱A(ω)和相位谱即其中ω为光角频率；同时利用色散参数计算色散补偿相位其中ω₀为光源中心角频率；然后计算色散补偿后的相位谱为最后通过快速傅里叶逆变换IFFT得到局部补偿数据I_local(d)＝IFFT[A(ω)exp[iφ(ω)]]。

图1所示是OCDP测试系统原理图，超连续发光二极管101发出中心波长为1550nm，半谱宽度为50nm的高斯谱形的宽谱光，经过一个2:98的1×2耦合器102，其中2％的光进入光电二极管103用于实时监测光源工作状态，剩余98％的光进入隔离器104用于阻隔回反光，然后经由起偏器105及起偏器尾纤106注入待测器件107，根据待测器件107的类型来决定起偏器105的对轴角度，若待测器件105为保偏光纤环，则起偏器105的对轴角度为0°，若待测器件105为Y波导，则起偏器105的对轴角度为45°，注入待测器件105的光会由于其中存在的缺陷点而发生快慢轴之间的耦合，从待测器件105的快慢轴输出的光经由检偏器尾纤108及检偏器109，然后注入2×2耦合器112，该2×2耦合器112的工作波长为1310nm/1550nm，并且输出功率比为50:50，2×2耦合器112两臂输出的光分别进入参考臂113和扫描臂一端114，与此同时，分布式反馈激光器110输出的中心波长为1310nm的激光，经过隔离器111后同样经过2×2耦合器112进入马赫增德尔干涉仪的参考臂113与扫描臂114，其中进入扫描臂一端114的光会首先进入一个环行器115，并经过一个自聚焦透镜116进入自由空间，通过位移台反射镜117反射后返回入自聚焦透镜116，再次经过环行器115进入扫描臂另一端118，最后参考臂113和扫描臂118中的1550nm中心波长的宽谱光和1310nm波长的激光均在2×2耦合器119处发生干涉，干涉信号由2×2耦合器分别输入波分复用器120和121，其中宽谱光经由光电二极管122和光电二极管123探测，然后由差分器125进行差分运算，而1310nm波长的激光则由波分复用器121一端的光电二极管124进行探测，最后所有的探测信号经由数据采集单元126采集，该数据采集单元126包括一个数据采集卡以及一台电脑。

图2是超高分布式双折射色散补偿的原理框图，数据采集单元126通过同步位移台反射镜117的运动及其自身的信号采集过程来获取分布偏振串扰输出信号作为原始数据201(宽谱光干涉信号)，对原始数据201的首尾两端进行数据补零202得到待补偿数据203，随后对其提取首端数据204，并使用优化色散测量205得到首端数据204的二阶、三阶色散206，进一步根据二阶、三阶色散206对首端数据204进行色散补偿的结果中峰值的位置，计算出分布式二阶色散207，然后利用二阶、三阶色散参数206，对待补偿数据203使用FFT色散补偿模块208进行色散补偿，得到局部补偿数据209，下一步对其进行数据分割210，得到首端数据211和尾端数据212，在数据分割的过程中，弃置了局部补偿数据首尾两端与数据补零202操作中所补零个数相同的数据量，并且得到的首端数据211与尾端数据212也存在这个数据量的交叠部分，然后对尾端数据212进行数据长度是否足够大的判断213，如果数据长度是首端数据的1倍以上，即认为数据足够长，则将尾端数据212进行数据补零202并再次进行前述202至213的操作，直至判断213得到结果为“否”，最后依次首尾拼接所有首端数据214，即得到所求的完全补偿数据215。

下面结合图3来详细叙述本方法的具体实施步骤。图3第一幅所示是通过计算机程序仿真的OCDP测试系统输出信号，可以看出其中具有4个干涉峰301，302，303，以及304，他们分别受一定程度的色散影响，而实际上，如果没有双折射色散的存在，这4个干涉峰的幅度应该是一致的；图3第二幅所示的是使用本方法进行一次迭代后的结果，具体为将图3第一幅所示数据首尾补零，然后截取首端光程差为0.5～4.5mm的部分(也即包含干涉峰301的部分)进行优化色散测量，得到色散参数后用于补偿图3第一幅中的所有数据，补偿结果去掉首尾一小段后如图3第二幅所示，可以看出，与图3第一幅中4个干涉峰对应的补偿后的4个干涉峰的幅度及宽度均有所改善，尤其是干涉峰305的双折射色散已经完全得到了补偿，至此第一次迭代补偿完成；将图3第二幅中光程差为3.5～20mm的部分取出，进行第二次迭代色散补偿，结果如图3第三幅所示；对图3第三幅所示的数据进行第三次迭代色散补偿的结果如图3第四幅所示；对图3第四幅所示的数据进行第四次迭代色散补偿的结果如图3第五幅所示，这里为了对比方便，在展示每一轮双折射色散补偿的结果时，已经将已处理好的信号拼接在了当前待补偿信号前。从最后图3第五幅所示的结果可以看出，经过我们的方法进行双折射色散补偿后4个干涉峰的信噪比实现了显著提升，在噪声的影响下，4个干涉峰的幅度基本一致。

最后，图4展示了使用本方法处理一个具有若干标定焊点的保偏光纤环实测数据进行色散补偿的结果，第一幅原始数据，第二幅色散补偿后。