一种保偏光纤消光比的测量方法与流程

本发明涉及的是一种光学器件测量方法，具体地说是一种保偏光纤消光比的测量方法。

背景技术：

保偏光纤作为一种能够保持光偏振状态的特种光纤，被广泛应用于相干光光纤通信系统，光纤陀螺、光无源器件以及对偏振态敏感的光纤类传感器，由于保偏光纤内部存在的残留有应力，或制造工艺的不完善，以及焊接点的存在，会使在主轴传输的光耦合一部分到正交光轴上，两个正交光轴上的光功率比值就是偏振消光比，精确测量保偏光纤内部串扰点的消光比对于分析保偏光纤有着重要意义。

目前消光比的测试方法主要有旋转检偏器法，光时域反射法，偏振光干涉法等。旋转法主要是通过测量偏振器件最大光能与最小光能之比来测量消光比的大小，该方法需要频繁调节光路，同时受限于测量方法，测量精度仅限于60db。光时域干涉法通过测量背向散色光偏振正交轴上的功率计算消光比，该方法实验装置复杂，不易实施。

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，该技术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。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、器件消光比测试等领域。而如何利用这些分布串扰点进行消光比计算，则需要构建一种消光比的测量方法。

2015年，陆聪明等人提出了保偏光纤消光比实时测试装置(cn201510224794.4)，该方法通过光电探测器和信号处理单元，对光功率进行除法及其其他运算，得到被测偏振光的消光比。该方法可实现偏振光消光比的实时测量，但是无法测量光纤的分布式消光比。

2014年，美国ofs公司的vitalymikhailov等人(us20140218733)公开了一种消光比测量的检测装置，该方法将耦合到另一轴的能量实时的转变为电信号，通过电信号之间比值的方式测量消光比。该方法同样可以获得待测器件的分布式消光比并且消除测量过程中杂散光的影响，但是在测量高消光比时，由于耦合能量较弱，转变的电信号不精确，因此测量结果并不理想。

2011年，张红霞等人提出了一种白光干涉法偏振器件消光比测试解调方法(cn201110434816.1)，该方法利用偏振串扰强度得到消光比，并设计阈值使消光比测量更准确，但是该方法通过读取峰值的方法测量消光比，会受到色散和噪声的影响，使结果存在一些偏差。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种能够消除色散和噪声的影响，准确性高的保偏光纤消光比的测量方法。

本发明的目的是这样实现的：

步骤一、测量待测保偏光纤10、0°起偏器尾纤7和45°检偏器尾纤13的长度分别为lf、lin、lout，将0°起偏器尾纤7与测量待测保偏光纤输入端9、45°检偏器尾纤13与测量待测保偏光纤输出端11均进行0°～0°对准焊接；

步骤二、将起偏器和检偏器接入到分布式光纤偏振串扰测量装置中，打开宽谱光源1，驱动光程扫描器19，使用光学相干域偏振测量装置测量集成光学器件的分布式偏振串扰，得到测量待测保偏光纤内的耦合情况v(x)；

步骤三、利用测量得到的光纤长度，用公式s＝δn×(lout+lin+lf)确定串扰点8在v(x)中对应的干涉峰为506，用公式s＝δn×lout确定串扰点12在v(x)中对应的干涉峰为502，其中δn＝5×10^-4；

步骤四、对测量待测保偏光纤内部存在的明显的干涉峰503、504、505和主峰501进行测量，依次得到干涉峰的完整宽度的左右端点位置x50i-j(i＝3,4,5，j＝1,2)和主峰的完整宽度的左右端点位置x501-j(j＝1,2)；

步骤五、依次计算每个干涉峰和主峰的能量

步骤六、测量干涉结果中的噪声本底数据507，得到噪声功率σ²，如果干涉峰的幅值比噪声本底高30db以上，该干涉峰对应的串扰点的消光比的计算公式为：

步骤七、如果干涉峰的幅值与噪声本底的高度差小于30db，在计算消光比之前先去除干涉峰中包含的噪声能量；计算该干涉峰中包含的噪声能量n50i＝σ²·(x50i-2-x50i-1)，减去该干涉峰中包含的噪声能量e50i＝e′50i-n50i，利用测量得到的干涉峰和主峰能量计算得到该干涉峰对应的消光比per50i。

本发明还可以包括：

1、干涉峰和主峰的完整宽度的左右端点位置x50i-j的测量方法为：首先测量得到干涉峰与主峰的半高全宽的宽度w50i和峰值处的坐标p50i，再利用公式x5i1＝p50i-2w50i和x5i2＝p50i+2w50i的到完整干涉峰的左右端点处的位置坐标。

2、噪声功率σ²的计算方法是：选取耦合情况v(x)右侧的噪声本底数据507，数据长度选为8mm，得到此数据的起点和终点位置y1和y2，按下式计算噪声功率：

本发明的方法的原理为：宽谱光源1发出的信号经过2/98的耦合器2，2％的功率进入到探测器3，用于检测光源功率，其余的光经过隔离器后4，被起偏器6变为偏振光，经过起偏器尾纤7，通过焊点8，经过y波导输入光纤9后，检测光进入到待测波导器件中11；光在传输过程中遇到若干光学不连续点，包括：光纤焊点，光纤内部的缺陷等，会使传输在一个特征轴的光耦合到另一轴，上述耦合光连同剩余的传输光输出到白光测量装置中，通过驱动光程扫描器22，进行光程补偿，耦合光将会和传输光发生干涉，干涉峰的强度和光程位置与光学器件的光学性能一一对应。

干涉原理如图4所示，当光程差等于δnl时，扫描光束中耦合光404与参考光束中的传输光401光程发生匹配，则产生白光干涉信号，其峰值幅度为它与缺陷点的耦合幅度因子和光源强度成正比，当光程差等于-δnl时，扫描光束中传输光407与参考光束中的耦合光402光程发生匹配，则产生白光干涉信号，其峰值幅度为它与光程差为δnl时相同。如图可知，与光程差为δnl时相比，此白光干涉信号与之在光程上对称，幅度上相同。

实验中使用的入射光源的光谱服从高斯分布，因此单个峰的白光干涉信号可以表示为：

式中η＝(δλ/λ0)²·2πc·(δd)·l，表示色散系数，其中λ0表示光源的中心波长，δλ表示光源的半谱宽度，l表示光纤长度，δd表示保偏光纤的双折射色散，ic表示传输光在串扰点x处从主轴耦合到正交轴的光的光强，通过干涉峰峰值之间的比值可以得到消光比：

上面结果是通过读取峰值的方法测量消光比。从图3中可以观察到：由于色散的存在，导致干涉峰的幅值下降，干涉峰302的宽度304要大于干涉峰301的宽度303同时峰值还会受到噪声的影响，因此该方式计算实际结果表示为：

从结果看出，计算结果会受到色散和噪声这两个因素的影响，并且色散和噪声对消光比的影响无法测量得到，因此用这种方式计算得到的结果和真实值之间总会存在一些偏差。由于干涉峰能量的大小与耦合光的最大光强的平方成一个固定的比例系数，所以干涉峰能量之间的比值等于最大光强之间的比值，因此通过干涉峰能量的方式测量消光比可以消除色散影响。干涉峰能量表达式为

公式中pc、pn分别表示干涉峰和噪声能量，消光比计算的表达式为

式中p0表示主峰处的能量，err(pn)＝10log(1+1/snr)，其中snr表示干涉峰能量与干涉峰中包含的噪声能量的比值。由于噪声对主峰能量的测量影响很微小所以主峰处的能量可以忽略，我们只分析干涉峰处的噪声能量。噪声能量表达式为

pn＝nσ²

其中n为干涉峰的宽度。该方法本专利表示为功率法。功率法可以计算得到噪声在计算过程引入的误差然后去除，最终得到的消光比消除色散和噪声的影响，提高了测量结果的准确性。图6给出了两种测量方式在不同信噪比情况下的标准差大小，从图中可以看出，在功率法计算的标准差要比读取峰值的方法跟小，测量准确度更高。图7给出了两种方式在不同信噪比情况下噪声对测量结果的影响，可以看出，噪声对于读取峰值的方式影响更大。

与现有技术相比，本发明的优点在于：

(1)该方法可以准确测量低信噪比下的高消光比，测量偏差比读取峰值方法更小，提高了消光比的测试精度。

(2)通过测量干涉数据中的噪声本底数据，消除噪声在测量过程中带来的偏差，提高了消光比测量的准确度。

(3)该方法可以消除双折射色散在测量消光比时带来的影响，通过准确截取干涉峰的完整宽度的方式计算干涉峰的能量，通过能量之间的比值计算消光比，能够实现保偏光纤消光比快速准确的测量。

本发明基于白光干涉原理，在得到保偏光纤干涉数据的基础上，通过计算干涉峰能量的方式测量消光比，消除了色散的影响。通过对白光干涉信号中噪声本底和干涉峰宽度的检测，消除噪声引入的误差。该方法具有测量精度高、快速准确等优点，可广泛应用于对消光比测量要求高的集成光学器件的分析上。

附图说明

图1是测量保偏光纤内部串扰情况的方法流程图；

图2是基于光学相干域偏振测量装置测量保偏光纤的实验装置图；

图3是理想的干涉图样和受到色散和噪声影响的干涉图样；

图4是偏振串扰形成的干涉信号幅度与光程对应关系示意图；

图5是保偏光纤的偏振串扰数据；

图6是读取峰值和功率法测量不同信噪比下100组数据的耦合点消光比的标准差；

图7是在不同信噪比情况下，读取峰值和功率法测量消光比时受到的噪声影响的大小。

具体实施方式

为清楚地说明本发明保偏光纤的消光比的测量方法，下面结合实施例和附图对本发明作进一步说明，但不应以此限制本发明的保护范围。

实施例1

(1)步骤101，截取起偏器尾纤长度为23.1m，截取的检偏器尾纤长度为12.4m，保偏光纤的长度为100m；

(2)步骤102，将起偏器尾纤7与保偏光纤输入端9，保偏光纤输出端11和检偏器输入尾纤13均进行0°～0°焊接。

(3)步骤103，打开光源，获得耦合情况v(x)，如图5所示。器件测量装置如图2所示，白光干涉测量装置的参数如下：所使用光源1中心波长为1550nm，谱宽大于50nm，输出光源功率大于2mw，光源波纹小于0.05db。耦合器2的分光比分别为2：98；光隔离器4的工作波长为1550nm、插入损耗小于0.8db；起偏器6和检偏器14的工作波长为1550nm，消光比为30db，插入损耗小于1db；耦合器16、20的工作波长为1310/1550nm，分光比为50：50；光纤环形器17为三端口环行器，插入损耗1db，回波损耗大于55db，准直透镜20的工作波长为1550nm，它与可移动光学反射镜19之间的光程扫描距离在0～200mm，插入损耗小于1.5db。光电探测器3、21、22的工作波长在1100～1700nm之间，响应度大于0.85；实验过程为宽谱光源发出信号光经过2:98的耦合器，2％的功率送入到探测器0中进行检测光源功率，其余的光功率经过耦合器后再经45°起偏器6将能量同等的耦合到保偏光纤7的快慢轴中，经过保偏光纤10后再经过检偏器尾纤15，被注入全光纤的马赫曾德干涉仪中，出来的干涉信号经过差分探测器进行探测。

(4)步骤104，测量干涉峰503、504、505、501峰值处的位置以及半高全宽的宽度，峰值处的位置为，0，1.47×10⁴，3.96×10⁴，5.19×10⁴(μm)，半高全宽处的宽度为84，110，180，200(μm)。

(5)步骤105和106，依次计算每个干涉峰左右端点位置x50i-1＝p50i-2w50i，x50i-2＝p50i+2w50i，并利用公式(1)计算每个干涉峰的能量。

(6)步骤107和108，对507处的噪声数据进行测量，得到噪声功率为5.8×10^-9，本底噪声为-82.3db，同时测量得到干涉峰503、504、505幅值分别为-57.4db,-66.1db,-53.9db。判断干涉峰峰值是否大于噪声本底30db以上。结果显示干涉峰503、504的信噪比较低，干涉峰505信噪比高，所以可以对干涉峰505直接进行能量积分计算消光比。

(7)步骤109和110，利用测量得到的噪声功率σ²，和503、504干涉峰左右端点位置，利用公式：

n50i＝σ²(x50i-2-x50i-1)

计算得到干涉峰中包含的噪声能量大小，并将干涉峰中噪声的能量去掉。

(8)步骤111，利用公式：

计算干涉峰对应串扰点的消光比。