多功能铌酸锂集成器件的偏振性能测量方法与流程

本发明涉及的是一种光学器件测量方法，具体地说是一种铌酸锂集成器件(y波导)的偏振性能测量方法。

背景技术：

y波导是光纤传感应用(如光纤陀螺)的重要组成部分，决定着光纤传感系统的测量精度、稳定性、体积和成本。其中消光比是y波导的重要指标。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通过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耦合点进行消光比计算，则需要构建一种消光比的测量方法。

2011年，美国通用光电公司(generalphotonicscorporation)的姚晓天等人公开了一种用于保偏光纤中分布式偏振串扰测量的全光纤测量系统(us20110277552)，利用增加光程延迟器的方法，抑制了偏振测量过程中存在的杂散白光干涉信号的数量和幅度，该方法测量偏振串扰的灵敏度达到-95db。但是动态范围只能达到75db。

2012年天津大学张红霞、任亚光等人公开了一种偏振器件消光比测试数据的解调方法(cn201210170668.1)。该方法采用ocdp技术获得干涉信号，通过读取干涉信号中的干涉峰的峰值测量消光比。该方法可以实现对保偏光纤消光比的快速解调，但是在测量长度在千米以上的保偏光纤或双折射色散比较的大的耦合点的消光比时，由于色散和噪声的影响，测量结果与实际结果存在一定偏差。

2016年本发明申请人(cn201610157528.9)提出了一种光纤偏振器件的高消光比测量方法，在测量y波导时，对串扰标记和测量峰进行同步测量，杜绝测量环境改变和器件连接等引入的误差，该方法虽然测量了y波导芯片消光比以及耦合串音，但是没有对输入输出端光纤的分布式消光比进行测量，同时测量结果受到色散影响，结果并不准确。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种测试耦合串音和芯片消光比的准确性高的多功能铌酸锂集成器件的偏振性能测量方法。

本发明的目的是这样实现的：

步骤一、测量y波导输入光纤205、输出光纤209、45°起偏器尾纤223、45°检偏器226、0°检偏器尾纤224的长度，得到数据lin，lout，lw-in，lw1-outlw2-out；将45°起偏器尾纤223与y波导输入光纤205进行0°～0°对准焊接、焊点为第一焊点204；将0°检偏器尾纤224与y波导输出光纤209进行0°～0°对准焊接、焊点为第二焊点210；

步骤二、将45°起偏器222和0°检偏器225接入到分布式光纤偏振串扰测量装置中；打开宽谱光源201，驱动光程扫描器214，使用光学相干域偏振测量装置测量y波导输入端光纤的分布式偏振串扰数据v1(x)；

步骤三、将第一和第二焊点204、210进行分离，同时将45°起偏器222与0°检偏器225进行对换，重新焊接，焊接角度均为0°～0°；打开干涉仪，进行光程扫描，测量得到y波导输出光纤的分布式偏振串扰数据v2(x)；

步骤四、将0°检偏器225换成45°检偏器227，并将检偏器尾纤226与y波导输出光纤209、45°起偏器尾纤223与y波导输入光纤205进行0°～0°对准焊接，测量得到波导器件的干涉图样v3(x)；

步骤五、利用测量得到的v1(x)、v2(x)，v3(x)，测量y波导输入光纤205、y波导输出光纤209的分布式消光比，同时计算得到两个光纤耦合点206、208的串音以及y波导芯片207的消光比。

本发明还可以包括：

1、测量y波导的输入输出光纤的分布式消光比的方法为：

(1)、根据测量得到的光纤长度lin，lw-in，找出偏振串扰数据v1(x)中两个耦合点204、206对应的两个干涉峰602、601；测量主峰603半高全宽的宽度w603和峰值处的位置p603，利用公式y603-1＝p603-2×w603和y603-2＝p603+2×w603分别计算出主峰完整宽度的左右端点位置；

(2)、重复步骤(1)，分别得到两个干涉峰601、602的完整干涉峰左右端点处的位置y601-1、y601-2、y602-1和y602-2，对位置y601-2到y602-1的干涉结果用公式(1)表示：

得到y波导输入光纤205对应的串扰数据的分布式能量曲线；再利用公式计算(1)得到主峰处的能量e603，利用公式(2)表示：

得到y波导输入光纤205的分布式消光比；

(3)、重复步骤(1)-(2)，利用串扰数据v2(x)得到y波导输出光纤209的分布式消光比。

2、得到两个光纤耦合点206、208的串音以及y波导芯片207的消光比的方法为：

(1)、计算得到干涉峰701、702、704、706、708、710、711完整宽度的左右端点位置z70i-1和z70i-2，利用公式(1)计算每个干涉峰的能量，利用公式(2)计算耦合点的串音；

(2)、对比干涉峰701与711、702与710、704与708算得到的消光比的差值是否小于1db，如果小于1，耦合点的串音表示为左右测量结果的平均值，如果大于1db，重新计算干涉峰的完整宽度的左右端点位置，再计算消光比。

将45°起偏器222与0°检偏器225进行对换中，起偏器与检偏器的功能一致，并无差异，即45°起偏器可以实现45°检偏器的功能。

本发明基于白光干涉原理，利用得到的y波导输入输出端光纤的偏振串扰数据，测量y波导输入输出端光纤的分布式消光比。同时对干涉图样中左右对称的干涉峰进行测量，对测量结果做出判断，提高测量准确性。该方法具有测量精度高、快速准确等优点，可广泛应用于集成光学器件的分析上。

本发明的方法的原理如下：宽谱光源201发出的信号经过2/98的耦合器202，2％的功率进入到探测器219，用于检测光源功率，其余的光经过隔离器后203，被起偏器223变为偏振光，经过起偏器尾纤，通过焊点204，y波导输入光纤205后，检测光进入到待测波导器件中207；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216，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3所示，当光程差等于δnl时，扫描光束中耦合光304与参考光束中的传输光301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307与参考光束中的耦合光302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。图4和图5是在不同焊接角度时的y波导连接情况，从图中看出，除焊接角度发生变化之外，其他结构没有发生变化。由于ρ＜＜1，所以1-ρ≈1。

当耦合光与剩余的传输光进行光程补偿后，发生相干干涉，干涉结果表示为

式中ic(x)，表示不同位置处的干涉光强，i0表示入射光的光强，x表示光程扫描器运行的距离，l距离耦合点到光输入点的距离，δβ分别表示光在保偏光纤的快慢轴传播时的传播常数之差，l表示光纤长度，ρ表示传输光在耦合点l处从主轴耦合到正交轴时的耦合系数。利用帕塞瓦尔定理计算干涉峰的能量，其表达式为：

而主峰的能量的表达式为：

干涉峰的能量与主峰能量之比就是分布式消光比曲线，其表达式为：

虽然干涉峰的位置以主峰为左右对称，但是由于存在色散的影响，干涉峰左右的幅值，宽度并不一样，用本发明计算消光比的方法可以消除色散影响，所以左右计算的结果应该一样，通过对比左右计算得到的消光比，对测量结果做出判断，提高测量准确性。图6是y波导输入光纤偏振串扰数据v1(x)，图7是干涉图样v3(x)。

与现有技术相比，本发明的优点在于：

(1)该方法通过分析y波导器件的各组成部分的干涉结果，可以测量得到波导输入输出端光纤的分布式消光比。

(2)该方法利用干涉图样中左右对称的干涉峰测量耦合点的串音以及波导芯片消光比，对测量结果做出判断，提高测量准确性。

(3)该方法可以在测量耦合点消光比的同时测量得到y波导输入输出光纤的分布式消光比，并且测量方法简单、快速，提高了测量效率。

附图说明

图1是y波导光学参数测量方法流程图；

图2是基于光学相干域偏振测量装置测量y波导的实验装置图；

图3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4是y波导0°检偏器尾纤与输出光纤进行0°～0°焊接示意图；

图5是y波导45°检偏器器尾纤与输出光纤0°～0°连接示意图；

图6是45°起偏器尾纤与输入光纤、0°检偏器尾纤与输出光纤进行0°～0°焊接时y波导输入光纤偏振串扰数据；

图7是45°起偏器尾纤与输入光纤、45°检偏器尾纤与输出光纤进行0°～0°焊接时y波导器件的干涉图样。

具体实施方式

为清楚地说明本发明y波导输入输出光纤的分布式消光比以及耦合点和y波导集成芯片消光比的测量方法，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。

(1)步骤101，45°起偏器尾纤的长度为18.8m，0°检偏器延长光纤长度为16.7m，45°检偏器尾纤的长度为21.1m，y波导输入光纤长度为0.22m，输出光纤长度为0.18m；

(2)步骤102，将45°起偏器尾纤223与y波导输入光纤205进行0°～0°焊接，y波导输出光纤209和0°检偏器输入尾纤224进行0°～0°焊接。

(3)步骤103，打开光源，获得y波导输入光纤偏振串扰数据v1(x)，如图6所示。

(4)步骤104，将45°起偏器尾纤223与y波导输出光纤209进行0°～0°焊接，y波导输入光纤205和0°检偏器尾纤224进行0°～0°焊接。并进行光程扫描，得到y波导输出光纤偏振串扰数据v2(x)。由于v2(x)的处理过程与v1(x)相似，因此只分析v1(x)的处理过程。

(5)步骤105，将45°起偏器尾纤223与y波导输入光纤205进行0°～0°焊接，y波导输出光纤209和45°检偏器尾纤226进行0°～0°焊接。并进行光程扫描，得到干涉图样v3(x)。

(8)步骤106和107，依次计算干涉峰601、602和主峰603、左右端点位置y60i-j＝p60i-2×w60i(i＝1,2,3,j＝1,2)，测量得到干涉峰601的左右端点分别为-8877，-8709，602的左右端点为-8099，-7899，603的为-194，194，单位是μm。利用权利要求1里面的公式(2)计算位置-8709，-8099，-194,194这两个个区间的能量，分别得到能量e1、e2，利用权利要求1里面的公式(2)计算光纤205分布式消光比。再对干涉图样v2(x)中的干涉峰进行处理，得到光纤209的分布式消光比。

(7)步骤108，需要确定串扰点206、208对应的干涉峰的位置以及端点位置，由公式s＝δn×l(δn＝5×10^-4)，大致估算耦合点对应得光程位置，从图中可知，705的光程位置为7949um，利用光纤223的长度算出来的光程差为8350um，由于是估算测量，存在一些偏差可以接受，同时耦合点204对应的干涉峰是距离主峰最近的干涉峰，可以确定干涉峰705对应耦合点204。同时耦合点206对应的干涉峰是峰705外测距离最近的干涉峰704，所以干涉峰704对应耦合点206。并测量不同干涉峰左右端点位置z，同理依次得到不同耦合点对应的干涉峰，由于集成芯片的消光比的光程差最大，所以是离主峰最远的干涉峰，所以是701。

(8)步骤109、110，对干涉图样v3(x)中左右对称的干涉峰进行计算，得到耦合点206，208和集成芯片207消光比，左侧结果依次为，49.67db，40.58db，芯片消光比为60.11db，右侧测量结果为49.78db,40.67db，芯片消光比为59.23db，从结果中看出，从左右测量结果相差很小，证明测量结果准确，最终结果以左右两边测量结果的平均值表示，测量完成。