一种光学偏振器件分布式偏振串扰测量的噪声抑制装置与抑制方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于光纤测量技术领域，具体涉及到一种光学偏振器件分布式偏振串扰测 量的噪声抑制装置与抑制方法。
【背景技术】
[0002] 偏振光学器件是构成高精度光学测量与传感系统的重要组成部分，目前光学器件 性能测试与评价方法和装置落后的现状，严重阻碍了高精度光学测量与传感系统的发展。 例如：高精度光纤陀螺的核心器件一一铌酸锂集成波导调制器（俗称Y波导）的芯片消光 比已经达到SOdB以上；而常用的偏振性能检测仪器一一消光比测试仪，通常的检测分辨率 在50dB左右（按照能量定义，即为IO5)，分辨率最高的为美国dBm Optics公司研制Model 4810型偏振消光比，测量仪测量极限也仅有72dB。
[0003] 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（POTDR)、光频域反射技术（OFDR)、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~-IOOdB)、超大动态范围（10s~ 101°)等优点，非常有希望发展成为一种高精度、通用化测试技术和系统。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。
[0004] 20 世纪 90 年代初，法国 Herve Lefevre 等人[Method for the detection of polarization couplings in a birefringent optical system and application of this method to the assembling of the components of an optical system, US Patent 4863631]首次公开了基于白光干涉原理的0⑶P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-P 125和WIN-P 400两种型号0⑶P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，后经过 改进，灵敏度和动态范围分别提升到_80dB和80dB。
[0005] 2011年，天津大学张红霞等人公开了一种光学偏振器件偏振消光比的检测方法和 检测装置（中国专利【申请号】201110052231. 3)，同样采用空间干涉光路作为OCDP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。与Herve Lefevre等人的方案相比，技术性能和指标相 近。
[0006] 同年，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 (US20110277552， Measuring Distributed Polarization Crosstalk in Polarization Maintaining Fiber and Optical Birefringent Material)，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。
[0007] 2012年，本发明申请人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. 0)和一种光学器件偏振串扰测量的全光纤测试装置 (CN201210379406. 6)，采用全光纤光程相关器结构，增加偏振分束和在线旋转连接功能，抑 制拍噪声，有效提高测量灵敏度，在相关器中增加法拉第旋光器，增加光源的稳定性，提高 光源功率的利用率，以上两种装置均适用于多种偏振器件的性能测试。与美国通用光电公 司相比，可以将测量系统的偏振串扰灵敏度提高到-95dB的同时，使动态范围保持在优于 95dB。灵敏度已经接近测量极限，主要受限于光源的相对强度噪声。在不改变光路结构、优 化元件参数的强度下，测量灵敏度将无法进一步得到提升。
[0008] 2013年，本发明申请人提出了一种大扫描量程光学相干域偏振测量装置（中国专 利申请号CN201310736313. 4)，使用多个连续式光程扩展单元级联，并使单元中的扫描光学 器件成对出现，实现光程扫描扩展，抑制扫描器强度浮动对测量的影响。主要解决的问题是 如何提高偏振串扰测量的准确度和稳定性，测量灵敏度性能没有改善。
[0009] 2014年，本发明申请人提出了一种可抑制干涉噪声的光学相干偏振测量装置 (中国专利申请号CN201410120901.4)，采用全光纤型偏振态控制器消除光学器件残余 光反射，使用法拉第旋光器的光程解调装置克服干涉中的偏振衰落效应，有效抑制干涉 噪声；提出带有光程扫描位置和速度校正的光学相干域偏振测量装置（中国专利申请号 CN201410120591. 6)，通过对光程扫描的校正，提高了偏振测量装置的空间精度和探测灵敏 度。但是，以上装置均未对测试系统的信噪比有明显提升，并且所使用大多为保偏光纤，会 引起偏振串扰噪声的增加。
[0010] 为进一步提高偏振串扰的测试性能，包括测量灵敏度、动态范围和器件测量长度 等，特别是如何能调节偏振串扰测试系统的信噪比，提高其测试信噪比，提升测试系统的 灵敏度，成为研究的热点。通过在干涉两臂中的固定长度光程参考臂中增加可调光衰减器， 在保证散粒噪声与RIN噪声可比拟的前提下，在衰减因子的取值范围内合理取值，会使信 噪比获得大幅度提升，提高测量的灵敏度。
[0011] 本发明提供了一种光学偏振器件分布式串扰测量噪声抑制装置与方法，首先，采 用偏振分束器将传输光和親合光相分离，并使其二者分别传输在光程相关器的两个相干臂 中；其次，通过对传输光能量的衰减，来降低相对强度噪声噪声；最后，通过合理选择衰减 倍数，并控制热噪声的幅度，可以使散粒噪声成为测量的主要限制因素，这就大大地提高了 测量光路的噪声抑制能力。本发明具有噪声抑制效果明显、测量光路结构简单、调节方法简 便等优点，广泛用于保偏光纤、集成波导调制器（Y波导）等光学器件偏振性能的高精度测 量与分析。
【发明内容】
[0012] 本发明的目的在于提供一种增强测试信号的信噪比，提高了偏振串扰测量的灵敏 度和动态范围，用于光学器件偏振性能的高精度测量与分析的光学偏振器件分布式串扰测 量噪声抑制装置，本发明的目的还在于提供一种光学偏振器件分布式串扰测量噪声抑制方 法。
[0013] 本发明的目的是这样实现的：
[0014] 一种光学偏振器件分布式偏振串扰测量的噪声抑制装置，包括宽谱光源411、起偏 器421、第1光纤旋转连接器422、第2光纤旋转连接器424、待测光纤器件423、光程相关器 430、偏振串扰检测与信号记录装置450,包括：
[0015] 1.宽谱光源411通过起偏器421、第1旋转连接器422与待测光纤器件423通过 保偏光纤连接，第1旋转连接器422使起偏器421的输出尾纤与待测光纤器件423的输入 尾纤偏振特征轴完成0°~0°或0°~90°对准，将起偏器421输出的线偏光在待测光纤 器件423的快轴或慢轴上传输成为传输光，经过待测光纤器件423时，传输光向慢轴或快轴 部分耦合产生耦合光，待测光纤器件423通过第2旋转连接器424与光程相关器430连接， 第2旋转连接器424使待测光纤器件423的输出尾纤与光程相关器输入尾纤的偏振征轴实 现0°~0°或0°~90°对准，使光程相关器430输入尾纤的快轴或慢轴中传输传输光、 慢轴或快轴中传输耦合光；
[0016] 2.光程相关器430,由偏振分束器431、光开关432、可调衰减器440、光程扫描器 441、干涉信号探测器442组成，偏振分束器431使输入尾纤中快轴与慢轴中的光束分离，使 传输光分别在光程相关器430的两相干臂中传输；
[0017] 3.光开关432截断传输光，确定热噪声是否低于相对强度RIN噪声和散粒噪声，调 节宽谱光源411输出光强，满足最小能量要求；调节光衰减器440的衰减倍数使RIN噪声低 于散粒噪声，衰减后的传输光与耦合光在干涉信号探测器442发生干涉并接收，将信号传 送至偏振串扰检测与信号记录装置450。
[0018] 所述的光程相关器430,光程扫描器441处于最小光程时，光程相关器430的固定 长度光程一臂的绝对光程略大于长度可变光程扫描一臂的光程；光程扫描器441光程的变 化范围大于待测光学器件耦合光与传输光之间的最大光程差异。
[0019] 所述的光程相关器430,由Mach-Zehnder结