一种测量保偏光纤平均双折射及其温度系数的系统及方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及测量保偏光纤平均双折射及其温度系数的系统及方法。
【背景技术】
[0002] 保偏光纤因其在光纤通信和光纤传感领域有着广泛的应用而引起人们的极大关 注和广泛研究，特别应用于光纤传感领域的惯性导航装置光纤陀螺。高精度光纤陀螺光纤 环主要采用保偏光纤，其原因是保偏光纤具有的高平均双折射光纤结构可以实现单偏振状 态工作，可以确保光纤的偏振态不受外界的干扰而发生变化，保证光纤环中的顺、逆时针的 两路光充分相干，从而保证输出干涉信号的稳定。因此测量保偏光纤的平均双折射对于其 应用具有非常重要的意义。由光学传输理论可知，两束处于保偏光纤快轴和慢轴上的激光， 由于偏振模色散（PMD)，两偏振模式以不同的速度沿保偏光纤传播，因此在光纤出射系数端 将会发生相对时间延迟，如图1所示。目前，基于这种思路测量保偏光纤平均双折射的方 法主要有光频域反射技术以及偏振式串扰分析法。2015年1月，加拿大渥太华大学鲍晓 毅课题组利用光频域反射技术（Da-Peng Zhou, Zengguang Qin, Wenhai Li." Distributed group birefringence measurement in a polarization-maintaining fiber using optical frequency-domain reflectometry"）实现了空间分辨率为 7. 8cm、长度为 5. 925m 保偏光纤平均双折射分布式测量。由于其空间分辨率直接由扫频范围和采样率决定，因 此这种方法的不足之处在于其对仪器设备要求较高，测量时间较长，且仅适用于短距离光 纤的测量，同时也不能测量长距离保偏光纤的双折射及其温度系数。2014年11月，天津 大学李志宏等人利用偏振式串扰分析法（Zhihong Li, X. Steve Yao, Fellow 0SA, Xiaojun Chen, "Complete Characterization of Polarization-Maintaining Fibers Using Distributed Polarization Analysis"）实现了空间分辨率为6cm、长度为300m保偏光纤 平均双折射分布式测量。这种技术的不足之处在于操作较为复杂，同时它也无法测量长距 离保偏光纤的双折射及其温度系数。
【发明内容】
[0003] 本发明的目的是为了解决现有方法对仪器设备要求较高，测量时间较长，仅适用 于短距离保偏光纤平均双折射的测量，操作较为复杂，以及无法测量长距离保偏光纤的平 均双折射及其温度系数的问题，而提出了一种测量保偏光纤平均双折射及其温度系数的系 统及方法。
[0004] 上述的发明目的是通过以下技术方案实现的：
[0005] -种测量保偏光纤平均双折射及其温度系数的系统由光源1，光源2,环形器，偏 振控制器PCl或偏振连接器1，偏振控制器PC2或偏振连接器2,滤波器，数据采集装置，温 控设备，电光调制器1和电光调制器2组成；光源1通过电光调制器1与环形器的栗浦光输 入端相连，环形器的混合光端通过偏振控制器PCl或偏振连接器1与待测保偏光纤相连，待 测保偏光纤通过偏振控制器PC2或偏振连接器2与经过电光调制器2的光源2相连，滤波 器和环形器的混合光输出端相连，数据采集装置和滤波器相连；待测保偏光纤放入温控设 备内；
[0006] 光源1经电光调制器1调制后产生一束栗浦光，光源2经电光调制器2调制后产 生两束上下边频带探测光。其中，上下边频带探测光为不同频率的探测光，两束探测光与栗 浦光的频率差相同。环形器用于将栗浦光从环形器的栗浦光输入端进入，从环形器的混合 光端输出，再进入待测保偏光纤中与探测光相遇并产生受激布里渊散射，然后将产生的受 激布里渊散射信号从环形器的混合光端进入，从环形器的混合光输出端输出，滤波器用于 滤掉探测光经过电光调制器2后产生的上下边频带探测光中上边频带探测光与栗浦光相 互作用后与产生的布里渊散射信号，保留下边频带探测光与栗浦光作用产生的布里渊散射 信号，数据采集装置用于采集下边频带探测光与栗浦光作用产生的布里渊散射信号，温控 设备用于调控待测保偏光纤的温度，偏振控制器PCl和偏振连接器1用于控制栗浦光的偏 振态，偏振控制器PC2和偏振连接器2用于控制探测光的偏振态。
[0007] -种测量保偏光纤平均双折射及其温度系数的方法具体是按以下步骤进行的：
[0008] 步骤一、调节与采集信号：
[0009] 光源1发出栗浦光，光源2发出探测光，光源1发出的栗浦光频率为V 1，光源2发 出的探测光频率为V 2,栗浦光和探测光的频率差为待测保偏光纤的布里渊频移；
[0010] 调节栗浦光的功率、脉宽、频率、偏振态和探测光的功率、频率、偏振态使其产生受 激布里渊散射信号，即在保偏光纤一端注入栗浦光至保偏光纤的快轴或慢轴上，在保偏光 纤的快轴或慢轴的另一端注入频率与栗浦光频率相差一个布里渊频移的探测光，栗浦光的 90%以上的能量被耦合到反向传输的探测光中产生受激布里渊散射信号；
[0011] 调节偏振控制器PCl和PC2使受激布里渊散射信号强度达到最大，若利用数据采 集装置采集此时的信号为保偏光纤快轴上产生的受激布里渊散射信号，调节PCl至受激布 里渊散射信号最小后，再调节PC2使受激布里渊散射信号达到最大，则此时利用数据采集 装置采集的信号为保偏光纤的慢轴上产生的受激布里渊散射信号；
[0012] 若利用数据采集装置采集此时的信号为保偏光纤慢轴上产生的受激布里渊散射 信号，调节PCl至受激布里渊散射信号最小后，再调节PC2使受激布里渊散射信号达到最 大，则此时利用数据采集装置采集的信号为保偏光纤的快轴上产生的受激布里渊散射信 号；
[0013] 其中，保偏光纤的慢轴产生的受激布里渊散射信号宽度大于保偏光纤的快轴产生 的受激布里渊散射信号；
[0014] 步骤二、采用控温设备使保偏光纤温度分别在-40°C，-20°C，(TC，20°C，40°C，60°C 时，测量快轴和慢轴产生的布里渊散射信号；
[0015] 步骤三、数据处理：
[0016] 将同一温度下的保偏光纤的快轴和慢轴两组受激布里渊散射信号导入到origin 数据处理软件中绘成曲线，对保偏光纤的快轴和慢轴的两组受激布里渊散射信号数据进行 求导，根据极值点的坐标求出他们的相对延迟采样点n，根据相对延迟采样点n、采样率N与 两轴上受激布里渊散射信号的相对时间延迟Vi之间的关系为：Vi=n / N，求出相对时间延 迟Vi米样率N为事先设置；
[0017] 保偏光纤长度为1，保偏光纤快轴上的折射率为Ill，保偏光纤慢轴上的折射率为 n2，保偏光纤的平均双折射为V/?，两轴上受激布里渊散射信号的相对时间延迟为V?,光在 真空中的速度为c，受激布里渊散射信号在保偏光纤快轴上的时间为^，受激布里渊散射信 号在保偏光纤慢轴上的时间为〖2，根据激光在保偏光纤快轴和慢轴上传输的速度、时间、光 程之间的关系：
[0018]
[0019]
[0020]
[0021]
[0022] 得出两轴上受激布里渊散射信号的相对时间延迟与保偏光纤的平均双折射V/i 之间的关系为：
[0023]
[0024] 设在温度T1下保偏光纤的平均双折射为V? ,在温度T2下保偏光纤的平均双折射 为％3, T。为一个常数，得出
[0025] (1)
[0026] ⑵
[0027] 公式⑵-(1)得：
[0028]
[0029]
[0030]
为保偏光纤的平均双折射随温度!'线性变化的斜率，斜率的绝对值 即为温度系数γ。
[0031] 发明效果
[0032] 采用本发明的一种测量保偏光纤平均双折射及其温度系数的