一种对保偏光纤缺陷点测量中的伪干涉峰鉴别方法
【专利摘要】本发明提供的是一种对保偏光纤缺陷点测量中的伪干涉峰鉴别方法。通过改变待测光纤与起偏器/检偏器之间的对轴角度，分别实现对干涉信号中不同特征干涉峰的抑制和放大；不同对轴角度条件下，将测量干涉峰与预测干涉峰位置?幅值的理论公式进行比对，得到干涉信号中的特征干涉峰的幅值、阶次等信息；通过4次不同对轴角度测量，即可鉴别出其中的伪干涉峰和代表真实缺陷点的干涉峰。本发明中的操作方法简单有效，有助于从分布式干涉测量中准确地估计保偏光纤缺陷点信息，可以广泛应用于保偏光纤中缺陷点的精确测量。
【专利说明】
-种对保偏光纤缺陷点测量中的伪干溃峰鉴别方法
技术领域
[0001] 本发明设及的是一种光纤测量方法，具体设及到保偏光纤在多缺陷点条件下引入 的多偏振禪合所形成的伪干设峰的鉴别方法。
【背景技术】
[0002] 保偏光纤是集成光学装置和光纤型干设仪中的一种重要器件，同时也是分布式光 纤传感的重要载体。由于保偏光纤具有很高的线性双折射，它可W提供两个相对独立的正 交偏振传输轴一一'陕轴和慢轴。一般地，两个轴上的传输光的偏振态得W很好保持。由于保 偏光纤的内部结构缺陷或者外部的扰动，保偏光纤的两个正交偏振模式之间仍然可W发生 的光能量禪合，我们称之为偏振模式禪合。偏振模式禪合可W用来评价偏振器件的特征，诸 如保偏光纤之间的对轴、保偏光纤制造、Y波导的忍片偏振消光比测试等领域。
[0003] 光学相干域偏振测量技术是一种用于评价保偏光纤偏振模式禪合特性的理想方 案。其根据白光干设原理，采用全保偏光纤的结构，具有体积小，稳定性高的特点。光学相干 域偏振测量技术通过扫描式的马赫泽德干设仪(MZI)进行光程补偿，实现不同禪合模式间 的干设测量。在干设图样中，可W反映出与光纤实际禪合位置的干设峰，干设峰值反映对应 禪合点的禪合能量大小。
[0004] 名称为一种用于保偏光纤的分布式偏振串扰测量方法及装置的专利文件中 (Measuring Distributed Polarization Crosstalk in Polarization Maintaining Fiber and Optical Birefringent Material，US 8,599,385B2)，利用在光学干设仪前增 加光程延迟器，可W抑制重影干设峰的数目和幅值，并将偏振串扰灵敏度提高到-95地，动 态范围保持在75地。
[0005]
【申请人】在2012年公开了一种光学器件偏振串扰测量的全光纤测试装置（中国专利 申请号CN201210379406.6)。该发明具有体积小、测量精度高、溫度和振动稳定性好等优点， 可广泛用于光学器件偏振性能的高精度测量与分析。同年，
【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 )，本发明可W极大 地抑制噪声幅度，提高偏振串扰测量的灵敏度和动态范围。将偏振串扰的检测极限提高到- 95地W上，并且其动态范围还能够依旧保持在优于95地。
[0006] 用于评价偏振模式禪合的光学相干域偏振测量系统，测试主要关注由激发模与一 次禪合模产生的一阶干设，运是因为它与待测保偏光纤中的真实存在的串扰点具有一一对 应的关系。实际上，在光学相干域偏振测量系统的输出信号中，存在禪合模与禪合模(或者 激发模与高阶禪合模)之间的干设，即不代表真实禪合情况的伪干设峰。特别地，光学相干 域偏振测量系统动态范围越大，暴露出来的伪干设峰的数量就会越多。伪干设峰对代表禪 合点位置的一阶干设峰造成混淆，如果对伪干设峰没有进行细致的分析，必然会对保偏光 纤中真实禪合点信息造成误判。
【发明内容】
[0007]本发明的目的是提供一种从分布式干设测量中准确地估计和鉴别伪干设信号，实 现保偏光纤中缺陷点的精确测量的对保偏光纤缺陷点测量中的伪干设峰鉴别方法。
[000引本发明的目的是运样实现的：
[0009] (1)明确待测光纤中含有缺陷点的个数和相应位置，分别记为Xi，拉，…，Xj，…，Xj;
[0010] (2)巧慢待ii光纤中由缺陷点分开的区间光纤长度记为h，l2,…，。，…山山
[001。 （ 3)根据关系Sj = 1 j X Δ nf，计算出区间光纤对应的光程差Si，S2，…，Sj，…，Sj，Δ nf是保偏尾纤的线性双折射；
[0012] (4)根据待测光纤具体的缺陷点个数和区间光纤长度，由分析公式预测特征干设 峰的位置-幅值关系；
[001引（5)将待测光纤的两端接入白光干设仪测试系统，两端分别与白光干设仪测试系 统中的起偏器、检偏器的保偏尾纤焊接；
[0014] (6)调整待测光纤的两端与起偏器、检偏器的保偏尾纤的输入-输出对轴角度为 45。~0。；
[0015] (7)启动白光干设仪测试系统，获得第1次干设信号，其横坐标为扫描光程数值 0PD，纵坐标为偏振串扰幅度P;
[0016] (8)对比测量干设信号中特征干设峰与45°~0°条件下预测干设峰的位置和幅值；
[0017] (9)如果测量干设峰数量多于预测干设峰的数量，则执行步骤（10)，否则执行步骤 (14);
[0018] (10)分别调整改变待测光纤与起偏器、检偏器的保偏尾纤的输入-输出对轴角度 Θ广目2为0° ~0°、0° ~45°、45° ~45° ;
[0019] (11)启动白光干设仪测试系统，获得另外3次对轴角度下的测量干设信号；
[0020] (12)对比0°~0°、0°~45°、45°~45°测量干设信号与45°~0°测量干设信号，找出 幅值增大的干设峰；
[0021] (13)分别将幅值增大的干设峰，与对应0°~0°、0°~45°、45°~45°条件下预测干 设峰的幅值进行对比；
[0022] (14)得到第1次干设信号即45°~0°条件下的所有测试干设峰的含义，识别出伪干 设峰W及代表真实禪合情况的干设峰。
[0023] 本发明提供了一种从分布式干设测量中，准确地估计和鉴别伪干设信号，实现保 偏光纤中缺陷点的精确测量的方法。是一种在保偏光纤的分布式干设测量中，由保偏光纤 多缺陷点条件下引入偏振禪合，所形成的伪干设峰的鉴别方法。其主要其特征是通过改变 待测光纤与起偏器/检偏器之间的对轴角度，分别实现对不同特征干设峰的抑制和放大;根 据不同对轴角度条件下测量干设峰幅值与理论分析公式的对比，得到干设信号中特征干设 峰的幅值、阶次，从而鉴别出干设信号中的伪干设峰。
[0024] 本发明的从分布式干设测量中准确地估计和鉴别伪干设信号的方法，与现有技术 相比具有如下优点：
[0025] (1)通过4次不同的角度配合测量，就能够完整地鉴别出测量干设峰中伪干设峰和 代表真实禪合信息的干设峰，具有操作简单、实用和有效性等优点。
[0026] (2)该方法对干设峰的评估具有全面性，采用光学相干域偏振测量系统，能够将动 态范围内所有阶次的干设峰全部暴露出来，并可通过改变角度，抑制或放大所需阶次的干 设峰。对于干设峰更加容易分辨，降低了干设信号的识别难度，简化了后续数据分析与处理 的过程。
【附图说明】
[0027] 图1是保偏光纤缺陷点测量中的伪干设峰的鉴定方法流程图；
[0028] 图2是光学相干域偏振测量装置原理图；
[0029] 图3是待测光纤与测量装置的接入示意图；
[0030] 图4a至图4b是待测光纤与测量装置的角度对接示意图；
[0031] 图5是待测光纤与测量装置的输入、输出角度45°-0°对准方式的干设信号；
[0032] 图6是待测光纤与测量装置的输入、输出角度0°-0°对准方式的干设信号；
[0033] 图7是待测光纤与测量装置的输入、输出角度0°-45°对准方式的干设信号；
[0034] 图8是待测光纤与测量装置的输入、输出角度45°-45°对准方式的干设信号。
【具体实施方式】
[0035] 本发明的对保偏光纤缺陷点测量中的伪干设峰鉴别方法的具体过程为：
[0036] (1)明确待测光纤21中含有缺陷点的个数和相应位置，分别记为Xi，X2，…，Xj，…， XJ;
[0037] (2)测量待测光纤21中，测量由缺陷点分开的区间光纤长度记为11，12,…山，…， Ij+i；
[0038] (3)根据关系? = lJXΔnf(Δnf是保偏尾纤的线性双折射），计算出区间光纤对应 的光程差 Si，S2，一，Sj，一，Sj;
[0039] (4)根据待测光纤21具体的缺陷点个数和区间光纤长度，由分析公式预测特征干 设峰的位置-幅值关系；
[0040] (5)将待测光纤21的两端接入白光干设仪测试系统，两端分别与系统中的起偏器 203、检偏器214的保偏尾纤204、213焊接；
[0041] (6)调整待测光纤21的两端与系统的两段保偏尾纤204、213的输入-输出对轴角度 205、212为45°-0° ;
[0042] (7)启动白光干设仪，获得第1次干设信号，其横坐标为扫描光程数值0PD(单位 mm)，纵坐标为偏振串扰幅度P(单位地）；
[0043] (8)对比测量干设信号中特征干设峰与45°-0°条件下预测干设峰的位置和幅值；
[0044] (9)如果测量干设峰数量远多于预测干设峰的数量，则需要改变待测光纤与起偏 器、检偏器的保偏尾纤的输入-输出对轴角度(205、212)再次测量；
[0045] (10)分别调整改变待测光纤21与起偏器-检偏器的保偏尾纤的输入-输出对轴角 度白广目2为0°-0°，0°-45°，45°-45° ;
[0046] (11)启动白光干设仪，获得另外3次对轴角度下的干设信号；
[0047] (12)对比0°-0°，0°-45°，45°-45°测量干设信号与45°-0°测量干设信号，找出幅值 增大的干设峰；
[004引（13)分别将幅值增大的干设峰，与对应0°-0°，0°-45°，45°-45°条件下预测干设峰 的幅值进行对比；
[0049] (14)根据上述分析结果，即可得到第1次干设信号即45°-0°条件下的所有测试干 设峰的含义，识别出伪干设峰W及代表真实禪合情况的干设峰；
[0050] (15)如果步骤(8)中测量干设峰比预测干设峰的数量、位置和幅值均一致，可W略 过测量步骤(9)~（13)，直接由步骤(13)识别出伪干设峰和代表真实禪合情况的干设峰。
[0051] 所述的起偏器203、检偏器214的保偏尾纤204、213长度在不影响与待测光纤焊接 的情况下，一般要尽可能的短。
[0052] 所述的步骤(6)中，调整输入-输出对轴角度Θι-θ2也可W用0°-45°获得第1次干设 信号。相应地，步骤(9)~（13)中将0° -45°状态改为45° -0°进行对比。
[0053] 对于保偏光纤的中由多缺陷点引入偏振禪合，而形成的伪干设峰的鉴别方法，采 用的是光学相干域偏振测量装置，其测试原理如附图2所示。
[0054] 宽谱光源(SLD)lOl发出的光依次通过隔离器202、起偏器203、待测光纤器件21、检 偏器214，与马赫泽德干设仪(MZI) 22连接，进而连接差分探测装置222和223，最后与干设信 号检测与处理装置23连接;待测器件21是含有多个缺陷点207、209、210的保偏光纤，在运些 缺陷点处，保偏光纤的两个正交偏振模式之间均可W发生能量禪合，即偏振模式禪合。理想 的光学相干域偏振测量装置所得到的测量干设峰位置与待测器件的真实缺陷点位置一一 对应，禪合强度反映出对应缺陷点的具体信息。
[0055] 如附图2所示，当待测光纤接入到光学相干域偏振测量装置时，获得的干设信号中 各个干设峰的偏振串扰幅度和扫描光程，可W如下式表示：
[0056] P(S) = f(0i)f(02)f(pj) . R(S-Sk) (1)其中，S代表光程扫描延迟量，对应干设 信号中各个特征干设峰的位置，通式为mSi+n2S2+· · ?+njSj+· · ?+ruSj;R(S)表示光源 的归一化自相干函数，R(〇) = l，传输光的白光干设峰值信号幅度，光程差为零;?·(θι)是待 测光纤与测试系统起偏器的接入角度项，?·(θ2)是待测光纤与测试系统检偏器的接入角度 项;f(Pj)是表示待测光纤偏振串扰信息的强度项，其中需要考虑由多点偏振禪合引入的高 阶干设项。从公式推导可W发现，预测特征干设峰的位置/幅值关系与接入角度项有如下关 系：
[0057]
(2)
[005引其中，（0+)表示niSi = 0,n向辛0,（+0)表示niSi辛0，njSj = 0,（00)表示niSi = 0，njSj = 0，（++)表示 niSi 辛 0,njSj辛 0。
[0059] 有公式(2)可知，对于给定的一个光程扫描延迟量，其对应干设峰的幅值变化与待 测光纤与测试系统起偏器、检偏器的接入角度有较大关系。随着接入角度的改变，不同种类 的光程扫描延迟量对应干设峰的幅值变化规律也不近相同，趋势甚至完全相反:一个干设 幅值增大，另外一个减小。
[0060] 本发明公开了一种在保偏光纤的分布式干设测量中，由缺陷点引入的多偏振禪合 形成的伪干设峰的鉴别方法，其主要技术特征是通过改变待测光纤与起偏器/检偏器之间 的对轴角度，实现对特征干设峰的抑制和放大;采用提出的光程追踪法用于简化分析含有 多缺陷点的保偏光纤中线偏振光传输行为，得到干设信号中干设峰位置-幅值的理论公式； 根据不同对轴角度条件下，测量干设峰幅值与理论分析公式的对比，得到干设信号中的特 征干设峰的幅值、阶次，从而鉴别出其中的伪干设峰。本发明方法操作简单有效，有助于从 分布式干设测量中准确地估计和鉴别伪干设信号，可W广泛应用于保偏光纤中缺陷点的精 确分布式测量。
[0061] W下结合实施例和附图对本发明作进一步说明，但不应W此限制本发明的保护范 围。
[0062] 简单起见，将一段包含2个缺陷点(Xa和姑)的保偏光纤姐姑)用于测试。
[0063] 1.测量装置如附图2所示，器件参数选择如下：
[0064] (1)光源201的中屯、波长1550加1、半谱宽度大于50加1、出纤功率大于3mW，光源光谱 纹波的峰值幅度约为-60地；
[00化](2)光纤隔离器202工作波长1550nm、插入损耗0.8地；
[0066] (3)光纤起偏器203、光纤检偏器214的工作波长为1550nm，消光比大于20地，插入 损耗小于3dB;
[0067] (4)光纤禪合器215、221的工作波长为1310/1550加1，分光比50:50，插入损耗小于 0.5地；
[0068] (5)光纤环行器216、217为Ξ端口环行器，回波损耗大于55地，插入损耗1地；
[0069] (6)准直透镜218、219的工作波长为1550nm，二者间距略大于200mm，插入损耗约为 2.0地；
[0070] (7)扫描台220为步进电机驱动扫描，丝杠导程为200mm，扫描台面上装有双面反射 镜；
[0071] (8)光电探测器222、223为InGaAs光敏材料，探测范围为1100~1700皿，光电转换 的响应度大于0.8;
[0072] 2.待测光纤如附图3所示，具体参数如下：
[0073] 待测光纤21为熊猫型保偏光纤，总长度约为24m，包括两个缺陷点302、304,被缺陷 点分隔成的3段光纤301、303、305。缺陷点的理论偏振串扰由消光比测试仪标定，3段光纤的 长度分别为 1ia=2.16111，146 = 5.221]1和16日=16.561]1。
[0074] 3.综合W上条件，该待测光纤的伪干设峰鉴别方法的具体流程如附图1所示：
[007引（1)根据步骤101，明确待测光纤21中含有缺陷点的个数2个，记为Xa和姑；
[0076] (2)根据步骤102,测量由缺陷点分开的区间光纤长度，分别记为Ιια,Ιαβ和bo;
[0077] (3)根据步骤103，区间光纤长度的长度为1ia = 2.16m，1ab = 5.22m和1bo = 16.56m。 区间光纤对应的光程差SiA= 1.21m，SAB = 2.92m和Sb日=9.27m( Δ nf按5.6 X l〇-4记）；
[0078] (4)根据步骤104,由分析公式预测特征干设峰的位置-强度关系，如表1所示，（其 中禪合强度为幅值的确切含义）；
[0079] (5)根据步骤105,将待测光纤21接入到白光干设仪测试系统，两端分别与系统中 的起偏器203、检偏器214的保偏尾纤204、213焊接；
[0080] (6)根据步骤106,调整输入对轴角度205为45°，如附图4a中41所示，调整输出对轴 角度212为0°，如附图4b中42所示。此时可W记为目广目2为45°-0%
[0081] (7)根据步骤107,启动白光干设仪，获得第1次干设信号，如附图5所示；
[0082] (8)根据步骤108,对比此时测量干设信号中特征干设峰与45°-0°条件下预测干设 峰的位置和幅值。从表1中发现，在45°-0°条件下会出现3个特征峰:P(|Sia|)/P(0)=化，P( Sia+Sab I) /P (0) = Pb，巧及吟.-iS飾）/.巧Q):=滅销.，与附图5的峰A、峰D、峰財目对应。可W发 现峰A和峰D分别代表真实禪合点Xa和Xb的偏振串扰，Ξ阶干设峰邮P可判定为伪干设峰。
[0083] (9)根据步骤109,除了可预测干设峰外，附图5中还有大量的杂散峰(峰C，E，F，H， I，J，K和Μ)出现。需要改变待测光纤与起偏器-检偏器的保偏尾纤的输入-输出对轴角度θι- θ2再次测量，加 W进一步鉴别；
[0084] (10)根据步骤110~111，分别调整改变待测光纤与起偏器-检偏器的保偏尾纤的 输入205-输出对轴角度212为0°-0°，0°-45°，45°-45°;启动白光干设仪，获得另外3次的干 设信号，分别展示在附图6、7、8中；
[0085] (11)根据步骤112~113,分别将附图6、7、8与附图5中的测量干设峰进行对比，找 出幅值增大的干设峰:附图6中，代表Ρ( I Sab I)/Ρ(0 )= ΡΑΡΒ的峰C变到最大值;附图7中，代表 巧-為。|) /巧0) = Α/?的峰F变到最大值，峰巧日峰功待测光纤反方向对应的一阶 干设峰，与峰A和峰Β取一组即可；同理可W分析附图8中变大的测量伪干设峰。
[0086] 根据上述分析结果，即可得到第1次干设信号即45°-0°条件下的所有测试干设峰 的含义，可W发现峰A(1.22mm，-15.6地)和峰D(4.09mm，-15.7地)分别代表真实禪合点Xa和 Xb的偏振串扰，其余均为伪干设峰。
[0087] 表1.待测光纤分析结果
[008引
【主权项】
1. 一种对保偏光纤缺陷点测量中的伪干涉峰鉴别方法，其特征是： (1) 明确待测光纤中含有缺陷点的个数和相应位置，分别记为Χι，X2，…，Xj，…，Xj; (2) 测量待测光纤中由缺陷点分开的区间光纤长度记为li, I2,…，lj，…，lj+i; (3) 根据关系Sj = ljX Anf，计算出区间光纤对应的光程差Si，S2,…，Sj,…，Sj，Anf是保 偏尾纤的线性双折射； (4) 根据待测光纤具体的缺陷点个数和区间光纤长度，由分析公式预测特征干涉峰的 位置-幅值关系； (5) 将待测光纤的两端接入白光干涉仪测试系统，两端分别与白光干涉仪测试系统中 的起偏器、检偏器的保偏尾纤焊接； (6) 调整待测光纤的两端与起偏器、检偏器的保偏尾纤的输入-输出对轴角度为45°~ 0°; (7) 启动白光干涉仪测试系统，获得第1次干涉信号，其横坐标为扫描光程数值OPD，纵 坐标为偏振串扰幅度P; (8) 对比测量干涉信号中特征干涉峰与45°~0°条件下预测干涉峰的位置和幅值； (9) 如果测量干涉峰数量多于预测干涉峰的数量，则执行步骤（10)，否则执行步骤 (14)； (10) 分别调整改变待测光纤与起偏器、检偏器的保偏尾纤的输入-输出对轴角度9:-02 为0° ~0°、0° ~45°、45° ~45° ; (11) 启动白光干涉仪测试系统，获得另外3次对轴角度下的测量干涉信号； (12) 对比0°~0°、0°~45°、45°~45°测量干涉信号与45°~0°测量干涉信号，找出幅值 增大的干涉峰； (13) 分别将幅值增大的干涉峰，与对应0°~0°、0°~45°、45°~45°条件下预测干涉峰 的幅值进行对比； (14) 得到第1次干涉信号即45°~0°条件下的所有测试干涉峰的含义，识别出伪干涉峰 以及代表真实耦合情况的干涉峰。2. -种对保偏光纤缺陷点测量中的伪干涉峰鉴别方法，其特征是： (1) 明确待测光纤中含有缺陷点的个数和相应位置，分别记为Χι，X2，…，Xj，…，Xj; (2) 测量待测光纤中由缺陷点分开的区间光纤长度记为li, I2,…，lj，…，lj+i; (3) 根据关系Sj = ljX Anf，计算出区间光纤对应的光程差Si，S2,…，Sj,…，Sj，Anf是保 偏尾纤的线性双折射； (4) 根据待测光纤具体的缺陷点个数和区间光纤长度，由分析公式预测特征干涉峰的 位置-幅值关系； (5) 将待测光纤的两端接入白光干涉仪测试系统，两端分别与白光干涉仪测试系统中 的起偏器、检偏器的保偏尾纤焊接； (6) 调整待测光纤的两端与起偏器、检偏器的保偏尾纤的输入-输出对轴角度为0°~ 45。； (7) 启动白光干涉仪测试系统，获得第1次干涉信号，其横坐标为扫描光程数值OPD，纵 坐标为偏振串扰幅度P; (8) 对比测量干涉信号中特征干涉峰与0°~45°条件下预测干涉峰的位置和幅值； (9) 如果测量干涉峰数量多于预测干涉峰的数量，则执行步骤（10)，否则执行步骤 (14)； (10) 分别调整改变待测光纤与起偏器、检偏器的保偏尾纤的输入-输出对轴角度9:-02 为0° ~0°、45° ~0°、45° ~45° ; (11) 启动白光干涉仪测试系统，获得另外3次对轴角度下的测量干涉信号； (12) 对比0°~0°、45°~0°、45°~45°测量干涉信号与45°~0°测量干涉信号，找出幅值 增大的干涉峰； (13) 分别将幅值增大的干涉峰，与对应0°~0°、45°~05°、45°~45°条件下预测干涉峰 的幅值进行对比； (14) 得到第1次干涉信号即0°~45°条件下的所有测试干涉峰的含义，识别出伪干涉峰 以及代表真实耦合情况的干涉峰。
【文档编号】G01M11/00GK105823620SQ201610152972
【公开日】2016年8月3日
【申请日】2016年3月17日
【发明人】杨军, 李创, 苑勇贵, 吴冰, 彭峰, 喻张俊, 苑立波
【申请人】哈尔滨工程大学