专利名称：一种减小双折射色散对保偏光纤偏振耦合测量影响的装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及的是一种光纤偏振耦合测量装置，具体涉及到一种减小双折射色散对保偏光纤偏振耦合测量影响的装置。
背景技术：
保偏光纤是一种特殊功能的光纤波导，是指当一个偏振模式被激励后，在该光纤内传输的过程中能始终保持原偏振态不变的光纤。在干涉型光纤传感技术中，保偏光纤的使用可以克服外界环境对光纤中传输光波偏振态的影响，抑制干涉测量产生的偏振衰落现象。特别是在一些高精度的光纤传感器中，例如光纤陀螺，光纤水听器等等。评价保偏光纤性能的参数主要有损耗、拍长、模式耦合系数、偏振串音等参数。然而这些参数描述的都是一段长度的保偏光纤的整体性能，或者说是平均性能。对于这段光纤的某一段或者上述指标和性能的分布参数，则无法给出评价。而光纤的偏振耦合现象为光纤分布参数的测量提供了一种手段，并且上述参数都与偏振耦合相关。特别是在一些高精度的光纤干涉传感与测量系统中，偏振耦合随外界环境(温度、振动等)的变化，导致光纤性能下降，会常常表现为噪声、漂移、以及信号衰落等，是影响系统整体性能的最重要因素，如光纤陀螺、分布式光纤水听器等。对于保偏光纤偏振耦合的测量已经发展了多种检测原理和方案，其中法国 Herve Lefevre ^ A [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 4893931]公开的基于白光干涉原理的光学相干域偏振计(OCDP)是一种最有前途的技术方案。OCDP—般采用低相干、宽谱光源，如超辐射发光二极管(SLD)、自发超辐射光源(ASE)等，经过起偏后注入待测保偏光纤中形成问询光信号，偏振方向与保偏光纤的慢轴或者快轴对齐，保偏光纤中存在的耦合点会使问询光从光传输轴(如慢轴)耦合到另外一个特征轴(即快轴)。耦合光的强度与耦合点的作用强度(保偏光纤存在缺陷或者经受外界应力)有关；由于快慢轴之间存在折射率差异，问询光和耦合光从保偏光纤中出射时，所累计的光程差与耦合点的位置一一对应。 问询光和耦合光经过旋光器和检偏器后叠加，被送入非平衡的迈克耳逊(Michelson)干涉仪中。干涉仪两臂的光程差在扫描臂的带动下，可以实现连续的光程扫描。当问询光和耦合光之间的光程差被Micheslon干涉仪两臂光程差相互补偿时，则产生白光干涉峰，此时扫描臂的光程扫描位置对应保偏光纤耦合点的空间位置，其干涉信号强度对应耦合点的强度。此方法可以实现长度几公里保偏光纤、空间分辨率几厘米，耦合强度-80 -90dB的偏振耦合。保偏光纤中除快轴与慢轴的折射率不同，其色散特性也不同，由于光纤制造工艺等问题，纤芯的圆度会引起快慢轴色散特性的变化。偏振模式耦合测量时采用宽带光源，在对长达几公里的保偏光纤进行测试时，即使微小的色散作用其累积值也是不能忽略的。研究表明(Tianhua XuiWencai Jing, Hongxia Zhang, et. al. Influence of birefringencedispersion on a distributed stress sensor using birefringent optical fiber, Optical Fiber Technology, Volume 15, Issuel, January 2009, Pages 83-89,以及 Feng Tang, Xiang-zhao Wang, Yimo Zhang, Wencai Jing, Influence of birefringence dispersion on distributed measurement of polarization coupling in birefringent fibers, Opt. Eng.，Vol. 46,075006 (2007))双折射色散对白光干涉信号具有包络展宽和干涉峰值下降的双重影响，即降低了偏振模式耦合的空间分辨率，也降低了耦合强度探测灵敏度。并且双折射色散的影响是动态的，他与耦合点距离光纤起点的距离有关，随着距离的增加，耦合点测试空间分辨率和耦合强度探测灵敏度均下降。以长度1000米、双折射 6X10_4的，色散系数0.01ps/(km nm)的保偏光纤为例，采用光源半谱宽度50nm的光源进行问询，干涉条纹将展宽27. 5倍幅值以上，幅值下降为原来的0. 2，即从原来的相干从长度 34 μ m增加到0. 94mm，使保偏光纤的偏振耦合的空间分辨率从5. 6cm下降到严重降低了 1. 6 米，严重影响了测量精度。因此，减小和降低双折射色散的影响，对于以保偏光纤耦合检测的重要应用如光纤陀螺敏感环的参数检测、分布式保偏光纤传感应用而言具有极其重要的意义。
发明内容
本发明的目的在于提供一种能提高保偏光纤偏振耦合的测量精度，用于光纤陀螺环的参数测试与性能评价和分布式保偏光纤传感系统中的减小双折射色散对保偏光纤偏振耦合测量影响的装置。包括宽谱光源1、待测保偏光纤3、偏振耦合检测装置4、第一连接光纤53、第二连接光纤M，还包括三端口光环行器2、半反半透光束偏振旋光器6、旋光器7、第一旋转连接器51和第二旋转连接器52;由宽谱光源1发出的低相干偏振光通过三端口光环行器2和第一旋转连接器51， 注入待测保偏光纤3的某一偏振保持轴(快轴或者慢轴)，传输光及其在耦合点产生的微弱耦合光通过第二旋转连接器52后，被半反半透偏振旋光器6分成透射光和反射光两束，透射光直接进入偏振耦合检测装置4，反射光经旋光器6对调传输光的传播偏振轴后沿原路返回、再次经过待测保偏光纤3后由三端口光环行器2的反射端c3输入到偏振耦合检测装置4中。透射光和反射光分别携带待测光纤正向测量和反向测量的耦合点位置和幅度信息，由偏振耦合检测装置4同时完成光程扫描，测量得到关于待测光纤中点对称测量数据， 通过对测量数据的处理和综合，达到抑制双折射色散影响的目的。所述的半反半透偏振旋光器6由输入光纤60和输出光纤66、输入光纤准直器61 和输出光纤准直器65、45°旋光晶体62、磁环63、半反半透镜64组成。所述的半反半透偏振旋光器6也可以由输入光纤60和输出光纤66、输入输出光纤准直器61和输出光纤准直器65、22. 5°放置的半波片67、半反半透镜64组成。所述的旋光器7连接光环行器反射端口 c3和偏振耦合检测装置4，用于将反向通过待测光纤3的反射光束的传输偏振轴旋转45°，并送入偏振耦合检测装置4中。所述的三端口环形器2、半反半透偏振旋光器6、旋光器7、偏振耦合检测装置4、第一旋转连接器51、第二旋转连接器52、第一连接光纤53、第二连接光纤M的波长工作范围能够覆盖宽谱光源1的发射光谱。所述的第一旋转连接器51、第二旋转连接器52可以在0 360°范围内连续旋转，第一旋转连接器51将由三端口环形器2发出的偏振光，经过旋转注入到待测保偏光纤的传输主轴中；第二旋转连接器52将从待测保偏光纤3中的输出光束，注入到半反半透偏振旋光器6中。所述的偏振耦合检测装置4是由分光器44、固定反射镜45和移动反射镜46组成一个Michelson干涉仪，干涉仪的固定臂与移动臂之间的光程差可以从零其连续扫描到一个最大值，此数值大于待测光纤3全长引起传输光和耦合光之间的最大光程差。所述的偏振耦合检测装置4中第一光电探测器47、第二光电探测器48分别独立接收来自于正向测量透射光和反向测量反射光的白光干涉信号。所述的，宽谱光源1、旋转连接器51、52、连接光纤53、54、偏振耦合检测装置4的特征是均工作在单模、偏振保持状态。本发明是对基于白光干涉原理的光学相干域偏振计(OCDP)的一种技术改进。 ODCP的工作原理如
图1所示。由光源1发出的高稳定宽谱偏振光注入到一定长度的保偏光纤3的慢轴(快轴时，原理相同)。信号光沿慢轴传输时，光纤中的某一点由于制作时几何结构存在缺陷，预先施加应力的非理想作用，或者在外界温度和载荷的作用，当信号光传输到此点时，慢轴中的一部分光能量就会耦合到快轴中。光纤存在线性双折射Δη(例如 5X ΙΟ"4)，使慢轴的折射率大于快轴折射率，当光纤的另外一端输出时(传输距离为L)，则传输在慢轴的信号光和传输在快轴的耦合光将引入一个光程差(Δ nL)。上述光束通过旋转连接头52，将光束的偏振态旋转45°后，进入偏振耦合检测装置4中。在偏振耦合检测装置 4中，分束器44、固定反射镜45、移动反射镜46组成一个Miche 1 son光学干涉仪。输入光束被透镜401准直后，由分光器402分成两束，其中较小能量的一束到达C⑶图像探测器403， 另外较大能量的一束经过起偏器43后又被分光器44均勻分成两束，一束经过固定反射镜 45的反射平移后回到分光器44成为测量光束1，另外一束同样经过移动反射镜46的反射平移后也回到分光器44，成为测量光束2。两光束经过透镜404聚焦后，汇聚在探测器405 上被其接收，将光信号转换为电信号。测量计算机49的作用是控制移动反射镜46实现光程扫描，采集光电探测器405的信号用于解算耦合点的位置和耦合功率幅度，同时采集CCD 图像探测器的图像，用于判断旋转连接头52的旋转角度是否正确。在计算机49的控制下 Michelson干涉仪的移动反射镜46使干涉仪两臂的光程差从零到L’(如图1所示)进行连续的光程扫描。当慢轴传输光和快轴耦合光之间的光程差AnL被Micheslon干涉仪两臂光程差L’补偿时，则产生白光干涉峰，此时扫描臂的光程扫描位置对应保偏光纤耦合点的空间位置，其干涉信号强度对应耦合点的强度。如果在理想情况下，偏振耦合点的位置检测分辨率Lx主要取决于光源的相干长度 Lc,即但是由于保偏光纤的快轴和慢轴的色散系数不同，双折射色散使白光干涉信号的包络展宽了，同时使干涉峰值的幅度也有所下降，降低了偏振模式耦合的空间分辨率，也降低了耦合强度探测灵敏度。展宽后的光源相干长度L'。变为
权利要求
1.一种减小双折射色散对保偏光纤偏振耦合测量影响的装置，包括宽谱光源(1)、待测保偏光纤(3)、偏振耦合检测装置(4)、第一连接光纤(53)、第二连接光纤(54)，其特征是还包括三端口光环行器(2)、半反半透光束偏振旋光器(6)、旋光器(7)、第一旋转连接器(51)和第二旋转连接器(52)；由宽谱光源(1)发出的低相干偏振光通过三端口光环行器(2)和第一旋转连接器(51)，注入待测保偏光纤(3)的某一偏振保持轴，传输光及其在耦合点产生的微弱耦合光通过第二旋转连接器(52)后，被半反半透偏振旋光器(6)分成透射光和反射光两束，透射光直接进入偏振耦合检测装置(4)，反射光经旋光器(6)对调传输光的传播偏振轴后沿原路返回、再次经过待测保偏光纤(3)后由三端口光环行器(2)的反射端(c3)输入到偏振耦合检测装置(4)中；透射光和反射光分别携带待测光纤正向测量和反向测量的耦合点位置和幅度信息，由偏振耦合检测装置同时完成光程扫描，测量得到关于待测光纤中点对称测量数据，通过对测量数据的处理和综合。
2.根据权利要求1所述的减小双折射色散对保偏光纤偏振耦合测量影响的装置，其特征是所述的半反半透偏振旋光器(6)由输入光纤(60)和输出光纤(66)、输入光纤准直器 (61)和输出光纤准直器(65)、45°旋光晶体(62)、磁环(63)、半反半透镜(64)组成。
3.根据权利要求1所述的减小双折射色散对保偏光纤偏振耦合测量影响的装置，其特征是所述的半反半透偏振旋光器(6)由输入光纤(60)和输出光纤(66)、输入输出光纤准直器(61)和输出光纤准直器(65)、22.5°放置的半波片(67)、半反半透镜(64)组成。
4.根据权利要求2或3所述的减小双折射色散对保偏光纤偏振耦合测量影响的装置， 其特征是所述的旋光器(7)连接光环行器反射端口(c3)和偏振耦合检测装置(4)，用于将反向通过待测光纤(3)的反射光束的传输偏振轴旋转45°，并送入偏振耦合检测装置 (4)中。
5.根据权利要求4所述的减小双折射色散对保偏光纤偏振耦合测量影响的装置，其特征是所述的三端口环形器(2)、半反半透偏振旋光器(6)、旋光器(7)、偏振耦合检测装置 (4)、第一旋转连接器(51)、第二旋转连接器(52)、第一连接光纤(53)、第二连接光纤(54) 的波长工作范围能够覆盖宽谱光源(1)的发射光谱。
6.根据权利要求5所述的减小双折射色散对保偏光纤偏振耦合测量影响的装置，其特征是所述的第一旋转连接器(51)、第二旋转连接器(52)在0-360°范围内连续旋转，第一旋转连接器(51)将由三端口环形器(2)发出的偏振光，经过旋转注入到待测保偏光纤的传输主轴中；第二旋转连接器(52)将从待测保偏光纤(3)中的输出光束，注入到半反半透偏振旋光器(6)中。
7.根据权利要求6所述的减小双折射色散对保偏光纤偏振耦合测量影响的装置，其特征是所述的偏振耦合检测装置(4)是由分光器(44)、固定反射镜(45)和移动反射镜(46) 组成一个Michelson干涉仪，干涉仪的固定臂与移动臂之间的光程差从零其连续扫描到一个最大值，此数值大于待测光纤(3)全长引起传输光和耦合光之间的最大光程差。
8.根据权利要求7所述的减小双折射色散对保偏光纤偏振耦合测量影响的装置，其特征是所述的偏振耦合检测装置⑷中第一光电探测器(47)、第二光电探测器(48)分别独立接收来自于正向测量透射光和反向测量反射光的白光干涉信号。
全文摘要
本发明提供的是一种减小双折射色散对保偏光纤偏振耦合测量影响的装置。包括宽谱光源(1)、待测保偏光纤(3)、偏振耦合检测装置(4)、第一连接光纤(53)、第二连接光纤(54)，还包括三端口光环行器(2)、半反半透光束偏振旋光器(6)、旋光器(7)、第一旋转连接器(51)和第二旋转连接器(52)。半反半透偏振旋光器将宽谱光分成均匀两束，同时从正向和逆向通过待测光纤，利用同一偏振耦合检测装置，同时获得扫描位置对称地两幅偏振耦合测量数据。本发明对于光纤陀螺敏感环的参数测量与性能评价具有非常重要的实用价值，也可广泛应用于分布式保偏光纤传感系统中。
文档编号G01M11/02GK102279095SQ20111011812
公开日2011年12月14日 申请日期2011年5月9日 优先权日2011年5月9日
发明者杨军, 苑立波 申请人:哈尔滨工程大学