基于寬譜光及偏光干涉效應(yīng)的保偏光纖拍長檢測(cè)方法

基于寬譜光及偏光干涉效應(yīng)的保偏光纖拍長檢測(cè)方法

1保偏光纖拍長的測(cè)量保偏光纖廣泛應(yīng)用于光纖通信和纖維傳感器領(lǐng)域。射擊長度是保偏光纖的主要參數(shù)。保偏光纖的拍長測(cè)量,一般采用激光為光源,采用光強(qiáng)探測(cè)、直接觀察,方法復(fù)雜繁瑣;對(duì)數(shù)據(jù)的處理,也多采用數(shù)據(jù)擬合或制表、多次測(cè)量等方法獲得。目前測(cè)量保偏光纖拍長的方法主要有磁光調(diào)制法、瑞利散射法和動(dòng)態(tài)壓力法等。我們?cè)谘芯抗饫w陀螺的光路時(shí)發(fā)現(xiàn),偏光干涉效應(yīng)對(duì)寬譜光源譜形的影響與保偏光纖拍長有一定關(guān)系。經(jīng)過實(shí)驗(yàn)及仿真計(jì)算發(fā)現(xiàn),利用這種關(guān)系來測(cè)試光纖的拍長,只需要寬譜光源、偏振器和光譜儀即可,通過觀察光譜的變化及簡單計(jì)算,就可精確測(cè)量相應(yīng)波長處的拍長。2被測(cè)光纖拍攝長、波長波長對(duì)相位差影響線偏振光以某種條件經(jīng)保偏光纖傳輸,再經(jīng)過檢偏器后,光強(qiáng)受保偏光纖拍長的調(diào)制,這就是偏光干涉效應(yīng)。保偏光纖拍長測(cè)量裝置如圖1所示,偏光干涉效應(yīng)可以通過建立傳輸數(shù)學(xué)模型解釋。對(duì)整個(gè)裝置的光路部分建立瓊斯矩陣模型,忽略所有器件的損耗。設(shè)光源光場(chǎng)為E=Aej(2πc/λ+φ)[cos(θ)sin(θ)]E=Aej(2πc/λ+φ)[cos(θ)sin(θ)]其中:A為光源光場(chǎng)振幅;C為真空中光速;λ為光波長;ue001φ為光波初始相位;θ的取值決定了光源光場(chǎng)的偏振態(tài)。待測(cè)光纖的拍長由它的雙折射參數(shù)決定,它的傳輸矩陣為F=[ej2πneL/λ00ej2πnoL/λ]F=[ej2πneL/λ00ej2πnoL/λ]其中:ne、no分別為其快慢軸的折射率;L為光纖的長度。起偏器1、2的傳輸矩陣為P1=[100ε1]?P2=[100ε2]Ρ1=[100ε1]?Ρ2=[100ε2]其中,ε1、ε2分別為起偏器1、2的消光比。起偏器的偏振軸與光纖的傳光主軸(快軸或慢軸)間必須存在一定的角度,才會(huì)出現(xiàn)偏光干涉現(xiàn)象。設(shè)起偏器1的偏振主軸與被測(cè)光纖主軸角度為α,起偏器2與被測(cè)光纖主軸角度為β,則起偏器1、2的傳輸矩陣變?yōu)镻1=[cos(α)sin(α)ε1sin(α)ε1cos(α)]P2=[cos(β)ε2sin(β)sin(β)ε2cos(β)]Ρ1=[cos(α)ε1sin(α)sin(α)ε1cos(α)]Ρ2=[cos(β)sin(β)ε2sin(β)ε2cos(β)]通過起偏器2后到達(dá)探測(cè)處的光場(chǎng)為設(shè)光源為線偏振光,且與起偏器完全對(duì)準(zhǔn),即θ=0°;偏振器為理想器件,即消光比ε1=ε2=0,則探測(cè)器處的光強(qiáng)I為光場(chǎng)的共軛積,即其中,B=λ/(ne-no),為待測(cè)光纖的拍長。由式(1)可知,探測(cè)光強(qiáng)受待測(cè)光纖拍長的調(diào)制,這是由于保偏光纖快慢軸上傳輸?shù)牟煌ㄩL光間的相位差不同、在偏振器2上合光后不同波長光的干涉強(qiáng)度不同導(dǎo)致的,即偏光干涉現(xiàn)象。對(duì)于寬譜光源,由于不同的波長對(duì)應(yīng)不同的拍長,當(dāng)L、β和α保持不變時(shí),不同的光波長處的光強(qiáng)幅度就會(huì)由于不同的拍長而出現(xiàn)調(diào)制波動(dòng),這種波動(dòng)以一定的周期間隔表現(xiàn)在光譜變化上,波動(dòng)周期與被測(cè)光纖長度和拍長有關(guān),波動(dòng)的幅度與角度β、α有關(guān),此波動(dòng)周期Δλ可表示為Δλ=λ(L/B)?1(2)Δλ=λ(L/B)-1(2)由式(2)可見,Δλ只受被測(cè)光纖長度和拍長及光源波長的影響。假設(shè)被測(cè)光纖為2m,拍長為2.6mm,光源為1310nm波段,由式(2)計(jì)算得Δλ為1.718nm。如果拍長減小0.1mm變?yōu)?.5mm,則由式(2)計(jì)算得Δλ為1.637nm。0.1mm的拍長變化導(dǎo)致波動(dòng)周期Δλ變化了0.081nm,可見Δλ對(duì)拍長的微小變化很敏感。利用這種特性及式(2),可以精確測(cè)量各種未知光纖的拍長,計(jì)算為B=L(λ/Δλ)+1(3)B=L(λ/Δλ)+1(3)3偏光干涉光譜測(cè)試目前通訊用的光纖有1310nm和1550nm波段,光纖傳感器也普遍采用這2個(gè)波段。一般保偏光纖的拍長在0.5～10mm左右。若采用2m光纖,在1310nm波段,則光譜波動(dòng)周期處于0.33～6.58nm,目前高性能光譜儀的分辨率普遍在0.06nm以下,這些周期波動(dòng)很容易就可以觀測(cè)出來。采用1550nm波段寬譜光源和長度為2m的已知拍長(3mm)的保偏光纖,用圖1所示的裝置,其中探測(cè)器為Agilent86140B型光譜分析儀。調(diào)節(jié)對(duì)準(zhǔn)角度β、α的同時(shí)用光譜儀觀察光譜形狀變化,很容易獲得偏光干涉光譜,如圖2所示。每個(gè)波動(dòng)周期都對(duì)應(yīng)相應(yīng)波長處保偏光纖的拍長。如果調(diào)節(jié)β、α?xí)r,沒有觀察到光譜的波動(dòng),即輸出光譜與輸入光譜一樣,則說明被測(cè)光纖不是保偏光纖。調(diào)整光譜儀測(cè)量范圍,放大1550nm波長處的光譜,如圖3所示,可以測(cè)得波動(dòng)周期Δλ為2.4nm,利用式(3)計(jì)算得拍長為3.09mm。在一般實(shí)驗(yàn)室條件下,假設(shè)光纖長度測(cè)量存在1cm的誤差(實(shí)際誤差遠(yuǎn)小于1cm),光譜儀的測(cè)量誤差在0.05nm。假設(shè)各種測(cè)量誤差均為最大值,則在測(cè)試過程中,由式(3)可知,拍長可信值范圍為B=(L+δL)/(λΔλ+δλ+1)=(2±0.01)/(15502.4±0.05+1)B=(L+δL)/(λΔλ+δλ+1)=(2±0.01)/(15502.4±0.05+1)其最大值為3.17mm,最小值為3.01mm,測(cè)量精度在0.2mm以內(nèi)。通過降低被測(cè)光纖長度,還可以進(jìn)一步提高測(cè)量精度,如果L=1m,則測(cè)量精度提高為0.1mm。利用式(2),對(duì)同一光譜在不同偏振消光比和對(duì)準(zhǔn)角β、α?xí)r的偏光干涉光譜進(jìn)行了仿真計(jì)算,結(jié)果如圖4。其中,曲線a為β=30°、α=20°和兩偏振器的消光比為9dB時(shí)獲得的偏光干涉光譜,曲線b為β=45°、α=45°和兩偏振器的消光比均為50dB時(shí)獲得的偏光干涉光譜?？梢?對(duì)準(zhǔn)角度β、α以及偏振器消光比的大范圍變化只影響調(diào)制幅度的大小,對(duì)調(diào)制周期Δλ沒有明顯影響,這與在實(shí)驗(yàn)中調(diào)節(jié)角度β、α?xí)r觀察到的光譜變化相符合。而對(duì)于拍長的測(cè)量,只需要知道光譜的波動(dòng)調(diào)制周期即可,所以此種測(cè)試方法可以利用不精確的偏振軸對(duì)準(zhǔn)角度和低質(zhì)量的偏振器件,獲得對(duì)拍長的精確測(cè)量。4器件和操作的測(cè)量提出了一種利用寬譜光源和偏光干涉效應(yīng)測(cè)量未知保偏光纖拍長的技術(shù)。測(cè)量系統(tǒng)搭建容易,測(cè)量方法簡單易行,對(duì)器件和操作的要求都很低,但是可以獲得