基于寬譜光及偏光干涉效應的保偏光纖拍長檢測方法

基于寬譜光及偏光干涉效應的保偏光纖拍長檢測方法

1保偏光纖拍長的測量保偏光纖廣泛應用于光纖通信和纖維傳感器領域。射擊長度是保偏光纖的主要參數(shù)。保偏光纖的拍長測量,一般采用激光為光源,采用光強探測、直接觀察,方法復雜繁瑣;對數(shù)據(jù)的處理,也多采用數(shù)據(jù)擬合或制表、多次測量等方法獲得。目前測量保偏光纖拍長的方法主要有磁光調(diào)制法、瑞利散射法和動態(tài)壓力法等。我們在研究光纖陀螺的光路時發(fā)現(xiàn),偏光干涉效應對寬譜光源譜形的影響與保偏光纖拍長有一定關系。經(jīng)過實驗及仿真計算發(fā)現(xiàn),利用這種關系來測試光纖的拍長,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算,就可精確測量相應波長處的拍長。2被測光纖拍攝長、波長波長對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,光強受保偏光纖拍長的調(diào)制,這就是偏光干涉效應。保偏光纖拍長測量裝置如圖1所示,偏光干涉效應可以通過建立傳輸數(shù)學模型解釋。對整個裝置的光路部分建立瓊斯矩陣模型,忽略所有器件的損耗。設光源光場為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的偏振態(tài)。待測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,才會出現(xiàn)偏光干涉現(xiàn)象。設起偏器1的偏振主軸與被測光纖主軸角度為α,起偏器2與被測光纖主軸角度為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后到達探測處的光場為設光源為線偏振光,且與起偏器完全對準,即θ=0°;偏振器為理想器件,即消光比ε1=ε2=0,則探測器處的光強I為光場的共軛積,即其中,B=λ/(ne-no),為待測光纖的拍長。由式(1)可知,探測光強受待測光纖拍長的調(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度不同導致的,即偏光干涉現(xiàn)象。對于寬譜光源,由于不同的波長對應不同的拍長,當L、β和α保持不變時,不同的光波長處的光強幅度就會由于不同的拍長而出現(xiàn)調(diào)制波動,這種波動以一定的周期間隔表現(xiàn)在光譜變化上,波動周期與被測光纖長度和拍長有關,波動的幅度與角度β、α有關,此波動周期Δλ可表示為Δλ=λ(L/B)?1(2)Δλ=λ(L/B)-1(2)由式(2)可見,Δλ只受被測光纖長度和拍長及光源波長的影響。假設被測光纖為2m,拍長為2.6mm,光源為1310nm波段,由式(2)計算得Δλ為1.718nm。如果拍長減小0.1mm變?yōu)?.5mm,則由式(2)計算得Δλ為1.637nm。0.1mm的拍長變化導致波動周期Δλ變化了0.081nm,可見Δλ對拍長的微小變化很敏感。利用這種特性及式(2),可以精確測量各種未知光纖的拍長,計算為B=L(λ/Δλ)+1(3)B=L(λ/Δλ)+1(3)3偏光干涉光譜測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,這些周期波動很容易就可以觀測出來。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,其中探測器為Agilent86140B型光譜分析儀。調(diào)節(jié)對準角度β、α的同時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。每個波動周期都對應相應波長處保偏光纖的拍長。如果調(diào)節(jié)β、α時,沒有觀察到光譜的波動,即輸出光譜與輸入光譜一樣,則說明被測光纖不是保偏光纖。調(diào)整光譜儀測量范圍,放大1550nm波長處的光譜,如圖3所示,可以測得波動周期Δλ為2.4nm,利用式(3)計算得拍長為3.09mm。在一般實驗室條件下,假設光纖長度測量存在1cm的誤差(實際誤差遠小于1cm),光譜儀的測量誤差在0.05nm。假設各種測量誤差均為最大值,則在測試過程中,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,測量精度在0.2mm以內(nèi)。通過降低被測光纖長度,還可以進一步提高測量精度,如果L=1m,則測量精度提高為0.1mm。利用式(2),對同一光譜在不同偏振消光比和對準角β、α時的偏光干涉光譜進行了仿真計算,結果如圖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時獲得的偏光干涉光譜。可見,對準角度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,對調(diào)制周期Δλ沒有明顯影響,這與在實驗中調(diào)節(jié)角度β、α時觀察到的光譜變化相符合。而對于拍長的測量,只需要知道光譜的波動調(diào)制周期即可,所以此種測試方法可以利用不精確的偏振軸對準角度和低質(zhì)量的偏振器件,獲得對拍長的精確測量。4器件和操作的測量提出了一種利用寬譜光源和偏光干涉效應測量未知保偏光纖拍長的技術。測量系統(tǒng)搭建容易,測量方法簡單易行,對器件和操作的要求都很低,但是可以獲得