基于偏光干涉效應(yīng)的保偏光纖拍長(zhǎng)檢測(cè)方法

基于偏光干涉效應(yīng)的保偏光纖拍長(zhǎng)檢測(cè)方法

1保偏光纖拍長(zhǎng)的測(cè)量方法保正光纖（pm）可以維持光在光纖中的傳輸?shù)奈灰茽顟B(tài)，其抗位移衰減性能對(duì)光纖通信和光纖傳感器系統(tǒng)具有很高的應(yīng)用價(jià)值。因此，近年來(lái)，對(duì)保正纖維的理論設(shè)計(jì)、制造工藝和參數(shù)測(cè)量進(jìn)行了大量的研究。保偏光纖的拍長(zhǎng)反映了光纖的偏振保持能力,是保偏光纖的一個(gè)重要參數(shù)。目前保偏光纖拍長(zhǎng)的測(cè)量方法主要有動(dòng)態(tài)壓力法、磁光調(diào)制法、截?cái)喾ê腿鹄⑸浞ǖ取＝陙?lái)隨著光纖器件的發(fā)展,逐步發(fā)展了全光纖的拍長(zhǎng)測(cè)量方法,如寬譜光源干涉法、光纖光柵法等。全光纖測(cè)量不需要塊狀光學(xué)器件的對(duì)準(zhǔn),也避免了光從自由空間耦合到光纖時(shí)偏振態(tài)變化帶來(lái)的誤差,因此更為方便準(zhǔn)確。其中寬譜光源干涉法利用寬譜光源、光纖偏振器和光譜分析儀等常用的光學(xué)設(shè)備就能完成保偏光纖拍長(zhǎng)的測(cè)量,是一種簡(jiǎn)單有效的測(cè)量方法。但是在該方法中,如果使用的光纖偏振器為寬帶的線(xiàn)偏振器,偏光干涉輸出信號(hào)的對(duì)比度與偏振器尾纖和被測(cè)光纖偏振主軸之間的夾角有關(guān),而保偏光纖主軸之間角度的調(diào)整還是比較困難的。本文提出一種基于寬帶光纖圓偏振器(BFCP)的拍長(zhǎng)測(cè)量方法,可克服保偏光纖主軸之間角度對(duì)測(cè)量的影響,光纖器件不必精確對(duì)軸就能保證較大的對(duì)比度,操作更加便捷。2兩偏振器光功率的測(cè)量保偏光纖的原理是在光纖的橫截面上引入各向異性,從而增加沿光纖兩正交主軸方向傳播的偏振模HEx11和HEy11的傳播常數(shù)差,減小它們之間的偏振耦合系數(shù)。由于傳播常數(shù)不同,兩偏振模式間的相位差Δφ隨傳播距離L變化可表示為式中nf,ns分別為保偏光纖快軸和慢軸的折射率,λ為入射光波長(zhǎng)。定義當(dāng)此相位差改變2π時(shí),光纖長(zhǎng)度的變化LB為保偏光纖的拍長(zhǎng),即根據(jù)(1)式,當(dāng)入射光的波長(zhǎng)在中心波長(zhǎng)λc附近發(fā)生δλ的變化時(shí),相位差也會(huì)發(fā)生δΔφ變化:因此,對(duì)于一定長(zhǎng)度L的光纖,兩個(gè)偏振模相位差在中心波長(zhǎng)λc附近隨波長(zhǎng)的變化關(guān)系由保偏光纖的拍長(zhǎng)LB決定。如果能夠測(cè)出相位差隨波長(zhǎng)的變化關(guān)系,就能得到保偏光纖在λc處的拍長(zhǎng)。偏光干涉法就是把兩個(gè)偏振模之間的相位差轉(zhuǎn)化為光強(qiáng)輸出,從而測(cè)量相位差變化與波長(zhǎng)關(guān)系的一種方法,實(shí)驗(yàn)裝置如圖1所示。裝置由寬譜光源、兩寬帶光纖偏振器和光譜儀組成,光路完全由光纖器件構(gòu)成。對(duì)整個(gè)光路建立瓊斯矩陣模型。由于采用的是寬譜光源,輸出的光為非偏振光,需要用相干矩陣來(lái)描述。設(shè)偏振器1(P1)的瓊斯矩陣為MP1,偏振器2(P2)的瓊斯矩陣為MP2,待測(cè)光纖的瓊斯矩陣為MPM,則偏振系統(tǒng)的傳輸矩陣寬譜光源輸出的光接近自然光,所以輸入光的相干矩陣式中Iin為入射光功率。輸出光的相干矩陣式中上標(biāo)H表示矩陣的共軛轉(zhuǎn)置。則輸出光的功率Iout為式中Tr(·)表示取矩陣的跡。對(duì)于理想的橢圓偏振器(消光比為無(wú)窮大),當(dāng)其偏振主軸方向與保偏光纖的主軸方向成θ角時(shí),其瓊斯矩陣可表示為式中為偏振器在本地坐標(biāo)系下的傳輸矩陣,偏振器的本征態(tài)橢圓率為b/a=tanξ。MR+和MR-為偏振器本地坐標(biāo)系和保偏光纖坐標(biāo)系之間的坐標(biāo)變換矩陣,即,MR-為MR+的轉(zhuǎn)置矩陣:MR-=MRT+。設(shè)偏振器P1的主軸方向與保偏光纖的主軸方向成θ1,本征態(tài)橢圓率參數(shù)為ξ1,偏振器P2的主軸方向?yàn)棣?,橢圓率參數(shù)為ξ2,則輸出光功率式中αdc=f(θ1,θ2,ξ1,ξ2)為功率直流因子;αac=g(θ1,θ2,ξ1,ξ2)cos(Δφ)為功率交流因子。從(9)式可以看出,輸出光功率是兩偏振模相位差Δφ的余弦函數(shù),隨入射光波長(zhǎng)而變化。當(dāng)光功率變化一個(gè)周期時(shí),根據(jù)(3)式,相對(duì)應(yīng)的波長(zhǎng)變化周期由被測(cè)光纖的拍長(zhǎng)LB、中心波長(zhǎng)λc和光纖的長(zhǎng)度L決定,即因此,如果測(cè)出光功率隨波長(zhǎng)變化的周期Δλ和光纖的長(zhǎng)度L,就能得到被測(cè)光纖在λc處的拍長(zhǎng)LB。但是,用干涉法測(cè)量光纖的拍長(zhǎng),測(cè)量的精度與光功率變化的幅度有關(guān),在光干涉儀中,一般用對(duì)比度C來(lái)反映功率變化的幅度,Imax和Imin分別為輸出光功率的最大值和最小值,即圖2為干涉信號(hào)對(duì)比度C與偏振器本征態(tài)橢圓率參數(shù)ξ同本征態(tài)主軸與保偏光纖主軸夾角θ1和θ2之間的關(guān)系。從圖中可以看出,當(dāng)偏振器本征態(tài)為線(xiàn)偏振(ξ=0)時(shí),C在0和1之間變化(當(dāng)θ1和θ2為±π/4時(shí),C取最大值1,當(dāng)θ1和θ2為0或π/2時(shí),C取最小值0,即看不出功率的變化),如圖2(a)所示;當(dāng)偏振器本征態(tài)為橢圓偏振(ξ=π/8)時(shí),C的最大值為1,最小值為1/3,如圖2(b)所示;當(dāng)偏振器本征態(tài)為圓偏振(ξ=π/4)時(shí),信號(hào)對(duì)比度C恒為1,如圖2(c)所示,此時(shí)輸出光功率為從以上分析可以看出,偏振器的本征態(tài)越接近圓,就能越好地消除偏振器與保偏光纖主軸之間的夾角對(duì)干涉信號(hào)對(duì)比度的影響。盡管用線(xiàn)偏振光作為基矢廣為人知,但由于線(xiàn)偏振光是有主軸方向的,所以用圓偏振光作為基矢在光纖系統(tǒng)中有其獨(dú)到的優(yōu)點(diǎn)。3對(duì)檢測(cè)結(jié)果的誤差根據(jù)(10)式,保偏光纖的拍長(zhǎng)因此,引起拍長(zhǎng)測(cè)量誤差的因素為待測(cè)光纖的長(zhǎng)度測(cè)量誤差和光譜儀的波長(zhǎng)讀數(shù)測(cè)量誤差,根據(jù)誤差估計(jì)理論,拍長(zhǎng)的總測(cè)量誤差可由下式估計(jì):式中δΔλ為波長(zhǎng)周期的誤差,δL為光纖長(zhǎng)度的誤差。在一般的實(shí)驗(yàn)室系統(tǒng)中,光纖長(zhǎng)度的測(cè)量誤差在1cm以下,光譜儀的讀數(shù)誤差在0.2nm以下。假設(shè)待測(cè)光纖的長(zhǎng)度為1m,拍長(zhǎng)為3mm左右,中心波長(zhǎng)為1.55μm左右,則拍長(zhǎng)的測(cè)量誤差在0.1mm左右。(12)式給出了當(dāng)偏振器為理想圓偏振器時(shí)干涉系統(tǒng)的輸出功率,但是實(shí)際使用的偏振器不可能是消光比為無(wú)窮大的圓偏振器,而是為有限消光比的橢圓偏振器。圖3分析了對(duì)比度的最小值與橢圓偏振器的橢圓率和消光比的關(guān)系,從圖中可以看出,當(dāng)橢圓偏振器的橢圓率大于0.85,消光比大于20dB時(shí),對(duì)比度的最小值能控制在0.9以上。4寬帶光纖圓偏振器的本征偏振態(tài)測(cè)試傳統(tǒng)的圓偏振器是由塊狀的線(xiàn)偏振器和1/4波片組成的,用于光纖測(cè)量系統(tǒng)時(shí),插入損耗大,調(diào)整困難。2004年,Kopp等通過(guò)實(shí)驗(yàn)證明高速旋轉(zhuǎn)的線(xiàn)雙折射光纖,當(dāng)螺距小于一定值時(shí),可實(shí)現(xiàn)寬帶圓偏振器的功能。這里采用了類(lèi)似結(jié)構(gòu)的光纖圓偏振器進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。采用瓊斯矩陣法對(duì)光纖圓偏振器的性能進(jìn)行測(cè)試,實(shí)驗(yàn)裝置如圖4所示。激光光源為可調(diào)的分布反饋(DFB)激光器,中心波長(zhǎng)為1550nm,波長(zhǎng)調(diào)節(jié)范圍為1530.6~1562.1nm。其輸出光經(jīng)準(zhǔn)直透鏡耦合到由塊狀光學(xué)器件構(gòu)成的偏振控制器(PC)上,再經(jīng)準(zhǔn)直透鏡耦合進(jìn)BFCP。BFCP輸出的光通過(guò)準(zhǔn)直透鏡后耦合到Thorlabs公司的偏振態(tài)測(cè)試儀PAX5710中進(jìn)行分析。根據(jù)瓊斯矩陣法,調(diào)節(jié)偏振控制器各波片之間的角度,使輸入光的偏振態(tài)分別為水平線(xiàn)偏振光(H),垂直線(xiàn)偏振光(V)和左旋圓偏振光(L),測(cè)量其相應(yīng)輸出光的瓊斯矢量分別為則可得寬帶光纖圓偏振器的瓊斯矩陣為首先測(cè)量圓偏振器的本征偏振態(tài)。根據(jù)線(xiàn)性代數(shù)理論,JBFCP可分解為式中V=[V1,V2]為偏振器的本征向量矩陣,即V1,V2分別為偏振器兩本征態(tài)的瓊斯矢量。為本征值矩陣,σ1,σ2分別為兩本征態(tài)在光纖中傳播距離L的復(fù)相位延遲,即σi=exp[j(βi+jαi)L],其中βi表示傳播常數(shù),αi表示損耗系數(shù)。圖5為瓊斯矩陣分析得到的光纖兩本征態(tài)的偏振橢圓,兩本征態(tài)都已接近圓偏振,橢圓率分別為0.91和0.92。兩本征態(tài)無(wú)法達(dá)到理想的正交可能是由于測(cè)量誤差造成的。接著測(cè)試圓偏振器的消光比隨波長(zhǎng)的變化情況。根據(jù)(17)式,兩復(fù)相位延遲分別為式中Ein和Eout分別為入射光和出射光的瓊斯矢量。消光比定義為兩本征態(tài)的傳輸損耗比:入射光Ein為塊狀起偏器輸出的線(xiàn)偏振光,調(diào)節(jié)輸入光的波長(zhǎng),測(cè)量經(jīng)過(guò)光纖圓偏振器后輸出光的瓊斯矢量Eout,就能得到圓偏振器消光比與入射光波長(zhǎng)的關(guān)系,如圖6所示。從圖中可以看出所使用的圓起偏器在波長(zhǎng)1.53~1.56μm范圍內(nèi)消光比均接近30dB,是比較理想的寬帶圓偏振器。選取一種熊貓型保偏光纖作為研究對(duì)象。實(shí)驗(yàn)裝置如圖1所示,光源采用波長(zhǎng)為1530~1560nm的寬譜光源,將長(zhǎng)度約為1m的待測(cè)光纖與兩寬帶圓偏振器無(wú)主軸對(duì)接,測(cè)得的偏光干涉光譜如圖7所示。干涉信號(hào)的對(duì)比度C≈0.98,1550nm處的波動(dòng)周期Δλ=5.80nm,利用(13)式計(jì)算得光纖拍長(zhǎng)為L(zhǎng)B=4.16mm(光纖長(zhǎng)度為1.11m)。與采用龐加萊球法的測(cè)量結(jié)果(LB=4.18mm)基本相符。為了檢驗(yàn)方法的重復(fù)性,對(duì)不同長(zhǎng)度的相同保偏光纖進(jìn)行了測(cè)量,結(jié)果如表1所示。實(shí)驗(yàn)