基于宽谱光及偏光干涉效应的保偏光纤拍长检测方法

基于宽谱光及偏光干涉效应的保偏光纤拍长检测方法

1保偏光纤拍长的测量保偏光纤广泛应用于光纤通信和纤维传感器领域。射击长度是保偏光纤的主要参数。保偏光纤的拍长测量,一般采用激光为光源,采用光强探测、直接观察,方法复杂繁琐;对数据的处理,也多采用数据拟合或制表、多次测量等方法获得。目前测量保偏光纤拍长的方法主要有磁光调制法、瑞利散射法和动态压力法等。我们在研究光纤陀螺的光路时发现,偏光干涉效应对宽谱光源谱形的影响与保偏光纤拍长有一定关系。经过实验及仿真计算发现,利用这种关系来测试光纤的拍长,只需要宽谱光源、偏振器和光谱仪即可,通过观察光谱的变化及简单计算,就可精确测量相应波长处的拍长。2被测光纤拍摄长、波长波长对相位差影响线偏振光以某种条件经保偏光纤传输,再经过检偏器后,光强受保偏光纤拍长的调制,这就是偏光干涉效应。保偏光纤拍长测量装置如图1所示,偏光干涉效应可以通过建立传输数学模型解释。对整个装置的光路部分建立琼斯矩阵模型,忽略所有器件的损耗。设光源光场为E=Aej(2πc/λ+φ)[cos(θ)sin(θ)]E=Aej(2πc/λ+φ)[cos(θ)sin(θ)]其中:A为光源光场振幅;C为真空中光速;λ为光波长;ue001φ为光波初始相位;θ的取值决定了光源光场的偏振态。待测光纤的拍长由它的双折射参数决定,它的传输矩阵为F=[ej2πneL/λ00ej2πnoL/λ]F=[ej2πneL/λ00ej2πnoL/λ]其中:ne、no分别为其快慢轴的折射率;L为光纤的长度。起偏器1、2的传输矩阵为P1=[100ε1]‚P2=[100ε2]Ρ1=[100ε1]‚Ρ2=[100ε2]其中,ε1、ε2分别为起偏器1、2的消光比。起偏器的偏振轴与光纤的传光主轴(快轴或慢轴)间必须存在一定的角度,才会出现偏光干涉现象。设起偏器1的偏振主轴与被测光纤主轴角度为α,起偏器2与被测光纤主轴角度为β,则起偏器1、2的传输矩阵变为P1=[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)]通过起偏器2后到达探测处的光场为设光源为线偏振光,且与起偏器完全对准,即θ=0°;偏振器为理想器件,即消光比ε1=ε2=0,则探测器处的光强I为光场的共轭积,即其中,B=λ/(ne-no),为待测光纤的拍长。由式(1)可知,探测光强受待测光纤拍长的调制,这是由于保偏光纤快慢轴上传输的不同波长光间的相位差不同、在偏振器2上合光后不同波长光的干涉强度不同导致的,即偏光干涉现象。对于宽谱光源,由于不同的波长对应不同的拍长,当L、β和α保持不变时,不同的光波长处的光强幅度就会由于不同的拍长而出现调制波动,这种波动以一定的周期间隔表现在光谱变化上,波动周期与被测光纤长度和拍长有关,波动的幅度与角度β、α有关,此波动周期Δλ可表示为Δλ=λ(L/B)−1(2)Δλ=λ(L/B)-1(2)由式(2)可见,Δλ只受被测光纤长度和拍长及光源波长的影响。假设被测光纤为2m,拍长为2.6mm,光源为1310nm波段,由式(2)计算得Δλ为1.718nm。如果拍长减小0.1mm变为2.5mm,则由式(2)计算得Δλ为1.637nm。0.1mm的拍长变化导致波动周期Δλ变化了0.081nm,可见Δλ对拍长的微小变化很敏感。利用这种特性及式(2),可以精确测量各种未知光纤的拍长,计算为B=L(λ/Δλ)+1(3)B=L(λ/Δλ)+1(3)3偏光干涉光谱测试目前通讯用的光纤有1310nm和1550nm波段,光纤传感器也普遍采用这2个波段。一般保偏光纤的拍长在0.5～10mm左右。若采用2m光纤,在1310nm波段,则光谱波动周期处于0.33～6.58nm,目前高性能光谱仪的分辨率普遍在0.06nm以下,这些周期波动很容易就可以观测出来。采用1550nm波段宽谱光源和长度为2m的已知拍长(3mm)的保偏光纤,用图1所示的装置,其中探测器为Agilent86140B型光谱分析仪。调节对准角度β、α的同时用光谱仪观察光谱形状变化,很容易获得偏光干涉光谱,如图2所示。每个波动周期都对应相应波长处保偏光纤的拍长。如果调节β、α时,没有观察到光谱的波动,即输出光谱与输入光谱一样,则说明被测光纤不是保偏光纤。调整光谱仪测量范围,放大1550nm波长处的光谱,如图3所示,可以测得波动周期Δλ为2.4nm,利用式(3)计算得拍长为3.09mm。在一般实验室条件下,假设光纤长度测量存在1cm的误差(实际误差远小于1cm),光谱仪的测量误差在0.05nm。假设各种测量误差均为最大值,则在测试过程中,由式(3)可知,拍长可信值范围为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)其最大值为3.17mm,最小值为3.01mm,测量精度在0.2mm以内。通过降低被测光纤长度,还可以进一步提高测量精度,如果L=1m,则测量精度提高为0.1mm。利用式(2),对同一光谱在不同偏振消光比和对准角β、α时的偏光干涉光谱进行了仿真计算,结果如图4。其中,曲线a为β=30°、α=20°和两偏振器的消光比为9dB时获得的偏光干涉光谱,曲线b为β=45°、α=45°和两偏振器的消光比均为50dB时获得的偏光干涉光谱。可见,对准角度β、α以及偏振器消光比的大范围变化只影响调制幅度的大小,对调制周期Δλ没有明显影响,这与在实验中调节角度β、α时观察到的光谱变化相符合。而对于拍长的测量,只需要知道光谱的波动调制周期即可,所以此种测试方法可以利用不精确的偏振轴对准角度和低质量的偏振器件,获得对拍长的精确测量。4器件和操作的测量提出了一种利用宽谱光源和偏光干涉效应测量未知保偏光纤拍长的技术。测量系统搭建容易,测量方法简单易行,对器件和操作的要求都很低,但是可以获得