基于Sagnac干涉仪的保偏光纤拍长测试技术_徐春娇
2010年6月第36卷第6期北京航空航天大学学报
Journa l o f Be iji ng U nivers it y of A eronauti cs and A stronauti cs June 2010V o. l 36 N o 16
基于Sagnac 干涉仪的保偏光纤拍长测试技术
徐春娇
杨远洪
段玮倩
杨 巍
(北京航空航天大学仪器科学与光电工程学院, 北京100191)
摘 要:分析了一种由单模光纤耦合器和保偏光纤组成的混合光纤Sagnac 干涉仪的反射谱和透射谱, 揭示了这种干涉仪的光谱调制特性. 基于其透射光谱的极值点特征, 提出了一种简单、高精度的保偏光纤拍长测试技术并进行了精度分析, 确定了待测保偏光纤长度的优
化参数; 搭建实验系统进行了实际测试. 实验结果和理论估计一致. 研究表明:该技术操作方便、测量可靠, 拍长测量精度可优于0. 01mm.
关 键 词:光纤光学; 干涉仪; 光纤传感器
中图分类号:TN 253
文献标识码:A 文章编号:1001-5965(2010) 06-0753-04
Technol o gy of measuring t he bea-t l e ngth of pol a rizati o n
ma i n t ain optica l fi b er based on Sagnac interfero meter
Xu Chunjiao
Yang Yuanhong
Duan W e i q ian
Yang W ei
(School of Instrum en t Science and Op to -el ectron i cs Engi neering , B eiji ng Un ivers i ty of Aeronau tics and Astronauti cs , Beiji ng 100191, Ch i n a)
Abstr act :The reflectance and trans m issi o n spectr um o f t h e hybri d Sagnac fi b er optic i n terfero m eterw hich is consist of si n g le m ode fi b er coupler and po larization m a i n tai n optica l fi b erw ere i n vesti g ated and the m odu la -ti o n character o f t h e spectrum w as ill u strated. A si m p le m easure m entm e t h od for t h e bea-t length of polarization m a i n tain opti c al fi b er w as proposed based on the character of t h e trans m issi o n spectrum. And the opti m ization para m eter for the m easure m ent based on the error analysi s w as obta i n ed . The experi m enta l syste m w as set up and the experi m enta l resu lts agree w ellw ith the theoretical pred icti o n . The result sho w s that t h is technique has t h e advantage o f si m p le i n princ i p le and high prec isi o n, the accuracy of t h e bea-t leng t h m easure m en t is better t h an 0. 01mm .
Key wor ds :fiber opti c s ; i n terfero m eter ; optical fiber senso rs 保偏光纤是一种能保持在其中传输光的偏振态的特种光纤, 在光纤传感技术和光纤通信领域得到了广泛的应用. 保偏光纤的偏振保持能力是通过在光纤中产生一种强双折射而得到的
[1]
滤波特性, 并基于其透射谱极值特征提出了一种保偏光纤拍长的测量技术, 该方法具有实现简单、操作方便、测试可靠和精度高的特点.
, 因
此, 双折射是保偏光纤的基本特征, 是在保偏光纤研制、生产和应用过程中都需要精确地测量和控制的特性. 通常采用拍长来描述保偏光纤的双折射性能. 目前测量拍长的方法主要有磁光调制法法
[2][5]
1 测试原理
1. 1 光纤Sagnac 干涉仪光谱滤波特性
如图1所示为一种典型结构的光纤Sagnac 干涉仪, 其中DC1和DC2均为单模耦合器, 分光比为50B 50, A, B 为光纤熔接点, A, B 间为长度为L 的保偏光纤P M F (Po larization M ainta i n F i b er), P M F 与DC2形成混合光纤Sagnac 干涉仪. 从光
、压力扫描法
[3]
、偏光干涉法
[4]
、瑞利散射
等, 其中部分方法已能达到0. 01mm 的测量
精度. 本文研究了一种由单模光纤耦合器和待测保偏光纤形成的混合光纤Sagnac 干涉仪的光谱
收稿日期:2009-05-07
(-), 女, , , spri @m.
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源发出的光经过DC1和DC2后, 分为两路光, 进入Sagnac 环沿顺、逆时针方向传输, 然后在DC2处相遇并发生干涉, 干涉信号从DC2的R 端口和T 端口(如图1) 输出.
融拉锥工艺制作的耦合器, 在耦合区存在偏振耦合, 设强度耦合系数为E , 其传输矩阵为
M D C =
(6)
-E 1- 由式(4) ~式(6) 可知, 沿顺、逆时针传输方向能发生干涉的光波为
A cw (K ) =
**
c w s +cwf c w s -ccws +ccws -ccw f ccw (7)
图1 混合光纤Sagnac 干涉仪
A cc w (K ) =(8)
在Sagnac 干涉仪中, 可定义R 端口为反射
端、T 端口为透射端. 干涉仪所用光源为宽谱光源, 其中波长为K 的光谱分量可表示为
A (K ) =A (K ) e
i
[6]
在等功率偏振模式耦合的情况下, 可取E =
0. 5, 则从Sagnac 干涉仪的反射端口、即R 端口输出的干涉信号为
22
I R =K A (K ) 1+(1)
式中, K 为光源的中心波长; A (K ) 、
co s A c w (K ) =A (K ) (2)
2si n 式中, K 为与光源有关的系数; H 描述了注入光纤环的光的偏振态. 保偏光纤等效为双折射器件, 其传输矩阵为
[7]
(9)
式中, $n =|n f -n s |, 为P MF 快、慢轴间的折射率差. 由于从Sagnac 干涉仪的T 端口输出的顺、逆
[9]
时针传输光存在由耦合器引起的P 相移, 干涉后的光强为
22
I T =K A (K ) 1-(10)
式(9) 和式(10) 表明Sagnac 干涉仪的反射和透射光谱为光源的调制光谱, 图2所示为采用掺铒超荧光光纤光源的混合光纤Sagnac 干涉仪的输出宽谱, 其反射光谱和透射光谱正好互补.
M PMF =
e
2P n s L
0e
2P n f L (3)
式中, n f , n s 分别为P M F 快、慢轴间的折射率; L 为被测P M F 的长度. 为简化推导, 设光源为完全非偏振且光在偏振控制器处等强度耦合, 则H 可取45b , 联合式(2) 、式(3), 顺时针传输光经过混合光纤环后, 其琼斯矩阵为
[8]
A c ) =M P M F A cw (K ) =cw (K e A (K ) 2P n L =
4e
2P n s A c w s A cw (4)
图2 光源光谱和反射、透射光谱
式中, A cw s 为顺时针沿P M F 慢轴传输的光波; A cw f
为顺时针沿P MF 快轴传输的光波. 同样, 逆时针传输光经过混合光纤环后, 其琼斯矩阵为
A c ccw (K ) =M P M F A ccw (K ) =e A (K ) 2P n f L =4e 2P n s
光谱极大和极小值条件如下:
2P$nL
=2m P P
K m
=(2m +1) P K m
P
N
(11) (12)
A ccws A ccw 式中, m 为整数; K m , K m 分别为透射谱中极大值和
(5)
极小值对应的波长. 调制光谱相邻峰值间波长差
$Kc 为
-2K c
(13) c =
式中, A ccws 为逆时针沿P MF 慢轴传输的光波; A ccw f
.
第6期 徐春娇等:基于Sagnac 干涉仪的保偏光纤拍长测试技术755
-式中, K c 为相邻峰值波长的平均值. 式(11) ~式(13) 表明, 混合光纤Sagnac 干涉仪的输出光谱的峰值和峰值间隔与$n 相关, 因此可以利用其光谱特征实现保偏光纤的拍长测量.
1. 2 拍长测量原理及精度估计
保偏光纤拍长测量装置如图3所示, DC 为单模光纤耦合器, A, B 间为长度为L 的待测保偏光纤
.
长值, 计算L o , 然后进行精确的拍长测量. 具体实验情况如下. 2. 1
1310nm 波段保偏光纤
测试光源为1310nm 的超辐射发光二极管,
其光源光谱及典型的透射端光谱如图4所示, 被测保偏光纤的L o 为151. 7mm , 由式(16) 估计得到的$L BL 为0. 0097mm.
图3 保偏光纤拍长测量装置
由式(13) 进而可得到拍长的计算公式为
L B =
$Kc L
-K N
(14)
图4 超辐射发光二极管光源光谱及典型的透射谱
式中, -K N 为相邻极小值对应波长的平均值. 因-此, 只要准确测定K N , $Kc 和L, 即可实现L B 的精确测量.
对于确定的待测保偏光纤, $n 是固定的, L B
为定值, $Kc L 亦为定值, 在此约束下, 存在最佳待测光纤长度, 使测量误差最小. 最佳待测光纤长度为
L o =
K N L B e L /eK
(15)
在实验中, 分别取L =L o 及L =2L o , 在每个长
度进行10次测量, 测量值的分布见图5. 被测光纤取不同长度时测量值的平均值和标准偏差为:2. 114mm, 0. 00185mm ; 2. 116mm, 0. 00337mm . 测试结果表明所取光纤长度偏离最佳长度越远, 其测量值的离散度越大.
式中, e L , e K 分别为长度测量和波长测试的误差, 在此条件下, 测量误差为
$L BL =
L B e L e K /K N
(16)
a L=151. 7mm
- 以一种典型情况为例, 即L B 约为2mm , K N 为1310nm , 计算可得:L o 为147. 8mm , $L BL 为0. 0096mm . 式(16) 显示, L B 越短, $L BL 越小, 因
此这种拍长测量方法在低双折射高精度测量方面具备独特的优势.
2 实 验
利用图3所示的拍长实测装置进行了保偏光纤拍长测试, 所用光谱分析仪为AQ6319, 波长测量精度在1310n m 波段为0. 06nm; 在1550n m 波段为0. 02nm, 采用一种双窗口(1310n m 和1550n m ) 宽带单模光纤耦合器, 只需更换光源即可实现两个波段的测量. 在测试实验过程中, 均先
, b L=303. 5mm
图5 1310n m 波段下被测光纤长度
取不同值时的测量结果
2. 2 1550nm 波段保偏光纤
测试光源为自行研制的高稳定掺铒超荧光光纤光源, 其光源光谱及典型的透射端光谱如图6
所示, 被测保偏光纤的L o 为164. 6mm , $L BL 为
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示. 被测光纤取不同长度光纤时测量值的平均值和标准偏差分别为:2. 012mm , 0. 00213mm; 2. 015mm, 0. 00378mm. 测试结果与1310nm 波段一致
.
3 结束语
本文提出的基于Sagnac 干涉仪拍长测试方法, 测量精度优于0. 01mm, 特别适合低双折射保偏光纤高精度拍长测试. 该方法具有原理、结构简单, 操作方便, 结果可靠的优点, 且对保偏光纤的拍长没有限制, 对损耗等不敏感、适应性强.
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光源光谱及典型的透射谱
a L=164. 6
mm
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2. 3 不同种类保偏光纤
为了验证基于Sagnac 干涉仪的保偏光纤拍长测试方法的通用性, 分别对6种不同类型的光纤进行了测试实验, 结果如表1所示.
表1 不同光纤的拍长测试实验结果
类型熊猫型熊猫型领结型领结型边孔型光子晶体光纤
K /nm [***********]101550
包层直径/um
[**************]5
L /c m 15. 1717. 7116. 4617. 4215. 3322. 73
(编 辑:刘登敏)