一种可抑制干涉噪声的光学相干偏振测量装置制造方法
【专利摘要】本发明提供的是一种可抑制干涉噪声的光学相干偏振测量装置。它由高偏振稳定度宽谱光源、待测元件、光程解调装置、偏振串音检测与记录装置组成，光程解调装置中含有用于消除光学干涉偏振衰落效应的法拉第旋光器和用于光路差分探测的光环行器，在法拉第旋光器、光环行器之前分别放置偏振态控制器；通过对传输光偏振状态的调节，使输入光的偏振态满足布鲁斯特角下的最小反射条件，来减小和消除器件中残余反射光信号，达到抑制光学干涉噪声，提高偏振串音测量灵敏度的目的。本装置具有测量精度高、动态范围大、体积小、调节简便、损耗低、可靠性高等优点，可以广泛应用于80dB以上高消光比集成波导和偏振光学器件的光学性能定量测试。
【专利说明】一种可抑制干涉噪声的光学相干偏振测量装置
【技术领域】
[0001]本发明涉及的是一种光纤测量装置，具体地说是一种具有光学干涉噪声抑制功能的光学相干偏振测量装置。
【背景技术】
[0002]光学相干域偏振测量技术(OCDP)是一种高精度分布式偏振耦合测量技术，它基于宽谱光干涉原理，通过扫描式光学干涉仪进行光程补偿，实现不同偏振模式间的干涉，可对偏振串扰的空间位置、偏振耦合信号强度进行高精度的测量与分析，进而获得光学偏振器件的消光比、拍长等重要参数。OCDP技术作为一种非常有前途的分布式光学偏振性能的检测方法，被广泛用于保偏光纤制造、保偏光纤精确对轴、器件消光比测试等领域。与其他如:偏振时域反射技术(P0TDR)、光频域反射技术(0FDR)、光相干域反射技术(OCDR)等分布式检测方法与技术相比，OCDP技术具有结构简单、高空间分辨率(5?IOcm)、大测量范围(测量长度几公里)、超高测量灵敏度(耦合能量-80?-100dB)、超大动态范围(IO8?101°)等优点，非常有希望发展成为一种高精度、通用测试技术和系统。由于它最为直接和真实地描述了信号光在光纤光路中的传输行为，所以特别适合于对光纤器件、组件，以及光纤陀螺等高精度、超高精度干涉型光纤传感光路进行测试和评估。
[0003]20 世纪 90 年代初，法国 Herve Lefevre 等人[Method for the detectionof polarization couplings in a birefringent optical system and applicationof this method to the assembling of the components of an optical system, USPatent4893931]首次公开了基于白光干涉原理的0⑶P系统，它采用超辐射发光二极管(SLD)作为光源和空间干涉光路作为光程相关测量结构。法国Photonetics公司根据此专利技术研制了 WIN-P125和WIN-P400两种型号O⑶P测试系统，主要用于较短(500m)和较长(1600m)保偏光纤的偏振特性分析。其主要性能为偏振串扰灵敏度为_70dB、动态范围为70dB，后经过改进，灵敏度和动态范围分别提升到-80dB和80dB。
[0004]2011年，天津大学张红霞等人公开了一种光学偏振器件偏振消光比的检测方法和检测装置(中国专利申请号:201110052231.3)，同样采用空间干涉光路作为O⑶P的核心装置，通过检测耦合点的耦合强度，推导出偏振消光比。该装置适用于保偏光纤、保偏光纤耦合器、偏振器等多种光学偏振器件的测量。与Herve Lefevre等人的方案相比，技术性能和指标相近。
[0005]同年，美国通用光电公司(General Photonics Corporation)的姚晓天等人公开了一种用于保偏光纤和光学双折射材料中分布式偏振串扰测量的全光纤测量系统(US20110277552, Measuring Distributed Polarization Crosstalk in PolarizationMaintaining Fiber and Optical Birefringent Material),利用在光程相关器之前增加光程延迟器，抑制偏振串扰测量时杂散白光干涉信号的数量和幅度。该方法可以将全光纤测量系统的偏振串扰灵敏度提高到_95dB，但动态范围保持在75dB。
[0006]2012年，本发明的 申请人:提出了基于全光纤光路的偏振串音测试装置(中国专利申请号:CN201210379406.6)及其提高光学器件偏振串音测量性能的方法(中国专利申请号:CN201210379407.0)，采用全光纤光路和抑制拍噪声的技术方案，极大地抑制噪声幅度，使偏振串音测量的灵敏度提高到_95dB以上，同时动态范围能够相应保持在95dB，而且减小了测试系统的体积，增加了测量稳定性。
[0007]随着光学相干偏振测量技术的发展，探测灵敏度不断地提高，从_95dB逐渐迈向-1OOdB时，在测量光路中产生的杂散反射信号与主干涉信号光所产生的光干涉峰将成为严重影响测量的光学噪声。如果光学噪声与测量信号干涉峰值相互重叠，将对器件的性能测量产生误判，严重者使测量无法进行。产生杂散反射信号的主要原因是光纤元件和光纤光路的不连续，如法拉第旋光器一般由尾纤、准直器、旋光器、反射镜等多个不同功能的元件组成，在光学反射的交界面，会有强度非常微弱的反射光信号产生，其反射信号的幅值大小用回波损耗特性描述。对于光通信器件而言，一般要求回波损耗控制在_55dB以下，就可以忽略其影响；而对于光学相干偏振测量技术而言，相比-90?-1OOdB的探测灵敏度，上述回波损耗要大3?4个数量级，完全不可忽略。特别是多次反射杂散光信号其传输方向如果与主干涉光相同，则无法通过一般的光学滤波和截止等方法将其消除；它们在光程上与参考光是分立的，幅度只要大于系统的探测灵敏度，光程差落在光程扫描范围之内，就能产生影响。因此，在光学相干偏振测量光路中，如何抑制和消除的杂散光信号，成为解调光路结构设计和优化的重要问题。
【发明内容】
[0008]本发明的目的在于提供一种能实现测量光路中器件残余反射光信号的消除和光学干涉噪声的抑制，提高偏振串音测量灵敏度的可抑制干涉噪声的光学相干偏振测量装置。
[0009]本发明的目的是这样实现的:
[0010]包括高偏振稳定度宽谱光源1、光程解调装置3、偏振串音检测与记录装置4 ；
[0011]I)所述光程解调装置由检偏器31、第一偏振控制器32、光环行器33、MichelSOn型光程相关器34、光衰减器37、干涉信号差分探测器36组成，第一偏振控制器32通过控制尾纤331中传输光的偏振态,来抑制光环行器33的残余光反射；
[0012]2)所述Michelson型光程相关器34由2X2光纤耦合器342、光程延迟线35、第二偏振控制器344、第三偏振控制器347、第一法拉第旋光镜345和第二法拉第旋光镜348组成，第二偏振控制器344控制光程相关器34的固定臂343中传输光的偏振态、来抑制第一法拉第旋光镜345的残余光反射58B,第三偏振控制器347控制干光程相关器34扫描臂346中传输光的偏振态,来抑制第二法拉第旋光镜348的残余光反射58B ；
[0013]3)干涉信号差分探测器36通过环形器33和光衰减器37分别连接于光程相关器34的输入端341、输出端349，用于探测干涉信号。
[0014]第一法拉第旋光镜345由第一输入光纤51、第三光准直器52、第一旋光晶体53、第一磁环54、第一反射镜55组成,用于将传输在光程相关器34固定臂343中的信号光反射，并将偏振态旋转90° ;第二法拉第旋光镜348由第二输入光纤61、第四光准直器62、第二旋光晶体63、第二磁环64、第二反射镜65组成,用于将传输在光程相关器34扫描臂固定臂346中的信号光反射，并将偏振态旋转90°。[0015]所述的第一、第二、第三偏振控制器32、344、347是全光纤结构，不含有光学不连续点；其功能是将进光纤的入射光的任意偏振态光信号，经控制后能输出指定偏振态的信号光；可以米用光纤环结构，它由输入光纤81、第一 λ/4光纤环82、第二 λ/2光纤环83、第三λ /4光纤环84和输出光纤85组成；或者米用挤压扭转光纤结构，它由输入光纤91、光纤挤压器92、光纤扭转器93、输出光纤94组成。
[0016]所述的光程延迟线35是一种透射型光程延迟器件，光信号可以从第一光学准直器351入射，经角反射器352反射后，从第二光学准直器352出射，反之亦可。
[0017]所述的高偏振稳定度宽谱光源I的宽谱光源11通过光纤耦合器12的第一输出端13将连接第一光电探测器14 ;通过第二输出端15经过光纤隔离器16后，连接于光纤起偏器17。
[0018]光衰减器37其插入损耗选择为光环行器33的输入尾纤331到光程相关器34的输入尾纤341,与尾纤341到光环行器33的第二输出尾纤332的插入损耗之和。
[0019]所述的光程解调装置3构成器件的尾纤，除第一偏振控制器32外，均为单模光纤。
[0020]具有光学干涉噪声抑制功能的光学相干偏振测量装置，如图1所示，为了消除光学干涉偏振衰落效应，光程解调装置采用带有法拉第旋光器的Michelson光程相关器，为了提高测量的动态范围采用了带有光环行器的光路差分探测结构。但是上述光纤器件的引入，也同样增加了测量光路中的光学不连续点，增大了产生杂散反射信号的几率，造成光学干涉噪声的劣化。
[0021]本发明提出的 光学相干偏振测量装置抑制光学干涉噪声核心思想是:通过抑制光纤元件和光纤光路产生的杂散反射信号，减小其白光干涉峰的数量和幅度，达到抑制光学噪声的目的。如图2所示，当一束入射光56 (或者66)入射到两种介质Ii1和112的交界面73时，会发生反射和折射现象，即出现反射光56Α (或者66Α)和折射光57 (或者67);由菲涅耳公式可知，当输入角72为某特定角(即布鲁斯特角)时，反射光56Α (或者66Α)将仅包含振动方向与入射面垂直的线偏振光，布鲁斯特角Θ可以表示为
[0022]1S O = —U )
?I
[0023]如果此时调整输入光56 (或者66)的偏振态，如图3所示，使其仅有平行于入射面的振动方向，则反射光56Α (或者66Α)将被抑制,甚至于消失,入射光56 (或者66)的全部以折射光57 (或者67)出射。
[0024]为了减小和消除测量光路中法拉第旋光器和光环行器的残余反射光，可以在器件之前放置偏振态控制器，通过对传输光的偏振状态调节，使输入光的偏振态满足布鲁斯特角下振动方向平行于入射面的条件，来抑制器件中残余反射信号光的幅度和数量，使器件的回波损耗从-55~-60dB提高到-80dB以上，实现白光干涉测量的干涉噪声的抑制，达到提闻偏振串首测量灵敏度的目的。
[0025]与现有技术相比，本发明的优点在于:
[0026](I)采用全光纤型偏振态控制器来消除光学器件的残余光反射，一方面不会改变光程解调装置的光路结构和参数，可以保持原测量光路的所有优点，另一方面也不会引入新的光学噪声，具有调节方法简便、噪声抑制效果好、损耗低、可靠性高等优点；
[0027](2)采用法拉第旋光器的光程解调装置，克服了光学干涉中的偏振衰落效应，提高测量的环境适应性和可靠性；
[0028]( 3 )采用差分光学探测装置对干涉信号解调，增加了偏振串音测量的信噪比，扩展了测量的动态范围；
[0029](5)采用全光纤光路，具有体积小、测量精度高、温度稳定性和抗振动稳定性好等优点，降低了测量装置对环境的要求。
【专利附图】
【附图说明】
[0030]图1是带有偏振态控制器和法拉第旋光器的全光纤相干偏振测量装置原理示意图；
[0031]图2是处于布鲁斯特角入射角时，任意偏振态的入射光的反射与透射光路示意图；
[0032]图3是处于布鲁斯特入射角时，平行于入射面的偏振光的透射光路示意图；
[0033]图4是三环型光纤偏振态控制器的示意图；
[0034]图5是基于挤压和扭转的全光纤偏振态控制器的不意图；
[0035]图6是法拉第旋光器的内部结构与残余反射光产生的光路示意图；
[0036]图7是法拉第旋光器的残余反射光产生干涉光学噪声的过程示意图；
[0037]图8是带有残余反射光产生的光学干涉噪声的偏振串音测量结果图；
[0038]图9是处于布鲁斯特入射角时，平行于入射面的偏振光在法拉第旋光器内部的传输光路图；
[0039]图10是消除法拉第旋光器348的残余反射光后，抑制干涉噪声产生的光学原理示意图；
[0040]图11是消除光程相关器扫描臂中法拉第旋光器348的干涉噪声后的偏振串音测量结果图；
[0041]图12是消除光程相关器固定臂中法拉第旋光器345的干涉噪声后的偏振串音测量结果图。
【具体实施方式】
[0042]为清楚地说明本发明涉及的光学噪声抑制效果的光学相干偏振测量装置，结合实施例和附图对本发明作进一步说明，但不应以此限制本发明的保护范围。
[0043]光学相干偏振测量装置如图1所示，具体器件的参数选择如下:
[0044](I)宽带光源11的中心波长1550nm，半谱宽度大于45nm，出纤功率大于2mW，光源光谱纹波〈0.05dB (峰值幅度大约为-60dB)，相干峰的光程范围4?7mm ;
[0045](2) 2/98光纤耦合器12工作波长1550nm，分光比2:98 ；
[0046](3)光纤隔离器16工作波长1550nm，插入损耗0.8dB,隔离度>45dB ；
[0047](4)光纤起偏器17、光纤检偏器31的工作波长为1550nm,消光比为30dB,插入损耗小于IdB ；
[0048](5)光纤环行器33为三端口环行器，插入损耗ldB，回波损耗大于55dB ；
[0049](6)光纤耦合器342的工作波长为1310/1550nm，分光比50:50 ；
[0050](7)第一、第二准直透镜351、353的工作波长为1550nm，它与光程扫描器352 (反射率为92%以上)之间的光程扫描距离大约在O?200mm之间变化，平均插入损耗为2.0dB,损耗波动±0.2dB以内，并且光程扫描器352大约处于IOOmm位置时,Michelson型光程相关器34的固定臂343和扫描臂346的光程差大约为零；
[0051](8)第一、第二法拉第旋光器的工作波长为1550nm,旋光角度90° ,角度误差±1°，插入损耗0.8dB,回波损耗大于55dB ;
[0052](9)光纤衰减器的工作波长1550nm，插入损耗2dB ；
[0053](10)第一、第二差分探测器361与362的光敏材料均为InGaAs，光探测范围为1100?1700nm,响应度大于0.85 ；
[0054](12)第一、第二、第三偏振态控制器32、344、347可以选择三环型全光纤控制器，其结构如图4所示；也可以选择挤压扭转型光纤偏振态控制器，其结构如图5所示；
[0055](13)待测器件2选择为Y波导，工作波长为1550nm，波导尾纤快轴与波导芯片的快轴对准,波导芯片长度30mm。
[0056]测量装置的工作过程如下:
[0057]宽谱光源11的输出光经过光纤耦合器12的分光、光纤隔离器16的隔离和起偏器17的极化后成为线偏光，再经过保偏输出光纤18与Y波导2的保偏输入尾纤21的45°对轴焊点，光能量均匀地注入到待测波导芯片2D的快慢轴中，光信号被分成两束，分别传输在2B和2C中；从Y波导的第一输出通道2B的信号光注入尾纤22中，并经过尾纤311的45°焊点，在光纤检偏器31中混合,然后第一偏振态控制器32和光纤环形器33后进入光程相关器34。
[0058]从Y波导2的快、慢轴的信号光被光纤耦合器342均匀分成两束，一束传输在由第二偏振态控制器344和第一法拉第旋光器345组成的固定臂343中，另外一束传输在由第一准直器351、角反射器352、第二光学准直器352、第三偏振控制器347、第二法拉第旋光镜348组成的扫描臂346中。当光程扫描器310运动实现光程扫描时，光程相关器34的固定臂和扫描臂之间产生的光程差与待测的具有不同光程差的传输信号相匹配时，干涉信号差分探测器36将输出白光干涉信号。其干涉峰值与待测光信号的幅度成正比，其峰值对应的光程扫描位置与待侧光信号的光程成正比。
[0059]如图6所不，当传输在固定臂343的信号光56和传输在扫描臂346的信号光66将分别进入第一、第二法拉第旋光器345和347。以第二自聚焦透镜52为例,一般情况下在第二自聚焦透镜52与空气的交界面52B上信号光56会产生微弱的菲涅耳反射光56A，光信号经过旋光器53透射和反射镜55反射后，再次经过界面52B时，会产生同样微弱的菲涅耳反射光58B。残余反射光56A、58B与信号光59的传输方向相同,但在光程上是相互分立的。同理，第一自聚焦透镜62将产生与信号光69的传输方向相同的残余反射光66A、68B。
[0060]如图7所不,扫描臂346的中两束光(传输光59和残余反射光58B)与固定臂343的两束光(传输光69和残余反射光68B)产生白光干涉峰值的过程示意图:1)当残余反射光58B与传输光69发生光程匹配时,将产生干涉峰值73,其幅度与残余反射光58B的光强成正比；2)当传输光59与传输光69发生光程匹配时,将产生干涉峰值71,其幅度与传输光59和69的光强度成正比，干涉峰值73与71扫描光程距离之差为残余反射光58B与传输光59的光程差；3)当传输光59与残余反射光68B发生光程匹配时，将产生干涉峰值74，其幅度与残余反射光68B的光强成正比，干涉峰值74与71扫描光程距离之差为残余反射光68B与传输光69的光程差。图8为测量所获得的光学干涉噪声测量曲线，图中峰值73和74分别为残余反射光58B、68B产生的干涉峰值。
[0061]当改变第二、第三偏振态控制器344、347的状态时，在满足布鲁斯特角入射条件的同时，使入射光56、66的偏振态平行于输入面，可以使残余反射光56A、58B和66A、68B的强度受到极大抑制甚至于消失，如图9所示。以调节第三偏振控制器347为例，可以使残余反射光56A和58B消失。此时扫描臂346的传输光59与固定臂343的传输光69和残余反射光68B产生的白光干涉峰值，如图10所示，干涉峰值73将消失。通过控制第三偏振控制器347的状态，可以抑制法拉第旋光器348的光学干涉噪声，其实测结果如图11所示。如图11可知，反射峰值73从-59(^下降到-80(^，已经低于测量装置的噪声本底，从而验证了本装置对干涉噪声抑制的有效性。
[0062]同理，通过控制第三偏振控制器344的状态，可以抑制法拉第旋光器345的光学干涉噪声，其实测结果如图12所示，如图12可知，反射峰值74从-58dB下降到-80dB，已经低于测量装置的 噪声本底，更进一步验证了本装置对干涉噪声抑制的有效性。
【权利要求】
1.一种可抑制干涉噪声的光学相干偏振测量装置，包括高偏振稳定度宽谱光源(I)、光程解调装置(3)、偏振串音检测与记录装置(4)，其特征是: 1)所述光程解调装置由检偏器(31)、第一偏振控制器(32)、光环行器(33)、MichelSOn型光程相关器(34)、光衰减器(37)、干涉信号差分探测器(36)连接组成，第一偏振控制器(32)通过控制尾纤(331)中传输光的偏振态来抑制光环行器(33)的残余光反射； 2 )所述Mi che I son型光程相关器(34 )由2 X 2光纤耦合器(342 )、光程延迟线(35 )、第二偏振控制器(344)、第三偏振控制器(347)、第一法拉第旋光镜(345)和第二法拉第旋光镜(348)组成,第二偏振控制器(344)控制光程相关器(34)的固定臂(343)中传输光的偏振态来抑制第一法拉第旋光镜(345)的残余光反射(58B),第三偏振控制器(347)控制干光程相关器(34)扫描臂(346)中传输光的偏振态来抑制第二法拉第旋光镜(348)的残余光反射(58B)； 3)干涉信号差分探测器(36)通过环形器(33)和光衰减器(37)分别连接于光程相关器(34)的输入(341)、输出端(349)，用于探测干涉信号。
2.如权利要求1所述的可抑制干涉噪声的光学相干偏振测量装置，其特征是:第一法拉第旋光镜(345)由第一输入光纤(51)、第三光准直器(52)、第一旋光晶体(53)、第一磁环(54)、第一反射镜(55 )组成,用于将传输在光程相关器(34)固定臂(343 )中的信号光反射，并将偏振态旋转90° ;第二法拉第旋光镜(348)由第二输入光纤(61)、第四光准直器(62)、第二旋光晶体(63)、第二磁环(64)、第二反射镜(65)组成,用于将传输在光程相关器(34)扫描臂固定臂(346)中的信号光反射，并将偏振态旋转90°。
3.如权利要求1所述的可抑制干涉噪声的光学相干偏振测量装置，其特征是:第一偏振控制器(32)、第二偏振控制器(344)、第三偏振控制器(347)为全光纤结构,将进光纤的入射光的任意偏振态光信号经控制后输出指定偏振态的信号光；所述全光纤结构是由输入光纤(81)、第一 λ/4光纤环(82)、第二 λ/2光纤环(83)、第三λ/4光纤环(84)和输出光纤(85)组成的光纤环结构,或者由输入光纤(91)、光纤挤压器(92)、光纤扭转器(93)、输出光纤(94)组成的挤压扭转光纤结构。
4.如权利要求1所述的可抑制干涉噪声的光学相干偏振测量装置，其特征是:所述光程延迟线(35)是一种透射型光程延迟器件，光信号从第一光学准直器(351)入射，经角反射器(352)反射后,从第二光学准直器(352)出射,或反之。
5.由权利要求1所述的可抑制干涉噪声的光学相干偏振测量装置，其特征是:所述高偏振稳定度宽谱光源(I)的组成为，宽谱光源(11)通过光纤稱合器(12)的第一输出端(13)将连接第一光电探测器(14)，通过第二输出端(15)经过光纤隔离器(16)后连接于光纤起偏器(17)。
6.由权利要求1所述的可抑制干涉噪声的光学相干偏振测量装置，其特征是:光衰减器(37)的插入损耗选择为光环行器(33)的输入尾纤(331)到光程相关器(34)的输入尾纤(341)，与尾纤(341)到光环行器(33)的第二输出尾纤(332)的插入损耗之和。
7.由权利要求1所述的可抑制干涉噪声的光学相干偏振测量装置，其特征是:光程解调装置(3)构成器件的尾纤，除第一偏振控制器(32)外，均为单模光纤。
【文档编号】G01M11/02GK103900799SQ201410120901
【公开日】2014年7月2日 申请日期:2014年3月28日 优先权日:2014年3月28日
【发明者】杨军, 柴俊, 苑勇贵, 吴冰, 彭峰, 苑立波 申请人:哈尔滨工程大学