空芯保偏光子晶体光纤Verdet常数测量装置及方法与流程

本发明属于光纤应用技术领域，具体涉及一种基于耦合次波干涉的空芯保偏光子晶体光纤维尔德常数(verdet常数)的测量装置及方法。

背景技术：

光纤陀螺作为发展极为迅速的一种新型惯性角速度传感器，以其特有的技术和性能优势，如全固态结构、可靠性高、寿命长；启动速度快，响应时间短；测量范围大，动态范围宽；抗冲击、振动，耐化学腐蚀；体积小、重量轻、成本低；适合大批量生产等，已经广泛用于各领域。国际上通用的光纤陀螺形式为利用一套光路实现sagnac干涉仪，通过分别按照顺时针(cw)、逆时针(ccw)传播的两束主波列之间的干涉来解算载体转动导致的sagnac相移。这种干涉仪虽然结构简单，但是随着光纤陀螺应用领域的不断扩展，其体积、重量与精度之间的矛盾日益突出，以现有的技术，在维持一定尺寸及体积的前提下，进一步提高光纤陀螺的精度已经很难。

然而空芯保偏光子晶体光纤双折射高，可以提高光纤陀螺的精度。保偏光子晶体通常由单一材料的结构不对称形成几何双折射，对温度的敏感性比传统光纤低约2个数量级，可以提高陀螺的温度性能。空芯保偏光子晶体光纤弯曲损耗低，易于实现陀螺小型化。传统光纤在弯曲半径较小时易发生泄露，限制了光纤陀螺的小型化。而保偏光子晶体弯曲损耗比传统光纤小得多，有助于光纤环小型化。因而采用空芯保偏光子晶体光纤对于光纤陀螺性能的提升非常重要。

空芯保偏光子晶体光纤拥有着较好的保偏能力,对外界环境变化产生的干扰有较好的抑制，如温度、磁场等。因此在光纤通讯及传感领域有着非常广泛的应用。虽然空芯保偏光子晶体光纤的磁敏感性很弱，但当其应用于光纤陀螺的时候，磁场仍然是一个不可忽视的影响因素。磁场会使光纤陀螺产生额外的偏置，所以仍然需要准确的测定空芯保偏光子晶体光纤的verdet常数，以便指导控制光纤的磁敏感性。光纤verdet常数测量的基本原理是法拉第磁光效应。磁光效应的旋转角度与外加磁场强度b成正比，与光线在介质中穿过的距离l成正比，同时与δ有关，其关系为其中veff是等效verdet常数，而v便是所要测量光纤的verdet常数。

目前光纤的verdet常数测量方案主要针对传统的单模光纤，分为单光路测量方法和双光路测量方法。在单光路测量法中，首先光源发出的光经过一个起偏器，然后进入磁场耦合点，最后经由检偏器进入探测器，为保证最大灵敏度检偏器与起偏器之间成45°，通过探测加磁场后的光强来计算verdet常数。双光路测量方案是在单光路测量的基础上将检偏器换为偏振分束器(pbs)，pbs可以将磁光介质中传输的偏振光分为振动方向相互垂直，传播方向呈一定夹角的两束光。这两束光分别由两个探测器接收，再对两路信号进行“差除和”处理，由处理结果来计算verdet常数。若考虑线性双折射的影响，法拉第磁光效应表达式应表示为为线性双折射引起的系数，对于传统的单模光纤，其为低双折射光纤，线性双折射可以忽略不计，δ影响很小，约为1，因此其等效verdet常数较大，很容易测试，可以由以上方法测量它的verdet常数。而对于空芯保偏光子晶体光纤，其线性双折射影响较大，δ影响较大，一般很小不可以忽略，因此等效verdet常数很小，很难用以上方法来测量。因此，提出新的测量装置及方法便成为了测量空芯保偏光子晶体光纤磁敏感性的关键。

技术实现要素：

本发明的目的是为了解决上述问题，提出一种基于耦合次波干涉的空芯保偏光子晶体光纤verdet常数的测量装置及方法。

本发明的一种基于耦合次波干涉的空芯保偏光子晶体光纤verdet常数的测量装置，包括光源、y波导、待测光纤(空芯保偏光子晶体光纤)、探测器、电磁铁、直流电源、场效应管、信号发生器、锁相放大器、一维电控位移台。

本发明的一种基于耦合次波干涉的空芯保偏光子晶体光纤verdet常数的测量方法，具体包括以下步骤：

步骤一、以一定的对轴角度熔接待测光纤；

将待测光纤的两端以一定的对轴角度分别熔接在两个y波导尾纤上。

步骤二、施加调制磁场；

在靠近熔接点的位置施加一定频率的调制磁场。

步骤三、使待测光纤精密移动；

将待测光纤固定在一维电控位移台上，使位移台拖动光纤做等间距的微小位移，并实时记录锁相放大器的解调值。

步骤四、根据解调值计算verdet常数；

根据锁相放大器的解调值找到熔点附近的峰峰值，由峰峰值反推待测光纤的verdet常数。

本发明的优点在于：

(1)本发明装置简单，测量灵敏度极高；

(2)本发明的普适性好，理论上可以扩展至任何保偏光纤verdet常数的测量。

附图说明

图1是本发明一种空芯保偏光子晶体光纤verdet常数的测量装置示意图；

图2是磁场方向示意图；

图3(a)(b)是空芯保偏光子晶体光纤的测量结果图；

图中：

1-光源2-y波导a3-耦合点a

4-熔接点b5-空芯保偏光子晶体光纤6-电磁铁

7-熔接点c8-耦合点d9-y波导b

10-探测器11-信号发生器12-一维电控位移

13-锁相放大器

具体实施方式

下面将结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。

本发明是一种基于耦合次波干涉的空芯保偏光子晶体光纤verdet常数测量装置，用于测量光纤的磁敏感性。测量装置如图1所示，包括光源1、y波导a2、空芯保偏光子晶体光纤5、电磁铁6、y波导b9、探测器10、信号发生器11、一维电控位移台12和锁相放大器13。

光源1采用大功率ase光源，光源发出的光经过y波导a2后变成线偏光进入空芯保偏光子晶体光纤5，耦合点a3是y波导a2的芯片与尾纤的耦合点，设耦合角度为θ1，光在耦合点a3处产生的耦合次波为w1。空芯保偏光子晶体光纤5与y波导a2的尾纤以一定的对轴角度θ2进行熔接，形成熔接点b4，产生的耦合次波为w2，进入空芯保偏光子晶体光纤5的光在经过电磁铁6的时候，由于磁场的作用会发生偏振交叉耦合，产生的耦合次波为wm。随后光在经过y波导b9后到达探测器10，空芯保偏光子晶体光纤5与y波导b9的尾纤以90°的对轴角度进行熔接，使y波导b9充当检偏器的功能，形成了熔接点c7，产生的耦合次波为w3。同样耦合点d8是y波导a2的芯片与尾纤的耦合点，设耦合角度为θ4，产生的耦合次波为w4。最后到达探测器10的耦合次波为w1，w2，wm，w3和w4。信号发生器11对电磁铁6的磁场进行调制，探测器10探测到的被调制的信号和信号发生器11的调制信号都传输到锁相放大器13。一维电控位移台12拖动空芯保偏光子晶体光纤5做精密位移，同时锁相放大器13记录变化的解调制。

基于以上的测量装置，本发明提供一种基于耦合次波干涉的空芯保偏光子晶体光纤verdet常数测量方法，具体包括以下步骤：

步骤一、以一定的对轴角度熔接待测光纤；

如图1所示，首先将空芯保偏光子晶体光纤5以一定的对轴角度θ2熔接到y波导a2上，θ2的选取应根据以下情况进行分析：光在熔接点b4处会由于对轴角度θ2产生偏振交叉耦合，使得主波产生偏振态垂直于主波的耦合次波w2，w2是有用信号。对轴角度θ2在一定范围内越大，w2的强度越大，探测器探测到的信号也就越强因此应使对轴角度θ2尽可能的大。但w2的强度过大时会导致探测器10饱和，从而使探测器10失效。因此θ2的选取应在满足不会导致探测器10饱和的前提下尽可能的大。空芯保偏光子晶体光纤5以90°的对轴角度熔接到y波导b9上。

步骤二、施加调制磁场；

在靠近熔接点b4的地方施加调制磁场，磁场方向如图2所示。设光源1的光强为p0，从光源1到熔接点b4位置的损耗为α1，从熔接点b4到探测器10位置的损耗为α2。p1，p2，pm，p3和p4分别为w1，w2，wm，w3和w4对应的耦合次波的强度，熔接点b4产生的耦合次波w2对应的强度p2为：

p2＝(p0/α1α2)×cos²θ1×sin²θ2(1)

由磁场导致的耦合次波wm对应的强度pm为：

其中：v为光纤的verdet常数,b为调制磁场的强度，ω为调制磁场的频率，lb为光纤的拍长，l为穿过磁场区域光纤的长度。

通过选择合适的光源1，并且调整y波导a2的尾纤，y波导b9的尾纤和空芯保偏光子晶体光纤5的长度，使得只有p2和pm发生干涉，而与其他耦合次波之间均不发生干涉。

则可知p2和pm之间发生干涉的强度为

其中：p2为直流量，因此会被锁相放大器13滤掉。pm相比可以忽略不计。为光源的自相干函数，为p2和pm之间的光程差，λ是光源的平均波长，c是光速。当为0，且iint取靠近熔接点b4的最大的峰峰值时，iint可以近似的表示为：

步骤三、使待测光纤精密移动；

由于在实际测量过程中，难以判别熔接点b4和磁场耦合点的相对位置，且光纤拍长很短，一个微小的位移就会使变化比较大，从而影响式(3)中iint的结果，因此，需要使光纤做持续性周期性的精密移动，从而使熔接点b4和磁场耦合点的相对位置持续性周期性的发生改变，同时记录移动过程中的解调值。

在具体实施过程中，将空芯保偏光子晶体光纤5夹持在一维电控位移台12上，使一维电控位移台12拖动空芯保偏光子晶体光纤做周期性的精密移动，同时使用锁相放大器13同步记录干涉结果的解调值。结果如图3所示。步骤四、根据解调值计算verdet常数；

若采用跨阻为r的探测器，则对式(4)中iint-p-p产生的电压值为：

vint-p-p＝iint-p-p×r(5)

则由(4)和(5)可以反推verdet的表达式为：

以空芯保偏光子晶体光纤为例，图3(a)为空芯保偏光子晶体光纤的测试结果，图3(b)为图3(a)矩形区域的放大图。由测量原理可知，右侧第一个峰的峰峰值vp-p1为y波导尾纤的vint-p-p，而左侧第一个峰的峰峰值vp-p2为空芯保偏光子晶体光纤的vint-p-p。分别代入各自的vint-p-p以及对应的磁场值便可求出各种光纤对应的verdet常数。