CN102183360A - 光学偏振器件偏振消光比的检测方法和检测装置 - Google Patents

Abstract

一种偏振器件偏振消光比的检测方法和检测装置。检测方法：线偏光沿着待测光学偏振器件的一个主轴入射，由于偏振串扰，在出射端，得到两个正交光轴上的光信号；经干涉，并将干涉光信号进行光电转换和数据采集，得到一组离散的反应干涉光强信号的电压信号值；由公式（1）可得到每一个耦合点处的耦合强度h，再经公式（2）便可得到待测光学偏振器件的消光比。所述装置顺次包括，光源与隔离器模块、起偏模块、待测光学偏振器件、投影方向调整模块、干涉仪模块、数据采集模块和中央处理器模块。本发明通过检测耦合点的耦合强度，推导出偏振消光比，使得测量结果准确。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，具有一定的通用性。

Description

光学偏振器件偏振消光比的检测方法和检测装置

技术领域

本发明涉及光学偏振器件参数测量方法，属于光学测量技术领域，尤其涉及一种基于干涉法光学保偏器件偏振消光比的测试装置和测试方法。

背景技术

消光比是度量偏振器件(如保偏光纤、保偏光纤耦合器、偏振器、棱镜、晶体)保持偏振态稳定性能的重要指标。当一束线偏振光沿偏振器件某一主轴入射时，由于偏振器件内部残留有应力，或热不均匀引起的应力，以及制造工艺的不完善导致光学偏振器件几何形状的不完全理想，会使本来属于各向同性物质出现双折射，表现出各向异性。因此，在这些点上，在与偏振主轴正交的光轴方向上激发起耦合模，两个正交光轴上的光功率比值就是偏振消光比。假设光学偏振器件主轴即X轴，出射光功率为p_max，与主轴正交的另一光轴即Y轴，上的出射光功率为p_min，则其偏振消光比为偏振消光比越大，说明光学偏振器件的质量越好，加工精度越高，其保偏特性越优越。

消光比是表征光学器件以及光学系统性能的主要物理参数之一。如：

(1)保偏光纤的偏振消光比直接表示其传输偏振光的能力，消光比越大，其保持偏振态稳定性的能力越强。

(2)消光比表征晶体棱镜的性能，反映其精度和制造工艺水

(3)光纤陀螺是干涉型传感器，其偏振特性影响着该传感器的精度。

(4)利用磁光光纤Bragg光栅中偏振消光比特性，测量磁场。

(5)在SDH设备中光发送机的消光比直接影响到设备的性能，消光比太大或太小都不利于系统的运行。因此我们有必要对偏振消光比的测量方法进行研究。

许多科研机构已提出了若干种方法对偏振器件的消光比进行测量。例如，申请号为“200620008302.4”(“消光比及有关参数的测量”)的实用新型专利，该专利采用的偏振消光比的测量装置主要由起偏器，光电探测器，信号放大电路，A/D转换电路，电动机，CPU控制器，显示器等构成。从待测光学偏振器件出射的光穿过起偏器，照射到光电探测器上，光电探测器将光信号转化为电压信号，再经过信号放大和A/D转换，将其输入到CPU。同时，CPU控制电机，电机带动起偏器进行任意角度旋转，当起偏器旋转一周，得到光强信号的最大值和最小值。CPU通过分析比较计算得到对应的信号强度p_max和p_min，通过公式

计算出待测光学偏振器件的偏振消光比。但此种方法，需要起偏器旋转一周才会测量出结果，所需要的时间较长。

申请号为“88107782.8”(“测量光纤和光学系统偏振消光比的方法与装置”)的发明专利，该专利采用双方向双光路检测法。硬件结构主要由光源，耦合系统，偏振棱镜，两个光电探测器和除法器5部分构成。偏振棱镜与两只光电探测器装于同一转体中，转动时他们相对位置保持不变。被测系统输出的部分偏振光经过偏振棱镜分解成具有一定分数角的两种直线偏振光，转动偏振棱镜，同时由两只光电探测器分别监视这两束直线光的光强度，由这两个光强的极值之比D，计算出被测系统的偏振消光比。计算公式为η＝ρD。式中ρ是仪器常数。若用手算，则ρ＝1，若用其他仪器例如除法器等进行计算，则用k＝1的系统，对仪器定标时测出。此种方法由于采用双光路，增加了系统的成本。

发明内容

本发明目的是提供一种偏振器件消光比的新的检测方法，同时提供一种基于干涉法测量光学偏振器件偏振消光比的实现装置。

本发明提供的基于干涉法光学偏振器件偏振消光比的检测方法具体步骤如下：

第1、使线偏光沿着待测光学偏振器件的一个主轴入射，则在该光学偏振器件的各瑕疵点上、在与入射偏振主轴X轴，正交的另一轴Y轴，上激发起耦合模，则在出射端，得到两个正交光轴上的光信号，再将两个正交光轴上的光信号进行投影方向调整，分束，反射后干涉，得到干涉光强信号；

第2、对第1步得到的干涉光强信号进行光电转换和数据采集，得到一组离散的反应干涉光强信号电压信号值；

第3、对第2步得到的每一点光强信号进行耦合强度计算，最后用每一点的耦合强度值计算偏振器件的消光比，

第3.1、设偏振器件在每一个瑕疵点上由偏振主轴x耦合到与主轴x正交的另一主轴y的耦合强度为p_yi，i＝0、1、2、3、......n，则在待测光学偏振器件出射端上总的耦合强度可表示如下：

p_y＝p₁+p₂+……p_n

其中n为耦合点的个数，n的大小取决于偏振器件的制造水平以及被测偏振器件的长度；

第3.2、第3.1步所述的每一个耦合点处的耦合强度h由(1)式表示为：

h＝20logI_y/I_x＝10log(I_y/I_x)²＝10logI_y ²/I_x ²＝10logp_y/p_x………………(1)

其中I为干涉光信号的振幅；

第3.3、由(1)式可推出两个正交主轴上的耦合强度之比p_y/p_x＝10^0.1h，将各耦合点处的两个正交主轴上的耦合强度之比值相加便可得到保偏光纤的偏振消光比，如(2)示，

$\mathrm{\η}=10\log (p_y/p_x)=10\log (p_{y1}/p_x+p_{y2}/p_x+......+p_{\mathrm{yn}}/p_x)$

$=10\log ({10}^{0.1h_1}+10^{0.1h_2}+......+{10}^{0.1h_n})...\left(2\right)$

把各点的耦合强度值代入(2)式，便可得到待测光学偏振器件的消光比。

本发明同时提供了一种基于干涉法测量光学偏振器件消光比的检测装置(如图1所示)，该装置沿光信号传播方向顺次包括(7个部分)：

第一部分为光源与隔离器模块。如图2所示，主要由光源和隔离器构成。光源的出射光与隔离器相连。其作用是防止光路中由于各种原因产生的后向传输光对光源造成的不良影响，同时提高光源耦合进后面光路的光功率。

第二部分是起偏模块。如图3所示，光源与隔离模块的输出与起偏模块的输入相连，将光源发出的自然光变为线偏光。

第三部分、待测偏振器件：将起偏模块输出的线偏光沿着待测偏振器件的一个主轴入射，由于偏振器件内部残留有应力，或热不均匀引起的应力，以及制造工艺的不完善导致光学偏振器件几何形状的不完全理想，使原本属于各向同性的物质出现双折射，表现出各向异性；那么，在这些瑕疵点上，在与入射偏振主轴即X轴，正交的另一轴Y轴上会激发起耦合模，假定沿偏振主轴即X轴传播光的光功率为p_max，沿与偏振主轴正交的另一光轴Y轴上传播光的光功率为p_min，则该偏振器件的消光比如下式表示：

$\mathrm{\η}=10\log \frac{p_{\min }}{p_{\max }};$

第四部分为投影方向调整模块。一般由波片和检偏棱镜构成。此模块用于将偏振主模和耦合模投影到检偏棱镜的透光轴上。

第五部分为干涉仪模块。使用迈克尔逊或者马赫泽德干涉仪均可。用于将检偏棱镜出射的光入射到干涉仪中，首先将入射光进行分束，分束后的两束光通过光程差补偿，然后发生干涉，并将干涉光信号输入到数据采集模块。

第六部分为数据采集模块。数据采集模块由光电转换器件，数据采集卡构成。光电转换器件将干涉光强信号转换为电压信号，然后将电压信号输入到数据采集卡中进行数据采集，量化，编码实现A/D转换。再将转换后的数字信号输入到中央处理器模块。

第七部分为中央处理器模块。中央处理器模块主要由计算机，以及相关软件程序构成。软件程序实现数据处理和硬件控制以及偏振消光比计算。

本发明的优点和积极效果：

本发明可以对保偏光纤、保偏光纤耦合器、偏振器，棱镜等多种光学偏振器件的偏振消光比进行测量，故有一定的通用性。

本发明充分考虑了光学偏振器件上许多不同耦合点的合效应，通过测量耦合点的耦合强度，进而推导出偏振器件的偏振消光比，提高了测量精度，使得测量结果准确，可靠。本发明提供的测量偏振器件消光比的装置结构简单，容易搭建。

附图说明

图1是本发明的总体结构框图；

其中，1为光源与隔离模块，2为起偏模块，3为待测光学偏振器件，4为投影方向调整模块，5是干涉仪模块，6是数据采集模块，7中央处理器模块

图2是光源与隔离模块；

图3为起偏模块

图4是投影方向调整模块

图5数据采集模块

图6中央处理器模块

图7最佳实施装置系统结构图

图8迈克尔逊干涉仪模块

图9偏振消光比计算流程图。

图10实验所测耦合强度图。

具体实施方式

实施例1：

如图7所示，为本发明所述的偏振器件消光比测试的最佳实现装置系统结构图。

一、光源与隔离器模块由SLD光源(中心波长为1310nm)和隔离器组成；

二、起偏模块为光纤类型的起偏器；

三、待测光学偏振器件选择3米长熊猫保偏光纤；

四、投影方向调整模块由可旋转半波片和格兰棱镜构成；

五、干涉仪模块选择迈克尔逊干涉仪；

六、数据采集模块采用NI USB6251；

七、中央处理器模块由计算机和软件程序构成。软件采用LABVIEW语言编写，可实现数据处理和硬件控制以及偏振消光比计算。

具体工作过程及消光比计算如下：

从光源与隔离模块发出的光进入起偏器模块，变为线偏光，线偏光沿着熊猫保偏光纤的某一主轴(假设为X轴且为快轴)入射光纤中，该线偏振光在保偏光纤中以HE₁₁ ^x的模式向前传播。由于保偏光纤几何结构的不完善和纤芯内部应力的不均匀，使得线偏振光在向前传播的过程中，在这些瑕疵点上与偏振主模正交的方向，即慢轴且为Y轴，激发起耦合模

由于模式双折射的存在，偏振主模HE₁₁ ^x和偏振耦合模

以不同的速度向前传播。在光纤的出射端，两种模式产生光程差Δ。然后进入到投影方向调整模块，扩束准直透镜把发散光变为平行光，通过中央处理模块控制步进电机旋转，从而带动半波片旋转实现偏振光方向的调整；将偏振主模和偏振耦合模的方向调整到与格兰棱镜透光轴夹角45度的位置。那么偏振主模和耦合模就可以等比例的投影到格兰棱镜的透光轴上。从偏振方向调整模块出射的光入射到迈克尔选干涉仪，如图8所示。光线经过分束棱镜后，对两个偏振模进行分振幅，均匀的分成两束，反射光束向固定平面反射镜的方向传播，透射光束向扫描平面镜的方向传播，两束光线经反射镜反射后再次通过分束棱镜，通过中央处理器模块控制步进电机从而带动扫描平面镜位置改变，补偿光程差。固定臂反射光束的透射光与扫描臂反射光束的反射光，将在无穷远处发生干涉。干涉光束通过汇聚透镜后，将汇聚到汇聚透镜的后焦点处，进入数据采集模块。数据采集模块中的光电探测器，将干涉光信号转变为电压信号，输入到数据采集卡(NIUSB6251)的模拟输入口，数据采集卡将采集的模拟电压信号进行A/D转换，输入到中央处理器模块进行保存，数据采集卡同时作为步进电机的控制器与步进电机驱动器相连，给驱动器发出电机的控制信号。在中央处理器模块当中，通过用LABVIEW编写的相关程序，对采集到的数据进行滤波，耦合强度计算，消光比计算等处理，可得所测保偏光纤的偏振消光比。

设保偏光纤中每个耦合点处由快轴串扰至慢轴上的光功率为p_yi，则光纤出射端慢轴上的光功率可表为p_y＝p_y1+p_y2……p_yn，通过测试仪器可以得到每一个耦合点处的耦合强度，可由下式计算：

h＝20logI_y/I_x＝10log(I_y/I_x)²＝10logI_y2/I_x2＝10logp_y/p_x

其中I为光信号的振幅。由此可推出p_y/p_x＝10^0.1h，将各耦合点处的值相加便可得到保偏光纤的偏振消光比，如下式所示：

$\mathrm{PER}=10\log (p_y/p_x)=10\log (p_{y1}/p_x+p_{y2}/p_x+......+p_{\mathrm{yn}}/p_x)$

$=10\log ({10}^{0.1h_1}+{10}^{0.1h_2}+......+{10}^{0.1h_n})$

实验所采集的数据，经过计算显示为耦合强度，如图10所示。我们对3米长的保偏光纤进行测量，一共采集了19016个点。每30个点为一组，抽取每组数据点中的最大值，用于计算偏振消光比，即上式中的n＝633。实验系统的本底噪声为-65dB，且当耦合强度大于-55dB时，我们不认为是由于保偏光纤的内部残留应力，或热不均匀引起的应力，以及制造工艺的不完善引起的偏振耦合。即我们取耦合强度位于(-65～-55)之间的点计算偏振消光比。最终我们所测的3米长的保偏跳线的偏振消光比为-36.4dB。

Claims (3)

1.一种基于干涉法光学偏振器件偏振消光比的检测方法，其特征在于该方法具体步骤如下：

第1、使线偏光沿着待测光学偏振器件的一个主轴入射，则在该光学偏振器件的各瑕疵点上、在与入射偏振主轴即X轴，正交的另一轴Y轴上激发起耦合模，则在出射端，得到两个正交光轴上的光信号，再将两个正交光轴上的光信号进行投影方向调整，分束，反射后干涉，得到干涉光强信号；

第2、对第1步得到的干涉光强信号进行光电转换和数据采集，得到一组离散的反应干涉光强信号电压信号值；

第3、对第2步得到的每一点光强信号进行耦合强度计算，最后用每一点的耦合强度值计算偏振器件的消光比，

第3.1、设偏振器件在每一个瑕疵点上由偏振主轴x轴，耦合到与主轴x正交的另一主轴y轴的耦合强度为p_yi，i＝0、1、2、3、......n，则在待测光学偏振器件出射端上总的耦合强度可表示如下：

p_y＝p₁+p₂+……p_n

其中n为耦合点的个数，n的大小取决于偏振器件的制造水平以及被测偏振器件的长度；

第3.2、第3.1步所述的每一个耦合点处的耦合强度h由(1)式表示为：

h＝20logI_y/I_x＝10log(I_y/I_x)²＝10logI_y2I_x2＝10logp_y/p_x………………(1)

其中I为干涉光信号的振幅；

第3.3、由(1)式可推出两个正交主轴上的耦合强度之比p_y/p_x＝10^0.1h，将各耦合点处的两个正交主轴上的耦合强度之比值相加便可得到保偏光纤的偏振消光比，如(2)式所示，

$\mathrm{\η}=10\log (p_y/p_x)=10\log (p_{y1}/p_x+p_{y2}/p_x+......+p_{\mathrm{yn}}/p_x)$

$=10\log ({10}^{0.1h_1}+10^{0.1h_2}+......+{10}^{0.1h_n})...\left(2\right)$

把各点的耦合强度值代入(2)式，便可得到待测光学偏振器件的消光比。

2.一种基于干涉法测量光学偏振器件消光比的检测装置，其特征在于该装置沿光信号传播方向顺次包括：

第一部分、光源与隔离器模块：主要由光源和隔离器构成；光源的出射光与隔离器相连，其作用是防止光路中由于各种原因产生的后向传输光对光源造成的不良影响，同时提高光源耦合进后面光路的光功率；

第二部分、起偏模块：光源与隔离模块的输出与起偏模块的输入相连，将光源发出的自然光变为线偏光；

第三部分、待测光学偏振器件：将起偏模块输出的线偏光沿着待测光学偏振器件的一个主轴入射，由于偏振器件内部残留有应力，或热不均匀引起的应力，以及制造工艺的不完善导致光学偏振器件几何形状的不完全理想，使原本属于各向同性的物质出现双折射，表现出各向异性；那么，在这些瑕疵点上，在与入射偏振主轴即X轴，正交的另一轴Y轴上会激发起耦合模，假定沿偏振主轴即X轴传播光的光功率为p_max，沿与偏振主轴正交的另一光轴Y轴上传播光的光功率为p_min，则该偏振器件的消光比如下式表示：

$\mathrm{\η}=10\log \frac{p_{\min }}{p_{\max }};$

第四部分、投影方向调整模块：一般由波片和检偏棱镜构成；用于将偏振主模和耦合模投影到检偏棱镜的透光轴上；

第五部分、干涉仪模块；用于将检偏棱镜出射的光入射到干涉仪中，首先将入射光进行分束，分束后的两束光通过光程差补偿，然后发生干涉，并将干涉光信号输入到数据采集模块；

第六部分、数据采集模块：数据采集模块由光电转换器件和数据采集卡构成；光电转换器件将干涉光强信号转换为电压信号，然后将电压信号输入到数据采集卡中进行数据采集，量化，编码实现A/D转换；再将转换后的数字信号输入到中央处理器模块；

第七部分、中央处理器模块：中央处理器模块主要由计算机以及相关软件程序构成，用于实现数据处理和硬件控制，以及偏振消光比计算。

3.根据权利要求2所述的装置，其特征在于所述的偏振器件可以为保偏光纤、保偏光纤耦合器、偏振器或棱镜。

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