CN104792503A - 一种光学偏振器件分布式串扰测量灵敏度增强的装置 - Google Patents

Abstract

本发明的目的在于提供一种增强测量信号的信噪比，提高偏振串扰测量的灵敏度和动态范围，用于光学器件偏振性能的高精度测量与分析的光学偏振器件分布式串扰测量灵敏度增强的装置。一种光学偏振器件分布式串扰测量灵敏度增强的装置，包括宽谱光源、起偏器、待测偏振器件、第一光纤旋转连接器、第二光纤旋转连接器、光程解调与信号探测器、信号检测与处理装置。本发明在单一相关器测量极限的基础上，采用光程相关器两支路同步测量的结构，使用偏振分束器将传输在两偏振主轴上的信号光分离，两路干涉信号同步扫描后线性叠加，在将测量信噪比提升倍的同时，又能测量分布式串扰的绝对强度，大幅提高测量系统灵敏度和准确性。

Description

一种光学偏振器件分布式串扰测量灵敏度增强的装置

技术领域

本发明设计属于光纤测量技术领域，具体涉及到一种光学偏振器件分布式串扰测量灵敏度增强的装置。

背景技术

偏振光学器件是构成高精度光学测量与传感系统的重要组成部分，目前光学器件性能测试与评价方法和装置落后的现状，严重阻碍了高精度光学测量与传感系统的发展。例如：高精度光纤陀螺的核心器件——铌酸锂集成波导调制器(俗称Y波导)的芯片消光比已经达到80dB以上；而常用的偏振性能检测仪器——消光比测试仪，通常的检测分辨率在50dB左右(按照能量定义，即为10⁵)，分辨率最高的为美国dBm Optics公司研制Model 4810型偏振消光比，测量仪测量极限也仅有72dB。

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(POTDR)、光频域反射技术(OFDR)、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(5～10cm)、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(10⁸～10¹⁰)等优点，非常有希望发展成为一种高精度、通用化测试技术和系统。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。

20世纪90年代初，法国Herve Lefevre等人[Method for the detection of polarizationcouplings in a birefringent optical system and application of this method to the assembling of thecomponents of an optical system,US Patent 4865531]首次公开了基于白光干涉原理的OCDP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公司根据此专利研制了WIN-P 125和WIN-P 400两种型号OCDP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。

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OCDP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。与Herve Lefevre等人的方案相比，技术性能和指标相近。

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 Polarization Maintaining Fiber and OpticalBirefringent 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。

2012年，本发明申请人提出了一种提高光学器件偏振串扰测量性能的装置及方法(中国专利申请号CN201210376497.0)和一种光学器件偏振串扰测量的全光纤测试装置(中国专利申请号CN201210376496.6)，采用全光纤光程相关器结构，增加偏振分束和在线旋转连接功能，抑制拍噪声，提高测量灵敏度，在相关器中增加法拉第旋光器，增加光源的稳定性。与美国通用光电公司相比，可以将测量系统的偏振串扰灵敏度提高到-95dB的同时，使动态范围保持在优于95dB。灵敏度已经接近测量极限，在不改变光路结构、改变测量思路的情况下，测量信噪比及灵敏度将很难得到明显提升。

2013年，本发明申请人提出了一种大扫描量程光学相干域偏振测量装置(中国专利申请号CN201310739313.4)，使用多个连续式光程扩展单元级联，并使单元中的扫描光学器件成对出现，实现光程扫描扩展，抑制扫描器强度浮动对测量的影响。主要解决的问题是如何提高偏振串扰测量的准确度和稳定性，测量灵敏度性能没有改善。

2014年，本发明申请人提出了一种可抑制干涉噪声的光学相干偏振测量装置(中国专利申请号CN201410120901.4)，采用全光纤型偏振态控制器消除光学器件残余光反射，使用法拉第旋光器的光程解调装置克服干涉中的偏振衰落效应，有效抑制干涉噪声；提出带有光程扫描位置和速度校正的光学相干域偏振测量装置(中国专利申请号CN201410120591.6)，通过对光程扫描的校正，提高了偏振测量装置的空间精度和探测灵敏度。但是，以上装置均未对测试系统的信噪比有明显提升，并且所使用大多为保偏光纤，会引起偏振串扰噪声的增加。

为进一步提高偏振串扰的测试性能，包括测量信噪比、灵敏度和动态范围等，特别是在保证器件测量长度和降低测试系统搭建难度的同时，提升测量系统的信噪比，进而提高测量灵敏度，成为研究的热点。使测量干涉信号光的增强幅度高于测量系统噪声的增强幅度，这样就可使系统的信噪比获得进一步的提升，提高测量灵敏度。

本发明提供了一种光学偏振器件分布式串扰测量灵敏度增强的装置与方法，通过对信号光进行偏振分束，扩展相关器的路数，采用光学两路相关器进行叠加的方法，增强信号强度，实现信噪比的提升。本发明可以广泛用于光学器件偏振性能的高精度测量与分析中。

发明内容

本发明的目的在于提供一种增强测量信号的信噪比，提高偏振串扰测量的灵敏度和动态范围，用于光学器件偏振性能的高精度测量与分析的光学偏振器件分布式串扰测量灵敏度增强的装置。

本发明的目的是这样实现的：

一种光学偏振器件分布式串扰测量灵敏度增强的装置，包括宽谱光源501、起偏器511、待测偏振器件522、第一光纤旋转连接器521、第二光纤旋转连接器523、光程解调与信号探测器530、信号检测与处理装置560；

宽谱光源501通过起偏器511、第一旋转连接器521与待测光纤器件522通过保偏光纤连接，第一旋转连接器521使起偏器511的输出尾纤与待测光纤器件522的输入尾纤偏振特征轴完成0°～45°对准，将起偏器511输出的线偏光在待测光纤器件522的快轴、慢轴上产生相同的传输光分量，经过待测光纤器件522后，线偏光在快轴上的传输光分量部分向慢轴耦合，线偏光在慢轴上的传输光分量部分向快轴耦合，待测光纤器件522通过第二旋转连接器523与光程相关器530连接，第二旋转连接器523使待测量器件的输出尾纤与光程相关器530输入尾纤的偏振征轴实现0°～0°对准，使光程解调与信号探测器530输入尾纤快轴中传输快轴中的传输光分量和慢轴上向快轴中的耦合光、慢轴中传输慢轴中的传输光分量和快轴上向慢轴中的耦合光；

光程解调与信号探测器530，由1×2偏振分束器531、第一支路光程相关器540、第二支路光程相关器541和探测器组成，1×2偏振分束器531将光程解调与信号探测器530输入尾纤中快轴与慢轴中的光束分离，一路输出快轴中的传输光分量和慢轴上向快轴中的耦合光、一路输出慢轴中的传输光分量和快轴上向慢轴中的耦合光；

经由1×2偏振分束器531输出的两路分束光分别通过单模光纤传输至光程相关器的第一支路光程相关器540、第二支路光程相关器541中，在两个支路光程相关器各自固定长度光程参考臂和长度可变光程扫描臂中传输后进行干涉，两个支路光程相关器中的探测器和信号检测与处理装置560连接，并对两个支路光程相关器产生的信号进行线性叠加处理和分析，获得最终干涉信号，干涉信号的数值与偏振串扰的幅值、输入光能量的乘积成正比，其光程扫描位置与偏振串扰点发生的位置相对应。

所述的光程解调与信号探测器530，对于第一支路光程相关器和第二支路光程相关器的光程扫描臂结构与参数相同，两固定长度光程参考臂结构与参数相同；两个支路光程相关器共用同一个光程扫描延迟线549；光程扫描延迟线549处于运动起点位置时，每路的光程固定参考臂的绝对光程大于光程相关扫描臂；对两个支路光程相关器探测信号进行线性叠加处理。

所述的光程解调与信号探测器530，由Michelson式光程解调与探测器630组成，通过待测器件及旋转连接器的线偏振光信号注入到1×2偏振分束器631的保偏输入端ps1，第一路单模光纤输出端ps2、第二路单模光纤输出端ps3分别注入到Michelson式光程解调与信号探测器530的第一支路光程相关器640和第二支路光程相关器650，信号光注入到第一2×2光纤耦合器641、第二2×2光纤耦合器651中去，从第一输入端bs2、第二输入端bs5输入，第一输出端口bs1、第二输出端口bs6分别输出两相干支路信号光，第一支路光程相关器640和第二支路光程相关器650均由第一2×2光纤耦合器641、第二2×2光纤耦合器651、普通单模光纤、第一法拉第旋转反射镜644、第二法拉第旋转反射镜654、第一自聚焦准直透镜643、第二自聚焦准直透镜653、第一法拉第旋转器642、第二法拉第旋转器652、可移动光学反射镜649以及第一探测器645、第二探测器655组成；在Michelson式光程解调与探测器630的第一支路，第一耦合器641的第一输出端bs3连接法拉第旋转反射镜644，组成固定长度光程参考臂，第一耦合器641的第二输出端bs4连接法拉第旋转器642并与自聚焦准直透镜643和可移动光学反射镜649组成光程扫描臂，通过固定长度光程参考臂和光程扫描臂的两路光在第一探测器645上接收；在光程相关器630的第二支路，第二耦合器651的第一输出端bs7连接法拉第旋转器652并与自聚焦准直透镜653和可移动光学反射镜649组成光程扫描臂，第二耦合器651的第二输出端bs8连接法拉第旋转反射镜654，组成固定长度光程参考臂，通过固定长度光程参考臂和光程扫描臂的两路光在第二探测器654上接收。

所述光程解调与信号探测器530由Mach-Zehnder式光程解调与探测器730组成，通过待测器件及旋转连接器的线偏振光信号注入到1×2偏振分束器731的保偏输入端ps4，第一路单模光纤输出端ps5与第二路单模光纤输出端ps6分别注入到Mach-Zehnder式光程解调与探测器730的第一支路光程相关器740、第二支路光程相关器750，信号光注入到第一1×2分束器732、第二1×2分束器738中去，从第一输入端bs9、第二输入端bs16输入，第一支路相关器740、第二支路相关器750各自两输出端口，分别作差分处理后以两相干支路信号光输出，第一支路光程相关器740、第二支路光程相关器750均由1×2分束器、普通单模光纤、偏振态控制器、2×2耦合器、环形器、准直镜、可移动光学反射镜744以及探测器组成，在Mach-Zehnder式光程解调与探测器730的第一支路，1×2分束器732将通过偏振分束器731的信号光分为两束，一束通过普通单模光纤连接偏振态控制器构成固定长度光程参考臂，一束通过准直镜734和可移动光学反射镜744组成光程扫描臂，通过固定长度光程参考臂和光程扫描臂的两路光在第一探测器736和第二探测器737上差分接收；在Mach-Zehnder式光程解调与探测器730的第二支路，1×2分束器738将通过偏振分束器731的信号光分为两束，一束通过普通单模光纤连接偏振态控制器构成固定长度光程参考臂，一束通过准直镜741和可移动光学反射镜744组成光程扫描臂，通过固定长度光程参考臂和光程扫描臂的两路光在第三探测器742和第四探测器743上差分接收。

起偏器511，第一旋转连接器521、第二旋转连接器523，待测光纤器件522，光程解调与信号探测器530，探测器，波长工作范围能够覆盖宽谱光源501的发射光谱；起偏器511的输出尾纤，偏振分束器531输入尾纤均工作在单模、偏振保持状态；偏振分束器531输出尾纤、光程相关器530，探测器均工作在单模状态。

本发明的有益效果在于：

(1)在单一相关器测量极限的基础上，采用光程相关器两支路同步测量的结构，使用偏振分束器将传输在两偏振主轴上的信号光分离，两路干涉信号同步扫描后线性叠加，在将测量信噪比提升2倍(3dB)的同时，又能测量分布式串扰的绝对强度，大幅提高测量系统灵敏度和准确性。

(2)除宽谱光源与光程解调与信号探测器中偏振分束器的输入尾纤之间连接需要使用保偏光纤外，在光程相关器中所有的光纤与器件均工作在普通单模状态，降低对光学器件和连接光纤的要求，利于测量系统的高效搭建。

(3)利用同一扫描台对两相干支路相关器进行同步扫描，避免因增加扫描台而增加系统的不稳定性、体积和成本，即可在不另外增加光学延迟线的基础上拓展测量支路、增强系统信噪比。

附图说明

图1是光学器件的分布式偏振串扰测量的光学原理示意图；

图2是偏振串扰形成的干涉信号幅度与光程对应关系示意图；

图3是光学偏振器件分布式串扰测量灵敏度增强装置的技术方案示意图；

图4是使用单一相关器的光学器件偏振串扰测量的光路示意图；

图5是基于Michelson式光程解调与探测器的增强光学器件偏振串扰测量方案的光路示意图；

图6是Michelson式光程解调与探测器的技术方案示意图；

图7是Mach-Zehnder式光程解调与探测器的技术方案示意图；

图8是使用Michelson式光程解调与探测器增强光学器件偏振串扰测量信噪比的技术方案示意图；

图9是使用Mach-Zehnder式光程解调与探测器增强光学器件偏振串扰测量信噪比的技术方案示意图。

具体实施方式

为清楚地说明本发明提高光学器件分布式偏振串扰测量性能的方法与装置，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。

本发明提供了一种光学偏振器件分布式串扰测量灵敏度增强的装置，其特征是向待测器件的快、慢两个偏振主轴同时注入线偏光，并使快、慢轴上传输信号光的能量相等，待测器件之后连接的偏振分束器使传输在两偏振主轴中的光信号分离(包括传输光和耦合光信号)，共用同一光学延迟线的两个光程相关器同时实现快、慢轴两个偏振主轴中分布式偏振串扰的测量，通过对该测量信号的线性叠加处理，使测量灵敏度和动态范围提升倍。该装置在全光纤偏振串扰测量系统的基础上，通过优化测量装置光路结构和参数，可以实现测量灵敏度增强和动态范围的增强，广泛用于保偏光纤、集成波导调制器(Y波导)等光学器件偏振性能的高精度测量与分析。

一种光学偏振器件分布式串扰测量灵敏度增强的装置，包括宽谱光源、起偏器、待测偏振器件、光纤旋转连接器、光程解调与信号探测器、信号检测与处理装置，其特征是：

(1)宽谱光源通过起偏器、第1旋转连接器与待测光纤器件通过保偏光纤连接，第1旋转连接器使起偏器的输出尾纤与待测光纤器件的输入尾纤偏振特征轴完成0°～45°对准，将起偏器输出的线偏光在待测光纤器件的快轴、慢轴上产生相同的传输光分量，经过待测光纤器件后，线偏光在快轴上的传输光分量会部分向慢轴耦合，线偏光在慢轴上的传输光分量部分向快轴耦合，待测光纤器件通过第2旋转连接器与光程相关器连接，第2旋转连接器使待测量器件的输出尾纤与光程相关器输入尾纤的偏振征轴实现0°～0°对准，使光程解调与信号探测器输入尾纤快轴中传输快轴中的传输光分量和慢轴上向快轴中的耦合光、慢轴中传输慢轴中的传输光分量和快轴上向慢轴中的耦合光。

(2)光程解调与信号探测器，由1×2偏振分束器、第1、第2支路光程相关器和探测器组成。1×2偏振分束器将光程解调与信号探测器输入尾纤中快轴与慢轴中的光束分离，一路输出快轴中的传输光分量和慢轴上向快轴中的耦合光、一路输出慢轴中的传输光分量和快轴上向慢轴中的耦合光。

经由1×2偏振分束器输出的两路分束光分别通过单模光纤传输至光程相关器的第1、第2支路光程相关器中，在第1、第2支路光程相关器各自固定长度光程参考臂和长度可变光程扫描臂中传输后进行干涉，第1、第2支路光程相关器中的探测器和信号检测与处理装置连接，并对第1、第2支路光程相关器产生的信号进行线性叠加处理和分析，获得最终干涉信号。干涉信号的数值与偏振串扰的幅值、输入光能量的乘积成正比，其光程扫描位置与偏振串扰点发生的位置相对应。

光程解调与信号探测器，其特征是：对于第1、第2支路光程相关器，其光程扫描臂结构与参数相同，两固定长度光程参考臂结构与参数相同；第1、第2支路光程相关器共用同一个光程扫描延迟线；光程扫描延迟线处于运动起点位置时，每路的光程固定参考臂的绝对光程略大于光程相关扫描臂；对第1、第2支路光程相关器探测信号进行线性叠加处理。较典型的结构包括Michelson式光程解调与探测器和Mach-Zehnder式光程解调与探测器等。

光程解调与信号探测器，其特征是：可由Michelson式光程解调与探测器组成，通过待测器件及旋转连接器的线偏振光信号注入到1×2偏振分束器的保偏输入端，两路单模光纤输出端分别注入到Michelson式光程解调与信号探测器的两支路光程相关器。信号光注入到2×2光纤耦合器中去，从两输入端输入，两输出端口分别输出两相干支路信号光。两支路光程相关器均由2×2耦合器、普通单模光纤、法拉第旋转反射镜、自聚焦准直透镜、法拉第旋转器、可移动光学反射镜以及探测器组成。在Michelson式光程解调与探测器的第1支路，第1耦合器的第1输出端连接法拉第旋转反射镜，组成固定长度光程参考臂，第1耦合器的第2输出端连接法拉第旋转器并与自聚焦准直透镜和可移动光学反射镜组成光程扫描臂，通过固定长度光程参考臂和光程扫描臂的两路光在第1探测器上接收；在光程相关器的第2支路，第2耦合器的第1输出端连接法拉第旋转器并与自聚焦准直透镜和可移动光学反射镜组成光程扫描臂，第2耦合器的第2输出端连接法拉第旋转反射镜，组成固定长度光程参考臂，通过固定长度光程参考臂和光程扫描臂的两路光在第2探测器上接收。

光程解调与信号探测器，其特征是：可由Mach-Zehnder式光程解调与探测器组成，通过待测器件及旋转连接器的线偏振光信号注入到1×2偏振分束器的保偏输入端，两路单模光纤输出端分别注入到Mach-Zehnder式光程解调与探测器的两支路光程相关器。信号光注入到1×2分束器中去，从两输入端输入，两支路相关器各自两输出端口分别作差分处理后以两相干支路信号光输出。两支路光程相关器均由1×2分束器、普通单模光纤、偏振态控制器、2×2耦合器、环形器、准直镜、可移动光学反射镜以及探测器组成。在Mach-Zehnder式光程解调与探测器的第1支路，1×2分束器将通过偏振分束器的信号光分为两束，一束通过普通单模光纤连接偏振态控制器构成固定长度光程参考臂，一束通过准直镜和可移动光学反射镜组成光程扫描臂，通过固定长度光程参考臂和光程扫描臂的两路光在第1探测器和第2探测器上差分接收；在Mach-Zehnder式光程解调与探测器的第2支路，1×2分束器将通过偏振分束器的信号光分为两束，一束通过普通单模光纤连接偏振态控制器构成固定长度光程参考臂，一束通过准直镜和可移动光学反射镜组成光程扫描臂，通过固定长度光程参考臂和光程扫描臂的两路光在第3探测器和第4探测器上差分接收。

起偏器，第1、第2旋转连接器，待测光纤器件，光程解调与信号探测器，探测器，其特征是：波长工作范围能够覆盖宽谱光源的发射光谱；起偏器的输出尾纤，偏振分束器输入尾纤均工作在单模、偏振保持状态；偏振分束器输出尾纤、光程相关器，探测器均工作在单模状态。

本发明是对基于白光干涉原理的光学相干域偏振测试系统(OCDP)的一种技术改进。OCDP的工作原理如图1所示，以保偏光纤的性能测试为例，由宽谱光源发出的高稳定宽谱偏振光101注入到一定长度的保偏光纤121的慢轴(快轴时，原理相同)。由于制作时几何结构存在缺陷、预先施加应力的非理想作用，或者在外界温度和载荷的作用下，使光纤中存在某缺陷点111。信号光沿慢轴传输时，当信号光传输到缺陷点111时，慢轴中的一部分光能量就会耦合到正交的快轴中，形成耦合光束103，剩余的传输光束102依旧沿着慢轴传输。光纤存在线性双折射Δn(例如：5×10^-4)，使慢轴的折射率大于快轴折射率，当光纤的另外一端输出时(传输距离为l)，则传输在慢轴的传输光102和传输在快轴的耦合光103之间将存在一个光程差Δnl。上述光束通过焊接点或者旋转连接头112，将传输光和耦合光偏振态旋转45°后，进入光程相关器130中。在光程相关器130中，光学分束镜132、固定反射镜133、移动反射镜134组成一个Michelson光学干涉仪。光束102和103经过检偏器131偏振极化后，由分光器132分别均匀地分成两部分。如图2所示，由传输光201和耦合光202组成参考光束，传输在干涉仪的固定臂中，经过固定反射镜133的反射后回到分光器132；由传输光203和耦合光204组成扫描光束，同样经过移动反射镜134的反射后也回到分光器132，两部分光汇聚在探测器137上形成白光干涉信号，被其接收并将光信号转换为电信号。此信号经过信号解调电路151处理后，送入测量计算机152中；测量计算机152另外还要负责控制移动反射镜134实现光程扫描。

如图2所示，在测量计算机152的控制下，Michelson干涉仪的移动反射镜134使干涉仪两臂的光程差从Δnl经过零，扫描至-Δnl：

(1)当光程差等于Δnl时，扫描光束中耦合光204与参考光束中的传输光201光程发生匹配，则产生白光干涉信号，其峰值幅度为它与缺陷点的耦合幅度因子和光源强度成正比；

(2)当光程差为零时，参考光束201、202分别与扫描光束中的传输光205、耦合光206光程发生匹配，分别产生白光干涉信号，其峰值幅度为二者的强度叠加，其幅度为I_main∝I₀，它与光源输入功率成正比。如图可知，与前一个白光干涉信号相比，两个白光干涉信号峰值之间的光程差刚好为Δnl。如果已知光学器件的线性双折射Δn，则可以计算得到缺陷点发生的位置l，而通过干涉信号峰值强度的比值可以计算得到缺陷点的功率耦合大小ρ；

(3)当光程差等于-Δnl时，扫描光束中传输光207与参考光束中的耦合光202光程发生匹配，则产生白光干涉信号，其峰值幅度为它与光程差为Δnl时相同。如图可知，与光程差为Δnl时相比，此白光干涉信号与之在光程上对称，幅度上相同。

偏振串扰ρ可以根据光程差为Δnl或者-Δnl获得的偏振串扰信号幅度I_coupling，以及光程差为零时获得传输光信号幅度I_main计算得到：

$\frac{I_{\mathrm{coupling}}}{I_{\mathrm{main}}}=\sqrt{\mathrm{\ρ}(1-\mathrm{\ρ})}---\left(1\right)$

由于一般偏振串扰远小于1，因此(1)式变化为：

$\frac{I_{\mathrm{coupling}}}{I_{\mathrm{main}}}=\sqrt{\mathrm{\ρ}}---\left(2\right)$

如图1所示的光学相干偏振测试中，光路采用对传输光和耦合光的能量均分的方式，有P_x＝P_r＝P_s+P_c＝P_s+ρP_s＝P_s(1+ρ)，其中P_s为传输光强度，P_c为耦合光强度，ρ为耦合系数，一般情况下，ρ＜＜1。

偏振耦合的信号幅度可以表示成为：

$P=2\sqrt{P_s{P}_c}=2P_s\sqrt{\mathrm{\ρ}}---\left(4\right)$

可见，在白光干涉原理的光学相干域偏振测试系统(OCDP)使用一个光程相关器时，不考虑电路热噪声的情况下，检测的信噪比表示为：

$\frac{{4P}_s{P}_c}{{\mathrm{\σ}}_i^2}=\frac{4\mathrm{\ρ}{P}_s^2}{{\mathrm{\σ}}_i^2}---\left(5\right)$

对于采用光程相关器的偏振串扰测试方案，在第1旋转连接器521以0°～45°对准的情况下，宽谱光源501发出的偏振光注入到一定长度的待测光纤522中去(如图5中5A)，偏振光在快轴和慢轴方向上都存在幅度相同的传输光分量，以快轴方向的传输光分量为I_s1，以慢轴方向的传输光分量为I_s2，由于制作时几何结构的缺陷、预先施加应力的非理想作用及外界温度和载荷的作用，当两传输光分量传输到缺陷点时，分别向各自的正交轴耦合一部分能量(如图5中5B)，形成耦合光束I_c1和I_c2，其中I_c2在快轴方向传输，其中I_c1在慢轴方向传输。

由于是0°～45°对准，两支路传输光强度分量：

P_s1＝P_s2   (6)

两支路耦合光分量：

$\left\{\begin{array}{c}{P}_{c1}=\mathrm{\ρ}{P}_{s1}\\ P_{c2}=\mathrm{\ρ}{P}_{c2}\end{array}\right.---\left(7\right)$

在两支路探测器上测得的信号幅度可表示为：

$\left\{\begin{array}{c}{P}_1=2\sqrt{P_{s1}{P}_{c2}}=2\sqrt{P_{s1}\×\mathrm{\ρ}{P}_{s2}}=2\sqrt{\mathrm{\ρ}}{P}_{s1}\\ P_2=2\sqrt{P_{s2}{P}_{c1}}=2\sqrt{P_{s2}\×\mathrm{\ρ}{P}_{s1}}=2\sqrt{\mathrm{\ρ}}{P}_{s1}\end{array}\right.---\left(8\right)$

对于两探测支路噪声：

${\mathrm{\σ}}_{i1}^2={\mathrm{\σ}}_{i2}^2---\left(9\right)$

光程相关器的每一支路：

$\left\{\begin{array}{c}\frac{{4P}_{s1}{P}_{c2}}{{\mathrm{\σ}}_{i1}^2}=\frac{4\mathrm{\ρ}{P_{s1}}^2}{{\mathrm{\σ}}_{i1}^2}\\ \frac{{4P}_{s2}{P}_{c1}}{{\mathrm{\σ}}_{i2}^2}=\frac{4\mathrm{\ρ}{P_{s1}}^2}{{\mathrm{\σ}}_{i2}^2}\end{array}\right.---\left(10\right)$

使两支路信号叠加时，由于两支路幅度相同，且满足干涉信号满足振幅叠加的特征，所以探测叠加后的信号幅度：

$P=P_1+P_2=4\sqrt{\mathrm{\ρ}}{P}_{s1}---\left(11\right)$

光程相关器的两支路噪声满足功率叠加，所以，相关器的最终输出：

$\frac{P^2}{{\mathrm{\σ}}_{i1}^2+{\mathrm{\σ}}_{i2}^2}=\frac{16\mathrm{\ρ}{P_{s1}}^2}{{\mathrm{\σ}}_{i1}^2+{\mathrm{\σ}}_{i2}^2}=2\×\frac{4\mathrm{\ρ}{P_{s1}}^2}{{\mathrm{\σ}}_{i1}^2}---\left(12\right)$

对比式(5)与式(12)，采用光程相关器相叠加时，由于干涉信号幅度叠加、噪声功率叠加，对信号强度的提升幅度要强于噪声强度的增加幅度，相较于单一的相关器结构，可使系统信噪比提升倍，提升测量系统的灵敏度和动态范围。

基于光程相关器的分布式偏振串扰测量方案，如图4所示。主要光电器件的选择及其参数如下：

(1)宽谱光源501的中心波长1550nm、半谱宽度大于45nm，出纤功率大于2mW，消光比大于6dB；

(2)光纤起偏器511的工作波长为1550nm，消光比为30dB，插入损耗小于1dB，输入端为单模光纤，输出为熊猫型保偏光纤；

(3)第1、第2光纤旋转连接器521、523的插入损耗为1dB；待测光纤器件622为200m熊猫型保偏光纤；

(4)1×2偏振分束器631、731的工作波长为1550nm，消光比大于20dB，插入损耗小于0.5dB；

(5)法拉第旋转反射镜644、654的工作波长为1550nm，旋光角度90±1°，插入损耗小于0.6dB；

(6)法拉第旋转器642、652的工作波长为1550nm，旋光角度45±1°，插入损耗小于0.3dB；

(7)1×2分束器732、738的的工作波长为1550nm插入损耗小于0.5dB；

(8)2×2光纤耦合器641、651、735、741的工作波长为1550nm，，输入输出尾纤bs1～bs22均为普通光纤，分束比为1:1，插入损耗小于0.1dB。

(9)三端口环形器733、739的工作波长为1550nm，插入损耗为0.8dB，隔离度大于50dB；

(10)偏振态控制器745、746的工作波长为1550nm，插入损耗为0.5dB；

(11)自聚焦准直透镜644、654、734、741的工作波长为1550nm，它们与可移动光学反射镜649、744(反射率为92％以上)之间的光程扫描距离大约在0～400mm之间变化，平均插入损耗为3.0dB；

(12)反射镜644、654的工作波长为1550nm，插入损耗小于0.6dB；

(13)光电探测器651、654、736、737、742、743的光敏材料均为InGaAs，光探测范围为1100～1700nm，如采用New Focus公司的Nirvana^TM系列2017型平衡探测器。

测量装置的工作过程如下：

装置1：基于Michelson式光程解调与探测器的增强光学器件偏振串扰测量装置

宽谱光源501的输出光经过起偏器511成为线偏光，通过第1旋转连接器521与待测光纤器件522连接，调节第1旋转连接器521的对准角度为0°～45°，使线偏光耦合到待测光纤器件522的两个偏振特征轴中，成为幅度相同的两传输光分量，如图5中5A所示。两传输光在待测光纤器件522传输过程中，在缺陷点处会产生向各自正交轴上的耦合光分量。调节第2旋转连接器523的对准角度为0°～0°，使偏振正交的两正交信号光对准偏振分束器631输入尾纤的两正交方向，分束后的两路信号光I_s1、I_c2和耦合光I_s2、I_c1，分别在偏振分束器631的两单模输出尾纤中传输至Michelson式光程解调与信号探测器630结构中。

对于第1支路光程相关器640，在普通单模光纤传输的信号光分量经过2×2光纤耦合器641分为两束信号光分别到达光程扫描臂和固定参考臂，固定光程参考臂中的信号光经过法拉第旋转反射镜644返回2×2光纤耦合器641，光程扫描臂中的信号光经过法拉第旋转器642和准直镜643后照射在可移动光学反射镜649上，反射后的信号光再次经过准直镜643通过2×2光纤耦合器与光程扫描臂中的信号光在第1探测器645上产生干涉；

对于第2支路光程相关器650，在普通单模光纤传输的传输光和耦合光分量经过2×2光纤耦合器651分为两束信号光分别到达光程扫描臂和固定参考臂，固定光程参考臂中的信号光经过法拉第旋转反射镜654返回2×2光纤耦合器651，光程扫描臂中的信号光经过法拉第旋转器652和准直镜653后照射在可移动光学反射镜649上，反镜后的信号光再次经过准直镜653通过2×2光纤耦合器与光程扫描臂中的信号光在第2探测器上655产生干涉。

在两支路光程扫描臂和固定光程参考臂扫描匹配过程中，在第1、2探测器上接受到的干涉信号，经过信号线性叠加处理，获得最终的测量信号，使干涉信号的信噪比进一步提升。

装置2:基于Mach-Zehnder式光程解调与探测器的增强光学器件偏振串扰测量装置

宽谱光源501的输出光经过起偏器511成为线偏光，通过第1旋转连接器521与待测光纤器件522连接，调节第1旋转连接器521的对准角度为0°～45°，调节第2旋转连接器523的对准角度为0°～0°，使偏振正交的两正交信号光对准偏振分束器731输入尾纤的两正交方向，分束后的两路信号光I_s1、I_c2和耦合光I_s2、I_c1，分别在偏振分束器731的两单模输出尾纤中传输至Mach-Zehnder式光程解调与信号探测器730结构中。

对于第1支路光程相关器740，在普通单模光纤传输的信号光分量经过1×2分束器732分为两束信号光分别到达光程扫描臂和固定参考臂，固定光程参考臂中的信号光经过偏振态控制器745传输至2×2光纤耦合器735，光程扫描臂中的信号光经过环形器733，通过准直镜734和可移动光学反射镜744将信号光反射至2×2光纤耦合器735，两臂信号光在探测器736、737上接收形成差分干涉信号；

对于第2支路光程相关器，在普通单模光纤传输的信号光分量经过1×2分束器738分为两束信号光分别到达光程扫描臂和固定参考臂，固定光程参考臂中的信号光经过偏振态控制器746传输至2×2光纤耦合器735，光程扫描臂中的信号光经过环形器739，通过准直镜741和可移动光学反射镜744将信号光反射至2×2光纤耦合器735，两臂信号光在探测器742、743上接收形成差分干涉信号。

两支路的差分干涉信号可在消除直流光强的影响，获得倍增的交流干涉项，然后对差分干涉信号进行叠加处理，进一步提升偏振串扰测量信噪比。

通过以上两种不同的光程解调与信号探测器可见，对于增强光学器件偏振串扰测量信噪比的装置，针对不同光程相关器，经过上述的测量过程，均可得到分布式偏振串扰幅值。由于采用光程相关器使两路同步测量，干涉信号的幅度叠加，系统噪声的能量叠加，可使系统的信噪比在相同的结构下比单路测量提升倍，约3dB。

Claims (5)

1.一种光学偏振器件分布式串扰测量灵敏度增强的装置，包括宽谱光源(501)、起偏器(511)、待测偏振器件(522)、第一光纤旋转连接器(521)、第二光纤旋转连接器(523)、光程解调与信号探测器(530)、信号检测与处理装置(560)，其特征在于：

宽谱光源(501)通过起偏器(511)、第一旋转连接器(521)与待测光纤器件(522)通过保偏光纤连接，第一旋转连接器(521)使起偏器(511)的输出尾纤与待测光纤器件(522)的输入尾纤偏振特征轴完成0°～45°对准，将起偏器(511)输出的线偏光在待测光纤器件(522)的快轴、慢轴上产生相同的传输光分量，经过待测光纤器件(522)后，线偏光在快轴上的传输光分量部分向慢轴耦合，线偏光在慢轴上的传输光分量部分向快轴耦合，待测光纤器件(522)通过第二旋转连接器(523)与光程相关器(530)连接，第二旋转连接器(523)使待测量器件的输出尾纤与光程相关器(530)输入尾纤的偏振征轴实现0°～0°对准，使光程解调与信号探测器(530)输入尾纤快轴中传输快轴中的传输光分量和慢轴上向快轴中的耦合光、慢轴中传输慢轴中的传输光分量和快轴上向慢轴中的耦合光；

光程解调与信号探测器(530)，由1×2偏振分束器(531)、第一支路光程相关器(540)、第二支路光程相关器(541)和探测器组成，1×2偏振分束器(531)将光程解调与信号探测器(530)输入尾纤中快轴与慢轴中的光束分离，一路输出快轴中的传输光分量和慢轴上向快轴中的耦合光、一路输出慢轴中的传输光分量和快轴上向慢轴中的耦合光；

经由1×2偏振分束器(531)输出的两路分束光分别通过单模光纤传输至光程相关器的第一支路光程相关器(540)、第二支路光程相关器(541)中，在两个支路光程相关器各自固定长度光程参考臂和长度可变光程扫描臂中传输后进行干涉，两个支路光程相关器中的探测器和信号检测与处理装置(560)连接，并对两个支路光程相关器产生的信号进行线性叠加处理和分析，获得最终干涉信号，干涉信号的数值与偏振串扰的幅值、输入光能量的乘积成正比，其光程扫描位置与偏振串扰点发生的位置相对应。

2.根据权利要求1所述的一种光学偏振器件分布式串扰测量灵敏度增强的装置，其特征在于：所述的光程解调与信号探测器(530)，对于第一支路光程相关器和第二支路光程相关器的光程扫描臂结构与参数相同，两固定长度光程参考臂结构与参数相同；两个支路光程相关器共用同一个光程扫描延迟线(549)；光程扫描延迟线(549)处于运动起点位置时，每路的光程固定参考臂的绝对光程大于光程相关扫描臂；对两个支路光程相关器探测信号进行线性叠加处理。

3.根据权利要求1所述的一种光学偏振器件分布式串扰测量灵敏度增强的装置，其特征在于：所述的光程解调与信号探测器(530)，由Michelson式光程解调与探测器(630)组成，通过待测器件及旋转连接器的线偏振光信号注入到1×2偏振分束器(631)的保偏输入端(ps1)，第一路单模光纤输出端(ps2)、第二路单模光纤输出端(ps3)分别注入到Michelson式光程解调与信号探测器(530)的第一支路光程相关器(640)和第二支路光程相关器(650)，信号光注入到第一2×2光纤耦合器(641)、第二2×2光纤耦合器(651)中去，从第一输入端(bs2)、第二输入端(bs5)输入，第一输出端口(bs1)、第二输出端口(bs6)分别输出两相干支路信号光，第一支路光程相关器(640)和第二支路光程相关器(650)均由第一2×2光纤耦合器(641)、第二2×2光纤耦合器(651)、普通单模光纤、第一法拉第旋转反射镜(644)、第二法拉第旋转反射镜(654)、第一自聚焦准直透镜(643)、第二自聚焦准直透镜(653)、第一法拉第旋转器(642)、第二法拉第旋转器(652)、可移动光学反射镜(649)以及第一探测器(645)、第二探测器(655)组成；在Michelson式光程解调与探测器(630)的第一支路，第一耦合器(641)的第一输出端(bs3)连接法拉第旋转反射镜(644)，组成固定长度光程参考臂，第一耦合器(641)的第二输出端(bs4)连接法拉第旋转器(642)并与自聚焦准直透镜(643)和可移动光学反射镜(649)组成光程扫描臂，通过固定长度光程参考臂和光程扫描臂的两路光在第一探测器(645)上接收；在光程相关器(630)的第二支路，第二耦合器(651)的第一输出端(bs7)连接法拉第旋转器(652)并与自聚焦准直透镜(653)和可移动光学反射镜(649)组成光程扫描臂，第二耦合器(651)的第二输出端(bs8)连接法拉第旋转反射镜(654)，组成固定长度光程参考臂，通过固定长度光程参考臂和光程扫描臂的两路光在第二探测器(654)上接收。

4.根据权利要求2所述的一种光学偏振器件分布式串扰测量灵敏度增强的装置，其特征在于：所述光程解调与信号探测器(530)由Mach-Zehnder式光程解调与探测器(730)组成，通过待测器件及旋转连接器的线偏振光信号注入到1×2偏振分束器(731)的保偏输入端(ps4)，第一路单模光纤输出端(ps5)与第二路单模光纤输出端(ps6)分别注入到Mach-Zehnder式光程解调与探测器(730)的第一支路光程相关器(740)、第二支路光程相关器(750)，信号光注入到第一1×2分束器(732)、第二1×2分束器(738)中去，从第一输入端(bs9)、第二输入端(bs16)输入，第一支路相关器(740)、第二支路相关器(750)各自两输出端口，分别作差分处理后以两相干支路信号光输出，第一支路光程相关器(740)、第二支路光程相关器(750)均由1×2分束器、普通单模光纤、偏振态控制器、2×2耦合器、环形器、准直镜、可移动光学反射镜(744)以及探测器组成，在Mach-Zehnder式光程解调与探测器(730)的第一支路，1×2分束器(732)将通过偏振分束器(731)的信号光分为两束，一束通过普通单模光纤连接偏振态控制器构成固定长度光程参考臂，一束通过准直镜(734)和可移动光学反射镜(744)组成光程扫描臂，通过固定长度光程参考臂和光程扫描臂的两路光在第一探测器(736)和第二探测器(737)上差分接收；在Mach-Zehnder式光程解调与探测器(730)的第二支路，1×2分束器(738)将通过偏振分束器(731)的信号光分为两束，一束通过普通单模光纤连接偏振态控制器构成固定长度光程参考臂，一束通过准直镜(741)和可移动光学反射镜(744)组成光程扫描臂，通过固定长度光程参考臂和光程扫描臂的两路光在第三探测器(742)和第四探测器(743)上差分接收。

5.根据权利要求1所述的一种光学偏振器件分布式串扰测量灵敏度增强的装置，其特征在于：起偏器(511)，第一旋转连接器(521)、第二旋转连接器(523)，待测光纤器件(522)，光程解调与信号探测器(530)，探测器，波长工作范围能够覆盖宽谱光源(501)的发射光谱；起偏器(511)的输出尾纤，偏振分束器(531)输入尾纤均工作在单模、偏振保持状态；偏振分束器(531)输出尾纤、光程相关器(530)，探测器均工作在单模状态。