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华侨大学硕士学位论文 保偏光纤的偏振耦合检测及偏振轴连接对准的研究 i 摘 要 摘 要 论文系统分析了利用光纤输出消光比来测量光纤内部的偏振模 耦合的原理 利用该原理提出一种判断保偏光纤与其他波导间的偏振 主轴是否匹配对准的方法 设计并实现了保偏光纤的偏振耦合检测及偏振轴连接对准实验 装置 利用该装置可以有效的检测出光纤通信或传感中的保偏光纤偏 振耦合情况并实现光纤波导间的偏振轴匹配使由于连接而造成的 偏振耦合达到最小对改善光纤传感器的性能具有重要的意义 采用琼斯矩阵方法分析了当保偏光纤与另一具有偏振主轴的波 导连接时 其内部的两个偏振分量间的相位差和它与这个波导间的偏 振轴夹角对光纤输出消光比的影响关系 证明了当这个连接达到完全 偏振匹配两个波导的偏振轴夹角为 n90时光纤的输出消光比 不随其内部偏振相位差变化 据此提出采用 pzt 相位调制器对光纤内 部偏振相位差进行正弦调制 采用步进电机驱动光纤输出端的精密旋 转再通过适当的信号处理电路求得光纤输出消光比从而获得光纤 内部的偏振模耦合以及判断光纤与另一波导偏振轴是否匹配对准 模拟计算结果表明偏振匹配精确度可优于 0.01 o 根据测试原理进行了光路和电路的设计 光路部分包括耦合聚焦 和准直透镜光纤相位调制器和偏振棱镜的设计电路部分包括 pzt 调制电源步进电机控制驱动光电采集电路前置放大器主放大 器滤波器及除法器的设计对系统进行了实验测试并分析了影 响因素 关键词关键词保偏光纤 偏振耦合 消光比 相位调制 除法器 华侨大学硕士学位论文 保偏光纤的偏振耦合检测及偏振轴连接对准的研究 ii abstract the principle that the polarization coupling in polarization-maintaining fiber(pmf) being detected by the output polarization extinction ratio(pxr) of pmf is systematically analyzed in this dissertation. a method for the rotational alignment of pmf and another waveguide is proposed based on the principle. the experiment setup of polarization coupling detection and polarization axis alignment is designed and realized. by using this setup, the polarization coupling in pmf used in optical communication or sensors can be tested, and polarization axis of them can be aligned, which can minimize the polarization coupling caused by the junction. it has great significance for improving the performance of fiber sensors. jones matrix theory is used to analyze, when the pmf is aligned to another waveguide with polarization axes, the relationship of the output pxr of pmf versus the phase difference between the two polarization modes in it, and the rotational angle between the polarization axes of them. moreover, it is proved that the output pxr is independent of the phase difference when the polarization axes of pmf and another waveguide are well rationally aligned(the rotational angle is n90).based on this, pzt phase modulator is used to modulate the phase difference, stepping motor is used to turn the pmf output axis, and a proper signal processing circuit is designed to get the output pxr of pmf, sequentially, polarization coupling in pmf is obtain, and the state of the polarization axis alignment can be judged. it is found in the simulated experiment that the accuracy of rotational alignment can be better than 0.01 deg. furthermore, the optical and circuit subsystems are designed, in the optical subsystem, coupling and focusing lens and collimating lens, fiber phase modulator, polarizing prism are designed. in the circuit subsystem, modulation power source, driving control of stepping motor, photoelectric detection circuit, preamplifier, main amplifier, filters, and divider are designed. at last, the system is experimently tested and some of influencing factors are analyzed. key words: polarization-maintaining optical fiber; polarization coupling, polarization extinction ratio phase modulation pzt divider filter 华侨大学硕士学位论文 保偏光纤的偏振耦合检测及偏振轴连接对准的研究 ii 原创性声明 原创性声明 本人声明兹呈交的学位论文是本人在导师指导下完成的研究成 果论文写作中不包含其他人已经发表或撰写过的研究内容如参考 他人或集体的科研成果均在论文中以明确的方式说明本人依法享 有和承担由此论文所产生的权利和责任 学位论文作者签名 日期 学位论文版权使用授权声明 学位论文版权使用授权声明 本人同意授权华侨大学有权保留并向国家机关或机构送交学 位论文和磁盘允许学位论文被查阅和借阅 论文作者签名 指导教师签名 签 名 日 期 签 名 日 期 华侨大学硕士学位论文 保偏光纤的偏振耦合检测及偏振轴连接对准的研究 1 第一章 绪 论 第一章 绪 论 1.1 保偏光纤简介 1.1 保偏光纤简介 保偏光纤是对在其中传播的光偏振态具有保持功能的一种特殊光纤 沿着其 主轴方向入射的线偏振光在出射端保持线偏振态由于这个特性保偏光纤被广 泛应用于各个领域光纤陀螺光纤传感器光纤干涉仪光纤通信光开关 光放大等等而且它在其中的应用有许多同类传统产品不可比拟的优越性 1.1.1 保偏光纤的原理和参数 1.1.1 保偏光纤的原理和参数 1光纤内部微扰双折射的形成 普通单模光纤中传播着两个彼此正交的基模 hex和 hey 假想这两个基 模的传输系数相同 即 =x-y=0 则该光纤可以保持在其中传输的线偏振光的 偏振方向不变即具有保偏能力但在实际中 0 是不存在的其原因有二 1光纤结构不可能达到数学上的理想几何模型圆度芯径等以及芯的组成会 有不均匀现象结果使 不等于 0这时等效于光纤 x 轴和 y 轴的折射率差不 等于零即 nx-y 不等于 0该现象与双轴晶体类似x 轴与 y 轴将分别视 为快慢轴即有了内部双折射2外部因素也会造成双折射 1 如光纤侧压力 温度的不均匀外部电磁场光纤弯曲扭转等有了这些无序的双折射偏振 光在光纤中的偏振态就会不断变化 使光纤的出射偏振态与入射偏振态有着极大 的差异 2高双折射实现对偏振态的保持 70 年代末人们通过理论分析提出了以固有高双折射来消除影响偏振状态 的微扰双折射的方案当忽略光纤损耗时设沿 z 轴传输的两个正交本征模 hex 和 hey根据场型麦克斯韦方程组和耦合方程可以得到相应的串光比即模式耦合 功率比为 2 )45 . 0(sin 4 4 222 22 2 zk k k pp p yx y + + = + = (1-1) 式中 k 为耦合系数 为固有双折射从该式可知 越大越小也 就是固有双折射 越大则光纤保偏性能就越好 华侨大学硕士学位论文 保偏光纤的偏振耦合检测及偏振轴连接对准的研究 2 将耦合系数 k 用微扰双折射 代替 则可得到表征固有高双折射 抗微扰 能力的方程如式(1-2)设 与光纤主轴成/4 角作用在光纤上 的空间周 期为当 k=0.5sin2z/在光纤中仍只激发 hex模时在 z 处串光比为 + = + = 2 2 2 2 ) 2 sin 2 (sin 2 coscos ) 2 (1 2 zzzz pp p yx y (1-2) 当设计的光纤使 远远大于 即固有双折射比微扰双折射大几个量级 则从上式可见 趋于 0表明光纤中的串光少光纤具有较好的保偏特性 模式耦合方程指明了光纤具有保偏能力的内在基础但在实际的应用中往 往应用宏观上的功率耦合方程 3 其形式为 )()(zpzphz dz dp yx x += (1-3) )()(zpzphz dz dp yx y = (1-4) 式中为损耗h 为模耦合参数当 px(0)=p0py(0)=0 时功率耦合的 方程解为 z-hz 0 x cosh(hz)eep (z)p = (1-5) z-hz 0y sinh(hz)eep (z)p = (1-6) 可得到 z 处的串光比为 = tanh(hz) hz (1-7) 因此 h 参数也是衡量光纤保偏能力的重要参数h 参数越小光纤的保偏能力越 强h 同时反映了光纤的固有特征 与外界的微扰 是两种效应的总和 3保偏光纤的参数 在实际的应用中因为串光比和光纤长度 z 都容易测量而 h =/zh 可 以通过测量得到然而 h 不代表光纤的本征参数 代表光纤的本征参数但 却很难通过直接测量得到为了直接测量光纤的本征保偏参数可以从 导出 可测参数为此定义归一化双折射率 b yxyx nn n b + = + = 22 (1-8) 华侨大学硕士学位论文 保偏光纤的偏振耦合检测及偏振轴连接对准的研究 3 同时定义 的空间周期为拍长 lp nb lp = = 2 其中为工作波长 2 yx nn n + = n yx 2 2 = + lp可以直接测量得到因 lp与 成反比故 lp 越小代表保偏性能越好在实际的应用中一般均测量保偏光纤的拍长并将 其作为衡量光纤保偏能力的一个重要参数目前高双折射保偏光纤拍长 lp 5mm最低可达到 0.5mm 左右 除用 b 表示保偏光纤的保偏能力外 还可以用拍长 lp及 x 和 y 方向两线偏振 模间的传播常数差 表示 为两正交模间的传播常数差 代表一个波长内两 正交模间的相位差b 表示正交方向的折射率差lp表示两正交模间相位相差一 周(2)时的空间长度 1.1.2 保偏光纤的结构类型 1.1.2 保偏光纤的结构类型 保偏光纤按 b 值大小分成低双折射光纤和高双折射光纤两类 后者又有单偏 振光纤spsingle polarization fiber只传输两个正交模中的一个和双偏振光 纤tptwin polarization fiber能同时传输两个正交偏振模之分按模双折射 产生原因也可分成几何形状效应gegeometric effect和应力感应sestress induced effect光纤保偏光纤现有的几种主要结构类型见表 1.1 表 1.1 保偏光纤的主要结构类型 1 table 1.1 main structure type of pmf ge se sp 边槽型(side pit) 边隧道型(side tunnel) 蝴蝶结型(bow tie) 熊猫型(panda) 扁平包层型(flat cladding) hb tp 边槽型边隧道型 椭圆纤芯型(elliptical core) 哑铃纤芯型(dumbbell core) 四区纤芯型(four section core) 蝴蝶结型熊猫型扁平包层型 椭圆包层型(elliptical cladding) 椭圆套层型(elliptical jacket) lb 旋转型(spun) 扭转型(twising) 1高双折射保偏光纤 华侨大学硕士学位论文 保偏光纤的偏振耦合检测及偏振轴连接对准的研究 4 在高双折射光纤中 双折射 b 一般大于 10 -5 有两种类型的高双折射光纤 双偏振态光纤和单一偏振态光纤 单一偏振态保偏光纤利用本征模间不同的弯曲 损耗差异可以实现目前采用的型式有领结型扁平型和熊猫型光纤单一偏 振态保偏光纤具有特殊的传输串扰特性当其长度超过 200 米以后传输串扰基 本上为一常数30db双偏振态高双折射光纤由于模式间的随机耦合其串扰随 着长度而下降 目前产生高双折射的最可取方法是强内应力法和几何形变法 强内应力法即 在光纤芯的 z 轴两侧制造应力区对芯施加强内应力y 轴方向则无强内应力 因而产生折射率差 因应力区形状不同这类光纤分为椭圆套层式熊猫式 和领结式三种通过在光纤芯径周围设置应力区此类光纤展现出较好的性能参 数低损耗低串扰在熊猫型光纤中双折射可以达到 8.510 -5 从 的大 小看领结式结构最佳熊猫式结构次之熊猫保偏光纤在光纤包层通过掺杂特 种石英玻璃掺硼或掺锗等在光纤芯径周边形成了高内应力区使光纤内部 在不同的方向形成不同的折射率达到了高双折射效果以实现保偏特性 4 熊 猫光纤的 lp近似为毫米量级它抗抵外界的随机干扰和本征的随机干扰最为有 效当 lp越小时这种干扰耦合系数也剧烈下降趋近一个很小的稳定值同 时反映了光纤保偏能力越强 几何形变法即利用特种工艺改变光纤的芯径和包层的形状 使其在 x 和 y 方 向上的折射率不同实现折射率差目前有矩形保偏光纤和椭圆形保偏光纤 5 在椭圆型保偏光纤中已可以达到 8.410 -4双折射 由于较大的双折射差和光纤 芯径的形状误差此类型保偏光纤具有较高的光学损耗扁矩形保偏光纤利用椭 圆应力包层产生双折射 因而比一般高双折射光纤更具有主轴方向容易确定和抗 外界干扰能力强的优点这种光纤是多层的而且包层形状为椭圆椭圆应力包 层(内包层)的存在使得内外包层的热膨胀系数不同 产生了折射率分布的各向异 性这一各向异性在纤芯和内包层中是一样的 2低双折射保偏光纤 在低双折射保偏光纤中目前有三种类型圆形芯径光纤基于几何形变的 旋转型保偏光纤基于应力的扭曲型保偏光纤在旋转型保偏光纤中 6 双折射 可以达到 4.310 -9 华侨大学硕士学位论文 保偏光纤的偏振耦合检测及偏振轴连接对准的研究 5 1.1.3 保偏光纤的参数测量 1.1.3 保偏光纤的参数测量 衡量保偏光纤保偏能力的一个重要参数是拍长 lp因此在实际应用中保 偏光纤参数的测量主要是指其拍长 lp的测量拍长的定义为 的空间周期它 是光束在光纤中传输时由于快慢轴传播速度不同而产生相位差达 2 时的光 纤长度测量了拍长就可以得出与之相关的保偏光纤的另外一些参数如 bh 参数等 测量双折射光纤拍长的方法有很多目前主要方法有压力法 7 压力调制 法 8 光弹性调制法 9 散射法 10 potdr 法扭转法 11 电磁法 12 剪断法 13 折射近场法 14 偏振色散法 15 公式法 16以及干涉法17等 1压力法 所谓压力法和压力调制法 就是把二个恒定的外力或一个调制的外力施加到 光纤的某一局部随着施力部位变化输出光的偏振态将发生变化根据其变化 规律可求出拍长用这种方法测量拍长时所用待测光纤样品短测量精度高 因而在诸多测量方法中该方法被广泛使用 2光弹性调制法 光弹性调制器是一个由熔融硅制成的光器件由压电晶体产生的共振声波 使其产生一个振荡的应力双折射其功能相当于一个时延为 (t)ksint 的延时 器k 为振幅 为调制信号圆频率光弹性调制器与检偏器构成一个互成 45 o 角的检偏组件 w1是检测器检测到信号中圆频率为 的基波分量w2为相应于 2的谐波分量通过测量(wlw2)可求出 lp这种测量方法的优点是测量精 度高适用范围大既可用来测 hb 光纤亦可测 lb 光纤的双折射 3散射法 散射法是通过探测光纤中横向和后向瑞利散射光进行光纤参数测量的方法 偏振横向散射法测拍长是历史上最早用来测量拍长的方法 测量时将一段待测光 纤固定在装有匹配液的槽中用圆偏振光入射等同激励 he11 的两个正交偏振 模根据偶极子沿振动方向辐射为零的原理在与双折射本征轴成 45角的方 位上观测可找出一系列幅射为零的点可直接测量出拍长 lp这种方法的优点 是直观方便其缺点是只适用于可见光范围而且要求光源很强(10-100mw) 偏振光时域反射计(potdr)是在光时域反射计的基础上改进而成的它可以直接 华侨大学硕士学位论文 保偏光纤的偏振耦合检测及偏振轴连接对准的研究 6 显示出偏振态沿光纤的展开只要测出振荡信号的周期就可以求出 lp 4扭转法 扭转法在待测光纤上施加一个可控制的扭转作为分布扰动 (用方位角确定 扭转量)当线偏振光或圆偏振光注入光纤时输出光的偏振态将随扭转量而变 化根据偏振态的变化可求出拍长用扭转法测拍长时为了保证测量精度 光纤长度要大于 lp4一种改进了的用三段模型理论处理扭转问题的新方法 已将其测量下限降低了一个数量级即达 10 -3m 5电磁法 所谓电磁法就是用电光效应(kerr 效应)或磁光效应(faraday 效应)对保偏 光纤施加一个振荡的横向电场或纵向磁场作为扰动来测量保偏光纤双折射的方 法当外部电场或磁场沿光纤移动时输出光的偏振态将随之而改变从而求出 拍长这种方法的一大优点就是扰动施加部件与光纤不接触其缺点是电极板和 磁铁的尺寸不能做得太小因而影响了测量拍长的下限和测量精度 6剪断法 剪断法是一种采用较早较简单的测量拍长的方法只要将偏振光注入到待 测的保偏光纤中测量输出光的偏振态然后剪掉一小段光纤再测输出光的偏 振态通过多次剪断测量找出输出光偏振态随光纤长度变化的周期一个周期 相应的光纤长度即为拍长 这种方法只适合测量拍长为几厘米到几十厘米的保偏 光纤近年来人们利用双频技术只进行一次剪断(注意剪掉的光纤要小于 拍长)就可以求出拍长且误差0.2mm这种方法属于损坏性测量因被检测 光纤不断被剪短使得实验无法重复另外每次剪断后都要重新夹持固定应力 总不会完全相同每次剪断后光纤端面状态亦不会完全相同这些都会引入较大 误差 7折射近场法 折射近场法是利用从光纤中折射出来的光强分布测定折射率分布n(r)的一种 方法这种方法测量折射率分布的精度高重复性较好因而得到 ccitt 的优 先推荐 并作为折射率分布的基准测试方法(rtm)用两正交本征轴方向上的偏振 光测得 nx(r)和 ny(r)将其相减则可求出 b这种方法较适合于高双折射光纤 测量结果与拍长法测量结果符合得较好 8偏振色散法 华侨大学硕士学位论文 保偏光纤的偏振耦合检测及偏振轴连接对准的研究 7 所谓偏振色散法实际上是测出偏振模的群延时gp再求出保偏光纤的双 折射设一段长度为 l 的单模保偏光纤其两偏振模间的群延时差为 )()( d db b c l d d lt yxgp = (1-9) 那么单位长度上的偏振模间的群延时差为 )( d db b c l l tgp gp = = (1-10) 因为 b 与波长无关所以 b=gpc (1-11) 式中c 为真空中的光速只要测出gp就可求出 b这就是偏振色散法 用这种方法测量 b只适用于圆芯应力光纤用此方法测量其他类型的光纤会 引入较大的误差这种方法是测量圆芯应力保偏光纤双折射的重要方法 9公式法 公式法是由偏振度与入射偏振角的关系确定 lb这种方法是利用光束在保偏 光纤出射端其偏振度 p 与入射偏振角相位差的关系 222 cos2sin2cos+=p (1-12) 式1-12中当入射角 =2m+1/4 时p 有极小值|cos|测量时 将偏振光耦合进一段待测保偏光纤出射端经过一偏振片旋转偏振片检测其偏 振度 p由于 pmin= |cos| , 而 =2l/lp测量待测光纤长度 l 即可计算保偏光纤 的拍长 lp改变 l 长度可重复测量多次, 最后求 lp平均值 10干涉法 干涉法是近年来有人刚提出来的一种方法 它是利用光纤陀螺等光纤传感器 常用的宽谱光源以及2个性能一般的线偏振器件与被测保偏光纤组成测试系 统 宽谱光通过测试系统后,由于偏光干涉效应出现光谱形状的波动,波动周期受 保偏光纤拍长的调制,通过调制周期可计算获得被测保偏光纤的拍长这种测试 方法与保偏光纤的结构和类型无关,只是利用了光纤的双折射特性,只要存在双 折射的光纤,均可利用这种方法测试其相关波长处的拍长,可测量的拍长范围在 0.110mm ,测量范围和精度与被测光纤长度和宽谱光源的谱宽有关 华侨大学硕士学位论文 保偏光纤的偏振耦合检测及偏振轴连接对准的研究 8 1.1.4 保偏光纤的应用 1.1.4 保偏光纤的应用 保偏光纤由于对线偏振光具有较强的偏振保持能力 而在各个领域中得到了 越来越广泛应用光纤陀螺 18 19 光纤通信 20 各种光纤传感器包括光纤温 度传感器 21 光纤磁场传感器 22 光纤压力传感器 23 光纤加速度传感器 24等等 光纤偏振控制器 25 光纤光栅 26 光纤水听器 27 全光纤隔离器 28 光纤相位调 制器 29 光开关 30以及集成光学31等 1.2 偏振模耦合的测量 1.2 偏振模耦合的测量 在保偏光纤中利用应力或形变来实现两个本征偏振模间的高双折射通过 这种人为的高双折射效应可以有效的克服光纤中应力形变扭曲温度电磁 场和光纤内部的成分缺陷或形状缺陷等引起的各种微扰对光纤中光波信号的相 位和偏振态的影响从而实现对光波偏振态的保持功能光纤内部光信号的偏振 态对外界的干扰非常敏感当外界的干扰强度不断增加且不以光纤轴对称在保 偏光纤内部的光信号将会发生偏振态模式耦合现象 即在保偏光纤中一种偏振态 的能量将会耦合进另外一种偏振态中去 这种偏振耦合现象在各种系统中将表现 为噪声信号漂移信号衰减等现象另一方面还可以利用光纤中光信号偏振 态对外界干扰的敏感性通过检测光纤内部偏振模耦合现象来实现对外界温度 压力电磁场等微小变化的高精度检测 目前对偏振模耦合的检测方法有以下几种光学相干偏振检测仪(ocdp) 偏振光时域反射仪(potdr)迈克尔逊白光干涉仪和马赫泽德干涉仪 图 1-1 光学相干偏振检测仪测试方案 fig 1-1 tesing scheme based on ocdp 光学相干偏振检测仪法 32 华侨大学硕士学位论文 保偏光纤的偏振耦合检测及偏振轴连接对准的研究 9 光学相干偏振检测仪ocdp是一种高效的检测技术利用 ocdp 可以检测 出光纤陀螺环集成光学器件光纤调制器和保偏光纤连接器中分布的局部偏振 模耦合在该实验中如图 1-2利用 1300nm 波长的宽光源产生红外光通 过偏振控制器实现对入射光偏振态的调整通过反复的扫描和测试要求将入射 线偏振光的振动方向与被测保偏光纤的双折射主光轴一致 将被测保偏光纤缠绕 在直径为 25.4mm 的电解压电陶瓷圆柱体上通过在压电陶瓷两端加上电压可以 控制被测光纤的外部侧向压力以实现对光纤内部偏振模耦合的控制输入到光 学相干偏振仪的光功率为 700 微瓦该光学相干偏振仪具有-70db 的灵敏度 利用该测试方案测试了长度为 4.05m 的保偏光纤 可以测试出耦合强度为-25db 到30db 的偏振模耦合 图 1-2 偏振光时域反射计测试方案 fig 1-2 tesing scheme based on potdr 偏振光时域反射仪法 33 偏振光时域反射仪potdr法利用背向散射光斑来实现保偏光纤中偏振模 耦合的检测试验结构图如图 1-2 所示光源采用大功率 q 开关掺钕钇铝石榴 石晶体yagnd3+激光器该激光器工作波长 1340 纳米最大功率为 3 千 瓦光脉冲宽度为 1 微秒耦合进光纤的功率约 50 毫瓦光脉冲通过起偏器和 一个分束器耦合进被测保偏光纤 在实验中起偏器调整线偏振光振动方向使其与 被测光纤的一个光轴相一致背向反射光束通过光纤的快慢光轴并由分束器反 射到检偏器上背向反射光束通过检偏器进入光电探测器中通过旋转检偏器可 以检测出 x 和 y 两个方向上的背向反射光信号 分束器被放置在入射光法线附 近 以便背向反射光与偏振方向分开 为了减少菲涅耳反射光对测试结果的影响 在光探测器前放置了一个声光偏转器 通过对其进行控制可以有效的探测到背向 反射光信号利用该方法可以测试 1 公里长的保偏光纤由于菲涅耳反射效应 在 200 米以内不能够精确测量出背向反射光信号在 200 米到 1000 米光纤之间 华侨大学硕士学位论文 保偏光纤的偏振耦合检测及偏振轴连接对准的研究 10 测出消光比为 20.6db偏振模耦合系数为 4.410 -6/米 图 1-3 迈克尔逊白光干涉测试方案 fig 1-3 tesing scheme based on michelson while light interferometer 迈克尔逊白光干涉仪法 34 迈克尔逊白光干涉仪是一种相对简单的检测方法同样可以检测出保偏光纤 内部偏振模耦合的位置和强度试验方案如图 1-3 所示采用低相干度的超辐射 发光二极管sld作为试验用光源工作波长 830 纳米采用格兰托马斯棱 镜做为起偏器入射线偏振光要求经过精心调整使其偏振方向与被测保偏光纤 的主轴相一致检偏器调整至与光纤主轴夹角为 45 度以获得相互叠加的偏振 主模和耦合偏振次模迈克逊干涉仪中的反射平面镜 m2 与一个压电陶瓷相连 接当对压电陶瓷施加频率为 1.1khz 的调制信号后可以得到具有周期相位调 制一束反射光迈克尔逊干涉仪输出光的总功率大约为 1 微瓦在该试验中测试 了长度为 530 米的熊猫保偏光纤可以测试出的偏振耦合强度为-30db光源的 相干长度为 50 微米该测试方法可以达到的空间分辨率为 26 厘米 马赫泽德干涉仪法 35 马赫泽德干涉仪测试方法是基于双光束外差干涉法来实现的试验原理 图 1-4 所示激光二极管光源发出的光通过一个起偏器进入马赫泽德干涉仪 在马赫泽德干涉仪中的一臂具有光程差为l 的机械延迟线在另一臂上设置 一个频率为 70 兆赫兹的声光调制器用来产生f 的频移同时在该臂中设置 一个半波片用来调整该臂中的线偏振光方向 通过调整半波片使马赫泽德干涉 仪的输出端包含振动方向互相垂直的两个线偏振光 利用该方法在工作波长1300 纳米时220 米的熊猫保偏光纤中的偏振耦合测量的空间定位精度为5 厘米 空间分辨率可以达到 10 厘米保偏光纤的偏振耦合系数可以达到-50db 的动态 华侨大学硕士学位论文 保偏光纤的偏振耦合检测及偏振轴连接对准的研究 11 范围 图 1-4 马赫泽德干涉仪测试方案 fig 1-4 tesing scheme based on mach-zehnder interferometer 消光比测量法 36 3738 消光比测量法是通过测量保偏光纤输出偏振光的消光比来间接检测偏振耦 合的试验原理如图 1-5 所示he-ne 激光经过起偏后耦合进保偏光纤在出射 端旋转偏振棱镜进行检偏并用光电探测器求得最大功率值 pmax和最小功率值 pmin消光比pxr的定义为 min max log10 p p pxr= 1-13 偏振串音是指光功率从一个偏振模串扰到另一个偏振模的比例其定义为 max min 0 min log10log10 p p p p ct= 1-14 另一方面根据耦合模理论推导 )log(10log10 0 0 hz p hzp ct= 1-15 其中h 为模耦合参数hz 即代表 z 处的偏振串音 因此测得保偏光纤输出消光比即可知道偏振模耦合的大小 图 1-5 消光比测量法 fig 1-5 tesing scheme based on pxr 华侨大学硕士学位论文 保偏光纤的偏振耦合检测及偏振轴连接对准的研究 12 1.3 研究目的与各章内容 1.3 研究目的与各章内容 1.3.1 研究目的与意义 1.3.1 研究目的与意义 在许多光纤应用系统如光纤陀螺光纤传感器中常常要求光纤之间或 与其他具有偏振主轴的波导之间偏振轴高精度匹配 即光纤输出偏振轴必须很精 确地耦合到其后面的光波导的一个偏振模上 从而使得由于这个连接而产生的偏 振模耦合达到最小本文研究的目的是根据推导出的理论模型设计合理的光路 和电路获取光纤的输出消光比及偏振轴匹配情况利用 pzt 相位调制器周期性 改变光纤内部偏振分量间的相位差并通过步进电机带动光纤输出端精密旋转 配合微弱信号处理电路实现系统的快速和高精度测量该方案可以用于光纤通 信光纤传感领域来实现光纤的偏振模耦合检测与偏振轴匹配具有很高的实用 价值 1.3.2 研究内容 1.3.2 研究内容 本文研究内容主要是采用相位调制器对保偏光纤内部相位差进行正弦调制 采用步进电机带动光纤输出端精密旋转通过设计信号处理电路实现保偏光纤 偏振耦合检测以及其输出偏振主轴与其他波导偏振主轴的高精度连接匹配 第一章绪论首先介绍保偏光纤的原理和参数以及它的结构类型分析保偏 光纤的重要参数拍长的测量方法阐述保偏光纤在各个领域的应用接着介绍了 保偏光纤偏振耦合的几种检测方法 分析了测量保偏光纤输出消光比可求得保偏 光纤内部的偏振模耦合最后阐述了本文研究目的和研究意义 第二章 偏振模耦合检测与偏振轴连接系统原理从麦克斯韦方程组出发 阐述了光纤传输的模式理论讨论了光纤内部的幅度耦合功率耦合以及偏振 耦合从琼斯矩阵出发分析了偏振模耦合检测与偏振轴连接系统原理提出了 系统检测的方法 给出测试系统的总体设计框图 最后对系统进行了计算机模拟 第三章 系统的光路设计主要进行光路系统中光学元器件的参数确定首 先根据系统的测试原理给出了系统的整体光路设计 重点进行聚焦耦合透镜和准 直透镜相位调制器以及偏振棱镜的设计根据两个透镜的不同位置和不同功能 分别确定了它们的参数相位调制器的设计考虑了低插入损耗高灵敏度且要 华侨大学硕士学位论文 保偏光纤的偏振耦合检测及偏振轴连接对准的研究 13 简单方便采用 pzt 相位调制器偏振棱镜选择了高消光比的格兰-泰勒棱镜 第四章 电路设计与数据采集处理首先给出电路设计三个部分 pzt 调制电 源步进电机驱动信号采集与处理的总体框图讨论了 pzt 调制电源步进电 机驱动的设计分析了光电采集探测器的特性参数重点进行信号处理电路的各 部分设计及测试包括前置放大二级放大带通滤波低通滤波以及除法器的 设计选择芯片并给出它们的性能参数进行性能测试 第五章 实验结果与分析实验研究了保偏光纤在应力作用下的偏振轴旋转 及调制特性分析了光源波动性对系统测量结果的影响分析了温度对光学元器 件电路元器件的影响对系统的测量精度也造成的影响分析了光学元器件的空 间位置对测量系统的影响以及其他可能影响测量结果的因素也分析了光电采 集电路的频率特性及噪声的影响 第六章 结论对本文的工作进行总结并说明了本文的创新点 华侨大学硕士学位论文 保偏光纤的偏振耦合检测及偏振轴连接对准的研究 14 第二章 偏振模耦合检测与偏振轴连接系统原理 第二章 偏振模耦合检测与偏振轴连接系统原理 2.1 光纤的模式理论与模式耦合 2.1 光纤的模式理论与模式耦合 应用麦克斯韦方程组推导出光纤准确的各种传播模式根据光纤微扰理论 得到单模光纤内部的模式耦合方程 2.1.1 光纤的模式理论 2.1.1 光纤的模式理论 光是电磁波它具有电磁波的通性因此光波在光纤中传输的一些基本性 质都可以从电磁场的基本方程推导出来这些方程就是麦克斯韦方程组 39 t b e = ? ? (2-1) t d jh += ? ? (2-2) =d ? (2-3) 0=b ? (2-4) ed ? = (2-5) hb ? = (2-6) 在上式中d ? 为电感应强度矢量e ? 为电场强度矢量为介电常量b ? 为 磁感应强度矢量h ? 磁场强度矢量为磁导率由于我们研究的是光波在光 纤中的传输问题因此有 =0=0因而0=d ? j=0 波动方程及特征方程波动方程及特征方程 麦克斯韦方程只给出场和场源之间的关系即e ? d ? b ? h ? 之间的相互 关系为了求出光波在光纤中的传播规律应进一步求出每一个量随时间和空间 的变化规律也就是从麦克斯韦方程组中求解e ? h ? 诸量随时空的变化关系 对于均匀光纤 为常数和0=或变化缓慢的光纤 不为常数但 0从麦克斯韦方程组可以推导出波动方程 1 2 2 0 2 t e e = ? ? (2-7a) 华侨大学硕士学位论文 保偏光纤的偏振耦合检测及偏振轴连接对准的研究 15 2 2 0 2 t h h = ? ? (2-7b) 在频域中所有的场量都是以角频率 振荡的正弦量因而上式波动方程可化 为(亥姆霍兹方程) 0 22 0 2 =+enke ? (2-8a) 0 22 0 2 =+hnkh ? (2-8b) 应用坐标变换将直角坐标 xyz 化为圆柱坐标 rz如图 2-1 可以得到光纤中沿光纤轴方向z 轴的导模波动方程如下 40 图 2-1 光纤的横截面及分析光纤所取的坐标系 fig 2-1 schematic cross sections of fiber and the coordinate system ()0 11 2 22 0 2 2 2 =+ + z zz enk e rr e r rr (2-9a) ()0 11 2 22 0 2 2 2 =+ + z zz hnk h rr h r rr (2-9b) 对波动方程用分离变量法求解再根据纤芯与包层界面上的边界条件最后 可得纤芯和包层中的纵向场解分别为 ( ) zj m m z emr a u j uj a e =sin 1 0ra (2-10a) ( ) zj m m z emr a u k wk a e =sin 2 ra (2-10b) ( ) zj m m z emr a u j uj b h =cos 1 0ra (2-10c) ( ) zj m m z emr a u k wk b h =cos 2 ra (2-10d) 式中jm是 m 阶第一类贝塞尔函数km是 m 阶第二类变态贝塞尔函数u= 华侨大学硕士学位论文 保偏光纤的偏振耦合检测及偏振轴连接对准的研究 16 kcaw=cakc2=k02n2-2c2=-kc2=2- k02n2u 和 w 与 k0n 之间的关系为 22 1 2 0 222 ankau=+ (2-11a) 22 1 2 0 222 ankaw=+ (2-11b) 由上式可得到另一个重要的特征参量 v ()()2 1 2 2 2 10 2 1 22 nnakwuv=+= (2-12) v 称为光纤的归一化频率它与工作频率成正比是一个无量纲的参数 2-10式表明电磁场的纵向分量 ez和 hz在纤芯内沿半径方向用贝塞尔 函数描述场量在径向呈驻波分布在圆周方向场量按 sinm 或 cosm 函数 也呈驻波分布 m 是贝塞尔函数的阶数 也是场量沿圆周方向出现最大值的对数 沿 z 轴方向则呈行波状态波的相位常数为 包层中场量沿圆周方向和光纤轴 向分布规律一样可以保证包层与纤芯界面上的边界条件总可以得到满足与纤 芯不同的是包层中场量用第二类变态贝塞尔函数描述在 r 较大时场量按指数 规律迅速衰减以保证电磁波能量主要集中在纤芯以及与包层的分界面附近包 层中的波具有表面波特征如果这种特性不再存在则光纤中传播的电磁波就不 再是导波而成为辐射波 由2-102-11式再利用边界条件可以得到光纤的特征方程 ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) + += + + 222 2 2 1 22 2 2 2 2 1 1111 wun n wu m wwk wkn uuj ujn wwk wk uuj uj m m m m m m m m (2-13) 弱导近似及导模解弱导近似及导模解 当光纤的芯径和包层间的折射率差别非常小时1 2 2 21 1 21 2 1 2 2 2 1 = n nn n nn n nn 可以使用弱导近似来分析光纤内部的各个模式场可以认为1/ 12 nn代入 2-13式得到 ( ) ( ) ( ) ( ) += + 22 11 wu m wwk wk uuj uj m m m m (2-14) 式中m=0123 该方程是分析弱导光纤传输特性的基础它可分为 m=0 和方程右端取+ 号和-号三种情形 华侨大学硕士学位论文 保偏光纤的偏振耦合检测及偏振轴连接对准的研究 17 m=0 时2-14式为 te 模和 tm 模的特征方程 m0 且取+号时对应着 eh 模 m0 且取-号时对应着 he 模 导波模的截止参数导波模的截止参数 一个导波模沿 z 方向无衰减传播的条件是 uw 都是正实数w 为正实数时 包层中的电磁场沿半径方向几乎按指数规律快速衰减w 越大衰减越快电磁能 量就越集中在纤芯中反之 w 越小就有越多的电磁能量向包层中弥散如果 w 20 则包层中的场成为沿径向辐射的模式w=0 则成为一个模式是导波模还是 辐射模的临界点把 w=0 条件下求得的纤芯内的归一化径向相位常数 u 记为 uc 此时的归一化频率则记为 vcucvc即为导波的截止参数显然在截止点有 vc 2=u c 2+w c 2= u c 2 分析各类模式的特征方程以及其中贝塞尔函数的特点可以得 到各类模式的