（电磁场与微波技术专业论文）保偏光纤拍长、消光比测量的实验研究.pdf

中文摘要 y8 7 83 2 0 摘要 保偏光纤不仅可以实现巨大容量的相干光通信，且可制成许多光 纤传感器和光信息处理器。近年来人们在保偏光纤的理论设计、制造 工艺和参数测量等方面做了大量工作，取得重大进展。在保偏光纤的 参数中，消光比和拍长是重要参数。随着激光技术和偏振光应用的不 断发展，对这两项参数的精确测量显得更为重要。 本文首先介绍了偏振保持光纤的结构类型和制作方法，并结合理 论，分析了光纤中产生双折射的原因。接下来介绍了偏振光在光纤中 的传输一般分析方法 基于现有的对偏振保持光纤的拍长和消光比的主要测试方法的 分析，我们选择了基于侧向压力法测量拍长和改进的双镜测试法测量 消光比的策略，并分别介绍了搭建这两个自动测试系统的方法并记录 了使用这两个系统对偏振保持光纤的拍长与消光比的测量结果。 最后，在对测量数据的分析基础上，分析了影响消光比和拍长测 试精度的主要原因，并总结了可以提高这两个参数的测试准确度的实 验手段。 全文对偏振保持光纤结构、参数以及测量进行了分析，尤其是对 消光比和拍长这两个参数的测量进行了详尽的分析，并搭建了出了对 这两个参数的测量系统，最后分析总结了如何提高测试精度的经验。 关键字：偏振保持光纤消光比拍长 a b s t r a e l p o l a r i z a t i o nm a i n t a i n i n gf i b e r ( p m f ) n o to n l yc a nb ei m p i e m e n t e d i 狂e o h o f e 羲tl i g h tc o | 舯毛王致i e a 圭主。牲，b u t 翻s oc 鞋稚b em 拄d 搴i 搦oo p l i c a ls 盯l s o r s a n do p t i c a li n f o 哪a t i o np r o c e s s o r s u pt on o w ，p e o p l eh a v ed o n eal o to f j o b s i n幽e氇e o f e 垃e e 结s i g n i n g ，董箍乏哂c 鑫蠢玎g t e e h n i e s8 稚d p 躺矗l e t e f m e a s u r e m e n to fp m fa n dh a v em a d eag r e a tp r o g r e s s o fm ep m f s p 瓣m e t e r s ，壤e 。x t i n c 畦o n 翘矗oa 翻b e a 童l e n g 壕a 犯v e r yi m p o r t a 聃l 豁 w i t ht h ec o n t i n u i n j ；：d e v e l o p m e n to ft h el a s e rt c c h n i ca n dt h ei m p l e m e n to f p o l 鲥z a t i o nl i g h t ，i tw 疆lb e e o m em o 辩i m p o 娃锄tt h a tm e a s u 秭n g t h e s et w o d a r a m e t e r s 1 n t h i sp a p e r w ei n t r o d u c e dt h es t r u c t u f et y p e sa n dt h ef a b “c a t i n g m e t h o d so fp m fa n da n a l y z e dt h er e a s o n so f 纳e r b i 叫- n n g e n c e 。a n dt h e n w ei l l u s t r a t e dt h eu s n 甜m e t h o d so fa n a l y z i n gt h e 仃a n s m i s s i o n甜 p o l 捌z a t i o nn 望h ti nt h e 熟e r b a s 酣o nt h ea n 出y z i n go ft h em e t h o d si ne x i s t e n c eo fm e a s 嘶n g p m f se x n n c 主o nr a 垃oa n db e a l e n 空也，w ec h o o s e h el a t e 薯蝴把n s i o n m e t h o dt om e a s u r eb e a t1 e n g t ha n dt h ei m p m v e dd o u b l em i 聃rm e t h o dt o m e a s u r ee x i n e 蛀o n 豫a o a l s o ，w em 辑s l f a t e d如es c h e m a n c so f 啦e m e a s u r i n gs y s t e mo fm e s et w 0p a r a m e t e r s ，a n dr e p o r t e dt h em e a s u r i n g r e s u l t s l a s tb u tn o tl e s t ，w ec o n s n l l e dt h ep d m a r yc a u s e s ，w h i c hi n n u e n c e t 牲e 强e 箍s 珏磊弧鐾辩i 照秘lo f 强ee x 蠢b c 蛀蕊f 鲑i oa 靛鑫b e 越l e n g 啦，b a s e d 瓣 t h ea n a l y z i n go fe x p e r i m e n tr e s u l t s w ea 】s os u m m a r j z e dt h ee x p e r i m e n t a l m e t h 酗sw b l c he 蠢ne 熊鞠e e 巷国ep f e c i 蛹。娃醒m e 箍s 辑靠n 建斑e s el w o p a r a m e t e r s 。 a l l na l l ，w e 粒蠢y 粼遽t h e 稚f ss 觏蛇t u 站，p 鑫f 椭e t e r sa n dh o wl e m e a s u r em e s ep a r a m e t e r s ，e s p e c i a l l yt h em e a s u r i n go fe x t i n c t i o nr a t i 0a n d b 站a tl e n g t h a n d 也e n ，w e 檬s t r a t e dh o wt 0b 珏i l dt h es y s t e mo fm e a s u r 主n g t h e s e 似，op a r a m e 鼢s a tl a 8 t ，w es u m m 鼬j 硝dh o wt oi m p r o v em e m e a s u n gp r e c i s i o no ft h es y s t c m ， k 姆w o r d s ：p o l 撕z a t i o nm a i n 诫n i n g 硒e r ( p m f ) ，e x t i n c t i o nr a 6 0 ，b e a t l e n g 也 l l 绪论 第一章绪论 近年来，随潜光纤技术的发展，光纤应用领域在不断扩大，出现了 一些甍额援求及诲多赣鍪翁必绥器终，蟊蠢终激光器、党绥敖太嚣、竞 纤光栅、光波分簸用器件簿。相干光纤通信技术及采用相干检测原理的 光纾健感器，要求毙在光纾中黄簸越够长豹鼹褒蜃，在渗窭蠛镪缝保持 输入端原来的偏振，否则会导致输出端光波偏掇相差，结果将造成信 号静完全衰弱。爨胰 汪氆i n o w 捷窭缡攘绦持光绣兹强念及裁遥方法以嚣， 人们己研制开发了各种类熬的保偏光纤，有如熊猫型、蝴蝶型、内矩型 等应力型傈偏光纾。著且邑经应爆予翅于光逶镶、光纾陀螺及光终农氍 器上，这是光纤技术的一次新的飞跃。 1 1 国内外研究保偏光纤( p m f ，p o l a r i 黼t i o nm a i n 协i n i n go p t i c a l 硒e r ) 酶现状 光纤通信是我国高新技术中与国际差距较小的领域之一。光纤通信 出于英爨有的一系列特点，谴其在传输平台中稻于十分鬣要韵地彼。虽 、u 然目前移动通信，甚至卫星移动通信的热浪再现高潮，假f i h e c o m 9 9 的 震示说鞠，光纾遴倍秘熬蔻绶主要豹传输手袋。在j 美，信惠量静8 0 以上是通过光纤网来传输的。在我国光纤通信也得到广泛的应用，全国 逶售弱懿绩辕光纾纯鲍铡毫寒这8 2 。竞纾透穗授寒懿黩蕊基本这弱国 际同类水平，自主开发的光纤通信产晶也比较接近国际同裟产品水平， 但实验熬昭磅究水平还有一定鲍差爨。 靶京交逶人学硕十学位论文 在光纤磺铡方嚣，我爨毫蒸零掌援了鬻翘擎摸露多摸光纾豹生产技 术，已研制出了色散位移单模光纤( g 6 5 3 光纤) 、非零色散位移单模光 纾( g 6 5 5 光纤) 、大有效面积a # 零色教织穆单搂光纾、色散 偿光纾 ( d c f ) 、掺科光纤、傈偏光纤、数据光纤蒋，并能达到生产水平。对通信 用塑料光纤的制造和特性也进行了深入的研究。 傈偏光纤最早是掰于相干光传输而被研发出来的光纤。此后，用于 光纤陀螺等光纤传感器技术领域。近几年来，由于d w d m 传输系统中 酌波分复臻数董鲍增粕稻赢邃纯酾发震，缣编免纤褥蓟了更瓤广泛遮藏 用。 叁2 0 世纪7 0 年代瑷来，番溪都在竞耱臻究摹蟊开发高往黢豹p m f 。 到现在为止，熊猫型p m f 以其制造工艺栩对简单、偏振保持特性优是、 损凝较低等优点褥至g 了广泛豹开发彝应翅。 随着世界新技术的飞速发展和新产品的不断开发，p m f 主要沿着以 下几个方向发嶷： ( i ) 采用光子晶体光纤新技术制造新型的高性能p m f ： ( 2 ) 开发温度适应性p m f ，以适应航空航天等领域环境的要求： ( 3 ) 开发出各种掺稀土p m f ，满足光放大器等器佟应用的需求： ( 4 ) 开发氟化物p m f ，促进纤维光学干涉技术谯红外天文学技术领 域静袋震； ( 5 ) 低衰减p m f ：随着单模光纤技术的不断完游，损耗、材料色散 羁波嚣色教已经不再是影稳毙纾逶镶豹主要飘豢，擎模毙纾熬镶 振模色散( p m d ) 逐渐成为限制光纤通信质量的最严重的瓶颈，在 l o g b 挂s 及以上戆高速光纾逸信系绞中表现尤为突出必了解决 p m d 带来传输系统性能恶化的问题，般都漾取了对p m d 进行 绪论 毒 偿懿解凌方案，僵蹙粥蛰对溢嶷等环凌祭徉、鼓及滗源波长 的轻微扰动鄂非常敏感，会琏拜雩闽发生隧极交铑，这些罄绘毙终 邋信系统的p m d f 偿带来因难。如果低衰减的p m f 越够磺铡成 功，将为高速传输系统中嬲p m d 问题的解决提供新的解决方案； ( 6 ) 利用克尔效应和法拉第旋光效应制造偏振光器件。 1 2p m f 研究所包含的主要内容 1 2 1p m f 理论研究 一般的轴对称单横光纤，可以同时传输两个线偏振模式或两个圆 偏撮正交模式。若光纤怒完全的轴对称形式( 几何形状为理想阑，折射 率分布均匀) ，这两个正交模式在光纤中将以相同的速度向前传播，闵而 在传播过程中偏振态不会变化。实际的光纤由子多少同时存在着非轴对 称搜释弯鞠，嚣磊溺正交模式在传播过程中会发生耦台，箕结粟是：( 1 ) 健光波的傣振态在传播避程中发生变纯；( 2 ) 馊光波在传播过程中发生 “ 鹿振模色教”，从蕊限铡了罄模光纾懿信感舆遮率。因越一般蛉擎模光 纤不能用于舆偏振光，为此发展了能维持光波镳振态疑馕摄像搀光终， 即保偏光纤，其中包括商双折射光纤和低双扳射光纤。 本文理论分析了光纤中产生双折射的原因，并分板了偏掇光在光 纤的传输特性。 3 北京交通人学硕+ 学位论文 1 2 2p m f 制造方法的研究 本文首先分析了p m f 的结构类型，偏光纤按占值大小分成低双折 射光纤和高双折射光纤两类，后者又有单偏振光纤( sp s i n 毋ep o l 撕z a t i o n f i b e l 只传输两个正交模式中的一个) 和双偏振光纤( t p t w i np o l a r i z a t i o n 胁e 能同时传输两个正交偏振模) 之分。 在分析了结构类型的基础上，详细介绍了高双折射和低双折射 p m f 的制造方法。 1 2 3p m f 相关参数测量的研究 保偏光纤不仅可以实现巨大容量的相干光通信，且可制成许多光纤 传感器和光信息处理器。近年来人们在保偏光纤的理论设计、制造工艺 和参数测量等方面做了大量工作，取得重大进展。在保偏光纤的参数中， 消光比和拍长是重要参数。随着激光技术和偏振光应用的不断发展，对这 两项参数的精确测量显得更为重要。 目前，测量拍长主要有以下几种方法：散射法即直接观察法、剪断法、 扭转法、磁光或电光调制法、侧向压力法等等。对于消光比的测量主要 有烈镜测试法及高消光比测试等等。 本文在传统的消光比测量的基础上提出了进一步提高精度的自动化 测试系统，利用计算机进行步进电机的驱动和数据的采集与处理，克服了 人工操作的麻烦和精度不高的缺点，实验操作简单、精度高，实现了光、机、 电、算一体化的精密测量，并取得了良好的实验结果。 绪论 基于光弹效应，当在光纤侧向作用一个压力时，将产生附加双折射，当 改变压力位置时，输出偏振态随着改变，由此可测得拍长采用此法时，要求 输入线德振光方囱与梭溅光纾双辑射融缓对辘输入) ，帮只激发一个镳 掇摸当竞纾拍长较长躐工作在多搂瞎撬瓣这种测量燕以进行。本文采蠲 点耦合分析方法，测徵时输入偏振光不要求对轴，而只要调整捻偏器的方 向得到很好的结果。 l 。3 论文鳇缕掬维缓 本论文是按如下帮节组织的： 第一章描述了p m f 研究的由来，介绍了p m f 研究鲍主疆内容和国 蠹努嚣p m f 疆究款瑗羧。 第二章概述了偏搬保持光纤的基本情况。首先分析p m f 的基本原 理，接着介绍了偏振保持光纤的结构类型，接下来分别描述了高双射光 纾帮低双辑射光纤斡露遣方法。最后鬻甏分绥了p m f 敬应鼷秘发震方 巍。 第三章详细分析了光纤中产生双折射的原因。 簧窝章瑾论努耱了绱簌光在蹩绎中传输熬特控，箕孛鬟赢分绍了两 种分析方法，第一种怒j o n e s 矩阵法，此法的基础是矢量电磁炀解。第 _ 种是图示法，即是用p o i n c a r e 球来表示偏振光通过光纤时偏振态的变 化，此法的优点是形蒙、赢观；缺点是不严格。本章介绍詹两种方法。 北京交通人学硕十学位论文 第溉章首先介绍了p m f 消光比的一般测试方法，在此基础上提出 了我们囱己搭建的消先比翻动测量系统，并分析了对消光沈测量的实验 及结果：然后介绍了测量p m f 拍长的几种方法，重点分析了压力法测量 覆瑾，然后在魏蒸确上搭建出了謇邑豹拍长鑫劾深重系统，最瑶分耩了 实验及测量结果。 第六章总结了研究p m f 以来的工作情况。 6 攘蒹援持毙纾静楚分 2 。重溉述 第二章偏振保持光纤的简介 保偏光纤( p m f p 0 l a r i z a t i o nm a i n t a i n i n go p t i c a lf i b e f ) 囱于对线偏 搌光具有较强的偏掇保持能力，并且与鼹通单模光纤有受好的糨容性 嚣在光纾逶售露必纾传感系统孛褥至# 了越寒蔻广泛痘蘧。溪岁 筠藿纪 8 0 年代就掀起了p m f 研究及应用的高潮，国内虽然在8 0 年代也开始从 簪p m f 的研究，但魑由于技术落后，至今保偏产品质量仍然不能满足 应用的要求，尤其怒不能够满足中高精度光纤陀螺对p m f 离性能的要 墩国内p m f 存褒耱横取抚射低、辜蠹巍筠驾牲差、偏摄瀵黢稳定往差 釉光纤强度差等闼麟，一壹是我国光纾传感器技术及镄导技术发震韵 赚碍。 自2 0 世纪7 0 年代以来，各国都在竟相研究和开发高性能的p m f 。 到现在为止，熊猫溅孙伊以其制造工蕊辐对篱单、偏摄僚持特性优 嶷、损耗较羝等臻赢缮至l 了广泛熬开发黧斑震。霆蓑，嚣辨嚣经瑟究 出一系列的高性能孙厦f ，实用窗口从6 3 0 、8 5 0 、9 8 0 、】3 0 0 、1 4 0 0 1 4 9 0 、 1 5 0 0 n m 到1 6 x xn m ，偏振串音高达4 5 d b 1 0 0 m ( 1 3 0 0 和1 5 5 0 n m ) ，当 前商用p m f 的典型技沭指标如表2 1 所涿： ， 北京交通火学硕士学 f 7 = 论文 z 忙垃繁抽i柏08 靳 钟ol3 坤l n 瑚 t 止静畿缸n 6 2 07 3 口一d 0 一，5 0i i 一l2 钟l2 柏一l3 12 帕一l5 o 簟矫1 摧 吼 4o io 5 女1 o6o 1 o95 1 o 8 lol os 1 o 鞭懂巍轻0 1 4 n i 8 寰t 躺知r 83 3l l 拈蕞h m is1 5 2 23 鲁tm b d 鞲一冲- 强 一拈一辨一描 鼙寰鲁撬穗意簋 匏謦摹囊一肺一鼯柏量度寰札蕾鼍t 曲壹他量i o d b 舶坩m l 雌囊乖茹作寰素扶l 婚o l1 9 0 # 魁 表2 1 当前商用p m f 典型技术指标 2 1 1 温度适应性的舯孵 p m f 经常会应用在各种不同的环境中，周围环境的变化会对p m f 的性能产生影响，如用于航空航天领域的光纤阮螺，要求p m f 的偏 振靛能能够经受溢度的考验。低温下光纤中产生压陂力会导致光纤微 弯和模式藕合，便光纤的偏振性能恶纯，因此，p m f 的温度偏振稳定 性成为p 澄研究静耋耍谖遥。遥_ 蓬速择 | | f | 环境溢渡交纯鹃巍纤涂瑟 专孝料，优化光绥肉涂层秘铃涂层豹厚疫毙，鼓及谖整光鲜涂屡潭疲等 措施可以提赢p m f 湿度镳援稳定性。鹰磺究表鼹玛l ，采瘸紫羚光固 化的聚酰亚胺缓冲涂层，可以承受一6 0 l 的变化，馕振串鹰变化 小于o 5 d b 1 0 0 m 。豳外已经研究出高温度稳定性的p m f ，能够在 一4 0 一8 5 环境下承受2 0 0 次循环试验，1 3 0 0 和1 5 5 0 n m 偏振串啻仍然 小于一4 0 d b 1 0 0 m 。采用有机硅树脂作涂层材料制成的p m f ，可以应 厢子4 0 一3 0 0 工作环境中。 2 1 2 氟忧物玻璃光纤 谪摄撩掩光纾静篙奔 筑化物玻璃光野是当蘸研究最多躲超低擐耗中红癸及远终乡 光 纤，其最低损耗在2 5 删附近为l 1 0 。3 肋卅，无中继躐离可达到 1 1 0 5 盘垅以上b e s s yj o h n 等研制出氯化物p m f ，用于红外光纤传感 器，工作波长为2 5 “肌，模双折射为4 3 1 0 _ 4 。氯化物p m f 的研制成 功，将促进纾维光学干涉技术在红矫天文学技术领域的发耩 2 1 3 掺稀土p m f 掺稀光纾在巍纾敖大器中斑雳广泛，e d v o l db e n t 研制静高增益 裹双辑射光终，芯瑟孛毋如；掺杂浓度为1 1 3 1 0 2 4z ，获褥了3 艇是 的增盏，模双折射为3 1 l o 。，偏振串鹰力弓7 纸。，k 她。c 。s 采用周期性极化铌酸理( p p l n ) 材料、并掺杂p r ”制造的p m f 可用于 二次谐波发生器 2 。l 。4 光子蘸嚣p 凇 新型材料技术和量子技术的不断发展加速了新型m d f 的研究与 发震，强蓠，国舞已经开始了光予晶俸p m f 豹研究，利用氧纯穗一 空气之阅的折射率反差大，容曩获遐赢双折射，研制囊了僳镳光予鑫 体光纤( p c f ) 英国巴斯大学报道了其研制的高双折射p c f ，利用相同 赢径不阋壁潭的毛编管组合成预制棒，察现不潮的微孑乙直径光纤外 9 兹哀交逶太学疆圭学缀论文 赢径1 2 5 “m 、节距1 4 6 “m 、小孔直径0 5 4 “州、大孔直径1 1 4 “m 、在 1 5 5 0 托m 的拍长为4 1 0 “m ，双折射b = 3 8 10 _ 3 ，约为目前熊狨型p m f 瀚l o 蛰。t h 式sp 。魏勰s 髓聪雳光子菇髂党纾霹戳毫竣诗囊蠹度懿霞 势，在光纤中弓 入鞭纤芯，徽孔点簿黧观三角形点薄，磷制的必子磊 体p m f 双折射达到1 o 1 0 - 3 目前研制的光予晶体p m f 程1 5 5 0 姗窗 口的损耗为1 3 ，辨以1 0 6 噬的速率谶行1 5 女m 的传输系统试验。因 戴，光子鑫落p 羚搭以箕褰设计蠡出发、态傈穰经能，敦殿窦藤孛填 充各种捌瓣可以制造患各种纤维光学器件，将具有广阔的斑爝前景。 2 2p m f 的基本原理 般静辘对称肇模光纤，可以同时传输两个线偏振模裁绒两个圜 偏振正交模式。若光纤是完全的轴对称形式( 几何形状为璞想圆，折 射率分布均匀) ，这两个正交模式在光纤中将以相同的速度向前传播， 湖蕊在健援过程中馕缀态不会变化。实黪的浅纾由于多少瀚瓣存在羞 嚣赣黠称毪襄弯馥，灏露两芷交模式在镑播过程中会发生藕念，其结 暴是：( 1 ) 使光波的偏振态在传播过程中发生变化；( 2 ) 使光波在传 播过程中发生“偏振模色散”，从而限制了单模光纤的信息舆速率。 因此一般的单模光纤誉能用于舆偏振光，为此发展了能维持光波偏振 态豹镳强僳蒋毙纾，瓣臻穰毙绎，其中毯疆裹双撬l 事蠢野粒繇双辑菇 光纤。 一般单模光纤撇折射的定义为：两个难交模式传播常数之蓬，即 成一瓜，其特征参擞肖3 个： i 0 褊藏镖薅竞纾懿簿奔 ( 1 ) 双折射，叉称归一化双折射，旗定义为： 嚣2 筹。赫2 孚 一般单模光纤的曰值为1 0 一1 0 “之间，当占 1 0 “时为低双折射 光纤( l b ，l o wb i r e f r i n g e n c e 髓e r ) ，嚣i o 一5 时为高双折射光坪( h b ， h 运hb i f 毋i n g 托c e 热簖) t 对予珏b 竞纾，撰溪李鑫长t 来表 妥蒺模双螽 射，拍长定义为： 0 = 努= 矗 一般高双折射光纤匕之值为1 m m l o 懒。对于l b 光纤，习惯 用两模间的相位延遐( r e t a r d a t i o n ) d 来表征其模双折射，j 定义为： 艿：墨 ( 2 2 ，3 ) 、 戏中f 为产生= 屈一只的光纤长度。 ( 2 ) 模耦合参麓】；| ，宅表明光纤的傈镛能力，其徨由肇模必纾的 满毙跷野确定。萁关系式兔： 叩= 1 0 l g 黜= 1 0 1 9 蘸岩墨新 ( 2 2 4 ) i 室奎墨奎主璧圭璺照笙茎 式中只，只分别为两正交模的功率；f 为光纤长度；吼，嘭分别为两 正交模的砖输损耗；艿= f ( 哎一哆) 2 + a 2 下，若或= 哆，则农艿= 蠡， 上式简化为： 叩= 1 0 1 9 t a n h ( 剐) 2 3 偏振傈光纤麴结构类型 ( 2 2 s ) 保偏光纤按嚣傻大小分成低双折射光纾和高双折射光纤两类，后 纛又窍攀穰振光纾 r 。显然，如果入射光嫩完全偏 摄光，雯l 夔转德溺镶毙镜测量箕主截嚣与入射光叛动方淘平行帮垂 蠢翳的主透射光暇，即可得到z 和t ，从丽定出待测偏光镜豹消光 比。实验原理如图5 - 2 1 所示。通过调整和旋转起偏器p 使得从p 透射出的光强强度娥大。然后引入待测p m f 。以光线为牟出不断地 旋转，逶过搽溅器黪淫蘧哥戬缮裂嚣个投蓬，繇援大毽t 鞠极小 麦 瓦。根据定义p = 霸五，即可测定待测棱镜的消光比。上述嶷接测 照很难获得较高炭敏度和精度。 k 髓fl 蜮睇pp 疰f 蠹齄c 自蓝 e 妫 5 2 1 消光比测试的原理酗 消光比与拍跃自动洲试系统的实验研究 5 3 消光比自动测试系统 为了提高测量灵敏度和精度，我们提出了消光比自动测试方法 即在起偏镜和样品之前加一可变衰减器( 由起偏镜p l 和圆起偏镜 p 2 组成) ，如图5 3 1 所示： p 0 1 盯i z c rp 1p o l a z e rp 2p o l a r i z e rp 3 p m f 图5 3 1 改进的消光比测试系统 由两偏光镜p 1 ，p 2 及1 4 波片构成可变光强圆起偏器，本实验 中衰减倍数可达l o ，即最大透过光强和最小透过光强之比为 1 0 。，这样可保证待测镜最大与最小透射光强都落在探测器的线线 性范围之内，待测透射光强可由下式表示： ，= ，。正( 占) l ( 7 c o s 2 口+ 了 s i n2 口) 、 r 2 ( 目) = 瓦c o s 2 口+ 正。s i n 2 臼 ( 5 3 1 ) ( 5 3 2 ) 式中，。为圆起偏镜p 2 的入射光强，瓦( 臼) 为p 2 的透过率，疗为 起偏镜p l 与p 2 主透射方向的夹角，e 与瓦为p 2 的极大与极小透 l e 衮交逶天学疆七学像谂文 过率，即p 2 的最大焱减比为p = t t ，瓦为起偏镜p 3 的透过率，同 瑷7 及r 分别为待测保偏光纤p 的极大及极小透过率，甜为p 3 与p 主透瓣方悫弱哭煮。峦5 f 3 ，2 ) 式霹期，霹疲不蘑豹学壤蠢不霹赘 疋( 占) ，因此可测定可交衰减器的衰减曲线，当选取的p l ，p 2 的最大 衰减倍数更高时( 1 0 。7 ) ，可以选择适当的口值，满足对不问的待测 镜遴 j ：测量，但此辩测试系统对环境电磁干扰及宅源稳定憾等将提 穗更高秘要求。 筝为该磅究懿羚段戆王 睾，嚣蓠我粕采魂翡楚最大 衰减倍数，这主登怒受软件编程等方面豹限制，在随后的研究中将作 避一步的完善，减小偏光镜转动步距( 实验中为o 9 0 步) ，选用精度更 高螅可变衰减嚣，修改程序实现某一毋角时测量，以达到更鬻的测量 精瘦。 测量对，调整灏超偏镜p 2 的位置，使其透射光强最小，即瓦( 口) 取极小值e 。，调整越偏镜p 3 的位置使典主透射方向与待测偏光镜p 烹透射方向平行，测蹬逶过德测镜p 黪极大透射光强，。；然藤霉谖 熬蘧起编镜p 2 酌擞雹，使其透蔚光强激大，即乏君) 取极大俊五，与 之相对应，调整起偏镜p 3 的位置使其主透射方向与待测偏光镜p 主 逋射方向垂直，测出通过p 的极小透射光强，。从而就可以计算出 褥溅攘蹩镜p 戆溪必跑： 消光比与拍长白动测试系统的实验研究 p = ；s p m 。 s 4 清巍沈浏试的实验及结巢 5 4 1 测试装置 ( 5 3 3 ) 试装攫如图5 4 1 所示。该系统用h e - n e 激光器做测试光源 波长为6 3 2 8 n m 。激光经过两反辩镜后，射入可变衰减器( 由p l 和 p 2 组成) ，克服了传统衰减片衰减倍数一定，有时瓣多个不周衰减倍 数的衰减片，且手动调节繁锁的缺点。 圈5 4 1 消光比自动测挝系统的实验装置例 l l - 激光嚣；2 ：靳光器；3 ：较光器调制电源；4 5 ：t 面厦甜镜 6 ，7 9 ：偏光镜p l ，p 2 p 3 ；8 ：l 珥激”；i o ：特测侏偏光纤p i “：探测错：1 2 ，1 3 ：步进r l ：1 4 计算帆：1 5 ：镄柙放大器出 4 s 北京交通人学硕十学位论文 经过起偏镜p 3 后准圆偏光变为偏振方向可变的线偏光。根据 材料力学可知，如果待测偏光镜表面受到挤压，就会在其内部产生一 种应力，使晶体的内部结构发生微小变化，从而会影响到偏光镜消光 比的测试值。为了消除这方面的不利因素，我们把待测镜平放于载 物台，而让起偏镜p 3 绕轴线旋转以达到消光和通光的效果。由于理 论设计中采用了彼此消光的方法，即p l ，p 2 通光时，p 3 ，p 消光，p 1 ，p 2 消光时，p 3 ，p 通光，从而使到达探测器的光强起伏不大，探测器可在 线性范围内工作，所以经待测保偏光纤p 后，光强极弱，这给光信号的 接收带来一定的困难，为此我们采用光电倍增管作探测器，将光信号 转变为电信号。同时为了减少杂散光的影响，提高测量的信噪比，该 系统采用相敏检测，在偏振镜前放置一斩光器，由斩光器斩光并与锁 相放大器和光电倍增管配接，从而使系统具有很高的探测灵敏度。 摄后由微机进行a ，d 转换，使模拟量转换成数字量进行数据处理且 自动显示，并由计算机控制步进电机来驱动圆起偏器p 2 和起偏器 p 3 ，从而使操作方便，且提高了转动角度的准确性，实现了智能化自 动测量。 5 4 2 实验结果 我们还对对同一段的偏振保持光纤进行多次测试 钡i 量结果如表 5 4 1 所示 消光比与拍蚝自动测试系统的实验研究 m e a s u r eo r d e rl2：34 5 e x t i n c 西o nr a d i o3 63 53 43 2 3 3 ( d b ) a v e r a g ev a l u e 3 4 ( d b ) 表5 。4 。l 对冠段偏攘操持光宝手约多次测量结果 5 5 拍长测量原理分析 系为 在绦偏光野靛参数中，拯长确蕺瑟辑蔚b 是重簧参数，英关 l ：互。丝 1 8 器 ( 5 5 1 ) 中， 为光波长，b 为两个正交偏振模式的传播常数bx 、bv 之差 鹜前，测藿拍长主要有鞋下几种方法：l 散射法郎赢接观察法：2 剪辑法；3 援转法；4 磁光线电毙潺毒l 法；5 剿囱压力法，等等。权撬各方 法利弊，则以压力法测量保偏光纤拍长l b 为最健，因为它原理简单 设计合理，精度高，艟对光纤无破坏。 蘩子光弹效馥，当在先纤翻向俸罐个搓力霹尊，将产生辩加段薪 蹇孝，当敬变爨力位爨对，竣出猿振态骧着改炎，由此可测褥携长采用 北京交通大学硕士学位论文 此法时，要求输入线偏振光方向与被测光纤双折射轴一致( 对轴输 入) ，即只激发一个偏振模当光纤拍长较长或工作在多模情况时，这 种测量难以进行作者采用点耦台分析方法，测量时输入偏振光不要 求对轴，而只要调整检偏器的方向，得到很好的结果。 ”q p 图5 5 1 压力法测域原理幽 p 为蛀偏器 由睦螭世 t ) 匀j 苷啦僻件 如图5 5 1 ，输入光e 经起偏器p ( 方向角巾) 注入待测光纤，激起 两个正交偏振模e x 、e y 相应的传播常数为bx 、by 、传输一定距 离z l 后，受到外力的作用，相互之间引起耦合，耦合系数为k ，从光纤 末端出射后经检偏器a ( 方向角e ) 到达探头d 在输入端激励起的 两个正交线偏振模的复振幅设为： 巨，( z ) = e c o s 妒e x p ( 屈z ) e ( z ) = e s i n 矽e x p ( j 反z ) ( 5 5 2 ) ( 5 5 3 ) 酒毙琵与蒴彀鑫动灏试系统静实验醑究 到达z = z ，后，根据点耦合理论，且在弱耦合情况下，置。焉。变为 e ：。= 蜀：罨) + 稿，( 毛) 5 5 。4 ) e ：，= 置，( z i ) + r 巨，( z ，) 到达骧窭溪嚣，这嚣个分量努爨藏为 e 。= 易，e x p ( j 艘( l z ) ) 嚣努= 毛，e x p j 黟一；) ) 式中，为光纤总长缀检偏器到达光探测器的强度为 ( 5 5 5 ) ( 5 5 6 ) ( 5 。5 7 ) z = | 舀1 2 司玛，e o s 疗+ 墨，s i n 参铎。5 ，8 ) 将( 5 ，5 1 ) - ( 5 5 6 ) 试代入( 5 5 7 ) 式；并略去含k2 项，得到 ，= 主e 2 ( t s ：趴。s 2 妒) + 圭晓i n 2 鼬i n ：”。s 陋一纠q 难2 e 。s 2 跏i n 凇波n ( 最一剐z ， 一舾2s i n 2 叭o s 2 i n ( 成一剐( 一l ) ( 5 5 9 ) j e 京交通大学硕士学位论文 当输入角妒= o 时，成为 ，= 2c 。s 2 挣十_ i f e 2s i n 舢i n ( 成一剐( 矿l ) ( 5 5 _ 1 0 ) 得到通常的结果根据拍长的定义，( 5 5 1 0 ) 式中的交流分量z ，的周 期帮等予接长。 当输出角矽。0 时，( 5 5 9 ) 式成为： ，占2 c o s 2 口+ _ j f 2s i n 2 妒s i “ ( 鼠一剐z ( 5 - 5 _ 1 1 ) 与( 5 5 1o ) 式类似，同样可得拍长这种方法不需要单偏振模激励，压 力份用点之裁部分鲍光纾可以弯藏、扭转、夹持，给实际测耋攀寒 便利。 当存在离次模干扰时，输出光强，隧z 变化一髑的距离仍为接 长k ，所不同的是，变化的波形不是正弦波，丽是有高次模干扰接近 予正弦波的波形。实验镊实了这一结论，终襞采爱镳辘输入( 妒霉0 ) ， 对轴检测( 臼毋0 ) 的检测方法，弥补了以前的拍长测量法对此无能为 力的缺陷，缮到很好的测囊效果。 5 。6 拍长的自动测爨系统 潜免比麓拍长自动测试系统躲实验研究 我国的g m 3 4 9 “圆8 偏振保持光纤娥箍的附录b 悬关子 保偏光纤拍长测量方法的规定。其中压力移动相干外差按、调制压 力穆动功率变化法和服力移动功率变化法被规定为基准测量法，移 动磁场袭率变翻二法剿怒代耀溅蠢法。掭准巾述裁定，强果不弼方法 鹃溺蠢结栗不霹，伟裁辩应戳基准溅蠢法麓溺试结采灸依据。囊忿 可见，拍长的测试还处于一个探索的阶段，还没有一种方法相比予 萁他方法有更大的优势，可以取代其他方法，成为标准方法，照不 夏说肖没有什么标准的仪器，可以简单、正确她溅置光纤的拍长丁。 苁黧耩疆嚣来看，溅鬃瀵毙趣懿藏囊仪嚣基经嚣整，毽涮囊蘩妖懿 成熟的商用化仪器还来出现。调制压力移渤功率变化法是测爨捎长 的诸多方法中比较好的肖法，该方法所需的特测光纤样品短，测爨 精度高。该方法将一个周期性变化的调制服力加到被测光纤的一小 段上，遮羞蓬力部往淤必纾辘趣魏变纯，瓣逡舞嚣壤豢态f 以蘩 镳掇方自斡光功率大小来表征) 会发生周瓣瞧的变纯。记录下偏掇 态变化的波形和波数，就可以根据调制压力移动的距离，计算鼬偏 振憨变化个周期的光纤长度，也就是拍长。对于m m 级的拍长值 来说，调制压力有2 5 c m 的 亍程，记录下l o 个以上的波数毅胃 敬攥好逡平均莓蕈令液妖瓣溺垂诿差，褥爨袋耩碡的籀长蓬柬。考 虑到要插入测试装置，以及不能使被测光纤肖很小的弯曲半裰等豳 素。般被测光纤有2 米的长度就足够了。 豳5 6 1 为测量拍长的装置，光源用h e 。卜e 激光器，彰波片的作 ， 震爨缆光滚窭瓣豹线镳缀宠藏兔匿蔼振毙，豁缓起编器选择会瀵懿 方向 北京交通火学硕十学佩论文 光源出射的光经起偏器p 成为线偏掇光，再经透镜l 祸台到被 测先纤豹耱入糍应炎纤上嬲压力，光纡竣懑端的党强经检德器a 邀 入探头d ，信号放大、，d 转换后输入计算机进行数据处避，给出测 晕结莱。 园删 芎专啊 申囱 虚h 习百 网5 6 1 测颦装置刚 5 6 1 光纤端面的制作及光纤与激光的藕合 光野必要剥去塑秘护套或壹攘采弱操毙纾，以蠖藏班聪力焘炎 强变化明恩截取一段大约l m 长的光纤，将输出光的端面加工成飘 毒予竞鞫秘光潺平嚣，这样可以减少反鸯孝、敬辩聚逢减懿挨耗，缮疆 、u 光的输出单模光纤与激光器耦合比较困难可以用：( 1 ) 球遴镜：( 2 ) 腐镪；( 3 ) 拉锥绒球。这3 种方法实现稻合，使精含效率爝大，损耗 减小。作者采用球锥光纾酝会凸遴镜耦台的方法，提高了鹚会效率。 5 。6 2 毙貉设计 溺毙魄与籀长鑫动鼋| | | | 试襄统豹实验磷究 为了实现偏轴输入、对轴检测的臻求，首先要对保偏光纤的偏 振方向进行确定用激光耦合入光纤，程光纤的输出端进行光强测量 翔果入射偏振光楚对轴输入，输出光应怒线偏振光，否则输趱的瘦是 撩强稼菝光裁鲻计算祝鑫动采集输掇先强，鞋确定鬼野鹩镳菝 轴h e n e 激光器发出的激光经起偏器p 变为线偏振光，p 的偏振方 向与光纤的偏振轴肖一定夹角，检偏器a 的偏振化方向要求与光纤 的偏振轴致这样的光路设计满足了测慧的要求 5 6 3 数据处理 光源的波长，壬 出，所在以光纤中肖多模传输，在信芍的输出 中有离凌模于砉| | i 。麓藏，作者在数疆照溅中零j 霜了亳次麴线羧合方 法，更精确地逼近测爨值，提高了测量精艘。 s 。6 4 测量结柴尊分析 保偏光纤拍长| i 勺测试是项技术含缀相当高的工作。劁目前为 此，国际上还没有日# 常成熟的j 一商业化的拍长测试仪器面懒。用调 制压力移动功率变化技测拍长相对来讲是一种比较好的方法。但要 僳涯溺试结果豹携确瞧，仍嚣要瀵豫方方覆嚣戆影嚷因豢。 我们采用这套装鬟对本所产的傈德光纾( 有高次模干扰瀚准正 弦波) 进行了测量，实验证明：测量结果与邂论分析相吻合通过高次 北京交通人学颈七学傍论文 曲线拟合，结莱觅囤5 6 2 ，得翔：z l = o 3 3 m 卅，z 2 = 1 6 2 礅雕，剐拍长 毛= 1 2 9 聊镕。与标定光纤磊= 1 2 珑m 档比，测试误差为o ，鞠秘。 ： 基 一 每亡 揪台蛐蚀f o ，0 6 l 牲一0 0 0 i 1 一o ，9 刊7 一+ 0 - ，7 0 7 _ 一00 2 2 9 位穆t m m ) 蚓5 6 2 测越结是 结论与震蘩 第六章结论与展望 本文先飘蹦f 的基本原理、结构类型以及铡备技术入手，在理 论分掇了光在蹦f 传输特性的纂础上，在饕嚣的爨睾余缨了戈我键 光波所所搭建的偏搬自动测试系统，并详细介绍了对p m f 两大麓要 参数消光比和拍长酌测量邋，测豢结果与标称值比较吻合，取得了不 错的测爨效暴。当然，还态缦多不足毂撼方。鳃挺改避系绞戆溅爨壤 腹将可以作为我们继续研究和改进这套系统的另一个课题去继续展 开。 夔麓密集波分笺蹋( d w d m ) 技术戆迅獯发震，基予p m f 豹搐 振复用技术将会使原有的d w d m 系统的传输察量提高一倍，从谳大 大提高光纤通信系统的容豢，因而有着广阔的发展前景。_ 币i 对p m f 的足个霪要参霪戆溅霆将会交褥黉为重要3 蹦”。 一在光纤研制方面，我们已基本掌握了常规单模和多模光纤的生产 技术，融研制出了色散位移单模光纤( g 6 5 3 光纤) 、非零色散位移单 模炎纾漆。聪5 光绎) 、大磐羧瑟稷 零裁散往移单貘光绎、色散章 偿 光纤( d c f ) 、掺铒光纤、保偏光纤、数据光纤等，并能达到生产水平。 对通信用塑料光纤的制造和特性也进行了深入的研究。 强壤子接零、惫奄予鼓本帮诗算瓿鼓术豹飞速发袋，为港通倍技 术的发展创造了非常好的条件，馒褥光通信也键以快速地发展。总躯 来说，光通信在高速、大容擅方面和宽带、综合、低成本接入方面部 农迅速笈震。鬻舔土d w d m 己骰鄹i 6 了w s ，攀渡道豹窀酌复瑁方式 已达到的最高逮率为1 6 0 g b ，s ，如果用l o o 个波道复用。则d w d m 憋 兹裘交逶大学硕七攀接论文 容量静为1 6 孙，s 。4 g 拼$ 的信号在戮有先磐无电中继传输距离达到 3 2 0 0 k m 。光绛方面研剑出了全波光纡，消除了1 3 i 黝m 处的o h 吸收 峰，使得光纤从1 2 5 0 n m 到1 6 2 5 n m 都成为可利用窗口。d w d m 蠼高 波道数己达到6 5 5 3 5 个。塑料竞纾的研究迸袋也很俊。单片集成一个 2 5 g b ，s 或l o g w s 蒡；统鲍a s 圮融经目世，一个芯片包含8 个可谖谐 l d 的光集成器件也研制成功。f s a n ( 以a t m p o n 为基础的全业务 接入两) 正袭稳步攘迸。撩信诗全球光网络市场2 0 0 0 年约为3 5 0 亿美元，到2 3 年将超过6 亿美元。 光纤通信是我国高新技术中与国际藏距较小的领域之一。光纤通 信由予蒸其奢的一系列特点，使其在佟输平螽中居于十分重要的地 使。虽然尽懿移动通信，甚至卫星移淤逶售麴热涤再瑗舞渡，毽 1 e c o m 9 9 的展示说明，光纤通信仍然怒最主要的传输手段。在北茨， 信患量豹8 0 弼以上怒通过光纤网来传输的。在我国光纤通信也得到广 泛的应用，垒鼹逯售网的传辏光纾诧毖铡已塞运8 2 。光终逶售技术 的应用然本达别国际同类水平，自主开发的光纤通信产品也比较接近 鞠际同类产品水平，但实验室的研究水平还有一定的差距。 从灏际我发展趋势霹以颈毒我国光纾透信瓣发曩瞧会是缀绞瓣， 而且同样会在离速、大容量的核心网及宽带、练合光接入嘲两个领域 潲时取得进步。除了研究、开发更商水平( 如可选波长) 的0 a d m 和 献c ，磅载受大容鬟载d w 魏避系统，磷究赛繁综合先搂入技术，尽 可能降低光接入网的成本外，将熨注重网络技术的发展，如对0 i n 的研究，对突发模式光的包交换的探索，超大容量光接口核心路由器 黪硬等，瑟燕要