光纤敏感环偏振模耦合特性测评系统及测评方法技术方案

本发明专利技术公开了一种光纤敏感环偏振模耦合特性测评系统及测评方法，涉及光纤传感技术领域，包括脉冲激光器、偏振控制器、光纤环行器、光纤敏感环、在线脉冲偏振态接收器、数字示波器及计算模块，脉冲激光器可发射连续光和脉冲光，光纤敏感环的测试末端连接有偏振分析仪；进行耦合特性测评时，首先利用偏振分析仪进行偏振本征态对准，再输入与偏振本征态一致的脉冲光，利用背向散射光测量光纤敏感环各点反射光的斯托克斯矢量，最后利用三点四元数法及双折射矢量投影法计算各点的偏振态电场矢量模耦合系数与消光比。本发明专利技术适用于高质量光纤敏感环偏振模耦合的高精度测量，以及外界因素导致的保偏光纤偏振模耦合参数的变化，实现多参量的分布式传感。

Evaluation system and evaluation method for polarization mode coupling characteristics of fiber sensing ring

The invention discloses a measurement system and evaluation method of optical fiber sensitive ring polarization mode coupling characteristic, involving the field of optical fiber sensing technology, including pulse laser, polarization controller, fiber optic circulator, fiber sensitive ring, on-line pulse polarization receiver, digital oscilloscope and calculation module. The pulse laser can be transmitted continuously. Light and pulse light, the test end of the fiber sensitive ring is connected with a polarization analyzer. When the coupling characteristics are evaluated, the polarization eigenstate is first aligned with the polarization analyzer, and then the pulse light consistent with the polarization eigenstate is input, and the back scattering light is used to measure the Stokes vector of the reflected light of the optical fiber sensitive ring at the end. The vector mode coupling coefficient and extinction ratio of the polarized electric field of each point are calculated by using the three point four element method and birefringent vector projection method. The invention is suitable for high precision measurement of high quality fiber sensitive ring polarization mode coupling and the change of polarization mode coupling parameters of polarization maintaining optical fiber caused by external factors, so as to realize distributed sensing of multiple parameters.

【技术实现步骤摘要】
光纤敏感环偏振模耦合特性测评系统及测评方法
本专利技术涉及光纤传感
，具体涉及一种光纤敏感环偏振模耦合分布特性的测评系统及测评方法。
技术介绍
作为一种关键的惯性测量技术，光纤陀螺(FOG)在1976年被首次提出后，便引起了许多国家的高度重视，经过多年的快速发展，FOG已经成为惯性
的主流选择，被广泛应用于飞机与舰船导航，装甲车,坦克和摆式列车的姿态控制以及航天器稳定等。光纤敏感环是光纤陀螺的核心部件，它由保偏性能良好的偏振保持光纤(PMF)绕制而成，但是由光纤结构缺陷引起的固有偏振模耦合以及在绕制过程中受应力和主轴不对准引入的诱导偏振模耦合都会引起显著的偏振态波动，导致零漂。要从根本上提高光纤陀螺的性能，需要更精确的测量光纤敏感环的偏振模耦合系数和提高耦合点定位精度，深入研究光纤敏感环的保偏性能。光纤敏感环除了应用在光纤陀螺中以外，在光纤电流传感器中也获得广泛应用。与光纤陀螺的光纤敏感环不同，它采用椭圆偏振态保持光纤，它的偏振本征态为两个正交的椭圆。目前，用于保偏光纤偏振模耦合检测的方法主要是光纤白光干涉仪，其原理是通过补偿光功率耦合点光程差来确定模耦合点；但是这种技术用于测量偏振模耦合时，会出现以下几个问题：第一，光纤敏感环中的宽谱光只有特定波长能谐振,并且偏振模耦合是波长相关的；然而白光干涉的光源是宽谱光源，其测量的模耦合强度是该宽谱光的平均模耦合，因此，使用白光干涉测量的宽谱光平均模耦合不能准确描述不同光纤谐振腔谐振波长受偏振模耦合的影响；第二，偏振模耦合系数是可正可负的，因为偏振模耦合本质上是由于相邻两段光纤双折射轴(也称偏振主轴)不对准引起的，其主轴不对准的角度可正可负；白光干涉仪所测得的模耦合系数是强度耦合系数，其值都是正的，不能反映真实的偏振模电场矢量的耦合系数；第三，由于使用宽谱光源，会导致很大的偏振模色散，其空间分辨率会随着测量长度的增加而降低；第四，白光干涉仪是通过机械扫描的方式来改变干涉仪两臂的光程差，而反射镜在机械运动过程中会使反射光偏振态发生变化，从而影响测量精度。第五，白光干涉仪在测量过程中要使用偏振分光棱镜，因此只能检测线偏振态保持光纤的偏振模耦合，不能检测偏振椭圆光纤中两个正交椭圆偏振态之间的模耦合。多年来，虽然光纤白光干涉仪技术已经达到相当高的水平，已经实用化和商品化。但是，对于更高质量的光纤敏感环，其模耦合系数更小，测量要求更高，而白光干涉仪受其原理的限制，进一步提高的空间有限。因此，为了进一步提高检测的灵敏度、检测出偏振模电场矢量的模耦合系数、也为了实现对椭圆偏振态保持光纤制作的光纤敏感环的偏振模耦合进行测量，探索新的方法是一个重要的需求。光时域反射技术是一种常用的测量光纤分布参数的技术，在光纤中某一点的瑞利散射光偏振态与该点入射光是一致的，所以可以利用瑞利散射光来检测光偏振态沿着光纤的变化。但光时域反射技术在具体应用中存在如下问题：首先，检测偏振态变化的脉冲时间必须小于光纤拍长的传输时间，而保偏光纤的拍长非常小，通常在2～3mm左右，这要求脉冲在ps甚至fs量级；其次，通常用于检测偏振态的光时域反射技术，采用的是固定方向的线偏振态，它不一定能够对准保偏光纤的偏振主轴，尤其没有办法确保对准椭圆偏振态保持光纤的偏振本征态；第三，检测偏振态变化的方法可以分为两种，一种是使用检偏器测量在特定偏振方向的光功，因而不能检测出偏振态的全部斯托克斯参数；另一种是方法是全偏振态检测，该技术通过获得沿着光纤长度分布的三个Stokes参量[S1,S2,S3]，即完整的偏振态信息，但是，目前还没有在线的适应于高速脉冲的全偏振态检测的设备。因此，目前基于全偏振态检测的光时域反射技术仅限于普通单模光纤，还没有用于保偏光纤偏振模耦合性能测量。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种能够对更高质量的光纤敏感环进行模耦合性能测量，有较高检测灵敏度，且能够检测出偏振模电场矢量的耦合系数，并能够对椭圆偏振态保持光纤制作的光纤敏感环的偏振模耦合进行测量的光纤敏感环偏振模耦合特性测评系统，以解决上述
技术介绍
中不能进行全偏振态精确检测，实现保偏光纤偏振模耦合性能测量的技术问题。为了实现上述目的，本专利技术采取了如下技术方案：一种光纤敏感环偏振模耦合特性测评系统，包括发送模块、接收模块、计算模块，所述发送模块包括依次连接的脉冲激光器、偏振控制器、光纤环行器，所述脉冲激光器的输出端连接所述偏振控制器的输入端，所述偏振控制器的输出端连接所述光纤环行器的第一端，所述光纤环行器的第二端连接所述待测光纤敏感环的所述测试始端。所述接收模块包括在线脉冲偏振态接收器、数字示波器，所述在线脉冲偏振态接收器的第一输入端连接所述光纤环行器的第三端，所述在线脉冲偏振态接收器的输出端连接所述数字示波器的输入端，所述数字示波器的输出端连接所述计算模块。所述待测光纤敏感环的测试末端连接有偏振分析仪。进一步的，所述脉冲激光器包括窄带连续光激光器、铌酸锂调制器、可编程脉冲编码发生器、调制器驱动器、光纤放大器和光滤波器；所述窄带连续光激光器连接所述铌酸锂调制器的第一输入端，所述铌酸锂调制器的输出端连接光纤放大器的输入端，所述光纤放大器的输出端连接所述光滤波器的输入端，所述光滤波器的输出端连接所述偏振控制器；所述可编程脉冲编码发生器的输出端连接所述调制器驱动器的输入端，所述调制器驱动器的输出端连接所述铌酸锂调制器的第二输入端。进一步的，所述在线脉冲偏振态接收器包括偏振分束器、耦合器、90°光混频器、3个平衡光探测器；所述偏振分束器的输出端连接有两个所述耦合器，所述两个耦合器的第一输出端分别连接所述90°光混频器的两个输入端，所述90°光混频器的两个输出端分别连接有第一平衡光探测器和第二平衡光探测器，所述两个耦合器的第二输出端连接有第三平衡光探测器，所述两个耦合器的第二输出端分别连接所述第三平衡光探测器的两个输入端；所述偏振分束器的输入端连接所述光纤环行器的第三端，所述第一平衡光探测器的输出端、所述第二平衡光探测器的输出端、所述第三平衡光探测器的输出端均连接所述数字示波器。进一步的，所述在线脉冲偏振态接收器包括耦合器、0°线检偏器、45°线检偏器、右旋圆检偏器、平衡光探测器；所述耦合器的三个输出端分别连接所述0°线检偏器、所述45°线检偏器和所述右旋圆检偏器的输入端，所述0°线检偏器、所述45°线检偏器和所述右旋圆检偏器的输出端分别连接有一个平衡光探测器，所述三个平衡光探测器的输出端均连接所述数字示波器，所述耦合器的输入端连接所述光纤环行器的第三端。一种利用如上所述的系统对光纤敏感环偏振模耦合特性进行测评的方法，包括如下步骤：调整输入所述待测光纤敏感环的光信号的偏振态与所述待测光纤敏感环的偏振本征态一致，将与所述待测光纤敏感环的偏振本征态一致的光信号作为测试光信号输入；通过所述在线脉冲偏振态接收器和所述数字示波器采集所述反射光信号沿纵向分布的完整偏振态斯托克斯矢量S；根据所述斯托克斯矢量计算沿待测光纤敏感环纵向分布的偏振模耦合系数和消光比。进一步的，所述调整输入所述待测光纤敏感环的测试光信号的偏振态与所述待测光纤敏感环的偏振本征态一致包括，调整所述脉冲激光器到连续光输出状态，经所述偏振控制器调制偏振态，并利用偏振分析仪观察待测光纤本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种光纤敏感环偏振模耦合特性测评系统，包括发送模块(100)、接收模块(200)、计算模块(300)，其特征在于，所述发送模块(100)包括依次连接的脉冲激光器(110)、偏振控制器(120)、光纤环行器(130)，所述脉冲激光器(110)的输出端连接所述偏振控制器(120)的输入端，所述偏振控制器(120)的输出端连接所述光纤环行器(130)的第一端，所述光纤环行器(130)的第二端连接所述待测光纤敏感环(400)的所述测试始端；所述接收模块(200)包括在线脉冲偏振态接收器(210)、数字示波器(220)，所述在线脉冲偏振态接收器(210)的第一输入端连接所述光纤环行器(130)的第三端，所述在线脉冲偏振态接收器(210)的输出端连接所述数字示波器(220)的输入端，所述数字示波器(220)的输出端连接所述计算模块(300)；所述待测光纤敏感环(400)的测试末端连接有偏振分析仪(500)。

【技术特征摘要】
1.一种光纤敏感环偏振模耦合特性测评系统，包括发送模块(100)、接收模块(200)、计算模块(300)，其特征在于，所述发送模块(100)包括依次连接的脉冲激光器(110)、偏振控制器(120)、光纤环行器(130)，所述脉冲激光器(110)的输出端连接所述偏振控制器(120)的输入端，所述偏振控制器(120)的输出端连接所述光纤环行器(130)的第一端，所述光纤环行器(130)的第二端连接所述待测光纤敏感环(400)的所述测试始端；所述接收模块(200)包括在线脉冲偏振态接收器(210)、数字示波器(220)，所述在线脉冲偏振态接收器(210)的第一输入端连接所述光纤环行器(130)的第三端，所述在线脉冲偏振态接收器(210)的输出端连接所述数字示波器(220)的输入端，所述数字示波器(220)的输出端连接所述计算模块(300)；所述待测光纤敏感环(400)的测试末端连接有偏振分析仪(500)。2.根据权利要求1所述的光纤敏感环偏振模耦合特性测评系统，其特征在于，所述脉冲激光器(110)包括窄带连续光激光器(111)、铌酸锂调制器(112)、可编程脉冲编码发生器(113)、调制器驱动器(114)、光纤放大器(115)和光滤波器(116)；所述窄带连续光激光器(111)连接所述铌酸锂调制器(112)的第一输入端，所述铌酸锂调制器(112)的输出端连接光纤放大器(115)的输入端，所述光纤放大器(115)的输出端连接所述光滤波器(116)的输入端，所述光滤波器(116)的输出端连接所述偏振控制器(120)；所述可编程脉冲编码发生器(113)的输出端连接所述调制器驱动器(114)的输入端，所述调制器驱动器(114)的输出端连接所述铌酸锂调制器(112)的第二输入端。3.根据权利要求2所述的光纤敏感环偏振模耦合特性测评系统，其特征在于，所述在线脉冲偏振态接收器(210)包括偏振分束器(211)、耦合器(212)、90°光混频器(213)、3个平衡光探测器(214，215，216)；所述偏振分束器(211)的输出端连接有两个所述耦合器(212)，所述两个耦合器(212)的第一输出端分别连接所述90°光混频器(213)的两个输入端，所述90°光混频器(213)的两个输出端分别连接有第一平衡光探测器(214)和第二平衡光探测器(215)，所述两个耦合器(212)的第二输出端连接有第三平衡光探测器(216)，所述两个耦合器(212)的第二输出端分别连接所述第三平衡光探测器(216)的两个输入端；所述偏振分束器(211)的输入端连接所述光纤环行器(130)的第三端，所述第一平衡光探测器(214)的输出端、所述第二平衡光探测器(215)的输出端、所述第三平衡光探测器(216)的输出端均连接所述数字示波器(220)。4.根据权利要求3所述的光纤敏感环偏振模耦合特性测评系统，其特征在于，所述在线脉冲偏振态接收器(210)包括耦合器(211a)、0°线检...

【专利技术属性】
技术研发人员：吴重庆，黄泽铗，王健，刘岚岚，
申请(专利权)人：北京交通大学，
类型：发明
国别省市：北京,11