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保偏光纤精确定位方法的研究

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    标    签:光纤定位纤芯

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    保偏光纤精确定位方法的研究

    本文简要回顾了现有的保偏光纤方位角定位方法,在实用性较强的POL法基础上,

    提出了POLM 方法.用熊猫光纤实测表明它可提高定位精度到1。以内,井显著增强测量稳定性与调整容差,从而显示出极强的实用性.

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    维普资讯 http://www.cqvip.com 第 31卷 第 3期  2002年 3月  t 子 乍 弘  ACTA PHOTON ICA SINICA  保 偏 光 纤 精 确 定 位方 法 的研 究  王冬 云  刘  承  舒 晓武  牟旭 东  杨 国光 。  (1浙 江 大 学 现 代 光学 仪 器 国 家 重 点 实 验 室 310027)  (2浙 江 大学 微 系统 研 究 和 开发 中心 310027)  摘  要 本 文 简要 回顾 了现 有 的保偏 光 纤方位 角定 位 方法 ,在 实用性较 强 的 POL法 基础上 ,  提 出了 POLM 方 法 .用 熊猫 光 纤 实测表 明它 可提 高定位 精 度到 1。以 内,井 显著 增 强 测量 稳  定 性 与 调 整 容 差 ,从 而 显 示 出极 强 的 实 用 性 .  关 键 词 保 偏 光 纤 ;方 位 角 定 位  1 概 述  保偏 光纤 因 为具 有 对线 偏光较 强 的偏 振保持  能 力和对 一般 单横 光纤 极好 的兼容 性使 其 在光纤  通 信 和传感 系统 中得 到 了越 来越 广 泛深入 的研究  与应 用 ,在 光 通信 中需要 它来 稳定 、控 制光 的偏  振 态 以稳 定 信号 输 出 ,提 高信 噪 比 与 系 统性 能 .  在 干 涉型 光 纤 传感 系 统 中 ,使 用 保偏 光纤 来 保 证  相 干光 偏振态 的一 致性 以使 系统 正 常工作 .更 进  一 步 ,它还 可 用 来制 作 高性 能小 型 化集 成 化 的偏  振 器 件 (如 :偏 振 器 、偏 振 分 束 器 、调制 器 ) .这 些  应用 的基 础 在 于精 确 确定 保 偏 光 纤 的方 位 角 (光  纤双折 射轴 与实验 室 坐标 的夹角 ).  保偏 光 纤的保偏 性 能是 在纤 芯径 向引入几何  非 对 称 (椭芯 )或应 力 (熊 猫 、领结 型)而 致 双 折射  (外 致双折 射 )所产 生 的 .传 播光 的偏振 方 向与其  双折 射轴 平行 或垂 直时具 有 不 同的 传播 常量  、  -.传播 常 量差 为  △卢一 { ∥  l  (1)  △ 越 大 ,两偏 振 方 向 的光 波耦 合 就 越 困难 ,  光 纤 的保 偏 能 力 就 越 强 .系统 偏 振 态 要 求越 高  所 允许 的保偏 光纤 方 位角误差 就 越小 .  保偏光纤方位角对接误差“产生的消光 比(ER)  大 小 为 ‘  ER= 101og(tan。a)  (dB)  (2)  可 见要 获得 大 于 35dB的消 光 比就 要求 方 位  角 定位 误差小 于 1。,需要 精 确定位 .  定 方位角 的方 法 大致可 根据通 光和观 测方 向  分 为两 类 :纵 向与 横 向 .  把 光耦 合 人 光 纤 ,从另 一 端 测量 出射 光 的纵  向测量 方法 有 :直接 测 消光 比 ,利 用 光 弹效应 ,利  用 白光 干 涉 等 .前 两 种 精 度 不 很 高 ,但 装 置 精  度 要 求 高且存 在二 次对 准 问题 (即测量 状 态 不 能  被 直 接应 用 ),第 三 种是 目前 最 精确 的方 法 (可 达  0,083。)但 装 置 复 杂 ,环 境条 件 要 求 高 ,调 测 费 时  费 力 .  侧 向照 明观 测 的横 向法 主要 有 ;利 用 结 构线  度 差 和 透镜 效 应 两 种 .前 一 种 用 反 射 干 涉 的原  理 ,放大 纤芯 截 面不 同方 向上几 何线 度差 ,简便 易  行 ,但 只适 用 于 椭 圆包 层 光纤 且 精 度差 .后 一 种  即 为 本 文 要 讨 论 的 POL (Polarization of  0bservation by Lens—effeet Tracing)法 .它 以 较  高 精度 (1。~1.5。)、简便 可行 ,适 用 于各 种 类 型 光  纤 从 而最 具有应用 价值 .  863航 置 资 助 项 目  收 稿 日期 :2001—06—07  维普资讯 http://www.cqvip.com 止  乍 私  31卷  346  r ●● ●●,  ●  ●●● L   2  POLM 方 法 原 理  度 .但 实用 有效 的方 法是 建立 在高 重复性 和 稳定  性 基础 之 上 的 ,所 以还要 考 虑测 量 曲线 的规 则 性  2.1  POL 定 位 原 理  (曲线形 态 )与重 复性和 对 观测距 离 的容差 .实测  表 明 POLM 不 仅 因为 利 用 更 敏感 的 特征 量 而 成  倍提 高 了测 量精 度而且 在 稳定性 和容 差方 面都 有  ~罔  _ln ==)  … … …㈣=  ==  0   图 1  POL(M )方法 示 意 图  Fig.1  Principle chart of POL (M )method  如 图 l所 示 .平 行 光 侧 向 照 射 到 裸 光 纤 ,圆柱   ~—匡   形 的光纤 对 光 的汇聚作 用 使得 在距 光纤 中心 为 工  的观 测 面上形 成 中心较 集 中的光 分布 .因为保 偏  光纤 总是 靠应 力块 或芯 层截 面 几何形 状的 非 圆对  称 达到高 双 折射 即保 偏 的 目的 ,所 以会对 不 同方  向上 的光线 有 不 同程度 的散 射 与折射作 用 .当光  质 的提 高 .  3  POLM 方法 与 POL 的 比较  下 面 以熊猫 型 光纤 为 例说 明 POLM 方 法 的  优 良之 处 .  3.1 曲 线 形 态 的 改 进  0  纤转 动 (方 位 角变 化 )时 .其 影 象 的光分 布 会 随之  改变 .POL方 法利 用光纤 影 象 中光强 分布 的峰 峰  值作 为 特 征 量 .测得 其 随 角 度变 化 的 曲线 并 利 用  它 的 对 称 性 和周 期 性 进 行 傅 里 叶 展 开 得 到起 始  角 为零度 (光纤 光 轴与入 射光 平 行时 )的标 准 曲线  随后将任 意方位 角起始 的测量 曲线与标准 曲线做互  相 关 ,极 大 值 所 对 应 的 角 度 即 为 所 求 方 位 角 .  图 3(a) 观测距离 14Spin 时 POLM(实线 )和  POL 特征 值 (+ 号 )的 比 较  Fig.3(a) Comparison between POLM (solid line)  2.2  PoLM 方 法  and POL(“+ )(  is 145pr o )  在 用 熊猫 型 保偏 光纤 研究 POL方 法 时 出 现  如 图 2所 示 的光 分 布 ,其 特点 是 中心 区域 翻转 成  了暗 区并 且 随着方位 角微 微 转动很 敏感 的 叉变 回  中心明亮 的“常态”.这 启 示我们 可 以找到 一 个 更  敏感 的特征 量来 进 行测量 .以 POL相 同 的原 理 ,  而 以光 纤 影象 中点 与背 景 (最 暗部 分 )的平均相 对  光强 作 为 特征 量 进行 测 量 ,这 就是 本 文 所 提 出的  POLM (Polarization Df Observation by Lens  effect Tracing with Middle—line)方 法 .  由于方 位 角是 测量 曲线 做互 相关求 极 大得 出  的 .相关 曲线 峰 的尖 锐程度 就 直接决 定 了定位 精  图 3(b) POL(  号 )和 POLM (实 线 )在 观 测  距 离 为 1 25pm 时 的 比较  Fig 3(b) Comparison between POL (“~ “)and  POLM (Solid line) (L is 125 ̄m )  从 图 3(a),(b)的 对 比 可 看 出 :POLM 曲 线  (实线 )峰峰 值 大 ,曲线 更 规整 、陡 峭  3.2 测 ■精 度 的提 高  在 方 位 角 的判定 中 ,相关 曲线 峰值 处 的尖 锐  图 2  中 心 区 域 为 暗 区 的 熊 猫 光 纤 影 象  Fig.2  Panda fiber image w ith dark section in middle  程度 是决 定精 度 的最终 制约 .以 图 3测量 曲线 的  归 一 化 自 相 关 曲 线 0。至 5。下 降 的 幅 度 (POL  维普资讯 http://www.cqvip.com 3期  王 冬 云 等 .保 偏 光 纤 精 确 定 位 方 法 的研 究  347  j  r口0口t 8 .% ∞  口罩 目0口  是 32,PCI M 是 45)或 以 峰 值 半 宽 度 的 一 半  距 离 变 化更 敏 感 ,因 而 POLM 方 法 的稳 定性 高 .  (PoL是 34.7,POLM 是 21.2)作 为 判据 ,可 看 出  下面 以测量 曲线 的互 相 关结果 进行 数据 上 的 比较  POLM (实 线 )尖 锐得 多 (5 o降 幅是 POL的 141  ,  图 中数 据 是 极 大 值左 右 各 5。相 关值 的 下 降  峰值 半 宽 度是 POL的 61  ),这 样将 使 方位 角 的  幅 度 之 和 ,用 它 来 表 征 峰值 处尖 锐程 度 .左 边 是  测量 精度 获 得成倍 的提 高 .  PoL 的,右边是 PoLM 的 .  3.3 测 量 穗 定 性 的 增 强  可 以 看 出 POLM 相 关 曲线 峰 尖 锐 程 度 是  从 图 3(a)与 3(b)就可 看 出 POL曲线对 观 测  POL 的 2~ 7倍 ,并 且 它在 两 次 相 关 运 算 中 相 差  仅 为 3  ,说 明 POLM 方法 测定 方 位 角更 精 确且  重 复性 很 好 ,而 POL 的两 个数 据 值 相 差 近三 倍 ,  说 明稳 定 性差 ,并且 POLM 方 法对 观测 距离 的容  差大 ,从 而 可克 服 测 量 过程 中观 测 距离 不 稳定 所  带来 的影 响 .  4 讨 论  Fig.4  Self correlation of Fig.3(a)  理 想 情 况下 ,保 偏 光 纤外 致 双 折 射轴 通 过 光  纤 轴心 并 且左 右对 称 ,这 样 理论 上 用 透镜 效 应 特  征 曲线 直接 定 出 的光轴 会 和光学 双 折射 轴 一 致 .  然 而实际 引^ 外 致双折射 不 可避 免会 产生 偏心 或  其他 非对称 的情况 .下 面就 图 6所示 的熊 猫型保  偏 光 纤进行 讨 论 .  ⑧ ⑧ ⑧  (POLM 为 实 线 )  Fig一5(a) Correlation bet ̄,een Fig.3(a)and Fig.3(b)  (solid line present result of POLM  method)  Ro ̄ onA口g】e(d  图 5(b)  图 3(b)与 工 为 15O m 的 归 一 化 相关 曲 线  (POL 为 实 线 )  FI S.5(b) Correlation between Fig.3(b)and the  curve whose 工 is 150am (solid line  . present result of POL m ethod)  图 6 保 偏 光纤 结 构 的 三 种 非 对称 情 况  Fis.6  Three kinds of asymm etry of M P fiber structure  图 中从 左 到右 依 次 为应 力 块对 纤 芯 不 等距 、  应力块与纤芯不共轴和上述情况的叠加 .无论哪  种情 况 ,光 轴 总 与两 个 应 力块 作 用 中心 的连线 平  行 .  在 不 等距 的情 况下 ,PoLM 的特 征 曲线 不 再  以 180。为 周 期 而 在 360。中将 会 出 现两 套 峰 谷 值  但 理 论上 不 影 响 找 出 的轴 和光 轴 的一 致 性 ,而 定  位精 度会 少许 下 降 .第 二 种情 况 下 ,定 出 的轴 会  与光轴有 微 小的 出^ .最后 一种 是较 复 杂也最 一  般 的情 况 .这 时 ,定 出的 和本 身 光轴 的偏 离 程 度  依 具体情 况 而定 .  上述 理 论上光轴 无 法定 准的情 况是 在 实际 中  应 力块非对称 的影响超 出 了测量误差 才有 针对性.  轴 和光轴 的偏移 在 同批 次 的 光纤 中是一 定 的 ,可  以用 其他 方 法来 补 偿 .而 实 际 中的偏 移 有 多 大 ,  在线 补偿 的方法 等 问题要 通 过 实 验来 确 定 ,值 得  进 一 步 研 究 .  维普资讯 http://www.cqvip.com 348  止  乍 职  31卷  5 结 论  1)POLM 特 征 曲线 形 态 比 POL 的好 .(峰谷  村 比更 大 ,更 陡 峭 ).  2)POLM 的相关 曲线 峰更 尖锐 ,方位 角 判 断  精度 可提 高 到 1o以内 .  3)POLM 方 法测 量 时 的稳 定性 更 高 ,重 复性  更好 可容许 测量 中观测距 离更 大 的偏 差 .  参考 文献  1  Culshaw B.Dskin J(英 )著 ,李 少 慧 .宁雅 农 等 译 .光 纤 传 感 器 .华 中 理工 大 学 出 版 社 ,1997:7.4~ 7.6节  2  Carrara S L A ,Kim B Y ,Shaw H J.Elasto—Optic alinment of birefringent axes in polarization holdig optical fiber  Optics Letters,1988,11(7):47O~ 472  3  Takada K,Noda J,Ulrich R Precision  t of modal birefringence of highly fibers by periodic lateral force.  Applied Optics,1985,24(15):2979 ̄ 2987  4  Zheng W enxin.Auto—aligning and splicing PM —fibers of different types w ith a passive method.Fiber Optic Gyros  20th Anniversary Conference 1996,SPIE t2837:356 ̄ 376  。   ACCURATE ALIG NM ENT oF PM  FIBER  W ang Dongyun 。 ,Liu Cheng ,Shu Xiaowu ,M ou Xudong ,Yang G uoguang 。  1 Zhefiang University State Key Laboratory of Modern Optica ̄Instrument 310027  2 Zhefiang University Micro曲 stem Center For Research And Development 310027  R eeeived date:2001—06-O7  Abstract  In company with technology developments of fiber optic com m unication and fiber sensors.  the impact of light wave polarization staus becomes noticeable.Thus Polarization M aintaining (PM )  fibers are used more and m ore widely and deeply to reduce signals’aberration and instability due to  the random polarization status.To take full advantage of PM  fiber for enhancing the capability of  whole system ,the PM  fiber’S azim uth m ust be accurately m easured.But nOW one of the “bottle  necks”in the PM  fiber’S practical and accurate application is lack of such a high accurate method with  facility and ceIerlty.This paper briefs the alignm ent m ethods of PM  fiber’S azim uth.Then on the base  of POL method,it proposes a new one:POI,M  m ethod.It improves precision of angle orientation  within 1。in the practical measuring with panda PM  fiber.And with its high stability and tolerance  during m easurement,this alignment method shows excellent practicability.  Keywords  PM  fiber;Azim uth alignm ent  互 ZaogWpuhtiednljcga ndDgep ohnUiygsteiucvgnr .iasAlgt wnoyidpa. tsHei1cn9bt.o ergnH dainsZu ham1te9ji7dao4 nr,gfi anoUtmen raiXvster’ asintoryef Jtioabp etirouc naglsp uteiUcnsgt,ihnlveg rhPsti nDwgy .avionef 

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