專利名稱：測(cè)量保偏光纖和雙折射介質(zhì)的分布式偏振串?dāng)_方法及裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于光學(xué)測(cè)量技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及用于測(cè)量光學(xué)材料和裝置偏振特性的裝 置、系統(tǒng)和方法。
背景技術(shù)：
對(duì)于各種光學(xué)器件、系統(tǒng)和應(yīng)用來說，光學(xué)偏振是光信號(hào)的一個(gè)重要的參數(shù)。當(dāng)光 與具有光學(xué)雙折射的光學(xué)介質(zhì)相互作用時(shí)，光信號(hào)的光偏振特性將發(fā)生改變，這種光學(xué)雙 折射介質(zhì)對(duì)于其中傳輸?shù)牟煌馄駪B(tài)具有不同的折射率。例如，光纖具有光學(xué)雙折射，因 此光從光纖中傳輸將改變其偏振態(tài)。光纖的雙折射隨時(shí)間變化，經(jīng)常隨工作環(huán)境的改變，如 光纖所受壓力和溫度的改變，而隨機(jī)變化。保偏(PM)光纖具有很高的雙折射，可提供兩個(gè)獨(dú)立的偏振傳輸模式，分別沿保偏 光 纖互相正交的慢軸和快軸的HEs1ot11和HEfast11兩個(gè)模式傳輸。光在保偏光纖中傳輸，沿慢 軸傳輸?shù)腍Esltw11模的折射率比沿快軸傳輸?shù)腍Efast11模的折射率高。當(dāng)線偏振光耦合到偏 振光纖中，沿保偏光纖的慢軸傳輸，僅有HEs1ot11?？梢员患ぐl(fā)并且沿慢軸傳輸光的偏振態(tài) 得以保持，相反的，當(dāng)線偏振光耦合到偏振光纖中，沿保偏光纖的快軸傳輸，僅有HEfast11模 可以被激發(fā)并且沿快軸傳輸光的偏振態(tài)得以保持。保偏光纖的這個(gè)保持光偏振態(tài)的特性被 應(yīng)用于各種應(yīng)用，例如光纖陀螺、集成光學(xué)器件、高性能光干涉儀、偏振傳感器、量子密鑰分 配和光纖激光器等。對(duì)于保偏光纖的微擾動(dòng)，例如施加在保偏光纖上的壓力，將導(dǎo)致在兩個(gè) 正交偏振模之間的光學(xué)耦合或串?dāng)_，即一個(gè)偏振模的光學(xué)能量傳輸?shù)搅硪粋€(gè)偏振模中，反 之亦然。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是為克服已有技術(shù)的不足之處，提出一種測(cè)量保偏光纖和雙折射材 料的分布式偏振串?dāng)_方法及裝置，采用此方法和裝置可以抑制重影干涉峰數(shù)目和幅度，并 可獲得高測(cè)量靈敏度、寬動(dòng)態(tài)范圍和高空間測(cè)量精度。本發(fā)明包含基于抑制重影干涉峰的數(shù)目和幅度的方法，用于測(cè)量雙折射光學(xué)介質(zhì) 的偏振串?dāng)_分布的技術(shù)和裝置。這種雙折射光學(xué)介質(zhì)包括保偏光纖。本發(fā)明一方面提出一種測(cè)量光學(xué)雙折射介質(zhì)的偏振串?dāng)_分布的方法。該方法包括 將具有寬光譜的線性偏振光耦合到光學(xué)雙折射介質(zhì)中，由于光學(xué)雙折射原因，光將沿光學(xué) 雙折射介質(zhì)提供的兩個(gè)正交偏振傳輸模式中傳輸，產(chǎn)生從光學(xué)雙折射介質(zhì)的輸出光信號(hào)， 將從光學(xué)雙折射介質(zhì)輸出的光信號(hào)導(dǎo)入一個(gè)光學(xué)延遲器，此延遲器可以在由光學(xué)雙折射介 質(zhì)產(chǎn)生的兩個(gè)正交偏振模式中附加一個(gè)比光學(xué)雙折射介質(zhì)產(chǎn)生的光學(xué)延遲更大的光學(xué)延 遲，產(chǎn)生一個(gè)調(diào)制的光學(xué)輸出信號(hào)，將此調(diào)制光學(xué)輸出信號(hào)傳輸過一個(gè)線性起偏器，其偏振 方向?yàn)槭沟迷谄渲袀鬏敼獾膬蓚€(gè)正交偏振?？梢援a(chǎn)生混合。將線性起偏器輸出的光導(dǎo)入一 個(gè)光學(xué)干涉儀以使得在光學(xué)雙折射介質(zhì)中的兩個(gè)正交偏振模發(fā)生干涉，通過處理獲得的干 涉信號(hào)來識(shí)別在光學(xué)雙折射介質(zhì)中兩個(gè)偏振模耦合的位置。
本發(fā)明另一方面提出一種用于測(cè)量光學(xué)雙折射介質(zhì)的偏振串?dāng)_分布的裝置。該裝置包含一種機(jī)構(gòu)用于將寬光譜線性偏振光耦合到光學(xué)雙折射介質(zhì)中，由于光學(xué)雙折射原 因，光將沿光學(xué)雙折射介質(zhì)的兩個(gè)正交偏振傳輸模式中傳輸，從光學(xué)雙折射介質(zhì)產(chǎn)生輸出 光信號(hào)，在光學(xué)雙折射介質(zhì)之后，沿著從光學(xué)介質(zhì)輸出光的光路上放置一個(gè)光學(xué)延遲器，此 延遲器構(gòu)造為可以在由光學(xué)雙折射介質(zhì)產(chǎn)生的兩個(gè)正交偏振模式中附加一個(gè)比光學(xué)雙折 射介質(zhì)產(chǎn)生的光學(xué)延遲更大的光學(xué)延遲，產(chǎn)生一個(gè)調(diào)制的光學(xué)輸出信號(hào)。此裝置包含一個(gè) 線性光起偏器，其偏振方向?yàn)槭沟迷谄渲袀鬏敼獾膬蓚€(gè)正交偏振?？梢援a(chǎn)生混合。線性起 偏器放置在調(diào)制光的光路上，并且傳輸光到一個(gè)光學(xué)干涉儀，干涉儀構(gòu)造為可使得在光學(xué) 雙折射介質(zhì)中的兩個(gè)正交偏振模發(fā)生干涉，處理器通過處理獲得的干涉信號(hào)來識(shí)別在光學(xué) 雙折射介質(zhì)中兩個(gè)偏振模耦合的位置，處理器也可以構(gòu)造為通過處理獲得的干涉信號(hào)來獲 取在識(shí)別的偏振耦合點(diǎn)處的強(qiáng)度。本發(fā)明另一方面，提出一種裝置，其中包括線性偏振的寬帶光源入射到被測(cè)量的 保偏光纖中，一個(gè)具有光學(xué)輸入端口的光學(xué)延遲器，接收來自測(cè)保偏光纖的輸出光，對(duì)從輸 入端口輸入光的兩個(gè)正交偏振軸之間生成附加的光學(xué)延遲，并從該裝置的輸出端口輸出， 一個(gè)起偏器用于將上述光學(xué)延遲器中的兩個(gè)正交偏振態(tài)的光信號(hào)混合為同樣沿起偏器方 向傳輸?shù)钠駪B(tài)。一個(gè)干涉儀在上述的起偏器之后接收光學(xué)信號(hào)并生成干涉信號(hào)，一個(gè)控 制和處理器件接收干涉儀輸出信號(hào)，并且給出沿保偏光纖上的串?dāng)_耦合點(diǎn)的位置和強(qiáng)度信息。
本發(fā)明的一種典型的光學(xué)延遲器包含一個(gè)偏振分束器(PBS)，該偏振分束器從光 纖或自由空間接收光信號(hào)，并且把接收的光束分為偏振態(tài)相互正交的第一束光和第二束 光，一個(gè)偏振光合束器(PBC)用于將上述的第一束光和第二束光合并，并從上述的PBC輸 出。第一束光與第二束光沿不同光路傳輸，在輸出的兩個(gè)正交偏振態(tài)之間引入了附加的光 學(xué)延遲。本發(fā)明的另外一種典型的光學(xué)延遲器的構(gòu)成包括一個(gè)偏振分束器(PBS)，該偏振 分束器從光纖或自由空間接收光信號(hào)，然后將接收的光束分為偏振正交的第一束光和第二 束光。在通過一個(gè)半玻片或45度旋轉(zhuǎn)器后，第一束光反射回其從PBS的出射端口，在通過 一個(gè)半玻片或者45度旋轉(zhuǎn)器后，第二束光反射回其從PBS的出射端口。然后第一束光和第 二束光在PBS中合束，并從PBS的第四端口輸出。第一束光和第二束光沿不同光路傳輸將在輸出的兩正交偏振態(tài)之間生成附加的 光學(xué)延遲。這個(gè)在被測(cè)保偏光纖的兩個(gè)正交偏振態(tài)之間產(chǎn)生的附加光學(xué)延遲可以有效的消 除在測(cè)量保偏光纖分布式串?dāng)_時(shí)產(chǎn)生的重影干涉峰。這些和其他應(yīng)用方面將在具體實(shí)施方式
、附圖和權(quán)利要求中詳細(xì)闡述。本發(fā)明的特點(diǎn)及效果本發(fā)明提出用于測(cè)量沿保偏光纖兩正交偏振模之間串?dāng)_分布的方法和裝置的實(shí) 施例，基于在被測(cè)保偏光纖輸出后的光學(xué)干涉測(cè)量。本發(fā)明的方法和裝置可以用于有效地 抑制重影干涉峰的數(shù)目和強(qiáng)度，此重影干涉峰是由于在保偏光纖多個(gè)耦合點(diǎn)或區(qū)域施加壓 力，沿保偏光纖的多個(gè)耦合點(diǎn)發(fā)生干涉產(chǎn)生的串?dāng)_。在本發(fā)明方法和裝置中，使用寬帶光 源，通過分析沿保偏光纖長(zhǎng)度方向由于壓力引入的偏振串?dāng)_耦合來來獲得沿保偏光纖所受 壓力的空間分布。采用此方法和裝置可以獲得高測(cè)量靈敏度、寬動(dòng)態(tài)范圍和高空間測(cè)量精度。


圖1顯示一個(gè)典型的采用干涉儀結(jié)構(gòu)測(cè)量沿保偏光纖空間分布的偏振串?dāng)_的裝 置；其中，圖IA顯示了該裝置的元件構(gòu)成，圖IB闡述了光學(xué)起偏器相對(duì)于保偏光纖主軸的方向，圖IC描述了在保偏光纖多個(gè)位置施加壓力以在保偏光纖中的兩個(gè)正交偏振模中 引入串?dāng)_的情況。
圖2A顯示本發(fā)明的一個(gè)用于測(cè)量沿保偏光纖空間分布的偏振串?dāng)_的典型裝置， 該裝置提供一個(gè)在被測(cè)保偏光纖和光學(xué)干涉儀之間的光學(xué)延遲，在后面將對(duì)該裝置的操作 進(jìn)行詳細(xì)說明。圖2B說明保偏光纖由上到下在沿保偏光纖的3個(gè)耦合點(diǎn)承受壓力，同時(shí)在保偏光 纖輸出端，分別沿慢軸和快軸偏振的波包和圖1所示裝置輸出波包，和圖2A具有光學(xué)延遲 器件輸出的波包。圖3顯示本發(fā)明的一個(gè)在兩個(gè)線性正交偏振態(tài)Pl和P2之間產(chǎn)生預(yù)期光學(xué)延遲的 延遲器實(shí)施例。圖4顯示本發(fā)明的另一個(gè)在兩個(gè)線性正交偏振態(tài)Pl和P2之間產(chǎn)生預(yù)期光學(xué)延遲 的延遲器實(shí)施例。圖5顯示本發(fā)明的另一個(gè)在兩個(gè)線性正交偏振態(tài)Pl和P2之間產(chǎn)生預(yù)期光學(xué)延遲 的延遲器實(shí)施例。圖6顯示本發(fā)明的另一個(gè)在兩個(gè)線性正交偏振態(tài)Pl和P2之間產(chǎn)生預(yù)期光學(xué)延遲 的延遲器實(shí)施例，該實(shí)施例僅使用一個(gè)偏振分束器棱鏡。圖7顯示本發(fā)明的另一個(gè)在兩個(gè)線性正交偏振態(tài)Pl和P2之間產(chǎn)生預(yù)期光學(xué)延遲 的延遲器實(shí)施例，該實(shí)施例也僅使用一個(gè)偏振分束器棱鏡。圖8顯示本發(fā)明的另一個(gè)在兩個(gè)線性正交偏振態(tài)Pl和P2之間產(chǎn)生預(yù)期光學(xué)延遲 的延遲器實(shí)施例，該實(shí)施例使用一個(gè)4尾纖端口的偏振分束器。圖9顯示本發(fā)明用于分布式測(cè)量保偏光纖偏振串?dāng)_的一個(gè)典型儀器。圖10顯示本發(fā)明的另一個(gè)典型的用于分布式測(cè)量保偏光纖偏振串?dāng)_的使用光纖 尾纖的元件的儀器。圖11顯示為本發(fā)明的一個(gè)用于測(cè)量通過波導(dǎo)器件傳輸光的兩正交偏振模之間衰 減比的裝置的實(shí)施例。圖12顯示為一個(gè)用于測(cè)量光學(xué)雙折射介質(zhì)——如保偏光纖，分布式偏振串?dāng)_的處 理范例。
具體實(shí)施例方式在保偏光纖中，當(dāng)入射的光嚴(yán)格與保偏光纖的慢軸或者快軸對(duì)準(zhǔn)時(shí)，保偏光纖兩 個(gè)偏振模式之間會(huì)由于保偏光纖內(nèi)在缺陷或者外界壓力產(chǎn)生光學(xué)耦合。保偏光纖慢軸和快 軸之間的模式耦合稱為偏振串?dāng)_。一種描述偏振串?dāng)_的方法是慢軸和快軸中分別傳輸?shù)膬蓚€(gè)偏振模式的光強(qiáng)比。在具體應(yīng)用中，需要確定在保偏光纖中偏振串?dāng)_的發(fā)生的位置和測(cè) 量偏振串?dāng)_的程度。舉例來說，在光纖陀螺中，偏振串?dāng)_的測(cè)量可以用于在繞制保偏光纖環(huán) 之前監(jiān)視保偏光纖的質(zhì)量、在繞制過程中控制串?dāng)_損耗、在繞環(huán)后診斷保偏光纖環(huán)的存在 的問題。當(dāng)保偏光纖用做光學(xué)傳感介質(zhì)時(shí)，偏振串?dāng)_可以用做傳感的機(jī)制。舉例來說，偏振 串?dāng)_測(cè)量可以用于獲得沿著保偏光纖的壓力分布，監(jiān)視沿橋梁、隧道、大壩、管道或傳輸液 體(例如石油)或氣體(例如天然氣)的管道、樓宇建筑等空間結(jié)構(gòu)變化。偏振串?dāng)_測(cè)量 也可用于安防入侵的探測(cè)，安防入侵可導(dǎo)致保偏光纖鏈路的結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，從而在保偏光 纖中引入偏振耦合。偏振串?dāng)_測(cè)量還可用于保偏光纖質(zhì)量檢查，通過監(jiān)測(cè)發(fā)生串?dāng)_的點(diǎn)來 發(fā)現(xiàn)保偏光纖的缺陷區(qū)域，使得保偏光纖生產(chǎn)廠家或用戶可以移去具有缺損的保偏光纖區(qū) 域或預(yù)先減小保偏光纖此缺損區(qū)域造成的影響。偏振串?dāng)_測(cè)量也可用于測(cè)量偏振波導(dǎo)的高 消偏比，通過獲得光源的自相關(guān)函數(shù)，測(cè)量保偏光纖的雙折射和保偏光纖和單模(SM)光纖 的長(zhǎng)度，匹配干涉儀的光程。沿著保偏光纖慢軸和快軸傳輸?shù)墓獠ǖ墓鈱W(xué)干涉可以在保偏光纖發(fā)生耦合的地方產(chǎn)生一個(gè)實(shí)干涉信號(hào)和一個(gè)重影干涉信號(hào)，此重影干涉信號(hào)是由多個(gè)串?dāng)_點(diǎn)之間的光波 多次耦合造成的。當(dāng)保偏光纖中存在多個(gè)強(qiáng)串?dāng)_點(diǎn)時(shí)，此重影干涉信號(hào)將會(huì)很強(qiáng)，因此會(huì)導(dǎo) 致對(duì)串?dāng)_點(diǎn)位置和強(qiáng)度的錯(cuò)誤判斷。圖1所示為一個(gè)通過使用一個(gè)光學(xué)干涉儀測(cè)量沿保偏光纖偏振串?dāng)_空間分布的 典型裝置100，其中圖IA顯示裝置的組成元件，圖IB說明光學(xué)起偏器相對(duì)于保偏光纖主軸 的方向，圖IC說明當(dāng)沿保偏光纖多個(gè)位置施加壓力對(duì)保偏光纖兩正交偏振模之間引入串 擾的情況。在圖1中，從寬帶光源發(fā)出的寬帶光101在位置AllO輸入到保偏光纖中。輸入光 101具有一個(gè)與保偏光纖慢軸對(duì)準(zhǔn)的偏振分量。在位置B處的壓力導(dǎo)致沿保偏光纖快軸和 慢軸的兩正交偏振態(tài)之間的偏振耦合，同時(shí)產(chǎn)生一個(gè)與快軸對(duì)準(zhǔn)的偏振分量。由于兩個(gè)偏 振分量在保偏光纖中以不同的群速度傳輸，在光纖的輸出端111 (位置C)，兩個(gè)偏振分量會(huì) 經(jīng)歷不同的延遲Δ ζ = nsz-nfz = Δηζ(1)其中，ns和nf分別為慢軸和快軸的折射率，兩個(gè)折射率之差Δη是雙折射率，ζ是 耦合點(diǎn)B到輸出點(diǎn)C之間的距離。如果放置在光纖輸出端111之后的光學(xué)起偏器120的起 偏軸與慢軸成45度(圖1Β)，兩偏振分量各自一半的光功率通過起偏器120，并且具有相同 的線偏振態(tài)，其方向與起偏器120的偏振軸相同。因此，當(dāng)光學(xué)干涉儀用于接收從起偏器120輸出的光時(shí)，起偏器120的作用就是使 接收的光發(fā)生光學(xué)干涉，其中接收光分別包含保偏光纖中的兩個(gè)偏振模式中的偏振分量， 此光學(xué)干涉可以用來進(jìn)行偏振串?dāng)_的測(cè)量。在圖1中，一個(gè)邁克爾遜干涉儀作為此干涉儀的一種例子。分束器130用來接收 從起偏器120輸出的光，并且將接收光分為沿第一光路142傳輸?shù)焦潭ǚ瓷溏R140的第一 束光和沿第二光路143傳輸?shù)揭粋€(gè)可以移動(dòng)反射鏡141的第二束光?？梢苿?dòng)反射鏡141用 一個(gè)驅(qū)動(dòng)器控制可移動(dòng)反射鏡141的位置來調(diào)整第二光路143相對(duì)于第一光路142的相對(duì) 光程。兩個(gè)反射鏡140和141將兩束光分別沿第一光路和第二光路反向傳輸?shù)椒质?30。 從兩個(gè)反射鏡140和141返回的光束在分束器130處相互發(fā)生空間交疊，光學(xué)干涉產(chǎn)生輸出光132，包含具有周期干涉峰的干涉信號(hào)，此信號(hào)是由反射鏡141的位置發(fā)生移動(dòng)產(chǎn)生。 在干涉信號(hào)中，由于移動(dòng)反射鏡141而產(chǎn)生的兩個(gè)干涉峰之間的距離為Δηζ，因此，從等式 (1)可知，保偏光纖中的耦合點(diǎn)位置為ζ = Δζ/Δη。因此，通過干涉圖可以定為耦合點(diǎn)， 同時(shí)通過干涉峰可以計(jì)算耦合比。 圖IC說明在保偏光纖中包含多個(gè)耦合點(diǎn)的情況。在此情況下，測(cè)量過程將更加復(fù) 雜一些。假設(shè)，在保偏光纖中有(η+1)個(gè)耦合點(diǎn)(^l X1 X2- · χη)，沿慢軸輸入的線偏振的 波包112在保偏光纖的輸出端113分為2η個(gè)沿慢軸傳輸?shù)男〔ò?η個(gè)沿快軸傳輸?shù)男?波包。因此，在第i個(gè)耦合點(diǎn)，兩個(gè)波序列Psi和Pfi分別沿慢軸和快軸偏振，在其傳輸光路 中包含21個(gè)波包，它們的光程可表示為 其中，Psij j(j = 1 to 21)和Pfi,」(j = 1 to 21)分別表示在第Psi和Pfi波序列中
的第j個(gè)波包。在第(i+Ι)個(gè)耦合點(diǎn)之后的波序列的光程可以通過下式計(jì)算 基于公式(3)，在保偏光纖輸出端的波包的光程可以通過下式獲得 同時(shí)，Psn和Pfn波包序列的對(duì)應(yīng)的光強(qiáng)度Isn和Ifn可以通過下式計(jì)算 其中cn是在耦合點(diǎn)xn的耦合系數(shù)，并且可以用做串?dāng)_定義的一個(gè)參數(shù) 在通過45°起偏器120后，原始沿保偏光纖慢軸和快軸傳輸?shù)膬蓚€(gè)波包序列Psn和 Pfn，將相互混合成一個(gè)波包序列，并沿著起偏器120方向傳輸。沿起偏器120偏振方向傳輸 的波包序列的光程P和對(duì)應(yīng)的光強(qiáng)可以由下式計(jì)算 當(dāng)?shù)诙饴分械姆瓷溏R141移動(dòng)改變其位置時(shí)，波包序列P(參考公式(7))中的 任意兩個(gè)脈沖可以產(chǎn)生一個(gè)干涉信號(hào)，同時(shí)干涉條紋的位置由這兩個(gè)脈沖之間的延遲差決 定。η個(gè)耦合點(diǎn)總共有2n*(2n-l)/2個(gè)峰，其中有η個(gè)峰表明實(shí)際的耦合點(diǎn)，其余的均為重 影干涉峰。這些重影干涉峰不僅產(chǎn)生假的耦合信號(hào)，而且還可能形成由真實(shí)耦合點(diǎn)產(chǎn)生的 真實(shí)干涉峰中的一部分，因此這些重影干涉峰將會(huì)降低測(cè)量串?dāng)_分布和幅度的精確度。從公式(7)和公式(8)可看出，波包序列包含兩組，一組是公式(7)的上半部， 表示為Psil1，在保偏光纖中沿慢軸，另一組為公式(7)的下半部，表示為Pflri，在保偏光纖 中沿快軸。在Pslri組中任意兩個(gè)脈沖的干涉圖的位置與保偏光纖最后一段(Xn-Xlri),的 長(zhǎng)度沒有關(guān)系，它們之間的延遲差都小于(Xy-xORAn。在Pflri組中任意兩個(gè)脈沖的干 涉圖的位置也與保偏光纖最后一段(Xn-Xlri),的長(zhǎng)度沒有關(guān)系，它們之間的延遲差都小于 (Xlri-XO) * Δ η。對(duì)于在波包P中的上半部和下半部之間的干涉，分別從Pslri和Pflri組中任 意一個(gè)波包其延遲差都為(W1) Δ n+(Pslri，j-PU。如果最后一段保偏光纖段的長(zhǎng)度 Xn-Xn-!比保偏光纖從0到n-1段總共長(zhǎng)度要長(zhǎng)的情況下，在此位置的干涉峰將被分為兩組， 一組是由在Pslri或？+工序列中的任何兩個(gè)波包產(chǎn)生的干涉形成，另一組是分別由Psn-I序 列中的一個(gè)波包和Psm序列中的一個(gè)波包干涉形成。一段具有高消光比(ER)的保偏光纖 鏈路通常表明保偏光纖鏈路的耦合系數(shù)cl，c2……ci很小，所以在公式(7)中的脈沖Pl具 有相對(duì)高的功率。如果由2次以上的耦合產(chǎn)生，同時(shí)忽略3階以上的干涉項(xiàng)，這時(shí)在第二組 干涉組中僅有η個(gè)干涉信號(hào)，對(duì)應(yīng)的干涉儀(圖1Α)中的參考臂的第一光路(142)與干涉 儀的改變臂的第二光路的延遲差為 其中準(zhǔn)確的對(duì)應(yīng)保偏光纖中從O到n-1的耦合點(diǎn)。為了減少重影干涉峰，可以在保偏光纖和起偏器120之間插入一個(gè)光學(xué)延遲器以 可以選擇性的對(duì)在保偏光纖傳輸光的兩個(gè)偏振模其中一個(gè)中引入一個(gè)附加光學(xué)延遲。圖2A 所示為一個(gè)典型的用于測(cè)量沿保偏光纖沿光纖分布的偏振串?dāng)_的裝置，該裝置在被測(cè)保偏光纖和干涉儀之間加入一個(gè)光學(xué)延遲器件，下面具體闡述該裝置的工作過程。在通過被測(cè) 保偏光纖202后，輸入光201被分為兩個(gè)正交波包序列，這兩個(gè)序列的偏振方向分別沿保偏 光纖的慢軸和快軸。延遲器件210在兩個(gè)正交波包序列之間附加一個(gè)延遲L，其中在空氣 中的延遲L應(yīng)比Δη*1要長(zhǎng)，其中Δ η為保偏光纖的雙折射率，1為保偏光纖的長(zhǎng)度。在這 個(gè)例子中，附加的延遲L加載到沿保偏光纖慢軸方向偏振的光上。在通過45°起偏器220 后，這兩個(gè)經(jīng)過附加延遲L的波包序列混合在一起，并且具有相同的偏振態(tài)，此偏振態(tài)由起 偏器220決定。在起偏器220之后的光學(xué)干涉儀230用來產(chǎn)生延遲在Δη*1和(L_An*l) 之間的一系列干涉信號(hào)。這些干涉信號(hào)僅與由在耦合點(diǎn)產(chǎn)生的偏振耦合引起的實(shí)部信號(hào)對(duì) 應(yīng)，因此可以抑制或消除重影干涉峰。一個(gè)處理器240用于接收光學(xué)干涉儀230的輸出信 號(hào)，通過處理輸出的信號(hào)來測(cè)量保偏光纖耦合點(diǎn)的位置和強(qiáng)度。圖2B所示分別為在一根保偏光纖從上到下3個(gè)耦合點(diǎn)施加壓力下，在保偏光纖輸出端沿慢軸和快軸偏振的波包序列；在圖1所示不具有光學(xué)延遲器件的輸出波包序列；在 圖IA所示具有光學(xué)延遲器件的輸出波包序列?？紤]下述情況下，沿保偏光纖具有3個(gè)耦合點(diǎn)xl，x2和x3，并且輸入保偏光纖的 光偏振方向沿保偏光纖的慢軸，沒有快軸分量。在每個(gè)耦合點(diǎn)，光不僅從慢軸的偏振模式耦 合到快軸的偏振模式中，而且也從快軸的偏振模式耦合到慢軸的偏振模式中，這樣耦合的 結(jié)果是，保偏光纖輸出的波包序列包含了多次耦合的波包。如圖2B所示，保偏光纖輸出與保偏光纖慢軸對(duì)準(zhǔn)的4個(gè)波包SQ，S12，S23和S13。S。 是從光纖的輸入端Xtl沿慢軸直接傳輸?shù)焦饫w的輸出端Xmd。Stl傳輸?shù)墓獬虨閚sL其中L是 光纖長(zhǎng)度。S12，S23和S13是由沿保偏光纖的耦合點(diǎn)產(chǎn)生。更具體的說，S12是從輸入端沿慢 軸傳輸?shù)絏1的光，然后從X1到X2是沿著快軸傳輸，然后從X2到輸出端是沿慢軸傳輸；；S23 是從輸入端沿慢軸傳輸?shù)絏2的光，然后從X2到X3是沿著快軸傳輸，然后從X3到輸出端沿慢 軸傳輸；S13是從輸入端沿慢軸傳輸?shù)絏1的光，然后從X1到X3是沿著快軸傳輸，然后從X3到 輸出端沿慢軸傳輸。在光纖輸出端快軸出現(xiàn)有3個(gè)主波包f1;f2，和f3，它們分別為在耦合點(diǎn)^2和X3 處慢軸耦合到快軸所產(chǎn)生。更具體的說，波包是從輸入端沿慢軸傳輸?shù)絏1,然后從X1到 輸出端沿快軸傳輸；波包f2是從輸入端沿慢軸傳輸?shù)絏2,然后從X2到輸出端沿快軸傳輸； 波包f3是從輸入端沿慢軸傳輸?shù)絏3,然后從X3到輸出端沿快軸傳輸。在慢軸從輸入端到 X1，在快軸從X1到X2，在慢軸從X2到X3，在快軸從X3到輸出端產(chǎn)生三階耦合的波包，在許多 實(shí)際情況下，這些三階耦合由于其光功率很低，因此可以忽略。在經(jīng)過45°方向的檢偏器后，沿慢軸和快軸方向的波包將互相混合(圖2B中的 270和280)。如果這些混合的光輸入到干涉儀，當(dāng)干涉儀的一臂的延遲發(fā)生改變，則可以獲 得一系列的干涉峰。表1列出了如圖2B所示例子中的干涉峰。由Sll^f1,，S0^f2,,和 之間產(chǎn)生的干涉峰表明了在保偏光纖上的實(shí)際耦合點(diǎn)Xl，X2和x3。在表1中的其它干涉峰 是重影干涉峰，這些干涉峰可能引起在識(shí)別真實(shí)耦合點(diǎn)X1, X2和X3時(shí)不必要的錯(cuò)誤。重影 干涉峰也會(huì)影響真實(shí)干涉峰，降低串?dāng)_測(cè)量精度。本發(fā)明為了抑制不需要的重影干涉峰的數(shù)目和振幅，可在保偏光纖的輸出和起偏 器的輸入之間放置如圖2A中所示的延遲器210。這個(gè)延遲器可以偏振選擇并能在保偏光纖 的慢軸和快軸之間加入附加延遲，因此，在經(jīng)過檢偏器后快軸和慢軸的兩個(gè)波包從時(shí)間上被分離開(參考圖2B的280)。如果給干涉儀的固定臂和移動(dòng)臂相同的延遲，那么，當(dāng)延遲 器進(jìn)行掃描的時(shí)候，將不會(huì)產(chǎn)生零階、二階和更高階干涉信號(hào)(參考表1)，因此，在測(cè)量過 程中，絕大部分的重影干涉峰都會(huì)消失。從而，圖2A所示的裝置比圖1所示的基于其它干 涉儀方法的裝置具有更高的測(cè)量精度、更大的動(dòng)態(tài)范圍和更高的靈敏度。圖2A中的偏振選擇光學(xué)延遲器210可以有多種組成結(jié)構(gòu)，并根據(jù)不同應(yīng)用需要選 擇圖2A中的裝置。沿保偏光纖兩個(gè)偏振模式中傳輸?shù)墓馔ㄟ^采用偏振分束器分為沿兩個(gè) 獨(dú)立光路傳輸?shù)膬蓚€(gè)獨(dú)立光信號(hào)，一個(gè)可調(diào)光延遲機(jī)構(gòu)可以對(duì)這兩個(gè)獨(dú)立光信號(hào)在合束之 前加入可調(diào)的光學(xué)延遲，通過光學(xué)干涉儀之后的線性光起偏器將兩個(gè)獨(dú)立光信號(hào)合成為一 個(gè)光信號(hào)以便進(jìn)一步的處理。圖3，4，5，6，7和8所示為實(shí)施這樣一個(gè)光學(xué)延遲器的幾種例 子。這些例子可配置為具有固定光學(xué)延遲器件來產(chǎn)生需要的光學(xué)延遲AL(AL>n*l其中 1是被測(cè)保偏光纖的長(zhǎng)度)，或者為大于需要的光學(xué)延遲AL的可調(diào)光學(xué)延遲。表1為本發(fā)明方法和其它方法的比較
圖3給出了本發(fā)明的一個(gè)在兩個(gè)線性正交偏振態(tài)Pl和P2之間產(chǎn)生需要延遲的 一個(gè)光學(xué)延遲器的典型例子。在輸入端311，輸入的正交線偏振態(tài)與偏振分束器310 (簡(jiǎn)稱 PBS)的軸對(duì)準(zhǔn)，在輸出端口分為兩個(gè)信號(hào)312(P1)和313 (P2)，分別并被耦合到兩個(gè)獨(dú)立的 干涉臂320和321。在干涉臂320和321中的一臂可以插入一個(gè)光學(xué)延遲線，以在320臂舉 例來說，在兩個(gè)偏振態(tài)中引入需要的光學(xué)延遲，且延遲可調(diào)。偏振合束器將兩個(gè)干涉臂320 和321耦合，分別用輸入端口 332和333接收兩個(gè)干涉臂的兩個(gè)線性正交偏振態(tài)。偏振合束器(簡(jiǎn)稱PBC) PBC) 330將具有延遲L的兩個(gè)偏振態(tài)合成一個(gè)信號(hào)，并在PBC的輸出端口 331輸出。延遲L是干涉臂320的延遲(Delay32tl)和另一個(gè)干涉臂321的延遲(Delay321)之差。圖4給出了本發(fā)明的另一個(gè)在保偏光纖兩個(gè)線性正交偏振態(tài)Pl和P2之間產(chǎn)生需 要延遲的一個(gè)光學(xué)延遲器的典型例子。在被測(cè)保偏光纖的輸入和輸出端加入保偏準(zhǔn)直器 401，其作用是從保偏光纖接收光并保持光的偏振態(tài)。從保偏準(zhǔn)直器401接收的光被耦合到 光學(xué)延遲裝置的一個(gè)自由空間偏振分束器(PBS) 410用來合束的時(shí)候叫PBC。光學(xué)延遲器 使用(PBS) 410來將輸入的光分為兩個(gè)正交偏振光束，沿第一光路412傳輸?shù)腟態(tài)和沿第二 獨(dú)立光路413傳輸?shù)腜態(tài)。第二個(gè)PBS 440用作偏振合束器(PBC)來接收從兩個(gè)光路412 和413的輸出光束，并將接收的S態(tài)和P態(tài)的兩個(gè)光束合并為一個(gè)光輸出443。反射鏡420 和421用于將沿第一光路413傳輸?shù)墓夥瓷涞絇BS 440。在兩個(gè)光路413和412其中之一 路加入一個(gè)光學(xué)傳輸介質(zhì)422，在兩個(gè)偏振態(tài)之間產(chǎn)生需要的延遲L，此光學(xué)介質(zhì)可以調(diào)整 來改變延遲L。另外，反射鏡420和421也可以調(diào)整來改變延遲L。準(zhǔn)直器401應(yīng)分別使得Pl和P2與PBS410的s態(tài)和ρ態(tài)平行方向?qū)R。P偏振光 直接傳輸?shù)揭粋€(gè)自由空間偏振合束器(PBC)440的P偏振輸入口 411，其光程可以通過調(diào)節(jié) PBS410和PBS 440之間的距離來改變。S偏振光經(jīng)過反射鏡420、延遲介質(zhì)422和反射鏡 421后到達(dá)PBS 440的S偏振輸入口 442。第一光路的光程可以通過改變兩個(gè)反射鏡420和 421的位置或者在此干涉臂加入一些光學(xué)傳輸介質(zhì)422來調(diào)節(jié)。在PBC 440中，s偏振光和 P偏振光合成一束光輸出，當(dāng)采用光纖結(jié)構(gòu)的干涉儀時(shí)，使用準(zhǔn)直器將輸出光束耦合到保偏 光纖，或直接耦合到自由空間干涉儀用于進(jìn)一步測(cè)量。圖5給出本發(fā)明的一個(gè)在兩個(gè)線性正交偏振態(tài)Pl和P2之間產(chǎn)生需要延遲的基于 光纖結(jié)構(gòu)的典型光學(xué)延遲器。在被測(cè)保偏光纖的輸入和輸出端連接到具有尾纖的偏振分束 器PBS510的輸入端511保偏光纖上，被測(cè)保偏光纖的慢軸與PBS的輸入保偏光纖的慢軸對(duì) 準(zhǔn)，這樣，偏振態(tài)Pl和P2在PBS 510的輸出端口 512和513將分為兩個(gè)獨(dú)立的光信號(hào)。兩 個(gè)光纖環(huán)路520和521分別耦合到PBS 510的輸出端512和513，接收兩個(gè)獨(dú)立的具有Pl和 P2偏振態(tài)的光信號(hào)，并給光信號(hào)提供光路。偏振合束器(PBC) 530的兩個(gè)輸入端532和533 耦合到兩個(gè)光纖環(huán)路520和521，分別接收偏振態(tài)Pl和偏振態(tài)P2的兩個(gè)光信號(hào)。PBC530 將接收的光信號(hào)合并，經(jīng)過PBC 530的輸出保偏光纖輸出?？勺冄舆t器，例如光纖拉伸器， 可以耦合到兩個(gè)光纖環(huán)路中的一路，用來在兩個(gè)偏振態(tài)Pl和P2之間產(chǎn)生可變延遲L。圖6顯示為一個(gè)僅使用一個(gè)PBS棱鏡在兩個(gè)線性正交偏振態(tài)Pl和P2之間產(chǎn)生需 要的延遲的典型光學(xué)延遲器。在輸入端，被測(cè)保偏光纖連接到一個(gè)保偏準(zhǔn)直器601來接收 保偏光纖中傳輸?shù)膬蓚€(gè)偏振態(tài)的光，接收的光從輸入端口 611耦合到一個(gè)自由空間偏振分 束器(PBS) 610。準(zhǔn)直器應(yīng)該分別使得Pl和P2與PBS 610的s態(tài)和ρ態(tài)平行方向?qū)R。從 PBS610的輸入端611接收的P偏振光和S偏振光從輸出端口 613和612分別輸出到兩個(gè)獨(dú) 立光路。P偏振光傳過一個(gè)延遲介質(zhì)640和一個(gè)光學(xué)偏振元件651 (例如四分之一玻片或 45°法拉第旋轉(zhuǎn)器)，然后被反射鏡650反射回PBS 610。當(dāng)光從45°法拉第旋轉(zhuǎn)器經(jīng)過一 次時(shí)，法拉第旋轉(zhuǎn)器改變光偏振態(tài)45°，如果傳輸?shù)墓饨?jīng)過反射后再次經(jīng)過法拉第旋轉(zhuǎn)器， 反射光偏振態(tài)總共經(jīng)過90°的旋轉(zhuǎn)。從端口 612輸出的S偏振光經(jīng)過第二個(gè)延遲介質(zhì)620 和第二個(gè)光學(xué)偏振元件631 (例如四分之一玻片或45°法拉第旋轉(zhuǎn)器)，然后由一個(gè)反射鏡630反射回PBS 610。PBS 610將S偏振光和P偏振光合成輸出660，從輸出端口 614輸出。輸出660可以用一個(gè)準(zhǔn)直器耦合到保偏光纖，通過光纖干涉儀或直接耦合到自由空間干涉 儀來做進(jìn)一步測(cè)量處理。輸出660的兩個(gè)偏振態(tài)Pl和P2之間的延遲可以通過改變反射鏡 630或650的位置，或者通過放入需要的光學(xué)傳輸介質(zhì)620或640來改變。圖7所示為本發(fā)明的另一個(gè)僅使用一個(gè)PBS棱鏡在兩個(gè)線性正交偏振態(tài)Pl和P2 之間產(chǎn)生需要的延遲的典型光學(xué)延遲器。在輸入端，被測(cè)保偏光纖701連接到一個(gè)保偏準(zhǔn) 直器703，然后光從輸入端口 711耦合到一個(gè)自由空間偏振分束器PBS 710。準(zhǔn)直器應(yīng)該 分別使得Pl和P2與PBS 710的s態(tài)和ρ態(tài)平行方向?qū)R。PBS 710將入射光分為從輸出 端口 712輸出的S偏振光和從輸出端口 713輸出的P偏振光。S偏振光經(jīng)過一個(gè)偏振元件 721 (例如四分之一玻片或45°法拉第旋轉(zhuǎn)器)，由反射鏡720反射回PBS 710的端口 712。 P偏振光在PBS 710的端口 713通過一個(gè)單模(SM)光纖準(zhǔn)直器731耦合到一個(gè)單模光纖環(huán) 732。一個(gè)具有尾纖的法拉第旋轉(zhuǎn)鏡733耦合到光纖環(huán)732之后，并且反射光再次經(jīng)過單模 光纖環(huán)732和單模準(zhǔn)直器731后回到PBS 710的端口 713。在PBS 710的端口 714，S偏振 光和P偏振光合并為一個(gè)光束。一個(gè)直角棱鏡740用來接收從PBS 710的輸出端口 714的 合并光，并將合并后的光束導(dǎo)入保偏光纖準(zhǔn)直器或單模光纖準(zhǔn)直器750。一個(gè)45°起偏器 741放置在單模光纖準(zhǔn)直器750和直角棱鏡740之間，用于混合S和P偏振光為一束光。通 過在光纖環(huán)732中的光纖拉伸器改變光纖環(huán)732的長(zhǎng)度，從而調(diào)節(jié)在輸出760處兩個(gè)偏振 態(tài)Pl和P2之間的延遲。圖8給出本發(fā)明的一個(gè)使用一個(gè)四端口 PBS在兩個(gè)線性正交偏振態(tài)Pl和P2之間 產(chǎn)生需要的延遲的典型全光纖光學(xué)延遲器。被測(cè)保偏光纖的輸出801連接到四端口帶尾纖 PBS810的保偏輸入端811，被測(cè)保偏光纖的慢軸與PBS的輸入保偏光纖慢軸對(duì)準(zhǔn)，所以偏 振態(tài)Pl和P2分別獨(dú)立到PBS 810的兩個(gè)端口 812和813。兩個(gè)單模/保偏光纖環(huán)820和 821連接到端口 812和813。兩個(gè)45°法拉第鏡830和831分別耦合到光纖環(huán)820和831 的末端，從光纖環(huán)820和831反射的光信號(hào)回到PBS 810，并且選擇其偏振態(tài)90°。從光纖 環(huán)820和821反射回來的S偏振光和P偏振光合成一束光，在PBS 810的保偏輸出端814 輸出，在輸出光850的兩個(gè)偏振態(tài)Pl和P2之間的延遲可以通過一個(gè)或兩個(gè)光纖拉伸器改 變兩個(gè)光纖環(huán)820和821的相對(duì)長(zhǎng)度來調(diào)整。圖9更加深入的顯示了本發(fā)明基于圖2A的設(shè)計(jì)和圖6A的光學(xué)延遲器件的用于測(cè) 量保偏光纖偏振串?dāng)_的分布的典型裝置。一束寬帶光在位置901進(jìn)入保偏光纖，它只具有 一個(gè)偏振分量，與被測(cè)保偏光纖910的慢軸對(duì)準(zhǔn)。在經(jīng)過被測(cè)保偏光纖之后，在輸入端901 的波包分成兩組分別沿快軸和慢軸的波包序列。這兩個(gè)波包序列與圖6所示的延遲器600 的軸對(duì)準(zhǔn)，在600的輸出端給兩個(gè)偏振態(tài)Pl和P2之間加入附加的相位延遲AL。在經(jīng)過 45°起偏器936，起偏器將光學(xué)延遲器600輸出的兩個(gè)偏振態(tài)Pl和P2混合，之后光輸入到 一個(gè)邁克爾遜干涉儀950，由一個(gè)光學(xué)分束器BS 951，一個(gè)固定反射鏡952形成參考臂954， 一個(gè)可移動(dòng)反射鏡953形成可調(diào)光干涉臂955組成。PBS 951將接收從起偏器936的光，分 為第一光束(例如，反射)到反射鏡952和第二光束(例如，透射)到反射鏡953，并且合并 從兩臂反射回來的光形成一束光輸出。一個(gè)光學(xué)探測(cè)器956用來接收從PBS 951合束的光 輸出來探測(cè)合束光輸出的光學(xué)干涉信息。參考干涉臂954和移動(dòng)干涉臂955之間的延遲可 以通過延遲器600設(shè)置為一個(gè)偏置AL。通過移動(dòng)反射鏡953從0到-Δη*1，其中1為被測(cè)保偏光纖的長(zhǎng)度，來產(chǎn)生干涉圖。采用這樣的結(jié)構(gòu)，零階干涉可以得到抑制，絕大部分由 于多次相互耦合產(chǎn)生的重影干涉峰將被抑制和消除。
圖10所示為本發(fā)明基于圖2A設(shè)計(jì)原理使用帶尾纖元件的測(cè)量保偏光纖偏振串?dāng)_ 分布的典型裝置1000。一個(gè)線性偏振寬帶光源1001用于產(chǎn)生從輸入端1011輸入到被測(cè)保 偏光纖1010的入射光，其中輸入光的偏振態(tài)與被測(cè)保偏光纖1010的慢軸對(duì)準(zhǔn)。在經(jīng)過被 測(cè)保偏光纖1010，在輸入端的1011的波包被分為偏振態(tài)分別沿快軸和慢軸的兩組波包。這 兩個(gè)波序列輸入到光學(xué)延遲器1030，在1030的輸出，在被測(cè)保偏光纖1010的兩個(gè)正交偏振 態(tài)Pl和P2之間引入附加光學(xué)延遲AL(L> Δη*1，其中1為被測(cè)保偏光纖的長(zhǎng)度)。在光 學(xué)延遲器1030之后為一個(gè)45°的起偏器1040，兩個(gè)波包序列混合為相同偏振態(tài)，并沿著起 偏器1040的光軸傳輸。起偏器1040的輸出光輸入到一個(gè)光纖干涉儀用于光學(xué)干涉測(cè)量。 光纖干涉儀的結(jié)構(gòu)顯示在名為“光纖式光學(xué)干涉儀”的虛線框中。其中，起偏器1040的輸出 耦合到一個(gè)光學(xué)環(huán)行器1050的端口 1，傳導(dǎo)從環(huán)行器1050的端口 1輸入光由端口 2輸出。 一個(gè)四端口光纖耦合器1060在輸入端口 1061與環(huán)行器1050端口 2相連。從端口 2接收 的光在耦合器1060的輸出端口 1063和1064分為兩個(gè)獨(dú)立信號(hào)。一個(gè)可調(diào)延遲線1070耦 合到端口 1064，一個(gè)法拉第旋轉(zhuǎn)鏡1081耦合到光學(xué)延遲器1070的另一端，用來反射光，同 時(shí)使得反射光與入射到法拉第反射鏡1081的入射光的偏振態(tài)正交。第二個(gè)法拉第反射鏡 1080耦合到光纖耦合器的輸出端口 1063，用來反射光，同時(shí)使得反射光與入射到法拉第旋 轉(zhuǎn)鏡1080的入射光偏振態(tài)正交。干涉儀參考臂1063與移動(dòng)臂1064之間的延遲可以設(shè)置 為一個(gè)偏置AL，并與光學(xué)延遲器1030產(chǎn)生的延遲相等。從端口 1063和1064接收的反射 光信號(hào)在耦合器1060產(chǎn)生空間交疊形成光學(xué)干涉，在光纖耦合器1060的端口 1061和1062 形成合并的兩個(gè)輸出干涉信號(hào)。在端口 1061輸出干涉信號(hào)傳輸?shù)焦猸h(huán)行器1050的端口 2， 再經(jīng)過環(huán)行器端口 3，成為第一個(gè)干涉信號(hào)1091。從端口 1062輸出干涉信號(hào)為第二干涉信 號(hào) 1092。通過改變可調(diào)延遲線1070的延遲從0到- Δη*1，其中，Δη和1是被測(cè)保偏光纖 的雙折射率和長(zhǎng)度，干涉信號(hào)1091和1092輸入到平衡探測(cè)器1090。采用此結(jié)構(gòu)，在掃描干 涉儀的延遲線1070時(shí)，零階干涉信號(hào)被抑制，并且絕大部分由多次耦合之間干涉產(chǎn)生的重 影干涉峰將被消除。一個(gè)處理器1100用于接收平衡探測(cè)器1090的輸出，其中平衡探測(cè)器 包含兩個(gè)光學(xué)探測(cè)器來接收光纖光學(xué)干涉儀的兩個(gè)光學(xué)輸出，第一個(gè)光學(xué)輸出是從光纖耦 合器的端口 1061經(jīng)過環(huán)行器1050，第二個(gè)光學(xué)輸出是從光纖耦合器1060的光纖端口 1062 輸出。處理器1100來處理平衡探測(cè)器1090輸出的數(shù)據(jù)來測(cè)量保偏光纖耦合點(diǎn)的位置和強(qiáng) 度。圖11所示是本發(fā)明的一個(gè)用于測(cè)量波導(dǎo)器中光波兩個(gè)正交偏振態(tài)，如橫電場(chǎng) (TE)模和橫磁場(chǎng)(TM)模之間衰減比的典型裝置。在這個(gè)裝置中，線性偏振寬帶光源1101 用于產(chǎn)生輸入到被測(cè)波導(dǎo)器件1110的輸入端口 1111的入射光，其中輸入到波導(dǎo)器件1110 的光學(xué)偏振態(tài)對(duì)準(zhǔn)使得在光波導(dǎo)1110中傳輸?shù)墓獾腡E和TM模在輸入到光波導(dǎo)器件1110 的輸入端口時(shí)具有相等的光功率。在通過被測(cè)光波導(dǎo)器件1110之后，接收的波包在輸入 口 1111被分為偏振方向分別沿正常光軸(IV TM模)和尋常光軸(ne，TE模)的兩個(gè)波包 序列。這兩個(gè)波包序列輸入到延遲裝置1130，以在延遲器1130的輸出產(chǎn)生被測(cè)波導(dǎo)器件 1110兩個(gè)正交偏振模TE和TM之間附加延遲Δ L (大于被測(cè)波導(dǎo)器件1110產(chǎn)生的延遲)。一個(gè)45°起偏器1140放置在延遲器1130之后來混合兩個(gè)波包并沿起偏器1040的方向傳 輸。在起偏器1040處，TM和TE?；旌袭a(chǎn)生光學(xué)干涉。起偏器1040的輸出光輸入到一個(gè) 光纖干涉儀。這個(gè)光纖干涉儀的結(jié)構(gòu)顯示在名為“光纖式光學(xué)干涉儀”的框圖中。起偏器1140 的輸出耦合到一個(gè)光學(xué)環(huán)行器1150的端口 1，傳導(dǎo)從環(huán)行器1150的端口 1輸入光由端口 2輸出。一個(gè)四端口光纖耦合器1160在輸入端口 1161與環(huán)行器端口 2相連。從端口 2接 收的光在耦合器1160的輸出端口 1163和1164分為兩個(gè)獨(dú)立信號(hào)。一個(gè)可調(diào)延遲線1170 耦合到端口 1164，一個(gè)法拉第旋轉(zhuǎn)鏡1181耦合到光學(xué)延遲器1170的另一端，用來反射光， 同時(shí)使得反射光與入射到法拉第反射鏡1181的入射光的偏振態(tài)正交。第二個(gè)法拉第反射 鏡1180耦合到光纖耦合器的輸出端口 1163，用來反射光，同時(shí)使得反射光與入射到法拉第 旋轉(zhuǎn)鏡1180的入射光偏振態(tài)正交。干涉儀參考臂1163與移動(dòng)臂1164之間的延遲可以設(shè) 置為一個(gè)偏置L，并與光學(xué)延遲器1130產(chǎn)生的延遲相等。從端口 1163和1164接收的反射 光信號(hào)在耦合器1160產(chǎn)生空間交疊形成光學(xué)干涉，在光纖耦合器1160的端口 1161和1162 形成合并的兩個(gè)輸出干涉信號(hào)。在端口 1161輸出干涉信號(hào)傳輸?shù)焦猸h(huán)行器1150的端口 2， 再經(jīng)過環(huán)行器端口 3，成為第一個(gè)干涉信號(hào)1191。從端口 1162輸出干涉信號(hào)為第二干涉信 號(hào) 1192。通過改變可調(diào)延遲線1170的延遲從0到-Δ η*1，其中Δ η和1是被測(cè)光波導(dǎo)的雙 折射率和長(zhǎng)度，干涉信號(hào)1191和1192輸入到平衡探測(cè)器1190。采用此結(jié)構(gòu)，在掃描干涉儀 的延遲線1170時(shí)，零階干涉信號(hào)被抑制，并且絕大部分由多次耦合之間干涉產(chǎn)生的的重影 干涉峰將被消除。一個(gè)處理器1195用于接收平衡探測(cè)器1190的輸出來測(cè)量被測(cè)波導(dǎo)器件 1110傳輸光的TM和TE模之間的衰減比。基于以上描述的方法和裝置，可以構(gòu)成一個(gè)分布式偏振串?dāng)_分析儀，通過抑制或消除在目前通用的其他用于測(cè)量保偏光纖偏振串?dāng)_分布的干涉儀中不需要的零階干涉和 減少多次耦合干涉來實(shí)現(xiàn)。在一些實(shí)施例中，一個(gè)基于這些方法和裝置設(shè)計(jì)的分布式偏振 串?dāng)_分析儀可以配置為一個(gè)利用保偏光纖自身作為傳感介質(zhì)的傳感器，來消除在一些基于 光柵傳感時(shí)需要沿光纖放置多個(gè)光纖光柵的問題，并且可以獲得比基于正弦光柵傳感器更 高的壓力傳感空間分辨率。這樣的基于保偏光纖傳感器沒有分離的傳感單元，并且容易安 裝和校準(zhǔn)，使得其適用于監(jiān)測(cè)沿橋梁、隧道、大壩、油管或建筑的空間結(jié)構(gòu)變化。基于這些方 法和裝置設(shè)計(jì)的偏振串?dāng)_分析儀可以設(shè)置為一個(gè)入侵監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，利用保偏光纖的機(jī)械擾動(dòng) 和由入侵導(dǎo)致的相關(guān)偏振耦合來檢測(cè)入侵的位置。這些方法和裝置也可以用于保偏光纖質(zhì) 量檢測(cè)，來判斷保偏光纖的缺損區(qū)域，并且可以用作檢測(cè)光纖環(huán)在繞制過程中引入壓力的 區(qū)域。安裝圖2Α所示的數(shù)據(jù)處理裝置的數(shù)據(jù)處理軟件，圖10和圖11的裝置可用于以距離 為變量顯示每個(gè)壓力點(diǎn)的位置和偏振耦合比，并且標(biāo)記出偏振耦合超過用戶定義的觸發(fā)閾 值的壓力點(diǎn)。質(zhì)量監(jiān)測(cè)報(bào)告窗口顯示保偏光纖或保偏光纖環(huán)的通過/失敗狀態(tài)，并列出所 有壓力點(diǎn)的位置和耦合強(qiáng)度。其它基于這些方法和裝置設(shè)計(jì)的應(yīng)用包括測(cè)量偏振波導(dǎo)的高 消偏比，獲得光源的自相關(guān)函數(shù)，測(cè)量保偏光纖的雙折射率、保偏和單模光纖長(zhǎng)度、匹配干 涉儀光程。圖12所示為一個(gè)測(cè)量光學(xué)雙折射介質(zhì)，例如保偏光纖，的分布式偏振串?dāng)_的方法 實(shí)施例。這個(gè)方法包括；
步驟1210，耦合一個(gè)具有寬光譜的線性偏振光入射到光學(xué)雙折射介質(zhì)中，沿光學(xué) 雙折射介質(zhì)提供的兩個(gè)正交偏振模式方向傳輸，由于光學(xué)雙折射在光學(xué)雙折射介質(zhì)的輸出 產(chǎn)生一個(gè)輸出信號(hào)。步驟1220，從光學(xué)雙折射介質(zhì)輸出的光信號(hào)輸入到一個(gè)光學(xué)延遲器，對(duì)輸出的光 信號(hào)引入附加的光學(xué)延遲形成一個(gè)調(diào)制光輸出信號(hào)，這個(gè)光學(xué)延遲要大于由光學(xué)雙折射介 質(zhì)兩個(gè)正交偏振模之間產(chǎn)生的延遲。步驟1230，將調(diào)制的光輸出信號(hào)輸入過一個(gè)沿某方向偏振，例如與光學(xué)雙折射介 質(zhì)兩個(gè)正交偏振態(tài)之一成45°，的線性光學(xué)起偏器，來使得通過其的光的兩個(gè)正交偏振模
混合ο步驟1240，將經(jīng)過光學(xué)起偏器傳輸?shù)揭粋€(gè)光學(xué)干涉儀來使得光學(xué)雙折射介質(zhì)兩個(gè) 正交偏振模之間發(fā)生干涉。步驟1250，處理干涉信號(hào)來識(shí)別光學(xué)雙折射介質(zhì)兩正交偏振模之間發(fā)生偏振串?dāng)_ 的位置，另外干涉信號(hào)還可以處理獲得在識(shí)別位置偏振耦合的幅度。上述描述的例子，圖10和11所示的全光纖裝置設(shè)計(jì)即使在沒有上述的光學(xué)延遲 器1130的情況下，在很多應(yīng)用中都具有優(yōu)勢(shì)。全光纖裝置設(shè)計(jì)使得尺寸更緊湊、重量更輕、 性能更強(qiáng)。在圖10和圖11中的全光纖裝置使用時(shí)，也可以用圖5和圖8中所示的光學(xué)延 遲器1130實(shí)現(xiàn)基于全光纖的設(shè)計(jì)，其他光纖設(shè)計(jì)也可以使用。上述內(nèi)容包含了許多具體的實(shí)施細(xì)節(jié)，這些不應(yīng)該被認(rèn)為是對(duì)本發(fā)明范圍或權(quán)利 要求內(nèi)容的限制，而是對(duì)本發(fā)明特定體現(xiàn)的特性的具體描述。在此描述的分離的具體體現(xiàn) 的這些特性也可以合成為一個(gè)單獨(dú)體現(xiàn)來實(shí)施。相反的，在一個(gè)具體體現(xiàn)中描述的那些特 性也可以單獨(dú)作為多個(gè)體現(xiàn)，或作為合適下級(jí)組合。此外，雖然上述描述的一些特性以及這 些組合列入了權(quán)利要求中，但一個(gè)或幾個(gè)個(gè)權(quán)利要求也可以進(jìn)行組合成為本發(fā)明的方案之一。同樣地，盡管操作時(shí)按描繪的附圖的一個(gè)特定的順序，這不應(yīng)被理解為要求此類 操作應(yīng)在具體按照命令或顯示順序執(zhí)行，或者說所有的說明執(zhí)行操作，以達(dá)到理想的結(jié)果。 在某些情況下，在上述具體應(yīng)用的各分立的系統(tǒng)部件并不表示在應(yīng)用的時(shí)候整體上是獨(dú)立 的。因此，該發(fā)明具體的體現(xiàn)和實(shí)現(xiàn)的公開，基于本發(fā)明描述的具體實(shí)施例，以及其它 實(shí)施例的變化、修改和增強(qiáng)也被公開。
權(quán)利要求
一種測(cè)量光學(xué)雙折射介質(zhì)偏振串?dāng)_分布的方法，其特征在于，包括以下步驟耦合一個(gè)具有寬光譜的線性偏振光進(jìn)入光學(xué)雙折射介質(zhì)，沿由于光學(xué)雙折射引起的光學(xué)雙折射介質(zhì)的兩個(gè)正交偏振模傳輸，從光學(xué)雙折射介質(zhì)產(chǎn)生光學(xué)輸出信號(hào)；使光學(xué)雙折射介質(zhì)的光輸出信號(hào)進(jìn)入一個(gè)光學(xué)延遲器，使兩個(gè)正交偏振模之間產(chǎn)生延遲，該延遲大于由光學(xué)雙折射介質(zhì)引起的兩個(gè)正交偏振模之間光程的延遲，從而輸出一個(gè)調(diào)制光輸出信號(hào)；使所述調(diào)制光輸出信號(hào)經(jīng)過一個(gè)沿某個(gè)方向起偏的線性光學(xué)起偏器，使得經(jīng)過起偏器傳輸光的兩正交偏振模相互混合；使透過起偏器的光進(jìn)入一個(gè)光學(xué)干涉儀獲得光學(xué)雙折射介質(zhì)兩正交偏振模之間的干涉；處理獲得的干涉信號(hào)來識(shí)別光學(xué)雙折射介質(zhì)兩正交偏振模之間偏振耦合的位置。
2.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述光學(xué)干涉儀為光纖干涉儀或自由空間 干涉儀。
3.如權(quán)利要求2所述的方法，其特征在于，所述光學(xué)延遲器為光纖光學(xué)延遲器。
4.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，還包括處理獲得的光學(xué)干涉來獲得在識(shí)別 位置的偏振耦合幅度。
5.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，還包括處理獲得的光學(xué)干涉來獲得兩個(gè)正 交偏振之間的衰減比。
6.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述光學(xué)雙折射介質(zhì)為一段保偏光纖。
7.如權(quán)利要求6所述的方法，其特征在于，所述保偏光纖作為感受結(jié)構(gòu)壓力的傳感介 質(zhì)，并且處理獲得的干涉信號(hào)來測(cè)量一種結(jié)構(gòu)的壓力分布。
8.如權(quán)利要求7所述的方法，其特征在于，所述一種結(jié)構(gòu)是建筑結(jié)構(gòu)，包括橋梁或隧道 或大壩或液體傳輸管線或氣體傳輸管線或樓宇。
9.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，使用一段長(zhǎng)度保偏光纖作為所述光學(xué)雙折 射介質(zhì)，并且還包括處理獲得的光學(xué)干涉來測(cè)量保偏光纖的壓力分布以評(píng)估保偏光纖的質(zhì) 量。
10.一種測(cè)量光學(xué)雙折射介質(zhì)偏振串?dāng)_分布的裝置，其特征在于，包括一個(gè)具有寬光譜的線性光源，用于發(fā)出偏振光進(jìn)入光學(xué)待測(cè)雙折射介質(zhì)，沿由于光學(xué) 雙折射引起的光學(xué)雙折射介質(zhì)的兩個(gè)正交偏振模傳輸，從光學(xué)雙折射介質(zhì)產(chǎn)生光學(xué)輸出信 號(hào)；一個(gè)放置在光學(xué)雙折射介質(zhì)之后，沿光學(xué)雙折射介質(zhì)輸出光信號(hào)光路上的光學(xué)延遲 器，該光學(xué)延遲器用于構(gòu)造使兩個(gè)正交偏振模之間產(chǎn)生延遲，該延遲大于由光學(xué)雙折射介 質(zhì)引起的兩個(gè)正交偏振模之間光程的延遲，從而輸出一個(gè)調(diào)制的光學(xué)輸出信號(hào)；一個(gè)沿某個(gè)方向偏振的線性光學(xué)起偏器，使得經(jīng)過起偏器傳輸光的兩正交偏振模相互 混合；該線性光學(xué)起偏器放置在調(diào)制光輸出信號(hào)的光路上產(chǎn)生透射光；一個(gè)光學(xué)干涉儀，用于接收線性光學(xué)起偏器透過的光，該光學(xué)干涉儀用于獲得光學(xué)雙 折射介質(zhì)兩正交偏振模之間的干涉；一個(gè)處理器，用于將處理獲得的干涉信號(hào)來識(shí)別光學(xué)雙折射介質(zhì)兩正交偏振模之間偏 振耦合的位置。
11.如權(quán)利要求10所述的裝置，其特征在于，所述處理器還用于將處理獲得的光學(xué)干 涉來獲得在識(shí)別位置的偏振耦合幅度。
12.如權(quán)利要求10所述的裝置，其特征在于，所述處理器還用于將處理處理獲得的光 學(xué)干涉來獲得兩個(gè)正交偏振之間的衰減比。
13.如權(quán)利要求10所述的裝置，其特征在于所述光學(xué)雙折射介質(zhì)包含一段長(zhǎng)度的保偏 光纖作為傳感沿結(jié)構(gòu)壓力的傳感介質(zhì)；并且所述處理器還用于將處理獲得的干涉信號(hào)來測(cè) 量結(jié)構(gòu)的壓力分布。
14.如權(quán)利要求10所述的裝置，其特征在于，所述光學(xué)延遲器為光纖光學(xué)延遲器。
15.如權(quán)利要求10所述的裝置，其特征在于，所述光學(xué)干涉儀為光纖干涉儀。
16.如權(quán)利要求10所述的裝置，其特征在于，該裝置中的光學(xué)延遲器和光學(xué)干涉儀均 使用基于光纖的器件。
17.如權(quán)利要求10所述的裝置，其特征在于，還包括；一個(gè)光電探測(cè)器，用來接收光學(xué)干涉儀輸出光學(xué)干涉信號(hào)，探測(cè)產(chǎn)生具有干涉信息的 輸出電信號(hào)；該處理器還將處理獲得的干涉電信號(hào)來識(shí)別光學(xué)雙折射介質(zhì)兩正交偏振模之間偏振 耦合的位置。
18.如權(quán)利要求10所述的裝置，其特征在于，所述光學(xué)干涉儀包括一個(gè)光學(xué)環(huán)行器，其端口 1接收透過線性光學(xué)起偏器的輸出光，傳輸端口 1接收光到環(huán) 行器的端口 2，并且傳輸端口 2接收的光到環(huán)行器的端口 3 ；一個(gè)光纖耦合器，具有耦合到環(huán)行器的第二個(gè)端口的第一個(gè)端口，第二個(gè)光纖耦合器 端口，第三個(gè)光纖耦合器端口，第四個(gè)光纖耦合器端口 ；第一段光纖，耦合到光纖耦合器的第二個(gè)端口來接收第一個(gè)光纖耦合器從環(huán)行器第二 端口傳輸光的第一部分；第一個(gè)法拉第旋轉(zhuǎn)鏡，耦合到第一段光纖反射光并沿著第一段光纖回到光纖耦合器第 二個(gè)端口 ；第二段光纖，耦合到光纖耦合器的第三個(gè)端口來接收第一個(gè)光纖耦合器從環(huán)行器第二 端口傳輸光的第二部分；第二個(gè)法拉第旋轉(zhuǎn)鏡，耦合到第二段光纖反射光并沿著第二段光纖回到光纖耦合器第 三個(gè)端口 ；其中，光纖耦合器混合和重疊從第二端口接收的第一段光纖反射回來的光和從第三端 口接收的第二段光纖反射回來的光，產(chǎn)生光學(xué)干涉的合并光束，并從第一個(gè)耦合器的第一 端口和第四端口輸出，并且，一個(gè)光學(xué)延遲器，耦合到第一段光纖或第二段光纖其中的一段中，在第一段和第二段 光纖之間產(chǎn)生附件的光學(xué)延遲；一個(gè)光學(xué)探測(cè)器，接收從環(huán)行器第三個(gè)端口輸出的光和從耦合器第四個(gè)端口輸出的 光，形成探測(cè)器輸出信號(hào)。
19.如權(quán)利要求18所述的裝置，其特征在于，所述光學(xué)探測(cè)器為平衡光學(xué)探測(cè)器，該平 衡光探測(cè)器包含兩個(gè)光學(xué)探測(cè)器分別接收從環(huán)行器第三個(gè)端口和耦合器第四個(gè)端口輸出 光。
20.如權(quán)利要求18所述的裝置，其特征在于，還包括一個(gè)放置在光學(xué)雙折射介質(zhì)和線性光學(xué)起偏器之間，沿著線性光起偏器輸出光路的光 學(xué)延遲器，用于對(duì)接收的線性光學(xué)起偏器的輸出信號(hào)產(chǎn)生調(diào)制光輸出信號(hào)；該光學(xué)延遲器 可以產(chǎn)生比由光學(xué)雙折射介質(zhì)兩正交偏振模之間產(chǎn)生的延遲更大的附加光學(xué)延遲，產(chǎn)生一 個(gè)調(diào)制的光輸出信號(hào)。
21.如權(quán)利要求18所述的裝置，其特征在于，所述光學(xué)雙折射介質(zhì)包含一段長(zhǎng)度的偏 振保持光纖，用作感受結(jié)構(gòu)壓力的傳感介質(zhì)；并且，所述處理器還用于將處理獲得的干涉信 號(hào)來測(cè)量結(jié)構(gòu)的壓力分布。
全文摘要
本發(fā)明涉及測(cè)量保偏光纖和雙折射介質(zhì)的分布式偏振串?dāng)_方法及裝置，屬于光學(xué)測(cè)量技術(shù)領(lǐng)域；該方法包括耦合一個(gè)具有寬光譜的線性偏振光進(jìn)入光學(xué)雙折射介質(zhì)，產(chǎn)生兩個(gè)正交偏振模傳輸?shù)男盘?hào)；使兩個(gè)正交偏振模之間產(chǎn)生延遲，從而輸出一個(gè)調(diào)制光輸出信號(hào)；再使得兩正交偏振模相互混合；并使兩正交偏振模之間的干涉；處理獲得的干涉信號(hào)來識(shí)別光學(xué)雙折射介質(zhì)兩正交偏振模之間偏振耦合的位置。該裝置包括線性光源、光學(xué)延遲器、線性光學(xué)起偏器、光學(xué)干涉儀和處理器。采用此方法和裝置可以抑制重影干涉峰數(shù)目和幅度，并可獲得高測(cè)量靈敏度、寬動(dòng)態(tài)范圍和高空間測(cè)量精度。
文檔編號(hào)G01D5/26GK101871788SQ20101019122
公開日2010年10月27日 申請(qǐng)日期2010年6月4日 優(yōu)先權(quán)日2010年6月4日
發(fā)明者姚曉天 申請(qǐng)人:北京高光科技有限公司