CN102928199B - 一种提高光学器件偏振串扰测量性能的装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供的是一种提高光学器件偏振串扰测量性能的装置及方法。包括宽谱光源（301）、起偏器（311）、待测偏振器件（632）、光程相关器（640）、偏振串扰检测与信号记录装置（150），宽谱光源（301）通过起偏器（311）、第1旋转连接器（631）与待测光纤器件（632）连接后，再通过第2旋转连接器（633）与光程相关器（640）连接。本发明可以极大地抑制噪声幅度，提高偏振串扰测量的灵敏度和动态范围，广泛用于光学器件偏振性能的高精度测量与分析中。

Description

一种提高光学器件偏振串扰测量性能的装置及方法

技术领域

本发明涉及的是一种于光纤测量装置，本发明也涉及一种于光纤测量方法。具体涉及到一种提高光学器件偏振串扰测量性能的方法与装置。

背景技术

偏振光学器件是构成高精度光学测量与传感系统的重要组成部分，目前光学器件性能测试与评价方法和装置落后的现状，严重阻碍了高精度光学测量与传感系统的发展。例如：高精度光纤陀螺的核心器件——铌酸锂集成波导调制器（俗称Y波导）的芯片消光比已经达到80dB以上；而常用的偏振性能检测仪器——消光比测试仪，通常的检测分辨率在50dB左右（按照能量定义，即为10⁵），分辨率最高的为美国dBm Optics公司研制Model 4810型偏振消光比，测量仪测量极限也仅有72dB。

光学相干域偏振测量技术（OCDP）是一种高精度分布式偏振耦合测量技术，它基于宽谱光干涉原理，通过扫描式光学干涉仪进行光程补偿，实现不同偏振模式间的干涉，可对偏振串扰的空间位置、偏振耦合信号强度进行高精度的测量与分析，进而获得光学偏振器件的消光比、拍长等重要参数。OCDP技术作为一种非常有前途的分布式光学偏振性能的检测方法，被广泛用于保偏光纤制造、保偏光纤精确对轴、器件消光比测试等领域。与其他如：偏振时域反射技术（POTDR）、光频域反射技术（OFDR）、光相干域反射技术（OCDR）等分布式检测方法与技术相比，OCDP技术具有结构简单、高空间分辨率（5~10cm）、大测量范围（测量长度几公里）、超高测量灵敏度（耦合能量-80~-100dB）、超大动态范围（10⁸~10¹⁰）等优点，非常有希望发展成为一种高精度、通用化测试技术和系统。由于它最为直接和真实地描述了信号光在光纤光路中的传输行为，所以特别适合于对光纤器件、组件，以及光纤陀螺等高精度、超高精度干涉型光纤传感光路进行测试和评估。

20世纪90年代初，法国Herve Lefevre等人[Method for the detection of polarizationcouplings in a birefringent optical system and application of this method to the assembling of thecomponents ofan optical system,US Patent 4893931]首次公开了基于白光干涉原理的OCDP系统，它采用超辐射发光二极管（SLD）作为光源和空间干涉光路作为光程相关测量结构。法国Photonetics公司根据此专利研制了WIN-P 125和WIN-P 400两种型号OCDP测试系统，主要用于较短（500m）和较长（1600m）保偏光纤的偏振特性分析。其主要性能为偏振串扰灵敏度为-70dB、动态范围为70dB，后经过改进，灵敏度和动态范围分别提升到-80dB和80dB。

2011年，天津大学张红霞等人公开了一种光学偏振器件偏振消光比的检测方法和检测装置（中国专利申请号：201110052231.3），同样采用空间干涉光路作为OCDP的核心装置，通过检测耦合点的耦合强度，推导出偏振消光比。该装置适用于保偏光纤、保偏光纤耦合器、偏振器等多种光学偏振器件。与Herve Lefevre等人的方案相比，技术性能和指标相近。

同年，美国通用光电公司（General Photonics Corporation）的姚晓天等人公开了一种用于保偏光纤和光学双折射材料中分布式偏振串扰测量的全光纤测量系统（US20110277552，Measuring Distributed Polarization Crosstalk in Polarization Maintaining Fiber and OpticalBirefringent Material），利用在光程相关器之前增加光程延迟器，抑制偏振串扰测量时杂散白光干涉信号的数量和幅度。该方法可以将全光纤测量系统的偏振串扰灵敏度提高到-95dB，但动态范围保持在75dB。

进一步提高偏振串扰的测试性能，包括测量灵敏度、动态范围和器件测量长度等。特别是如何在提高测量灵敏度的同时，保持动态范围也相应提高，成为研究的热点。保持测量灵敏度和动态范围数值上的一致性，这样就可以消除光源强度浮动对测量的影响，提高测量的准确性。

发明内容

本发明的目的在于提供能抑制光学本底噪声的幅度，提高偏振串扰测量的灵敏度和动态范围，用于光学器件偏振性能的高精度测量与分析的提高光学器件偏振串扰测量性能的装置。本发明的目的还在于提供一种提高光学器件偏振串扰测量性能的方法。

本发明的提高光学器件偏振串扰测量性能的装置包括宽谱光源、起偏器、待测偏振器件、光程相关器、偏振串扰检测与信号记录装置；

（1）宽谱光源通过起偏器、第1旋转连接器与待测光纤器件连接后，再通过第2旋转连接器与光程相关器连接，光程相关器中的第1、第2探测器、可移动光学反射镜分别与偏振串扰检测与信号记录装置连接；

（2）光程相关器由1×2偏振分束器、三端口环形器、自聚焦准直透镜、可移动光学反射镜、2×2光纤耦合器、第1、第2光电探测器组成；偏振分束器的第1输出端连接光纤耦合器的第1输入端，组成固定长度光程相关参考臂；偏振分束器的第2输出端连接环形器的输入端，环形器的第1输出端连接准直透镜和可移动光学反射镜；环形器的第2输出端连接耦合器的第2输入端，组成光纤长度可变的光程相关扫描臂；耦合器的第1、第2输出端分别连接第1、第2探测器；

（3）线偏振光信号注入到1×2偏振分束器的第1输入尾纤的慢轴中，信号光仅从第1输出尾纤的慢轴中输出；注入到第1输入尾纤的快轴中，仅从第2输出尾纤的慢轴中输出。

本发明的提高光学器件偏振串扰测量性能的装置还可以包括这样一些特征：

1、第1旋转连接器连接起偏器和待测光纤器件，并使二者的光纤偏振特征轴保持对准状态，将经过起偏的宽谱光源的输出光注入到待测光纤器件的一个偏振特征轴中；第2旋转连接器连接待测光纤器件和光程相关器的输入端时，二者的偏振特征轴存在对准和夹角45°两种状态。

2、可移动光学反射镜处于运动起点位置时，光程相关器的光程相关参考臂的绝对光程略大于光程相关扫描臂；可移动光学反射镜连续移动的范围大于待测光学器件耦合光与传输光之间的最大光程差异。

3、所述的起偏器，第1、第2旋转连接器，待测光纤器件，光程相关器，第1、第2探测器，波长工作范围能够覆盖宽谱光源的发射光谱；起偏器的输出尾纤，偏振分束器输入尾纤、第1和第2输出尾纤均工作在单模、偏振保持状态，其余器件仅工作在单模状态。

本发明的本发明的提高光学器件偏振串扰测量性能的方法为：

（1）宽谱光源的信号光经过起偏器的偏振极化成为线偏光；

（2）调节第1旋转连接器的对准角度，将来自于起偏器的传输光耦合到待测光纤器件的偏振特征轴中；

（3）调节第2旋转连接器的对准角度，将经过待测光纤器件的传输光，以及由于偏振串扰在待测光纤器件中产生的与传输光正交的偏振耦合光，注入到光程相关器中偏振分束器输入端保偏光纤的两个正交偏振轴中，即待测光纤器件与偏振分束器的输出、输入尾纤的特征轴处于对准状态；

（4）偏振正交的传输光和耦合光被偏振分束器彻底分离后，分别传输在光程相关器的光程相关参考臂和扫描臂中，经过光程相关器后，在第1、第2探测器上产生光学干涉；

（5）控制可移动光学反射镜从距离自聚焦准直透镜距离最近的起点开始光程扫描，同时记录第1、第2探测器输出的差分白光干涉信号幅度随扫描光程变化的曲线，其中干涉信号的数值与偏振串扰的幅值、输入光能量的乘积成正比；

（6）调节第2旋转连接器的对准角度，在步骤（3）特征轴对准的基础上，将第2旋转连接器继续旋转45°，使待测光纤器件中输出的偏振正交的传输光和耦合光分别注入到偏振分束器输入端保偏光纤中的两个正交偏振轴中；

（7）成45°角注入的传输光和耦合光分别被偏振分束器能量均分后，再次输入到光程相关器的光程相关参考臂和扫描臂中，经过光程相关器后，同样在第1、第2探测器上产生光学干涉；

（8）再次控制可移动光学反射镜从距离自聚焦准直透镜距离最近的起点开始光程扫描，同时记录第1、第2探测器输出的差分白光干涉信号幅度随扫描光程变化的曲线；其中，当光程相关器的参考臂和扫描臂光程绝对相等时，干涉信号幅度与传输光功率成正比；

（9）对比步骤（5）和（8）分别获得白光干涉信号幅度随扫描光程变化的曲线，利用步骤（8）得到输出光功率的绝对数值，然后对步骤（5）获得的数据进行处理，消除输出光功率的影响，获得分布式偏振串扰的绝对结果。

本发明是对基于白光干涉原理的光学相干域偏振测试系统（OCDP）的一种技术改进。ODCP的工作原理如图1所示，以保偏光纤的性能测试为例，由宽谱光源发出的高稳定宽谱偏振光101注入到一定长度的保偏光纤121的慢轴（快轴时，原理相同）。由于制作时几何结构存在缺陷、预先施加应力的非理想作用，或者在外界温度和载荷的作用下，使光纤中存在某缺陷点111。信号光沿慢轴传输时，当信号光传输到缺陷点111时，慢轴中的一部分光能量就会耦合到正交的快轴中，形成耦合光束103，剩余的传输光束102依旧沿着慢轴传输。光纤存在线性双折射Δn（例如：5×10^-4），使慢轴的折射率大于快轴折射率，当光纤的另外一端输出时（传输距离为l)，则传输在慢轴的传输光102和传输在快轴的耦合光103之间将存在一个光程差Δnl。上述光束通过焊接点或者旋转连接头112，将传输光和耦合光偏振态旋转45°后，进入光程相关器130中。在光程相关器130中，光学分束镜132、固定反射镜133、移动反射镜134组成一个Michelson光学干涉仪。光束102和103经过检偏器131偏振极化后，由分光器132分别均匀地分成两部分。如图2所示，由传输光201和耦合光202组成参考光束，传输在干涉仪的固定臂中，经过固定反射镜133的反射后回到分光器132；由传输光203和耦合光204组成扫描光束，同样经过移动反射镜134的反射后也回到分光器132，两部分光汇聚在探测器137上形成白光干涉信号，被其接收并将光信号转换为电信号。此信号经过信号解调电路151处理后，送入测量计算机152中；测量计算机152另外还要负责控制移动反射镜134实现光程扫描。

如图2所示，在测量计算机152的控制下，Michelson干涉仪的移动反射镜134使干涉仪两臂的光程差从Δnl经过零，扫描至-Δnl：

（1）当光程差等于Δnl时，扫描光束中耦合光204与参考光束中的传输光201光程发生匹配，则产生白光干涉信号，其峰值幅度为它与缺陷点的耦合幅度因子和光源强度成正比；

（2）当光程差为零时，参考光束201、202分别与扫描光束中的传输光205、耦合光206光程发生匹配，分别产生白光干涉信号，其峰值幅度为二者的强度叠加，其幅度为I_main∝I₀，它与光源输入功率成正比。如图可知，与前一个白光干涉信号相比，两个白光干涉信号峰值之间的光程差刚好为Δnl。如果已知光学器件的线性双折射Δn，则可以计算得到缺陷点发生的位置l，而通过干涉信号峰值强度的比值可以计算得到缺陷点的功率耦合大小ρ；

（3）当光程差等于-Δnl时，扫描光束中传输光207与参考光束中的耦合光202光程发生匹配，则产生白光干涉信号，其峰值幅度为它与光程差为Δnl时相同。如图可知，与光程差为Δnl时相比，此白光干涉信号与之在光程上对称，幅度上相同。

偏振串扰ρ可以根据光程差为Δnl或者-Δnl获得的偏振串扰信号幅度I_coupling，以及光程差为零时获得传输光信号幅度I_main计算得到：

$\frac{I_{\mathrm{coupling}}}{I_{\mathrm{main}}}=\sqrt{\mathrm{\ρ}(1-\mathrm{\ρ})}---\left(1\right)$

由于一般偏振串扰远小于1，因此（1）式变化为：

$\frac{I_{\mathrm{coupling}}}{I_{\mathrm{main}}}=\sqrt{\mathrm{\ρ}}---\left(2\right)$

噪声本底直接决定系统的测量灵敏度和动态范围。前期研究结果表明，噪声本底主要包含光源散粒噪声干涉拍噪声（干涉拍噪声为干涉光强交流项产生的噪声，采用差分平衡探测方案后，它由过剩噪声转换而来）、电路热噪声等，并且噪声大小依次为：干涉拍噪声、光源散粒噪声、检测电路噪声。检测系统的噪声电流可以表示为：

$\left\{\begin{array}{c}{\mathrm{\σ}}_{\mathrm{sh}}^2=4e{P}_{\mathrm{dc}}B\\ {\mathrm{\σ}}_{\mathrm{be}}^2=\frac{2(1+V^2)P_r{P}_{x}B}{\mathrm{\Δv}}\\ {\mathrm{\σ}}_c^2=\frac{4\mathrm{KTB}}{R_L}\end{array}\right.---\left(3\right)$

式中：e为电子电量，散粒噪声与直流光强P_dc、检测带宽B成正比，可以通过提高光源功率提高信噪比；在平衡探测方式时，拍噪声与产生干涉的两路信号的强度的乘积成正比，其中P_r代表扫描干涉臂的光信号强度，P_x代表另外一臂的光信号强度，V为光源的偏振度，采用偏振光源V=1，Δν为光源的频带宽度。K为玻尔兹曼参数，T为K氏温度。

如图1所示的光学相干偏振测试中，光路采用对传输光和耦合光的能量均分的方式，有P_x＝P_r＝P_s+P_c＝P_s+ρP_s＝P_s（1+ρ），其中P_s为传输光强度，P_c为耦合光强度，ρ为耦合系数，一般情况下，ρ＜＜1。

偏振耦合的信号幅度可以表示成为：

$P=2\sqrt{P_s{P}_c}=2P_s\sqrt{\mathrm{\ρ}}---\left(4\right)$

在暂时不考虑电路热噪声时，检测的信噪比表示为：

$\frac{4P_s{P}_c}{{\mathrm{\σ}}_i^2}=\frac{{4\mathrm{\ρP}}_s^2}{{\mathrm{\σ}}_i^2}={4\mathrm{\ρP}}_s^2/({\mathrm{\σ}}_{\mathrm{sh}}^2+{\mathrm{\σ}}_{\mathrm{be}}^2+{\mathrm{\σ}}_c^2)=\frac{\mathrm{\ρ}}{[2e/P_s+1/\mathrm{\Δv}+\mathrm{KT}/\left(R_L{P}_s^2\right)]B}---\left(5\right)$

可见，提高光源功率来提升信噪比的前提是，拍噪声小于散粒噪声（光源功率小于1微瓦时）；而当拍噪声大于散粒噪声时（光源功率大于1微瓦时），信噪比由拍噪声决定，它与光源功率无关。

从（5）式可见，干涉拍噪声大小是信噪比提升的瓶颈。通过优化光路结构，采用偏振分束器（PBS）421替代光学分束器构成光程相关器，使参与白光干涉的信号传输光404和耦合光402彻底分离。通过减少相干光束的数量以及交流相干项的能量，实现了相干拍噪声的抑制。

如图3所示，由偏振分束器（PBS）421构成的Mach-Zehnder结构光程相关器，则传输光404和耦合光402分别在扫描臂和固定臂中传输。与采用Michelson光程相关器的光路结构相比，由于消除了检偏器，到达第1、第2探测器471、481的光信号能量分别增加一倍，有：

$\left\{\begin{array}{c}{P}_r={2P}_s\\ P_x={2P}_c\end{array}\right.---\left(6\right)$

将（6）式代入（5）中可得

$\frac{4({2P}_s\·{2P}_c)}{{\mathrm{\σ}}_i^2}=\frac{{16\mathrm{\ρP}}_s^2}{({\mathrm{\σ}}_{\mathrm{sh}}^2+{\mathrm{\σ}}_{\mathrm{be}}^2+{\mathrm{\σ}}_c^2)}=\frac{4\mathrm{\ρ}}{[2e/P_s+4\mathrm{\ρ}/\mathrm{\Δv}+\mathrm{KT}/\left(R_L{P}_s^2\right)]B}---\left(7\right)$

由（7）式可知，信号幅度增加了4倍，大约12dB，同时由于偏振耦合系数的存在也减小了拍噪声影响，使散粒噪声成为噪声本底的主要制约因素。因此，上述方法可以极大地提高OCDP系统的检测信噪比。

由图3的光路结构可知，光程相关器只能使耦合光与传输光发生白光干涉491，其信号强度除与偏振串扰有关外，还与光源功率成正比。如果无法获得传输信号光自身的白光干涉信号，无法保持测量灵敏度和动态范围的一致性，就只能获得缺陷点功率耦合因子的相对值，无法获得绝对值；此外，光源强度、器件与测试系统连接损耗的浮动，以及外界环境对器件的干扰，都极易影响测量过程，降低了测量的准确性。

为了解决上述问题，提出如图4所示的光路改进方案，在待测光纤器件和光程相关器之间增加第2旋转连接器411，调整旋转连接器411的对准角度，可以使待测光纤器件和光程相关器的对准角度存在两种状态：1）0°~0°对准，即图3所示的状态；2）0°~45°对准，即图4所示的状态。如图4所示，光路又变为传输光和耦合光的能量均分的方式，既可以实现传输光与传输光的白光干涉信号591，也可以获得传输光与耦合光的白光干涉信号592。只不过后者的光学噪声没有充分抑制。分别获得不同对准状态下的白光干涉信号幅度随扫描光程变化的曲线，利用信号处理方法，对两次测量的结果进行拼接和变换，即可实现高精度、大动态范围的偏振串扰的测量。

与现有技术相比，本发明的优点在于：

（1）采用改进的全光纤光程相关器结构，增加偏振分束和在线旋转连接功能，可以大幅度地提高信号幅度，极大地抑制干涉拍噪声，有效提高测量灵敏度；

（2）综合耦合光与传输光在能量分离和能量均分条件下的测量结果，可以使测量的动态范围与灵敏度保持一致，获得偏振串扰的绝对幅值，消除光源强度，以及器件与测试系统之间连接损耗的波动；

（3）采用Mach-Zehnder结构光程相关器，使由光源发出的光信号只具有前向传输的特性，光信号无法回到光源内，避免了光束回馈，增加光源系统的稳定性；光源的功率全部经由待测器件到达光电探测器，提高了光源功率的利用率。

光学噪声是制约灵敏度和动态范围提升的瓶颈问题。本发明提供了一种提高光学器件偏振串扰测量性能的方法与装置，采用含有偏振分束功能的Mach-Zehnder光程相关器，利用光纤旋转连接器使待测器件与光程相关器处于不同对准关系，实现偏振耦合光和传输信号光能量的完全分离或者能量均分，通过对光学干涉拍噪声的抑制，降低测量噪声本底；通过对上述不同状态测试得到的分布式偏振串扰数据进行处理，获得精确地分布式偏振串扰幅值，使灵敏度和动态范围分别提升到-95dB和95dB。本发明可以广泛用于光学器件偏振性能的高精度测量与分析中。

附图说明

图1是光学器件的分布式偏振串扰测量的光学原理示意图；

图2是偏振串扰形成的干涉信号幅度与光程对应关系示意图；

图3是旋转连接器0°~0°对准时，光程相关器的工作示意图；

图4是旋转连接器0°~45°对准时，光程相关器的工作示意图；

图5是基于Mach-Zehnder光程相关器的偏振串扰测量方案的原理示意图；

图6是0°~0°对准时，200米保偏光纤的偏振串扰测试曲线；

图7是0°~45°对准时，200米保偏光纤的偏振串扰测试曲线；

图8是综合0°~0°和0°~45°对准时，200米保偏光纤的偏振串扰测试曲线。

具体实施方式

为清楚地说明本发明提高光学器件分布式偏振串扰测量性能的方法与装置，结合实施例和附图对本发明作进一步说明，但不应以此限制本发明的保护范围。

基于Mach-Zehnder光程相关器的分布式偏振串扰测量方案，如图5所示。主要光电器件的选择及其参数如下：

（1）宽带光源301的中心波长1550nm、半谱宽度大于45nm，出纤功率大于2mW，消光比大于6dB；

（2）在线光纤起偏器311的工作波长为1550nm，消光比为30dB，插入损耗小于1dB，输入端为单模光纤，输出为熊猫型保偏光纤；

（3）第1、第2光纤旋转连接器631、633的插入损耗为1dB；待测光纤器件632为200m熊猫型保偏光纤；

（4）1×2偏振分束器641的工作波长为1550nm，消光比大于20dB，插入损耗小于0.5dB；

（5）三端口环形器645的工作波长为1550nm，插入损耗为0.8dB，隔离度大于50dB；

（6）自聚焦准直透镜647的工作波长为1550nm，它与可移动光学反射镜648（反射率为92%以上）之间的光程扫描距离大约在0~400mm之间变化，平均插入损耗为3.0dB；

（7）2×2光纤耦合器649的工作波长为1550nm，分束比为1:1，插入损耗小于0.1dB；

（8）第1、第2光电探测器651、652的光敏材料均为InGaAs，光探测范围为1100~1700nm，如采用New Focus公司的Nirvana^TM系列2017型平衡探测器。

测量装置的工作过程如下：

宽谱光源301的输出光经过起偏器311成为线偏光，注入到待测光学器件632中；调节第1旋转连接器631的对准角度，将信号光耦合到待测光纤器件632的一个偏振特征轴——慢轴中（快轴的工作原理与其相同）。调节第2旋转连接器633的旋转角度，使其成0°~0°对准，将由缺陷点产生的耦合光（传输在快轴）连同传输光（传输在慢轴），一同注入到光程相关器640中；偏振正交的传输光和耦合光被偏振分束器641彻底分离后，分别传输在光程相关器640的光程相关参考臂和扫描臂中，经过光程相关器640后，在第1、第2探测器651、652上产生光学干涉。控制可移动光学反射镜648从距离自聚焦准直透镜647距离最近的起点开始光程扫描，同时记录第1、第2探测器651、652输出的差分白光干涉信号幅度随扫描光程变化的曲线，如图6所示。如图6可知：

（1）关闭光源301，系统输出601为-97dB，代表电路噪声幅度；

（2）打开光源301、遮挡光程相关器中自聚焦透镜647和移动扫描镜648构成的扫描臂，系统输出602为-93~-94dB，代表光源噪声，包含强度噪声和散粒噪声；

（3）撤销扫描臂遮挡，系统输出603为-88dB，由于此处扫描光程超过200米光纤的累积光程，所以其幅度代表检测噪声本底，决定着系统能够最小检测的偏振串扰能力。

（4）系统输出604为200米保偏光纤与OCDP测试系统的焊点，-29.9dB

（5）系统输出605为200米保偏光纤内部的偏振串扰的幅度大小；

（6）606为OCDP光程扫描零点时系统输出；

（7）607为扫描光程超过200米光纤的累积光程，其输出与603类似，代表检测噪声本底。

调节第2旋转连接器633的旋转角度，使其成0°~45°对准，传输光和耦合光分别被偏振分束器641能量均分后，再次输入到光程相关器640的光程相关参考臂和扫描臂中，经过光程相关器640后，再次从第1、第2探测器651、652获得的差分白光干涉信号幅度随扫描光程变化的曲线，如图7所示；

（1）关闭光源301，系统输出701为-97dB，它与601相对应，基本无变化；

（2）打开光源301、遮挡光程相关器中自聚焦透镜647和移动扫描镜648构成的扫描臂，系统输出702为-91dB，它与602相对应，增加了2~3dB；

（3）撤销扫描臂遮挡，系统输出703为-82dB，它与603相对应，增加了6dB；

（4）系统输出704为200米保偏光纤与OCDP测试系统的焊点，-40.3dB，它与604相对应，降低了10.4dB；

（5）系统输出705为200米保偏光纤内部的偏振串扰的幅度大小，它与605相对应，降低大约10dB；

（6）706为OCDP光程扫描零点时系统输出，代表输入光功率即传输光的强度，根据公式（2）利用它可以计算得到偏振串扰的绝对幅值；

（7）707与705对称，同样代表200米保偏光纤内部的偏振串扰的幅度大小，它与605相对应，降低大约10dB；

（8）708与704对称，同样代表200米保偏光纤与OCDP测试系统的焊点。

综合图6和图7所获得的测量结果，经过数据拼接和变换，获得精确地分布式偏振串扰幅值。较为简单的方法数据处理方法是将光纤与检测系统的焊点作为测量参考值，即图6中的604和图7中的704分别为同一个测量点（焊点）两次不同条件下的测量值，应该是相同的。之所以不同，主要原因是0°~0°对准时，仅能获得测试曲线为耦合光与传输光的干涉信号强度（图6所示），而无法得到传输光强度，因此偏振串扰的测量值仅为相对值；而0°~45°对准时，除耦合光与传输光的干涉信号强度705和707外，还可以获得传输光干涉的信号强度（706）。二者的比值根据（2）式可知，可以得到偏振串扰的绝对值ρ。选取图7中的704点作为参考点，计算图6中的604点与704点之间的幅度差异，并将图6进行平移，可以得到如图8所示的偏振串扰测试结果。由图8可知，系统的噪声本底805和807得到有效抑制，偏振串扰的检测极限提高到-95dB以上，并且其动态范围还能够依旧保持在优于95dB。

Claims (4)

1.一种提高光学器件偏振串扰测量性能的装置，包括宽谱光源(301)、起偏器(311)、待测光纤器件(632)、光程相关器(640)、偏振串扰检测与信号记录装置(150)，其特征是：

(1)宽谱光源(301)通过起偏器(311)、第1旋转连接器(631)与待测光纤器件(632)连接后，再通过第2旋转连接器(633)与光程相关器(640)连接；

(2)所述光程相关器(640)由1×2偏振分束器(641)、三端口环形器(645)、自聚焦准直透镜(647)、可移动光学反射镜(648)、2×2光纤耦合器(649)、第1光电探测器(651)、第2光电探测器(652)组成；1×2偏振分束器(641)的第1输出尾纤(ps2)连接2×2光纤耦合器(649)的第1输入端(c1)，组成固定长度光程相关参考臂；1×2偏振分束器(641)的第2输出尾纤(ps3)连接三端口环形器(645)的输入端(cr1)，三端口环形器(645)的第1输出端(cr2)连接自聚焦准直透镜(647)和可移动光学反射镜(648)；三端口环形器(645)的第2输出端(cr3)连接2×2光纤耦合器(649)的第2输入端(c2)，组成光纤长度可变的光程相关扫描臂；2×2光纤耦合器(649)的第1输出端(c3)、第2输出端(c4)分别连接第1光电探测器(651)、第2光电探测器(652)；第1光电探测器(651)、第2光电探测器(652)、可移动光学反射镜(648)分别与偏振串扰检测与信号记录装置(150)连接；可移动光学反射镜(648)处于运动起点位置时，光程相关器(640)的光程相关参考臂的绝对光程略大于光程相关扫描臂；可移动光学反射镜(648)连续移动的范围(x)大于待测光学器件耦合光与传输光之间的最大光程差异；

(3)线偏振光信号注入到1×2偏振分束器(641)的第1输入尾纤(ps1)的慢轴中，线偏振光信号仅从第1输出尾纤(ps2)的慢轴中输出；注入到第1输入尾纤(ps1)的快轴中，仅从第2输出尾纤(ps3)的慢轴中输出。

2.根据权利要求1所述的提高光学器件偏振串扰测量性能的装置，其特征是：第1旋转连接器(631)连接起偏器(311)和待测光纤器件(632)，并使二者的光纤偏振特征轴保持对准状态，将经过起偏的宽谱光源(301)的输出光注入到待测光纤器件(632)的一个偏振特征轴中；第2旋转连接器(633)连接待测光纤器件(632)和光程相关器(640)的第1输入尾纤(ps1)时，二者的偏振特征轴存在对准和夹角45°两种状态。

3.根据权利要求1或2所述的提高光学器件偏振串扰测量性能的装置，其特征是：所述起偏器(311)、第1旋转连接器(631)、第2旋转连接器(633)、待测光纤器件(632)、光程相关器(640)、第1光电探测器(651)、第2光电探测器(652)的波长工作范围能够覆盖宽谱光源(301)的发射光谱；起偏器(311)的输出尾纤、1×2偏振分束器(641)第1输入尾纤(ps1)、1×2偏振分束器(641)的第1输出尾纤(ps2)和第2输出尾纤(ps3)均工作在单模、偏振保持状态，其余器件仅工作在单模状态。

4.一种基于权利要求1所述的提高光学器件偏振串扰测量性能的装置的提高光学器件偏振串扰测量性能的方法，其特征是：

(1)宽谱光源(301)的信号光经过起偏器(311)的偏振极化成为线偏光；

(2)调节第1旋转连接器(631)的对准角度，将来自于起偏器(311)的传输光耦合到待测光纤器件(632)的偏振特征轴中；

(3)调节第2旋转连接器(633)的对准角度，将经过待测光纤器件(632)的传输光以及由于偏振串扰在待测光纤器件(632)中产生的与传输光正交的耦合光，注入到光程相关器(640)中1×2偏振分束器(641)第1输入尾纤(ps1)保偏光纤的两个正交偏振轴中，即待测光纤器件(632)与1×2偏振分束器(641)的输出、输入尾纤的特征轴处于对准状态；

(4)偏振正交的传输光和耦合光被1×2偏振分束器(641)彻底分离后，分别传输在光程相关器(640)的光程相关参考臂和光程相关扫描臂中，经过光程相关器(640)后，在第1光电探测器(651)、第2光电探测器(652)上产生光学干涉；

(5)控制可移动光学反射镜(648)从距离自聚焦准直透镜(647)距离最近的起点开始光程扫描，同时记录第1光电探测器(651)、第2光电探测器(652)输出的差分白光干涉信号幅度随扫描光程变化的曲线，其中干涉信号的数值与偏振串扰的幅值和输入光能量的乘积成正比；

(6)调节第2旋转连接器(633)的对准角度，在步骤(3)特征轴对准的基础上，将第2旋转连接器(633)继续旋转45°，使待测光纤器件(632)中输出的偏振正交的传输光和耦合光分别注入到偏振分束器(641)第1输入尾纤(ps1)保偏光纤中的两个正交偏振轴；

(7)成45°角注入的传输光和耦合光分别被1×2偏振分束器(641)能量均分后，再次输入到光程相关器(640)的光程相关参考臂和光程相关扫描臂中，经过光程相关器(640)后，同样在第1光电探测器(651)、第2光电探测器(652)上产生光学干涉；

(8)再次控制可移动光学反射镜(648)从距离自聚焦准直透镜(647)距离最近的起点开始光程扫描，同时记录第1光电探测器(651)、第2光电探测器(652)输出的差分白光干涉信号幅度随扫描光程变化的曲线；其中，当光程相关器(640)的光程相关参考臂和光程相关扫描臂光程绝对相等时，干涉信号幅度与传输光功率成正比；

(9)对比步骤(5)和(8)分别获得白光干涉信号幅度随扫描光程变化的曲线，利用步骤(8)得到输出光功率的绝对数值，然后对步骤(5)获得的数据进行处理，消除输出光功率的影响，获得分布式偏振串扰的绝对结果。