[發(fā)明專利]一種保偏光纖側(cè)視成像定軸方法及裝置

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201510418773.6
• 申請日: 2015-07-16
• 公開（公告）號: CN105068180B
• 公開（公告）日: 2018-03-16
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 徐宏杰;胡永康;李慧鵬;宋凝芳;羅惠剛
• 申請（專利權(quán)）人: 北京航空航天大學(xué)
• 主分類號: G02B6/024
• 分類號: G02B6/024
• 代理公司: 北京慧泉知識產(chǎn)權(quán)代理有限公司11232
• 代理人: 王順榮,唐愛華

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及一種保偏光纖側(cè)視成像定軸方法及裝置，屬于光纖通信和光纖傳感技術(shù)領(lǐng)域。

背景技術(shù)

一般的軸對稱單模光纖，可以同時傳輸兩個線偏振正交模式或兩個圓偏振正交模式，若光纖是完全的軸對稱形式(幾何形狀為理想圓，折射率分布均勻)，這兩個正交模式在光纖中將以相同的速度向前傳播，因而在傳播過程中偏振態(tài)不變。實際的光纖由于多少同時存在著非軸對稱性和彎曲，因而兩正交模式在傳播過程中會發(fā)生耦合，其結(jié)果是使光波的偏振態(tài)在傳播過程中發(fā)生變化。為此發(fā)展了能維持光波偏振態(tài)的偏振保持光纖，即保偏光纖。由于保偏光纖對線偏振光具有較強的偏振保持能力,并且與普通單模光纖有良好的相容性而在光纖通信和光纖傳感系統(tǒng)中得到了越來越廣泛應(yīng)用。

目前應(yīng)用最多的是應(yīng)力雙折射保偏光纖，按幾何結(jié)構(gòu)來分主要有：熊貓型、領(lǐng)結(jié)型、橢圓包層型，如圖1所示。保偏光纖的纖芯受到兩個應(yīng)力——沿X軸的外拉力和Y軸的壓應(yīng)力，因此在纖芯中產(chǎn)生了較高的應(yīng)力雙折射，形成了兩個互相正交的主軸。正是由于自身所具有的這種高雙折射，使兩正交軸方向上偏振模的相位常數(shù)差很大，不易產(chǎn)生耦合，淹沒了外部的干擾，從而保偏光纖可以在兩個主軸上輸出線偏振光保持其線偏振狀態(tài)。

只有沿偏振軸方向注入線偏振光時，保偏光纖才會產(chǎn)生保偏作用。因此，如何精確地確定保偏光纖偏振軸方位角方是當(dāng)前面臨的重要課題之一，也是保偏光纖應(yīng)用的前提。

當(dāng)平行光從側(cè)面照射熊貓型保偏光纖后，因保偏光纖的透鏡效應(yīng)而在光纖后的觀測平面上得到可測量的光強分布。由于應(yīng)力區(qū)和纖芯的內(nèi)部折射率不同，而且應(yīng)力區(qū)是旋轉(zhuǎn)不對稱的，因此保偏光纖旋轉(zhuǎn)時，光強分布隨保偏光纖偏振軸方位角的不同而不同。可以從光強分布中提取出反應(yīng)偏振軸方位角位置的信息從而確定偏振軸方位角。利用此種原理的定軸技術(shù)稱作側(cè)視成像定軸技術(shù)，相對于其他定軸技術(shù)具有簡單可行，精度較高的優(yōu)點，是現(xiàn)在光纖定軸的主要技術(shù)。

該技術(shù)以愛立信公司的POL技術(shù)和藤倉公司的PAS技術(shù)為主要代表。在POL定軸技術(shù)基礎(chǔ)上又發(fā)展起了五點特征值、五指型光強分布等定軸方法。對于POL定軸方法以光纖后光強分布中心光強值為特征點，光纖旋轉(zhuǎn)一周利用特征點繪制出POL曲線，然后通過計算原始POL曲線和標(biāo)準(zhǔn)POL曲線之間的相關(guān)系數(shù)完成定軸，主要缺點是需要對每種類型光纖構(gòu)建標(biāo)準(zhǔn)曲線，降低了技術(shù)通用性。PAS定軸技術(shù)通過對比光強形貌完成定軸，主要缺點是只適用于特定類型光纖。五點、五指型光強分布定軸法基本原理與POL定軸方法相同，只是特征點提取方式不一樣，其主要缺點是滿足要求的光強分布范圍較窄，需要不斷調(diào)整成像透鏡位置直至采集到滿足要求的圖像。

本發(fā)明所述保偏光纖的定軸方法不需要構(gòu)建標(biāo)準(zhǔn)曲線，對透鏡安放位置要求沒那么嚴(yán)格，具有通用性強、速度快等優(yōu)點。

發(fā)明內(nèi)容

基于側(cè)視成像的定軸技術(shù)有多種，其中POL定軸技術(shù)因其簡單可行、可靠性高從而得到快速發(fā)展，并成功應(yīng)用到保偏光纖熔接機中。圖2為POL定軸技術(shù)的原理圖，利用平行光照射保偏光纖，由于光纖具有透鏡效應(yīng)從而對平行光起到匯聚左右，可以在光纖后得到利用CCD測量的光強分布。此外，因保偏光纖內(nèi)部各部分折射率不同、結(jié)構(gòu)不對稱，光纖旋轉(zhuǎn)時光強分布會發(fā)生變化，可從變化的光強分布中提取出偏振軸位置信息。

光強分布中心位置處光強值具有最大對比度，光纖旋轉(zhuǎn)一周利用中心光強值繪制出反應(yīng)偏振軸方位角的POL曲線。利用保偏光纖的結(jié)構(gòu)對稱性，用傅里葉擬合方法處理POL曲線以消除圖像采集時噪聲以及光纖旋轉(zhuǎn)過程中離軸等帶來的測量誤差。POL曲線經(jīng)擬合后，進一步處理可以得到偏振軸方位角為0°的標(biāo)準(zhǔn)POL曲線，然后以一定的步長改變POL標(biāo)準(zhǔn)曲線的相位角依次與原始POL曲線做互相關(guān)，互相關(guān)系數(shù)最大時的標(biāo)準(zhǔn)曲線相位角即是偏振軸方位角。利用POL技術(shù)定軸時需要對每一種光纖構(gòu)建標(biāo)準(zhǔn)曲線，這降低了該技術(shù)的通用性，此外定軸時還需在原始POL曲線和標(biāo)準(zhǔn)POL曲線之間進行大量的互相關(guān)運算，數(shù)據(jù)處理量較大，一定程度上影響了定軸速度。保偏光纖廣泛應(yīng)用于光纖陀螺等精密光學(xué)儀器中，偏振軸檢測是保偏光纖應(yīng)用的前提，側(cè)視成像定軸技術(shù)是保偏光纖偏振軸檢測的主要技術(shù)方案，但尚存在一些問題。本發(fā)明基于側(cè)視成像定軸原理，旨在克服現(xiàn)有技術(shù)在通用性和速度方面的不足，提供一種基于特征曲線自身對稱性的定軸方法及其裝置，實現(xiàn)保偏光纖的精確定軸。