一种利用偏振控制器测量径向受力光纤双折射的方法
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摘要:该文提出了一种基于偏振态检测技术的利用偏振控制器和光纤偏振器测量径向受力光纤双折射的方法,起偏器和检偏器本身不用旋转而依靠光纤在偏振控制器绕制的半波片使光纤中的偏振态旋转,从而达到在线测量受力光纤双折射的目的。
关键词:光纤光学;光纤双折射;偏振控制器;光纤偏振器;光纤通信
中图分类号:TP247 文献标识码:A文章编号:1009-3044(2010)10-2534-02
A New Method to Measure the Birefringence of the Single-mode Fiber which is Side-pressed Using Polarization Controller
YANG Lei, YU You-long
(School of Instrument Science and Opto-electronics Engineering, Hefei University of Technology, Hefei 230009, China)
Abstract: A new method to measure the birefringence of the single-mode fiber which is side-pressed using polarization controller and fiber polarizer is presented based on the technology of polarization state testing. In order to test the birefringence on line, the half-wave plate enwinded by the fiber using polarization controller can rotate the polarization state instead of rotating the polarizers.
Key words: fiber optics; fiber Birefringence; polarization controller; fiber polarizer; optical fiber communication
应力双折射是单模光纤的一种重要双折射特性,它是指光纤在应力作用下,在该应力方向的传播常数会发生变化的一种现象。应力双折射分为固有的和外加的两种:固有应力双折射是由于在单模光纤制造过程中各种干扰因素导致光纤内部的应力分布不均而产生的;外加应力双折射则是人们有目的地利用这一性质而故意引入的。目前人们已经提出了多种测量光纤双折射的方法,基本上都是基于偏振态的测量,此方法需要手动旋转偏振片,不太方便;还有直接利用偏振分析仪进行测量,但仪器较昂贵。本文介绍了一种利用光纤偏振器的全光纤的在线测量方法。
1 测量原理
1.1 理论计算
光纤径向受力情况如图1所示,根据弹光效应可以求出x,y方向折射率差Δn1,Δ2。
其中光纤有效折射率n0=1.46,光纤杨氏模量E=6.9×10 10N/m2,弹光矩阵Pockel系数P11=0.121,P12=0.270泊松比v=0.16,光纤直径D=125mn,折射率的变化不容易测量,所以我们用相位差Δβ来表示折射率的变化。
(1)
(2)
其中,F表示单位长度受力大小,FL即施加在光纤上的总的受力大小。
1.2 半波片控制偏振态旋转原理
引入偏振控制器,若其凹槽的内外直径分别为56mm和59mm,我们选择将光纤紧靠凹槽外部缠绕,光波波长为1.55m时,弯曲的光纤产生的相位差为:
式中a=62.5m,为光纤包层半径,弯曲半径
R=29.5mm,若N=7,则由上式可知:
Δφ=3.140 即相位差为π,这样就可以得到光纤半波片。
根据文献[5]的研究,用光纤绕制的半波片性质和普通半波片相似,线圈面可以看做半波片的主轴,其左右旋转θ即相当于半波片主轴的旋转θ,只不过线偏光转角度不是简单的2θ,而是有一个扭转系数t,即
α=2(1-t)θ(3)
对于SMF-28型光纤,t=0.08。
根据(3)式,光纤绕制的半波片也可用来以可以实现对偏振态的旋转,光纤半波片的旋转可以同时影响偏振态的两个分量,这样旋转后的分量叠加而成的偏振态也会旋转相同的角度。
2 实验及结果分析
2.1 测量装置
实验装置见图4所示,光源为一可调激光器,其波长调节范围为1500~1640 nm,待测光纤为除去涂覆层后的SMF-28型光纤,实验中的起偏器和检偏器为全光纤偏振器,功率计为ADVANTEST Q8221(最高工作功率0.5w)。径向压力是通过增加砝码来调节的,重力沿光纤在一定长度范围内均匀作用。
2.2 测量方法与数据分析
激光器工作波长为λ=1.55μm,由公式(2)可以计算出当F=19.43N,即砝码重1.98kg时相位变化2π。
将仪器按图4所示连接。光纤起偏器的偏振角经测量是122°,光纤检偏器的偏振角是19°。待测裸光纤平放于实验台上固定,再在其一侧平行放置一段裸光纤以便放置载玻片(7105,25.4mm*76.2mm),然后在载玻片上放上砝码来实现光纤的受力。将载玻片按其较长的方向垂直放置于平行的光纤上方,然后逐次增加砝码改变施加的压力大小,旋转半波片并观察功率计的读数,在其出现最大值和最小值时记录下半波片的角度以及光功率的大小,得到光纤受力长度是76.2的一组数据。为达到测量准确性测量三组数据并对这三组数据取平均值如表1所示,其中θ1,θ3是极大值,θ2,θ4是极小值。
根据α=2(1-t)θ可知,由于各极值间相差Δα=45°,则其对应的半波片角度差
Δθ=Δα/2(1-t)=48.91°,而由表中数据可以计算出Δθ的平均值为49.74°,误差为1.7%,理论值与实验值比较相近。由表1数据可以计算出偏振椭圆的仰角ξ,根据公式
(2)
即可以计算出Δφ。
图5所示的是不同压力下光纤双折射变化的理论值与三组实验值的平均值的曲线图的对比。
可以看出,实验测得的双折射变化情况与理论情况基本保持一致,大致保持一种线性的关系。
另外,由(1)还可以看出双折射变化与受力长度没有关系。图6所示的是8组不同受力长度情况下光纤双折射的曲线图,不同长度受力情况下施加相同的力时,相位差数值基本保持在同一水平线上。
3 小结
通过本次试验,可以得出以下结论,压力大小与光纤双折射呈周期性变化的关系且是线性关系且与受力长度无关。光纤偏振器、光纤偏振控制器以及光纤压力传感器中,人们就要利用外加应力双折射来对单模光纤中传输的光波进行相位调制,因此对光纤外加应力双折射进行研究对这些应用有指导意义。
参考文献:
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