[发明专利]一种保偏光纤侧视成像定轴方法及装置

说明书

技术领域

本发明涉及一种保偏光纤侧视成像定轴方法及装置，属于光纤通信和光纤传感技术领域。

背景技术

一般的轴对称单模光纤，可以同时传输两个线偏振正交模式或两个圆偏振正交模式，若光纤是完全的轴对称形式(几何形状为理想圆，折射率分布均匀)，这两个正交模式在光纤中将以相同的速度向前传播，因而在传播过程中偏振态不变。实际的光纤由于多少同时存在着非轴对称性和弯曲，因而两正交模式在传播过程中会发生耦合，其结果是使光波的偏振态在传播过程中发生变化。为此发展了能维持光波偏振态的偏振保持光纤，即保偏光纤。由于保偏光纤对线偏振光具有较强的偏振保持能力,并且与普通单模光纤有良好的相容性而在光纤通信和光纤传感系统中得到了越来越广泛应用。

目前应用最多的是应力双折射保偏光纤，按几何结构来分主要有：熊猫型、领结型、椭圆包层型，如图1所示。保偏光纤的纤芯受到两个应力——沿X轴的外拉力和Y轴的压应力，因此在纤芯中产生了较高的应力双折射，形成了两个互相正交的主轴。正是由于自身所具有的这种高双折射，使两正交轴方向上偏振模的相位常数差很大，不易产生耦合，淹没了外部的干扰，从而保偏光纤可以在两个主轴上输出线偏振光保持其线偏振状态。

只有沿偏振轴方向注入线偏振光时，保偏光纤才会产生保偏作用。因此，如何精确地确定保偏光纤偏振轴方位角方是当前面临的重要课题之一，也是保偏光纤应用的前提。

当平行光从侧面照射熊猫型保偏光纤后，因保偏光纤的透镜效应而在光纤后的观测平面上得到可测量的光强分布。由于应力区和纤芯的内部折射率不同，而且应力区是旋转不对称的，因此保偏光纤旋转时，光强分布随保偏光纤偏振轴方位角的不同而不同。可以从光强分布中提取出反应偏振轴方位角位置的信息从而确定偏振轴方位角。利用此种原理的定轴技术称作侧视成像定轴技术，相对于其他定轴技术具有简单可行，精度较高的优点，是现在光纤定轴的主要技术。

该技术以爱立信公司的POL技术和藤仓公司的PAS技术为主要代表。在POL定轴技术基础上又发展起了五点特征值、五指型光强分布等定轴方法。对于POL定轴方法以光纤后光强分布中心光强值为特征点，光纤旋转一周利用特征点绘制出POL曲线，然后通过计算原始POL曲线和标准POL曲线之间的相关系数完成定轴，主要缺点是需要对每种类型光纤构建标准曲线，降低了技术通用性。PAS定轴技术通过对比光强形貌完成定轴，主要缺点是只适用于特定类型光纤。五点、五指型光强分布定轴法基本原理与POL定轴方法相同，只是特征点提取方式不一样，其主要缺点是满足要求的光强分布范围较窄，需要不断调整成像透镜位置直至采集到满足要求的图像。

本发明所述保偏光纤的定轴方法不需要构建标准曲线，对透镜安放位置要求没那么严格，具有通用性强、速度快等优点。

发明内容

基于侧视成像的定轴技术有多种，其中POL定轴技术因其简单可行、可靠性高从而得到快速发展，并成功应用到保偏光纤熔接机中。图2为POL定轴技术的原理图，利用平行光照射保偏光纤，由于光纤具有透镜效应从而对平行光起到汇聚左右，可以在光纤后得到利用CCD测量的光强分布。此外，因保偏光纤内部各部分折射率不同、结构不对称，光纤旋转时光强分布会发生变化，可从变化的光强分布中提取出偏振轴位置信息。

光强分布中心位置处光强值具有最大对比度，光纤旋转一周利用中心光强值绘制出反应偏振轴方位角的POL曲线。利用保偏光纤的结构对称性，用傅里叶拟合方法处理POL曲线以消除图像采集时噪声以及光纤旋转过程中离轴等带来的测量误差。POL曲线经拟合后，进一步处理可以得到偏振轴方位角为0°的标准POL曲线，然后以一定的步长改变POL标准曲线的相位角依次与原始POL曲线做互相关，互相关系数最大时的标准曲线相位角即是偏振轴方位角。利用POL技术定轴时需要对每一种光纤构建标准曲线，这降低了该技术的通用性，此外定轴时还需在原始POL曲线和标准POL曲线之间进行大量的互相关运算，数据处理量较大，一定程度上影响了定轴速度。保偏光纤广泛应用于光纤陀螺等精密光学仪器中，偏振轴检测是保偏光纤应用的前提，侧视成像定轴技术是保偏光纤偏振轴检测的主要技术方案，但尚存在一些问题。本发明基于侧视成像定轴原理，旨在克服现有技术在通用性和速度方面的不足，提供一种基于特征曲线自身对称性的定轴方法及其装置，实现保偏光纤的精确定轴。