高精度保偏光纤偏振测试系统的设计

　　1　引　言

　　在很多应用场合中,都需要对光纤的偏振态进行精确的测试。例如在光纤陀螺[1]中,光纤环的偏振起伏是影响陀螺精度的最主要的因素之一。普通单 模光纤并不能保持一种偏振状态,其偏振态受外界因素(温度、压力、振动等)的影响很大。保偏光纤自身具有较大的双折射,可以在很大程度上消除外部的干扰, 因此可以保持一种线偏振状态[2]。理想的保偏光纤,如果线偏振光沿光纤的一个光轴(快轴或慢轴)注入,就将一直保持这一偏振状态。实际上,由于光纤自身 的缺欠或外界的影响,光功率会从一个光轴向另一个光轴耦合,造成偏振态的起伏。保偏光纤保持偏振的能力由偏振串音(也称消光比)或h参数决定[3]。对偏 振串音的测试需要一套起偏系统和一套检偏系统。目前国内所使用的测试系统一般都为自制,精度普遍不高,而且操作较为繁琐,可靠性也较差。国外有些公司有检 偏系统出售,但所给的指标并不高,而且价格也非常昂贵,目前起偏系统还没未见出售的公司。测试方法上的落后已经成为制约国内保偏光纤、保偏光纤器件及光纤 传感器(光纤陀螺)水平进一步提高的一个关键因素。

　　本文对保偏光纤的偏振测试进行了详细地分析,并给出了一个高精度测试系统的原理结构。利用这一系统对国内几种不同类型的保偏光纤进行了实测,得到了满意的测试结果,其中,几项关键指标达到了国际先进水平。

　　2　保偏光纤的h参数及偏振串音

　　偏振串音和消光比经常被混淆,但严格地讲,它们的物理意义是不同的。消光比被定义为

　　式中,Pmax和Pmin分别是光功率的最大值和最小值,所以消光比为正值,其单位为dB。

　　偏振串音是指光功率从一个偏振模串扰到另一个偏振模的比例,定义为

　　由于(1)式同(2)式相比只相差一个符号,所以偏振串音为负值。理想的保偏光纤的偏振串音为-∞。一般来说,光纤越长,偏振串音越大。

　　h参数被定义为单位长度光功率的串扰量,一般情况下其大小为10-4~10-6/m-1。如果保偏光纤是均匀的,则通过h参数就可以计算出任意 长度光纤的偏振串音。假设注入光纤是沿x轴方向的线偏振光,功率为P0,z为光纤传播方向,Px和Py分别为x轴方向和y轴方向的功率,则可以得到以下耦 合方程:

　　从上式可以看出,对于1m长的保振光纤来说,偏振串音一般应该在-40~-60dB之间。光纤长度每增加10倍,偏振串音增加10dB。

　　实际上保偏光纤不一定是均匀的,其各段的h参数不一定相同,因此(7)式只是一个近似。目前国内外给出的光纤偏振串音的最高指标一般都在 -40dB左右[4],尚未见到有小于-50dB的报道。从以上的分析可以看出,对于1~2m长的保偏光纤来说,偏振串音有可能达到-50dB,甚至可达 到-60dB,只是受到测试水平的限制,无法测出更高的指标。因此,研制高精度的光纤偏振测试系统具有很重要的实用价值。