光纤偏振器件与组件的分布式串音测量研究进展

1 引言

1978年，贝尔实验室的Stolen等首次提出了保偏光纤^[1-2]，解决了普通单模光纤中传输光的偏振态难以控制及保持的难题。由于能够抑制干涉仪中发生的偏振衰落现象，保偏光纤很快就被广泛地应用于光纤传感领域，并且给光纤陀螺的性能提升带来了新的发展契机^[3]。随后，基于保偏光纤的各种光纤偏振器件与组件陆续地被提出，例如光纤起偏器^[4]、多功能集成光学调制器(Y波导)^[5]、保偏耦合器^[6]、光纤隔离器^[7]等。光纤偏振器件与组件的串音是指其中传输的两个正交偏振模式在微扰点发生的相互能量耦合现象，沿传输方向的分布式串音既能够直接反映其光学偏振性能，如起偏、椭偏、消偏等特性，也能够间接反映其制备工艺和外部环境状态，比如连接与固定处的应力和应变、温度状态等，它是光纤偏振器件与组件的固有性能和环境影响的综合体现，有望发展成为在线测试、诊断评价光纤偏振器件与组件性能的通用特征参量^[8-10]。

光学相干域偏振测量(optical coherence domain polarimetry, OCDP)技术^[11-13]在20世纪90年代首次被提出，它基于白光干涉原理，利用扫描式白光干涉仪进行光程补偿，实现不同偏振模式间的干涉，对分布式串音发生的空间位置及幅值强度进行精确测量。它能够准确地评估待测器件与组件的偏振性能，甚至对其制造时的工艺参数以及所处环境状态进行部分反演。近十年来，哈尔滨工程大学攻克了OCDP技术中的噪声抑制、光学延迟线损耗波动抑制、延迟线量程拓展等若干关键技术，以及仪器化过程中的诸多问题，使系统的探测灵敏度提高至-105 dB，动态范围提高至100 dB^[14]，偏振串音分辨率提高至0.2 dB^[15]，测量长度提高至超过5 km^[16]；使用研制的OCDP系统测得的分布式串音结果对光纤偏振器件与组件的研发起到了极大的促进作用，例如高灵敏度地探测到Y波导芯片串音促成了80 dB高消光比Y波导的成功研制^[17]，高空间分辨率的保偏光纤环的分布式串音被直接用于估算光纤陀螺的零漂以及随机游走性能^[18-19]。最近，为了进一步提高分布式串音的测试精度，不同来源的测量误差(比如由测试光路的参数非理想引入的静态误差^{[8, 20-23]}以及由测试环境变化引入的动态误差^[24-26])，相继被分析以及抑制。

本文以光纤偏振器件与组件——保偏光纤环和多功能集成光学调制器作为分布式偏振串音精确测量与应用的范例，介绍了基于OCDP技术的分布式串音测试原理，回顾了测量误差的来源及相应的抑制方法，展示了不同环境温度下光纤偏振器件与组件的精确测试结果。最后，结合光纤偏振器件与组件复杂多变的工作环境，对分布式串音测量方法的发展进行了展望。

2 分布式偏振串音测试原理 2.1 光纤保偏性能测试原理

首先，以一段保偏光纤为例介绍保偏光纤环的分布式偏振串音的测试原理。宽谱光源的输出光经过一个0°起偏器后被注入保偏光纤的一个偏振轴(慢轴或者快轴)，在其中激发LP_01x或者LP_01y模式，称为激发模。由于保偏光纤的两个正交偏振模式的有效模式折射率差(即双折射)∆n大于10^-4量级，所以，在传输的过程中，其偏振态能够保持不变。但是，若保偏光纤中存在一个微扰点(内部缺陷或者外部压力等)，激发模中的能量将向另一个偏振轴(快轴或者慢轴)耦合，产生耦合模。如图 1(a)所示，用红色与蓝色的高斯曲线分别来表示激发模与耦合模的波列。由于两个偏振模式的有效模式折射率不同，它们在保偏光纤中传输的群速度会存在差异，这也是与它们对应的偏振轴被分别称为快轴与慢轴的原因。同时，这两个偏振模式在保偏光纤中经历的光程也不相同，光程差为∆S=L∆n，其中L为微扰点与保偏光纤末端之间的距离。

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一般使用的宽谱光源的中心波长为1550 nm，光谱的半高全宽为50 nm，其相干长度约为50 μm。对于双折射为5×10^-4的保偏光纤，若微扰点距离保偏光纤末端超过0.1 m，则激发模与耦合模之间的光程差将大于相干长度。为此，需要在检偏器后使用一个光程匹配干涉仪来实现它们之间的干涉。如图 1(a)所示，一个分光比为50：50的2×2耦合器将激发模与耦合模分为功率相同的两个部分，分别进入干涉仪的固定臂和扫描臂。虽然并不能改变每一臂中的激发模与耦合模之间的光程差，但是可以通过改变扫描臂的光程，使扫描臂中的耦合模与固定臂中的激发模发生光程匹配，生成干涉峰A；或者使扫描臂中的激发模与固定臂中的激发模发生光程匹配，生成干涉峰B；又或者使扫描臂中的激发模与固定臂中的耦合模发生光程匹配，生成干涉峰C，如图 1(b)所示。通常，将激发模与激发模发生干涉形成的干涉峰，即干涉峰B，称为主峰；而将激发模与耦合模发生干涉形成的干涉峰，即干涉峰A与C，称为耦合峰。耦合峰是成对出现的，且对称地出现在主峰两侧。因此，一般只测量主峰某一侧的耦合峰，这样可以更有效地利用位移台的光程扫描范围。

从图 1(b)中还可以看出，干涉峰A与干涉峰B之间的扫描光程恰好等于激发模与耦合模之间的光程差。此外，干涉峰A的峰值功率与干涉峰B的峰值功率之比就是耦合模与激发模的振幅之比，即微扰点的振幅耦合系数。当待测保偏光纤存在多个微扰点时，上述结论仍然成立，而且这些微扰点形成的耦合峰是依光程分布的。因此，待测保偏光纤的分布式偏振串音I(s)，可以表示为^[27]]

\( \begin{align} &I(s)=\operatorname{Re}\left( \text{i} \right.\int_{0}^{L}{{{\mathit{\Gamma} }_{0}}(\eta )}\left\{ \int_{0}^{+\infty }{G(\omega )} \right. \\ &\ \ \ \ \ \ \ \ \ \cdot \left. {\text{exp}}\left[\text{i}\omega s\text{+i}\Delta \beta (\omega )(L-\eta ) \right]\text{d}\omega \right\}\left. \text{d}\eta \right), \\ \end{align} \)(1)

其中：s表示扫描光程差，Re[∙]为取实部运算，i为虚数单位，L为保偏光纤总长度，Γ₀(η)是位置η处的串音幅度，G(ω)表示光源光谱，ω表示光角频率，Δβ(ω)是待测保偏光纤两个偏振模式的传播常数差。

2.2 Y波导偏振性能测试原理

Y波导由一段输入保偏尾纤、Y波导芯片以及一段输出保偏尾纤组成，如图 2(a)中点A至点D之间的部分所示。Y波导具有“通快阻慢”的特性，即快轴中传输的光将几乎无损通过，而慢轴中传输的光将以极高的消光比被衰减，该消光比是Y波导芯片的一个重要的性能指标。为了同时测得Y波导的芯片消光比、各个连接点的串音信息、以及各个部分的双折射等偏振特性，需要使用如图 2(a)所示的测试方案。宽谱光经过一个45°起偏器(有别于光纤环方案中的0°起偏器)，相同的光功率被同时注入起偏器尾纤PMF1的快轴和慢轴。对于高消光比Y波导，可以忽略那些既通过Y波导芯片慢轴，同时还在某些连接点发生了偏振耦合的波列。在图 2(b)中，列举了所有需要考虑的波列M，D，C，A，B，Y，并且给出了这些波列在快轴和慢轴的路径。其中，波列M和波列Y分别对应快轴与慢轴的激发模；波列D与波列C对应快轴的激发模分别在熔接点D与连接点C发生了功率耦合形成的耦合模；波列A与波列B对应慢轴的激发模分别在熔接点A与连接点B发生了功率耦合形成的耦合模。

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在图 2(b)右侧，依光程大小给出了这些波列的相对位置。而实际上，若不指定器件尾纤的长度，一般只能确定波列M与波列Y的光程分别为最小和最大，其他波列的光程大小关系需要根据器件尾纤长度来确定。例如，波列D与波列A的光程大小需要根据尾纤PMF1和PMF4的长度来确定。为此，在实际的测试过程中，一般选择起偏器尾纤PMF1的长度约为20 m，而检偏器尾纤PMF4的长度约为2 m^[9]。这样，它们的光程大小将满足图中的关系。与图 1(b)类似，接下来可以分析这些波列发生干涉产生的干涉峰。

2.3 关键挑战

干涉拍噪声抑制技术使系统动态范围提升至100 dB，解决了难以测到高消光比的难题；光学延迟线损耗波动抑制技术使偏振串音分辨率提升至0.2 dB，解决了测量精度难以提升的难题。但OCDP技术仍面临测试结果失真的关键挑战，这主要是因为光纤偏振器件与组件的分布式偏振串音测试中存在多种误差。在未考虑这些测量误差之前，含有误差的测试结果一度被认为是真实的测量结果。

测试误差可以分为两类：静态误差与动态误差。其中，静态误差主要是由于测试光路的参数非理想导致，例如待测光纤偏振器件或组件的尾纤与起偏器、检偏器的尾纤之间的对轴角度(受限于熔接机的对轴角度的精度)，起偏器与检偏器自身的起偏与检偏角度(受限于器件制作工艺)，以及待测器件或组件中的双折射色散。而动态误差主要是由于测试环境，特别是温度的快速变化而导致的误差。此外，动态误差主要影响那些需要进行多次测量的应用需求，例如保偏光纤环的正、反向测量，以及Y波导的双通道测量。

3 分布式偏振串音测试误差及抑制方法 3.1 静态误差及其抑制

根据光纤环与Y波导的测试原理可知，分布式偏振串音测试需要在待测器件的两端分别熔接一个起偏器与检偏器，图 3展示了以Y波导测试为例的连接示意图^[28]。在介绍测试原理时，一方面假设了起偏器的起偏角度与检偏器的检偏角度都是理想的，另一方面假设了在熔接时，熔接机的对轴角度是没有误差的，并且熔接点的偏振耦合很小。然而，在实际测试中使用的器件性能并没有那么理想。因此，起偏器的起偏角度、检偏器的检偏角度以及器件尾纤之间的熔接角度与理想情况的偏差都会给测试结果带来误差，如图 3(b)与图 3(c)所示。由于起偏器的起偏角度不能调节，所以这里用一个0°起偏器与其尾纤上一个特定角度的焊点来模拟该特定起偏角度的起偏器。

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图 3(b)中的结果不仅展示了熔接角度与Y波导消光比测试误差的关系，而且也提供了一种熔接角度误差的抑制方法：在标称的熔接角度附近选择多个不同角度进行测量，将结果拟合为抛物线后，使用抛物线顶点所对应的角度对熔接角度进行修正。同样地，图 3(c)中的结果不仅展示了起偏器起偏角度与Y波导消光比测试误差的关系，而且也提供了一种抑制该误差的方法。从图中可以看出，两个互补的角度偏差(角度之和为90°)对应的测量误差正好相反。因此，可以将图 3(a)中焊点A与D的对轴角度同时调至0°进行一次测量，然后同时调至90°再次测量，将两次测量的结果进行平均，该平均值就是消除起偏器对轴角度误差后的结果。

双折射色散是光纤偏振器件与组件的两个正交偏振模式的色度色散之差，是待测器件的一个固有属性，它的存在将导致测得干涉峰的幅度降低、包络展宽甚至畸变^[28-29]，从而在分布式偏振串音的测试结果中引入幅度及位置误差，如图 4(a)所示。此外，不同类型器件的双折射色散大不相同，而同一类型器件的不同个体的双折射色散之间也可能存在较大差异。所以，基于硬件来抑制该误差的方案不仅装置复杂，而且具有很大的局限性^[30]，这促成了基于软件的色散补偿方案的快速发展^{[8, 22-23]}。一种可行的方案是利用器件的双折射色散系数，构造一个不含色散的相位包，与原始信号的幅度谱组合后再进行傅里叶逆变换，就能得到色散抑制(补偿)后的干涉信号，算法流程如图 4(b)所示。待测器件的双折射色散系数可以通过一些数据处理的方式，从原始的测量数据中精确地获得^[20-21]。经过色散补偿后的结果如图 4(c)所示。

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3.2 动态误差及其抑制

对于保偏光纤环的分布式偏振串音测试方法而言，为了确保色散补偿技术恢复的干涉条纹是真实的，同时为了评价色散补偿的效果，通常需要将光纤环正、反向测量结果进行比对，重合度越好，则说明色散补偿效果越好。这是因为对于保偏光纤中的同一个微扰点，正向测得干涉峰与反向测得干涉峰受到的色散完全不同，但它们的理论空间分辨率是相同的。使用标准的光学相干域偏振测试仪，若想获取正向与反向的保偏光纤环的分布式偏振串音，需要分两次测量。由于需要断开待测光纤与起偏器、检偏器的尾纤之间的焊点，并重新焊接，所以两次测量的间隔时间并不短，外界环境的微小变化最终将影响正、反向测量数据的对比结果，难以区分两者的差异来源于各自的测试过程、色散补偿过程，还是外界环境的变化。最近报道的一种几何对称的光路结构实现了对保偏光纤环的正、反向同时测量^[26]，如图 5(a)所示，该结构利用两个环形器巧妙地共用了同一个光程补偿干涉仪，其测量结果如图 5(b)所示。保偏光纤在温度变化时，其分布式偏振串音的测试结果如图 5(c)所示。可以看出在温度变化时，不同位置的干涉峰其幅度和光程都有明显变化。最后，图 5(d)展示了正反向同时测量的显著效果，其正向与反向测量结果的光程差的差异随温度的波动可以忽略不计。

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在Y波导的分布式偏振串音测试中，典型的测试结果中所包含的基本都是相互不重叠的干涉峰。由于理论空间分辨率是已知的，所以这些干涉峰在完全没有色散时的宽度就是确定的。因此，不需要进行正反向同时测量来验证色散补偿的性能。不过，Y波导面临另一类多次测量的问题——双通道测量。由于在实际的工作环境中，Y波导的两臂是同时工作的，而传统的测试方案都是单独测量某一臂，很难比较两臂的串音信息的差异。所以，有必要设计新的测量方案来实现双通道同时测量。最近，报道了两种用于Y波导双通道同时测量的结构^[24-25]。一种是如图 6(a)所示的超简结构，另一种是如图 6(b)所示的改进型结构。在第一种结构中，Y波导的每一个通道分别是干涉仪某一臂的组成部分，即Y波导一个通道中输出的波列将会与另一个通道输出的波列发生干涉形成干涉峰。测量结果将受到Y波导分光比的影响，若两个通道的功率比并非50：50，将引入较大的系统误差。而第二种改进型的结构则不存在这种问题，它首先将两个通道的波列混合后再进入干涉仪的两臂。当然，这里需要对耦合器C₁与C₂的尾纤长度进行筛选，以使Y波导两个通道的波列在光程上完全分离。两种结构的典型测量结果分别如图 6(c)与图(d)所示。

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4 高精度分布式偏振串音测试结果 4.1 保偏光纤环的分布式偏振串音

在考察保偏光纤的分布式偏振串音时，一般更关心依光纤长度分布的结果，而不是依光程分布的结果。通常近似地认为保偏光纤的双折射与空间位置无关，然后将依光程分布的结果线性地映射成依光纤长度分布的结果。图 7(a)显示了三个不同温度下，一个3 km长的保偏光纤的分布式偏振串音。同时，其中还展示了该光纤环的分布式消光比随温度变化的特性(图中虚线所示)。分布式消光比与串音的关系可以表示为

\( P(s)=10\lg \left[\frac{\int_{-{{s}_{0}}}^{{{s}_{0}}}{{{I}^{2}}(\sigma ){\text{d}}\sigma }}{\int_{0}^{s}{{{I}^{2}}(\sigma ){\text{d}}\sigma }} \right], \)(2) [Image omitted: See PDF]

其中：I(σ)是依光纤长度分布的串音，−s₀与s₀之间是主峰，s表示光纤长度。可以看出，随着温度的升高，光纤环的分布式消光比整体提高。

前面提到过，保偏光纤环的串音主要是由内部缺陷或者外部压力导致。基于此，这里将测试结果也分为了两部分：光纤环本底与串音峰。其中光纤环本底体现的是光纤本身的偏振特性，而串音峰则能体现光纤环相邻匝之间的受力差异。由于光纤环绕匝的周期性，串音峰也是周期性地出现，所以，使用数字滤波器可以将串音峰与光纤环本底分离开。图 7(b)展示了不同温度的光纤环本底，其中保留了那些幅度较大的换层峰(一层约50 m)用于位置标定。由于周期性的换匝引起的串音峰数量众多(一匝约半米)，直接分析并不方便。这里将分布式偏振串音I(σ)进行傅里叶变换，得到如图 7(c)所示的结果，其中三个插图对应的就是换匝串音峰在不同温度下的信息。结合图 7(b)可以看到一个有趣的现象，当温度较低时(-45 ℃)，光纤环本底的串音幅度升高，但是换匝峰的幅度降低，说明光纤环内部的应力更大，但是分布更均匀。

4.2 Y波导的分布式偏振串音

Y波导的分布式偏振串音的测试目的并不只是为了精确地获取Y波导的芯片消光比，Y波导芯片与其输入、输出尾纤的连接处的偏振耦合特性也是一个很重要的测量参数。此外，由于Y波导的应用环境存在较大的温度变化，所以这些参数随温度的变化规律也广受关注。最近，得益于Y波导双通道同时测量方案的提出^[24-25]，Y波导的芯片消光比，Y波导芯片与其输入、输出尾纤连接处的串音的温度特性得以测量。一个典型的测量结果如图 8所示，可以看出，Y波导的芯片消光比在其工作温度内基本保持不变，输入尾纤与芯片的连接点的偏振耦合随温度的波动也较小。但是，两个通道的输出尾纤与芯片的连接处的偏振耦合随温度的波动较大，并且有不同的变化规律。

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5 总结与展望

本文以光纤偏振器件与组件——保偏光纤环和多功能集成光学调制器作为分布式偏振串音精确测量与应用的范例，首先，介绍了基于OCDP技术的分布式偏振串音测试原理，包括测试装置以及测试结果分析方法；随后，回顾了分布式偏振串音测量误差的来源，包括由测试光路的参数非理想引入的静态误差，例如相邻器件的尾纤在熔接时的对轴角度、待测器件中的双折射色散等，以及由测试环境变化引入的动态误差，针对不同来源的误差还介绍了相应的误差抑制方法；然后，展示了不同环境温度下光纤偏振器件与组件的精确测试结果。测试结果不仅回答了光纤偏振器件与组件的偏振性能是否能够在大幅度的温度变化中得到保持这个问题，而且揭示出了那些工作性能有待优化的部分，为器件的制造工艺的进一步改进指明了方向。

为了更真实地评估光纤偏振器件与组件在实际工作中的性能，器件与组件的测试已经不再满足于前面讨论的静态测量，或者近乎稳态的温度相关测量。在未来，分布式偏振串音测试应该面向满足具有快速的动态测量需求，并且能够进行半闭合和闭合光路测量的方向发展。前者能够解决在迅速变化的温度场中光纤偏振器件与组件的测试与诊断问题，而后者则可以极大地弥补复杂光纤偏振光路缺乏测试手段的不足。

光电工程 2018, Vol. 45 Issue (9): 170625 DOI: 10.12086/oee.2018.170625

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Yang J, Yuan Y...