專利名稱:單模光纖雙折射測量方法
本發(fā)明涉及一種單模光纖雙折射的測量方法，特別適用于測量短拍長單模光纖的雙折射。
眾所周知，單模光纖中只傳輸最低階模即HE11模。它實際上是由兩個正交模簡并而成，對于理想光纖來說，兩者的傳播常數(shù)(即單位長度上相位的變化)相等。但在實際光纖中，由于光纖內部結構不完善，如纖芯呈橢圓狀，光纖包層帶來的橫向內應力等，或光纖受彎、受壓、受扭等都會使兩個正交模的傳播常數(shù)不等。“雙折射”△β(birefringence)就是在本地座標系中本地X軸及本地y軸方向上的光傳播常數(shù)之差，即△β＝βx-βy，單位為度/米，與雙折射△β對應的拍長Lb定義為2π/△β，表示光波經(jīng)過Lb長度的傳播后，相位差的主值將回復到原值。單模光纖不僅為高速度、長距離的光通信提供了可能性，而且在傳感器等其它非通訊技術方面也得到了廣泛應用。光纖中的雙折射導致了光纖中偏振態(tài)的變化，在非單色光源下還導致了偏振模色散及退偏振現(xiàn)象，這些因素直接影響到光纖通信系統(tǒng)及其它應用領域(如傳感器)的性能。具有不同雙折射的光纖有著不同的用途，例如強雙折射光纖(即拍長極短)可使得偏振態(tài)穩(wěn)定，從而保證光外差通訊的質量，而低雙折射的光纖是法拉弟效應測磁場所必需的。單模光纖測試方法可以幫助了解光纖的特性，對于指導光纖的生產(chǎn)及光纖的選用都非常有用。
關于單模光纖雙折射的測量方法，在一九八一年四月二日出版的電子學報(Electronics Letters)第17卷第7期252頁上，作者M.Monerie等在“用扭曲法測量單模光纖雙折射”一文中提出了一種應用一米長的光纖作非破壞性測量的簡便方法，該方法是在不同的扭曲率下測量光纖的偏振狀態(tài)又得出雙折射值。但此測量方法是利用光強讀數(shù)來記錄信息的，對測量設備的要求較高，如需要輸出功率非常穩(wěn)定的單色光源及線性良好的光檢測器。該方法可測的最短拍長為3.6厘米，不能用于測量更短的拍長，在數(shù)據(jù)的處理上依靠曲線擬合，比較煩瑣;且由于對光纖存在的初始扭曲沒有加以考慮，使測量誤差增大。
為了克服上述不足之處，作出改進，本發(fā)明的目的是提供一種單模光纖雙折射測量方法，特別適用于測量短拍長單模光纖的雙折射。此方法是根據(jù)黃上元、林宗琦在一九八四年十月十九日在中國光學學會纖維光學和集成光學專業(yè)委員會主辦的學術交流大會上所作的學術報告“短拍長及具有不均勻性的單模光纖雙折射測量方法”一文中經(jīng)詳細分析論證后提出的雙折射公式進行的。該公式為
其中△β為雙折射K為光彈系數(shù)，近似值為0.07，l2為光纖未粘部分的長度，α2為光纖未粘部分的扭曲率，a1′l2為sin2φ～α2l2曲線上第一個極值點相對于曲線對稱縱軸的橫座標(2φ為兩個輸出線偏振態(tài)的傳播相位差)，a2″l2為sin2φ～α2l2曲線上第二個極值點相對于曲線對稱縱軸的橫座標。
在使用公式(Ⅰ)進行測量時，需要用到單色光源，偏振片、物鏡、四分之一波長片、光檢測器、光纖固定裝置及光纖扭曲裝置等，通過這些裝置用消光法測出在光纖不同扭曲率下的｜φ｜值(此處2φ為兩個輸出線偏振態(tài)的傳播相位差，有關測量原理在上述黃上元、林宗琦的報告中也有論述)，再通過sin2φ～α2l2曲線，找出該曲線的對稱縱軸，測出該曲線上距對稱縱軸最近的右側極值點相對于對稱縱軸的橫座標
a2′l2及此點右側最近的極值點相對于對稱縱軸的橫座標
a2″l2，然后用公式(Ⅰ)算出雙折射△β值。
本發(fā)明的優(yōu)點是由于用消光法進行測量，對單色光源的功率穩(wěn)定度及光檢測器的線性度的要求都可以降低，設備及方法都簡單，測量偏振狀態(tài)的精度完全由偏振片、光纖扭曲裝置、四分之一波長片的轉動架的機械精度來決定，因此測試的重復性十分良好。當光纖不存在初始扭曲時sin2φ～α2l2曲線對縱軸對稱，但當光纖存在著初始扭曲時則該曲線對縱軸不對稱，本發(fā)明測量方法是通過將縱軸平移到sin2φ～α2l2曲線的對稱處，從而消除初扭帶來的測量誤差。本發(fā)明對各種拍長的光纖都可測量，特別適合于測量短拍長。且在使用公式(Ⅰ)時，與光纖粘固的長度無關，即測量結果不受粘固長度的影響。
圖1為未裝四分之一波長片時的測量裝置圖。
圖2為已裝四分之一波長片時的測量裝置圖。
圖3A為實例Ⅰ測得的sin2φ～α2l2曲線圖。
圖3B為實例Ⅰ縱軸平移后sin2φ～
a2l2曲線圖。
圖4A為實例Ⅱ測得的sin2φ～α2l2曲線圖。
圖4B為實例Ⅱ縱軸平移后sin2φ～
a2l2曲線圖。
下面是對本發(fā)明的實施步驟的具體描述如圖1和圖2所示，本發(fā)明所使用的測量裝置包括(a)單色光源〔1〕，此光源可以用氦氖激光器;
(b)前偏振片〔2〕，此偏振片可繞光路軸線轉動，轉動的方位角可以從刻度上得出;
(c)前物鏡〔3〕，此物鏡為40倍的顯微鏡物鏡，用來將平行光變成會聚光送進單模光纖〔5〕;
(d)光纖固定裝置〔4〕，用來將單模光纖〔5〕的一端固定，通過502號膠將光纖〔5〕粘固，粘固長度l1約1毫米左右;
(e)光纖扭曲裝置〔6〕，用來將單模光纖〔5〕的另一端固定，通過502號膠將光纖〔5〕粘固，粘固長度l3約1毫米左右，光纖扭曲裝置〔6〕可繞光路軸線轉動，轉動時將光纖扭曲，轉動的方位角可以從刻度上讀出;
(f)后物鏡〔7〕，此物鏡為40倍的顯微鏡物鏡，用來將從單模光纖〔5〕中出來的散射光變?yōu)槠叫泄?
(g)四分之一波長片〔10〕，此波長片〔10〕在圖1的裝置中未裝入，在圖2中裝在后物鏡〔7〕與后偏振片〔8〕之間，此四分之一波長片〔10〕可以繞光路軸線轉動，轉動的方位角可讀;
(h)后偏振片〔8〕，此片可以繞光路軸線轉動，轉動的方位角可從刻度上讀出;
(i)光檢測器〔9〕，當單色光源〔1〕在可見光范圍時，也可用一張白紙作光檢測器〔9〕來測出消光位置。
使用上述裝置測量單模光纖〔5〕雙折射△β的測量步驟包括(1)將單模光纖〔5〕的一端用502號膠粘固在光纖固定裝置〔4〕上，另一端粘固在光纖扭曲裝置〔6〕上，使光纖處于自然、無扭曲狀態(tài)，并使單色光源〔1〕輸出的光經(jīng)過前偏振片〔2〕、前物鏡〔3〕、單模光纖〔5〕、后物鏡〔7〕、后偏振片〔8〕到達光檢測器〔9〕。
(2)通過前偏振片〔2〕與后偏振片〔8〕的旋轉，在光檢測器〔9〕上找到消光位置，表明偏振本征矢已找到，記下后偏振片〔8〕的方位讀數(shù)γ作為方位基準。
(3)將四分之一波長片〔10〕裝在后物鏡〔7〕與后偏振片〔8〕之間，保持前偏振片〔2〕與后偏振片〔8〕不動，調節(jié)四分之一波長片〔10〕的方位使光檢測器〔9〕保持消光，此時表明四分之一波長片〔10〕的一個主軸已與輸出光的線偏振態(tài)一致;
(4)將前偏振片〔2〕的方位增加45度，四分之一波長片〔10〕的方位增加或減少45度，這時四分之一波長片〔10〕的兩個主軸(或稱快軸、慢軸)已分別與光纖〔5〕輸出的橢圓偏振光的長短軸對準，從四分之一波長片〔10〕出來的光為線偏振光;
(5)調整后偏振片〔8〕的方位，尋找新的消光位置，記下后偏振片〔8〕的方位讀數(shù)γ′;
(6)根據(jù)｜φ｜＝｜γ+45°-γ′｜求出｜φ｜值;
(7)轉動光纖扭曲裝置〔6〕，在單模光纖〔5〕不同扭曲角(α2l2)的情況下，重復步驟(2)～(6)，測出相應的｜φ｜值;
(8)在座標紙上以扭曲角α2l2為橫座標，以sin2φ(＝sin2｜φ｜)為縱座標，繪出sln2φ～α2l2曲線。再以上述曲線的對稱縱軸為新座標系的縱軸，原橫軸不變，在新座標系中的sin2φ～
a2′l2曲線上測出縱軸右側第一個極值點的橫座標
a2′l2及第二個極值點的橫座標
a2″l2，通過公式(Ⅰ)
求出單模光纖〔5〕的雙折射值△β。
為了進一步說明上述實施步驟，下面給出兩個測量實例實例Ⅰ 測量一般光纖試樣，其l2＝0.412米。
表Ⅰ為測量所得的數(shù)據(jù)及計算出的sin2φ值。
根據(jù)上述數(shù)據(jù)所得的sin2φ～α2l2曲線如圖3A所述，以左峰1和右峰1為依據(jù)，找到新的對稱縱軸在α2l2＝387.5°的地方。然后將原縱軸向右平移到新的對稱縱軸處，原橫軸不平移。于是得到圖3B的sin2φ～
a2l2曲線，這就消除了光纖存在著的初始扭曲對測量的影響。根據(jù)右側峰1處的橫座標定出
a2′l2＝1952.5°，根據(jù)右側谷1處的橫座標定出
a2″l2＝2792.5°，代入公式(Ⅰ)可求得△β＝92331.5度/米，對應于拍長Lb＝3.9毫米。
實例Ⅱ 測量一段光纖試樣，其l2＝1.127米。
表Ⅱ為測量所得的數(shù)據(jù)及計算出的sin2φ。
根據(jù)上述數(shù)據(jù)所得的sin2φ～α2l2曲線如圖4A所示。以圖4A中的左峰1和右峰1的位置為依據(jù)，找到新的對稱縱軸在α2l2＝-430°處。然后將原縱軸向左平移到新的對稱縱軸處，原橫軸不平移。于是得到圖4B中的sin2φ～
a2l2曲線，根據(jù)右側峰1處的橫座標定出
a2′l2＝690°，根據(jù)右側谷1處的橫座標定出
a2″l2＝1015°代入公式(Ⅰ)求得△β＝4503.45度/米，對應于拍長Lb＝8厘米。
權利要求
1.一種單模光纖雙折射測量方法，特別適用于測量短拍長的單模光纖，本發(fā)明的特征包括(a)，通過單色光源[1]、偏振片[2，8]、物鏡[3，7]、四分之一波長片[10]、光檢測器[9]、光纖固定裝置[4]、光纖扭曲裝置[6]測量單模光纖在不同扭曲角下的偏振狀態(tài)，即測出｜φ｜值；(b)繪出sin2φ～a2l2曲線，找出上述曲線的對稱縱軸，測出上述曲線上距對稱縱軸的最近的右側極值點相對于對稱縱軸的橫座標
a2′l2及上述極值點右側最近的極值點相對于對稱縱軸的橫座標
a2″l2，然后用公式(Ⅰ)
求出雙折射值。此處△β為單模光纖的雙折射；K為光彈系數(shù)，近似值為0.07；l2為單模光纖未粘部分的長度；a2為單模光纖未粘部分的扭曲率；2φ為兩輸出線偏振態(tài)的傳輸相位差。
2.如權利要求
1所述的測量方法，特征在于用消光法測量單模光纖在不同扭曲角下的｜φ｜值，測量步驟包括(a)將單模光纖〔5〕的一端粘固在光纖固定裝置〔4〕上，另一端粘固在光纖扭曲裝置〔6〕上，并使單色光源〔1〕輸出的光經(jīng)過前偏振片〔2〕、前物鏡〔3〕、單模光纖〔5〕、后物鏡〔7〕、后偏振片〔8〕、到達光檢測器〔9〕;(b)通過前偏振片〔2〕與后偏振片〔8〕的旋轉，在光檢測器〔9〕上找到消光位置，記下后偏振片〔8〕的方位讀數(shù)γ;(c)將四分之一波長片〔10〕裝在后物鏡〔7〕與后偏振片〔8〕之間，保持前偏振片〔2〕與后偏振片〔8〕不動，調節(jié)四分之一波長片〔10〕的方位使光檢測器〔9〕保持消光;(d)將前偏振片〔2〕的方位增加45度，四分之一波長片〔10〕的方位增加或減少45度;(e)調整后偏振片〔8〕的方位，尋找新的消光位置，記下后偏振片〔8〕的方位讀數(shù)γ′;(f)根據(jù)｜φ｜＝｜γ+45°-γ′｜求出｜φ｜值;(g)轉動光纖扭曲裝置〔6〕，在單模光纖〔5〕不同的扭曲角的情況下，重復步驟(b)～(f)，測出相應的｜φ｜值。
專利摘要
一種單模光纖雙折射測量方法，特別適用于測量短拍長的單模光纖。此方法是利用消光法測出單模光纖在不同扭曲下的偏振狀態(tài)，即測出兩個輸出線偏振態(tài)的傳播相位差2φ的絕對值，繪出sin
文檔編號G01M11/02GK85100420SQ85100420
公開日1986年8月13日 申請日期1985年4月1日
發(fā)明者黃上元, 林宗琦 申請人:上海交通大學光纖技術研究所導出引文BiBTeX, EndNote, RefMan