一種基于保偏光纖干涉結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定光譜測量方法

宋秋衡，賈 波，周鵬威，陳永超，艾 鑫，肖 倩

(1.復(fù)旦大學(xué) 材料科學(xué)系，上海 200433；2.上海復(fù)旦智能監(jiān)控成套設(shè)備有限公司，上海 201906)

一種基于保偏光纖干涉結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定光譜測量方法

宋秋衡1，賈 波1，周鵬威1，陳永超1，艾 鑫2，肖 倩1

(1.復(fù)旦大學(xué) 材料科學(xué)系，上海 200433；2.上海復(fù)旦智能監(jiān)控成套設(shè)備有限公司，上海 201906)

本文提出一種用于光譜測量的保偏光纖干涉結(jié)構(gòu).該結(jié)構(gòu)基于保偏光纖、法拉第旋轉(zhuǎn)鏡、偏振分束器和保偏光環(huán)形器等光纖器件的.結(jié)構(gòu)中采用的壓電陶瓷光纖相位調(diào)制器,使干涉工作在光程線性調(diào)制區(qū)域,以減小壓電陶瓷非線性光程調(diào)制產(chǎn)生的誤差.結(jié)構(gòu)中的法拉第旋轉(zhuǎn)鏡、保偏光纖及保偏光器件的結(jié)合使用保證了傳輸光的偏振穩(wěn)定性,消除偏振衰落效應(yīng)的影響,保證了穩(wěn)定的光譜測量結(jié)果.實驗測試了SLD光譜,測得結(jié)果和光譜儀測得結(jié)果一致,結(jié)果表明該系統(tǒng)測量光譜的穩(wěn)定性.該系統(tǒng)可用于提供光纖傳感器和通信應(yīng)用中常用光源(如二極管激光器、LED和半導(dǎo)體激光器等)的光譜分析.

保偏光纖； 傅里葉變換光譜； 穩(wěn)定干涉儀； 偏振分束器； 法拉第旋轉(zhuǎn)鏡

傅里葉變換光譜(Fourier Transform Spectrometer, FTS)是一種強大的技術(shù)，廣泛用于分析復(fù)雜、極弱的光譜，特別是在紅外區(qū)域.因此，該技術(shù)已廣泛應(yīng)用于分子紅外光譜學(xué)領(lǐng)域[1].FTS的研究始于1881年Michelson發(fā)明干涉儀[2].光譜信息通過計算邁克爾遜干涉儀產(chǎn)生的干涉條紋的傅里葉變換來獲得.與傳統(tǒng)的光譜儀相比，F(xiàn)TS具有高靈敏度、高分辨率、寬光譜范圍、多重傳輸、波數(shù)精度高、雜放光低等優(yōu)點.全光纖傅里葉變換光譜儀(Fiber Fourier Transform Spectrometer, FFTS)以單模光纖和光纖耦合器分別代替?zhèn)鹘y(tǒng)光路和分束鏡,利用光纖相位調(diào)制器進行相位調(diào)制.與傳統(tǒng)傅里葉變換光譜儀相比，F(xiàn)FTS具有體積小、無運動部件、抗電磁干擾、耐高溫和耐化學(xué)腐蝕等優(yōu)點.

傳統(tǒng)FFTS采用的是低雙折射單模光纖，由于雙折射效應(yīng)，外界擾動、溫度、光纖自身缺陷等因素影響對干涉儀兩臂的偏振產(chǎn)生影響，導(dǎo)致輸出干涉信號的可見度隨機變化.極端情況下當(dāng)兩臂偏振態(tài)正交時，干涉儀的輸出干涉信號為零.偏振誘導(dǎo)信號衰落效應(yīng)成為影響FFTS性能的一個關(guān)鍵問題.國內(nèi)外也提出多種消除偏振誘導(dǎo)信號衰落的方法，多篇文獻提出利用偏振控制器控制干涉儀兩臂傳輸光偏振態(tài)，以消除偏振衰落效應(yīng)影響[3-6].

本文提出一種基于保偏光纖、法拉第旋轉(zhuǎn)鏡(Faraday Rotator Mirror, FRM)、偏振分束器(Polarization Beam Splitter, PBS)、壓電陶瓷鋯鈦酸鉛(PZT)和保偏光環(huán)形器的保偏光纖干涉儀來獲得干涉條紋.相比傳統(tǒng)干涉儀具有偏振保持、干涉穩(wěn)定、干涉效率高的特點.整個測試系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，穩(wěn)定抗干擾，具有明顯的應(yīng)用價值.該系統(tǒng)可用于提供光纖傳感器和通信應(yīng)用中常用光源的光譜分析，如二極管激光器，發(fā)光二極管(Light Emitting Diode, LED)和超輻射激光器(Super Luminescent Diode, SLD)等.

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

本文提出的保偏光纖干涉儀結(jié)構(gòu)如圖1所示，利用兩個偏振分束器以及一個法拉第旋轉(zhuǎn)鏡構(gòu)成環(huán)路，偏振分束器1把偏振光分成在環(huán)路上順、逆時針方向傳播的兩束光，在偏振分束器1處再次匯合.通過b點后發(fā)生干涉，干涉效率達到100%.通過偏振器把快軸(或慢軸)的信號提取出來，傳入光電探測器轉(zhuǎn)換成電信號.用示波器采集信號，傳入計算機進行傅里葉變換處理.其中： 保偏光纖線圈長度500m；b為保偏光纖環(huán)形器單邊端與偏振分束器1的單邊端光纖快軸(或慢軸)之間夾角45°熔接點.結(jié)構(gòu)中除壓電陶瓷段使用單模光纖外，其他地方均使用保偏光纖及保偏光器件.

圖1 保偏光纖干涉系統(tǒng)Fig.1 Polarization-maintaining fiber interference system

2 原理分析

2.1 保偏光纖干涉結(jié)構(gòu)原理

圖1中偏振分束器1把一束光分成兩束偏振方向互相垂直的光，設(shè)一個方向平行于紙面，則另一個方向垂直于紙面，如圖2所示.兩束光分別按順時針和逆時針方向傳入偏振分束器2.偏振分束器1，偏振分束器2，壓電陶瓷段單模光纖以及法拉第旋轉(zhuǎn)鏡把光路分成順時針、逆時針具體路徑如下：

順時針： 偏振分束器1→延遲線圈→偏振分束器2→壓電陶瓷→法拉第旋轉(zhuǎn)鏡→壓電陶瓷→偏振分束器2→a段→偏振分束器1→b點；

逆時針： 偏振分束器1→a段→偏振分束器2→壓電陶瓷→法拉第旋轉(zhuǎn)鏡→壓電陶瓷→偏振分束器2→延遲線圈→偏振分束器1→b點.

對兩光束無調(diào)制情況下等光程進行分析，如圖3所示為順時針傳播路徑示意圖，當(dāng)單振光從保偏光纖環(huán)形器傳出后，經(jīng)過45°熔接的b點后被分成快軸和慢軸兩個相互垂直方向的偏振光，通過p11邊的偏振光經(jīng)過500m的保偏延遲光纖后由偏振分束器2的p21端口傳入偏振分束器2，光束進入單模光纖后被法拉第旋轉(zhuǎn)鏡反射回來，此時偏振方向旋轉(zhuǎn)90°再次傳回偏振分束器2，此時原本平行于紙面的偏振方向變?yōu)榇怪奔埫娴姆较颍缓笠来谓?jīng)過p22、p12傳入偏振分束器1，如圖3所示.設(shè)光在b→偏振分束器1→p11→延遲光纖→p21→偏振分束器2路徑是由快軸傳播，那么在偏振分束器2→p22→p12→偏振分束器1→b路徑是通過慢軸傳播.壓電陶瓷到法拉第旋轉(zhuǎn)鏡段采用單模光纖沒有快慢軸之分，即來回光程相等.

同理可知，逆時針方向傳播的光，在b→偏振分束器1→p12→p22→偏振分束器2由慢軸傳播，在偏振分束器2→p21→延遲光纖→p11→偏振分束器1→b路徑是由快軸傳播.

因此無調(diào)制情況下順時針方向和逆時針方向的光程一致.當(dāng)給壓電陶瓷以電壓驅(qū)動，導(dǎo)致繞在其上的光纖產(chǎn)生周期伸縮，進而對光程差進行外調(diào)制.由于500m延遲光纖的作用，順時針和逆時針的光到達壓電陶瓷相位調(diào)制器的時間不同，因此兩束光將產(chǎn)生相應(yīng)的相位差.

對兩光束光偏振穩(wěn)定進行分析，法拉第旋轉(zhuǎn)鏡除了有反射功能，還有把偏振方向旋轉(zhuǎn)90°的功能，因此可以消除單芯光纖傳感路上偏振特性變化對干涉的影響[7]，分析如下：

設(shè)法拉第旋轉(zhuǎn)鏡(FRM)的瓊斯矩陣為：

(1)

設(shè)壓電陶瓷段光纖的瓊斯矩陣為：

(2)

則光從偏振分束器2端口傳出經(jīng)壓電陶瓷段光纖到法拉第旋轉(zhuǎn)鏡再原路返回再次經(jīng)過壓電陶瓷段光纖返回偏振分束器2的傳輸矩陣為：

(3)

由此可見，光來回經(jīng)過壓電陶瓷段單模光纖后，偏振特性不受單模光纖的影響.因此單模光纖段由于法拉第旋轉(zhuǎn)鏡的作用，偏振保持穩(wěn)定.結(jié)構(gòu)中使用的保偏光纖是一種偏振保持光纖，如果注入光纖的線偏振平行于雙折射軸，即使光纖被(輕微的)彎曲、擠壓、扭或暴露于磁場或電場中，經(jīng)光纖傳輸后，大部分光的偏振光仍將能保持平行于主軸.因此，整個鏈路都具有保持光偏振穩(wěn)定的特性.

2.2 全光纖傅里葉變換光譜原理

(4)

其中： 括號〈〉表示時間平均；A(t)·A*(t-τ)項與函數(shù)A(t)的自相關(guān)函數(shù)Γ(τ)成正比；時間延遲τ與幾何光程差ΔL有關(guān)，如式(5)所示：

ΔL=c·τ.

(5)

在信號處理結(jié)論中定義為：

(6)

于是，得到式(7)：

(7)

根據(jù)維納-欣欽(Winenr-Khinchin)定理[8]：

(8)

(9)

設(shè)繞在壓電陶瓷上的光纖被周期拉伸，相位變化為：

φ=φ0cos(ωt+φ),

其中φ0為相位調(diào)制器最大調(diào)制相位.

則順時針、逆時針兩次調(diào)制,導(dǎo)致光的相位Δφ(t)發(fā)生變化：

(11)

設(shè)Δφ(t)對應(yīng)的光纖延長為ΔL，則：

(12)

其中n為ΔL對應(yīng)的相位延遲周期數(shù).由式(5)和(12)可得到：

λ=τ0c,

(13)

其中τ0為引起相鄰的兩個干涉峰(n=1)的時間延遲，c為真空中的光速.根據(jù)圖4壓電陶瓷的幅度可推導(dǎo)處調(diào)制引起的光程差，由光程差推出時間延遲τ0，最后可由式(13)推導(dǎo)出待測光源中心波長.

當(dāng)Δφ=2π·n時(n為整數(shù))：

(14)

3 實驗及分析

實驗中待測光源為SLD光源，壓電陶瓷所加調(diào)制信號為2.9V、18.36kHz(共振頻率)的正弦信號，可使干涉工作在線性調(diào)制區(qū)域.通過利用已知中心波長的光源進行干涉，獲取干涉條紋的極值間距，可估算出壓電陶瓷在2.9V、18.36kHz正弦信號條件下調(diào)制特性曲線，仿真圖如圖4所示，壓電陶瓷調(diào)制信號的自變量為時間t，因變量為調(diào)制引起的時間延遲τ.

圖4 對壓電陶瓷PZT加載2.9V、18.36kHz正弦波信號時仿真圖Fig.4 Simulation of PZT loaded with 2.9V, 18.36kHz sine wave signal

利用示波器采集光電探測器信號，獲取到干涉信號.再把計算機與示波器通信，利用MATLAB數(shù)據(jù)處理獲得極大值.干涉信號及極大值如圖5所示.對干涉信號包絡(luò)進行快速傅里葉變換得到光譜如圖6所示，中心波長1556.10nm，半高寬為33.15nm.

為了消除光電探測器中噪聲對極大值的影響，采用多次采樣作平均的方法獲得穩(wěn)定的干涉包絡(luò)曲線.本文還分別采用了3次、10次、40次平均計算光譜.獲得半高寬結(jié)果分別為34.42nm、34.42nm、34.50nm；獲得中心波長分別為1556.09nm、1556.09nm、1556.10nm.圖7所示為40次采樣所得極大值數(shù)據(jù)及其平均值的曲線.

圖7 40次干涉條紋及極大值平均Fig.7 Mean of 40 times interference fringes and maximum

為了評判此方法的精準性與可靠性，對干涉條紋直接傅里葉變換，獲得光譜半高寬為33.845nm,中心波長為1555.66nm.利用Yokogawa AQ6370C 光譜分析儀測得光譜中心波長1556.2326nm，半高寬為34.2346nm.傅里葉變換光譜圖及光譜儀光譜圖如圖8所示.本系統(tǒng)測量的半高寬與光譜儀測量相對誤差0.78%，中心波長絕對誤差0.1376nm.由此可見，利用該系統(tǒng)能測得穩(wěn)定、精確的光譜.

圖8 40次包絡(luò)平均傅里葉變換光譜與光譜儀光譜Fig.8 Mean of 40 times envelopes Fourier transform spectra and spectrometer spectra

4 結(jié) 論

本文提出一種基于保偏光纖干涉結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定光譜測量技術(shù)，該結(jié)構(gòu)利用法拉第旋轉(zhuǎn)鏡及偏振分束器構(gòu)成的反射式干涉環(huán)路.相比傳統(tǒng)干涉儀該干涉系統(tǒng)具有偏振保持、干涉穩(wěn)定、干涉效率高的特點.利用本系統(tǒng)測試了SLD光源的光譜，與光譜儀測量光譜線型一致.測量半高寬的相對誤差0.78%，中心波長絕對誤差0.1326nm.

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AStableSpectrumMeasurementMethodBasedonPolarization-MaintainingFiberInterferometer

SONGQiuheng1,JIABo1,ZHOUPengwei1,CHENYongchao1,AIXin2,XIAOQian1

(1.DepartmentofMaterialsScience,FudanUniversity,Shanghai200433,China;2.ShanghaiFudanIntelligentMonitoringCompleteEquipmentCoLtd,Shanghai201906,China)

In this paper, a polarization-maintaining fiber interference structure based on polarization-maintaining fiber, Faraday rotation mirror(FRM), polarization beam splitter(PBS) and polarization-maintaining ring is proposed.The piezoelectric ceramic phase modulator is used in the structure to make the interference work in the optical path linear modulation region to reduce the error caused by the nonlinear optical path modulation of the piezoelectric ceramics.The combination of FRM, polarization-maintaining fiber and polarization-maintaining device ensures the polarization stability of the transmitted light, eliminates the influence of the polarization fading effect, and ensures stable spectral measurement results.The results of SLD (super luminescent diode) were measured and the results were consistent with those obtained by the spectrometer. The results show that the system can measure the stability of the spectrum. The system can be used to provide spectral analysis of commonly used light sources (such as diode lasers, LED and semiconductor lasers, etc.) for fiber optic sensors and communications applications.

polarization-maintaining fiber;Fourier transform spectrum;stable interferometer;polarization beam splitter; Faraday rotator mirror

0427-7104(2017)06-0719-06

2017-03-27

國家重大科學(xué)儀器設(shè)備開發(fā)專項項目(2012YQ150213、2014YQ09070903)；上海市科委優(yōu)秀學(xué)術(shù)帶頭人項目(15XD1500100)；上海市科委項目(14DZ2281200、17DZ2280600)

宋秋衡(1990—)，男，碩士研究生；肖 倩，女，副研究員，通信聯(lián)系人，E-mail： xiaoqian@fudan.edu.cn.

O433.1

A