基于光譜的40 μm保偏光纖參數(shù)測量方法

王少華，何沛彤，陳 琳，衛(wèi) 煬，謝良平

(中國航空工業(yè)集團公司 西安飛行自動控制研究所，西安 710065)

0 引 言

保偏光纖是通過在光纖中人為引入較大的雙折射從而使其具有優(yōu)異的偏振保持能力，其在光纖傳感、光信息處理和光通信領(lǐng)域得到廣泛應用。拍長和雙折射溫度系數(shù)是保偏光纖的兩項重要參數(shù)，表征了保偏光纖的溫度性能，對其的準確測量具有重要意義[1-2]。針對拍長的測量，目前有磁光調(diào)制[3]、剪斷[4]、壓力調(diào)制[5]、偏光干涉[6]和白光測試法[7]等；針對雙折射溫度系數(shù)測量的報道較少，主要有光柵[8]、偏振串擾分析[9]、布里淵光時域測試[10]和Sagnac干涉測量法[11]，測試系統(tǒng)一般比較復雜。

受限于40 μm保偏光纖的器件和設(shè)備制作技術(shù)，很難通過在市場上直接購買商用光纖器件和設(shè)備搭建上述參數(shù)測試系統(tǒng)。本文提出通過在一根40 μm保偏光纖上制作基于熔融拉錐技術(shù)的晶體包裹型光纖偏振器，將光纖輸入端與高偏振度超輻射發(fā)光二極管(Superluminescent Diode，SLD)芯片進行45 °對軸耦合，光纖輸出端接入光譜儀，搭建了一套簡單的偏光干涉裝置，從理論上分析了保偏光纖拍長和雙折射溫度系數(shù)的測量原理，并組織實驗，通過調(diào)制光譜周期與保偏光纖長度的關(guān)系實現(xiàn)了拍長測量，通過調(diào)制光譜平移量與溫度的關(guān)系實現(xiàn)了雙折射溫度系數(shù)的測量，驗證了理論分析的正確性和方法的可行性。

1 測量原理

圖1所示為光譜測量裝置示意圖，其由高偏振度SLD芯片、晶體包裹型光纖偏振器、光譜儀、待測40 μm保偏光纖和溫控裝置組成。溫控裝置用于提供溫變環(huán)境，保偏光纖的起始端與高偏振度SLD芯片進行α角度對軸耦合，輸出端接入光譜儀，在保偏光纖中段的某區(qū)域進行熔融拉錐，使拉錐后的光纖最細處<10 μm，此時，拉伸區(qū)域的光波基本上不在纖芯中，而是在本身是多模波導的石英芯棒中，然后在錐區(qū)最細處采用定向溫度梯度法生長雙折射晶體[12]。假設(shè)雙折射晶體的o和e光折射率分別為n1和n2，石英芯棒的折射率為nk，且應滿足n1

圖1 40 μm保偏光纖參數(shù)測量裝置示意圖

假設(shè)高偏振度SLD芯片發(fā)出光的橫電模(Transverse Electromagnetic Mode，TE)和橫磁模(Transverse Magnetic Mode，TM)的光振幅分別為Ex和Ey，SLD與偏振器之間的光纖長度為L，偏振器消光系數(shù)為ε，保偏光纖中o和e光的折射率分別為no和ne，那么SLD光源中不同波長λ的光強可表示為

由于不同波長λ會對應不同的光程差2π(no-ne)L/λ，因此，光譜儀接收的光譜會發(fā)生周期性調(diào)制。為了獲得最大的光譜調(diào)制對比度，應使α=β=45 °，并采用高偏振度光源。

常溫下，假設(shè)中心波長附近的兩個相鄰波長λ1和λ2(λ2>λ1)處于峰值位置，那么它們應滿足：

式中，n為干涉級次。由式(2)和(3)可知：

假設(shè)未處于和處于溫變環(huán)境中的光纖長度分別為L1和L2，光纖總長度為L=L1+L2，當初始溫度為T1時，中心波長附近的波長λ1處于調(diào)制光譜的峰值位置，那么λ1應滿足：

當溫度升高到T2時，若溫度的變化量足夠小，滿足因溫度變化導致的調(diào)制光譜不會出現(xiàn)跨條紋平移，原調(diào)制光譜的峰值波長將由λ1平移到λ2，λ2滿足：

綜合式(5)和(6)，溫度為T2與溫度為T1時的(no-ne)的差值為

式中：k為峰值波長隨溫度的平移速率；K為雙折射溫度系數(shù)。因此，只要能獲得k，就可計算出K。

2 實驗研究

實驗中SLD芯片選用850 nm波段高偏振度光源芯片，30 mA正常驅(qū)動電流下其偏振度約為12 dB，中心波長為843 nm，雙折射晶體選用硝酸鈉(NaNO3)晶體，待測光纖為北京玻璃研究院提供的850 nm波段40 μm保偏光纖，光譜儀選用Agilent 86140B 型光譜分析儀，最小分辨率為0.01 nm。溫控裝置是一臺具有精確溫控功能的加熱臺，溫控精度為±0.2 ℃。

首先，在待測光纖的中段位置制作晶體包裹型光纖偏振器；然后，將光纖輸入端與SLD芯片進行45 °對軸耦合，光纖軸向通過高倍顯微鏡觀測光纖端面確定，耦合通過三維調(diào)節(jié)架實現(xiàn)；最后，將光纖輸出端接入光譜儀，旋轉(zhuǎn)與SLD芯片對接側(cè)的拉錐光纖角度，使調(diào)制光譜獲得最大對比度。

2.1 拍長測量

根據(jù)理論分析可知，SLD芯片與偏振器之間光纖長度的測量精度決定了拍長測試精度，由于制作偏振器時需要對光纖進行熔融拉伸，拉伸區(qū)的光纖雙折射會隨著拉伸直徑變小而逐漸變小，因此，不能直接測量制作好偏振器后晶體根部與SLD芯片之間的光纖長度，在實驗中，測量拉伸光纖在拉伸前的中點到SLD芯片之間的光纖長度作為有效長度。

為了提高拍長測試精度，實驗中通過改變SLD芯片與偏振器之間的光纖長度來獲得不同光纖長度與調(diào)制光譜周期之間的多組測試數(shù)據(jù)，由式(4)可知，調(diào)制光譜的周期與光纖長度的倒數(shù)呈線性關(guān)系，因此，可以先利用線性擬合獲得比例系數(shù)，再根據(jù)式(4)計算出拍長值來提高測量精度。表1所示為實測光纖長度與調(diào)制光譜周期數(shù)據(jù)，其中調(diào)制光譜周期取中心波長附近5個調(diào)制周期的平均值。

表1 光纖長度與調(diào)制光譜周期測試數(shù)據(jù)

圖2 調(diào)制光譜周期隨光纖長度倒數(shù)的變化關(guān)系曲線

2.2 雙折射溫度系數(shù)測量

實驗中SLD芯片與偏振器芯片之間的保偏光纖總長為193.0 cm，將中間40 cm的保偏光纖(即L2=40 cm)固定到加熱臺上，控制加熱臺從25 ℃開始以0.5 ℃/min的升溫速率加熱到75 ℃，每2 ℃記錄一次光譜數(shù)據(jù)，此條件下測量的調(diào)制光譜沒有發(fā)生跨條紋移動，圖3(a)所示為25和27 ℃下光譜儀記錄的調(diào)制光譜數(shù)據(jù)，圖3(b)所示為局部放大圖。25 ℃下的某級峰值波長A點(854.4 nm)平移至27 ℃下的B點(853.9 nm)，通過始終追蹤測量該峰值波長就可計算出波長隨溫度的平移速率。

圖3 25和27 ℃下調(diào)制光譜圖

圖4所示為上述峰值波長隨溫度變化的關(guān)系數(shù)據(jù)和線性擬合后的曲線。由圖可知，隨著溫度的逐漸升高，峰值波長近似線性地向左平移，線性擬合函數(shù)為y=-0.279 25x+861.4，斜率k=-0.279 nm/℃，代入式(8)可得雙折射溫度系數(shù)為-4.2×10-7/℃。

圖4 某峰值波長隨溫度變化的關(guān)系曲線

3 結(jié)束語

針對40 μm超細徑保偏光纖拍長和雙折射溫度系數(shù)存在測試裝置搭建困難和測量精度低的問題，本文提出了一種基于調(diào)制光譜的雙參數(shù)測量方法，通過在線制作偏振器和光源耦合，搭建出一套簡單的偏光干涉裝置；分別從理論分析和實驗組織兩個層面對測試方法進行了闡述和驗證。本文雖然是針對40 μm保偏光纖提出的測試方法，但同樣適用于其他更細直徑和商用的80 μm及以上直徑的保偏光纖參數(shù)測量，且測試裝置搭建將會更加簡單。