一种基于保偏光纤干涉结构的稳定光谱测量方法

宋秋衡，贾 波，周鹏威，陈永超，艾 鑫，肖 倩

(1.复旦大学 材料科学系，上海 200433；2.上海复旦智能监控成套设备有限公司，上海 201906)

一种基于保偏光纤干涉结构的稳定光谱测量方法

宋秋衡1，贾 波1，周鹏威1，陈永超1，艾 鑫2，肖 倩1

(1.复旦大学 材料科学系，上海 200433；2.上海复旦智能监控成套设备有限公司，上海 201906)

本文提出一种用于光谱测量的保偏光纤干涉结构.该结构基于保偏光纤、法拉第旋转镜、偏振分束器和保偏光环形器等光纤器件的.结构中采用的压电陶瓷光纤相位调制器,使干涉工作在光程线性调制区域,以减小压电陶瓷非线性光程调制产生的误差.结构中的法拉第旋转镜、保偏光纤及保偏光器件的结合使用保证了传输光的偏振稳定性,消除偏振衰落效应的影响,保证了稳定的光谱测量结果.实验测试了SLD光谱,测得结果和光谱仪测得结果一致,结果表明该系统测量光谱的稳定性.该系统可用于提供光纤传感器和通信应用中常用光源(如二极管激光器、LED和半导体激光器等)的光谱分析.

保偏光纤； 傅里叶变换光谱； 稳定干涉仪； 偏振分束器； 法拉第旋转镜

傅里叶变换光谱(Fourier Transform Spectrometer, FTS)是一种强大的技术，广泛用于分析复杂、极弱的光谱，特别是在红外区域.因此，该技术已广泛应用于分子红外光谱学领域[1].FTS的研究始于1881年Michelson发明干涉仪[2].光谱信息通过计算迈克尔逊干涉仪产生的干涉条纹的傅里叶变换来获得.与传统的光谱仪相比，FTS具有高灵敏度、高分辨率、宽光谱范围、多重传输、波数精度高、杂放光低等优点.全光纤傅里叶变换光谱仪(Fiber Fourier Transform Spectrometer, FFTS)以单模光纤和光纤耦合器分别代替传统光路和分束镜,利用光纤相位调制器进行相位调制.与传统傅里叶变换光谱仪相比，FFTS具有体积小、无运动部件、抗电磁干扰、耐高温和耐化学腐蚀等优点.

传统FFTS采用的是低双折射单模光纤，由于双折射效应，外界扰动、温度、光纤自身缺陷等因素影响对干涉仪两臂的偏振产生影响，导致输出干涉信号的可见度随机变化.极端情况下当两臂偏振态正交时，干涉仪的输出干涉信号为零.偏振诱导信号衰落效应成为影响FFTS性能的一个关键问题.国内外也提出多种消除偏振诱导信号衰落的方法，多篇文献提出利用偏振控制器控制干涉仪两臂传输光偏振态，以消除偏振衰落效应影响[3-6].

本文提出一种基于保偏光纤、法拉第旋转镜(Faraday Rotator Mirror, FRM)、偏振分束器(Polarization Beam Splitter, PBS)、压电陶瓷锆钛酸铅(PZT)和保偏光环形器的保偏光纤干涉仪来获得干涉条纹.相比传统干涉仪具有偏振保持、干涉稳定、干涉效率高的特点.整个测试系统结构简单，稳定抗干扰，具有明显的应用价值.该系统可用于提供光纤传感器和通信应用中常用光源的光谱分析，如二极管激光器，发光二极管(Light Emitting Diode, LED)和超辐射激光器(Super Luminescent Diode, SLD)等.

1 系统结构

本文提出的保偏光纤干涉仪结构如图1所示，利用两个偏振分束器以及一个法拉第旋转镜构成环路，偏振分束器1把偏振光分成在环路上顺、逆时针方向传播的两束光，在偏振分束器1处再次汇合.通过b点后发生干涉，干涉效率达到100%.通过偏振器把快轴(或慢轴)的信号提取出来，传入光电探测器转换成电信号.用示波器采集信号，传入计算机进行傅里叶变换处理.其中： 保偏光纤线圈长度500m；b为保偏光纤环形器单边端与偏振分束器1的单边端光纤快轴(或慢轴)之间夹角45°熔接点.结构中除压电陶瓷段使用单模光纤外，其他地方均使用保偏光纤及保偏光器件.

图1 保偏光纤干涉系统Fig.1 Polarization-maintaining fiber interference system

2 原理分析

2.1 保偏光纤干涉结构原理

图1中偏振分束器1把一束光分成两束偏振方向互相垂直的光，设一个方向平行于纸面，则另一个方向垂直于纸面，如图2所示.两束光分别按顺时针和逆时针方向传入偏振分束器2.偏振分束器1，偏振分束器2，压电陶瓷段单模光纤以及法拉第旋转镜把光路分成顺时针、逆时针具体路径如下：

顺时针： 偏振分束器1→延迟线圈→偏振分束器2→压电陶瓷→法拉第旋转镜→压电陶瓷→偏振分束器2→a段→偏振分束器1→b点；

逆时针： 偏振分束器1→a段→偏振分束器2→压电陶瓷→法拉第旋转镜→压电陶瓷→偏振分束器2→延迟线圈→偏振分束器1→b点.

对两光束无调制情况下等光程进行分析，如图3所示为顺时针传播路径示意图，当单振光从保偏光纤环形器传出后，经过45°熔接的b点后被分成快轴和慢轴两个相互垂直方向的偏振光，通过p11边的偏振光经过500m的保偏延迟光纤后由偏振分束器2的p21端口传入偏振分束器2，光束进入单模光纤后被法拉第旋转镜反射回来，此时偏振方向旋转90°再次传回偏振分束器2，此时原本平行于纸面的偏振方向变为垂直纸面的方向，然后依次经过p22、p12传入偏振分束器1，如图3所示.设光在b→偏振分束器1→p11→延迟光纤→p21→偏振分束器2路径是由快轴传播，那么在偏振分束器2→p22→p12→偏振分束器1→b路径是通过慢轴传播.压电陶瓷到法拉第旋转镜段采用单模光纤没有快慢轴之分，即来回光程相等.

同理可知，逆时针方向传播的光，在b→偏振分束器1→p12→p22→偏振分束器2由慢轴传播，在偏振分束器2→p21→延迟光纤→p11→偏振分束器1→b路径是由快轴传播.

因此无调制情况下顺时针方向和逆时针方向的光程一致.当给压电陶瓷以电压驱动，导致绕在其上的光纤产生周期伸缩，进而对光程差进行外调制.由于500m延迟光纤的作用，顺时针和逆时针的光到达压电陶瓷相位调制器的时间不同，因此两束光将产生相应的相位差.

对两光束光偏振稳定进行分析，法拉第旋转镜除了有反射功能，还有把偏振方向旋转90°的功能，因此可以消除单芯光纤传感路上偏振特性变化对干涉的影响[7]，分析如下：

设法拉第旋转镜(FRM)的琼斯矩阵为：

(1)

设压电陶瓷段光纤的琼斯矩阵为：

(2)

则光从偏振分束器2端口传出经压电陶瓷段光纤到法拉第旋转镜再原路返回再次经过压电陶瓷段光纤返回偏振分束器2的传输矩阵为：

(3)

由此可见，光来回经过压电陶瓷段单模光纤后，偏振特性不受单模光纤的影响.因此单模光纤段由于法拉第旋转镜的作用，偏振保持稳定.结构中使用的保偏光纤是一种偏振保持光纤，如果注入光纤的线偏振平行于双折射轴，即使光纤被(轻微的)弯曲、挤压、扭或暴露于磁场或电场中，经光纤传输后，大部分光的偏振光仍将能保持平行于主轴.因此，整个链路都具有保持光偏振稳定的特性.

2.2 全光纤傅里叶变换光谱原理

(4)

其中： 括号〈〉表示时间平均；A(t)·A*(t-τ)项与函数A(t)的自相关函数Γ(τ)成正比；时间延迟τ与几何光程差ΔL有关，如式(5)所示：

ΔL=c·τ.

(5)

在信号处理结论中定义为：

(6)

于是，得到式(7)：

(7)

根据维纳-欣钦(Winenr-Khinchin)定理[8]：

(8)

(9)

设绕在压电陶瓷上的光纤被周期拉伸，相位变化为：

φ=φ0cos(ωt+φ),

其中φ0为相位调制器最大调制相位.

则顺时针、逆时针两次调制,导致光的相位Δφ(t)发生变化：

(11)

设Δφ(t)对应的光纤延长为ΔL，则：

(12)

其中n为ΔL对应的相位延迟周期数.由式(5)和(12)可得到：

λ=τ0c,

(13)

其中τ0为引起相邻的两个干涉峰(n=1)的时间延迟，c为真空中的光速.根据图4压电陶瓷的幅度可推导处调制引起的光程差，由光程差推出时间延迟τ0，最后可由式(13)推导出待测光源中心波长.

当Δφ=2π·n时(n为整数)：

(14)

3 实验及分析

实验中待测光源为SLD光源，压电陶瓷所加调制信号为2.9V、18.36kHz(共振频率)的正弦信号，可使干涉工作在线性调制区域.通过利用已知中心波长的光源进行干涉，获取干涉条纹的极值间距，可估算出压电陶瓷在2.9V、18.36kHz正弦信号条件下调制特性曲线，仿真图如图4所示，压电陶瓷调制信号的自变量为时间t，因变量为调制引起的时间延迟τ.

图4 对压电陶瓷PZT加载2.9V、18.36kHz正弦波信号时仿真图Fig.4 Simulation of PZT loaded with 2.9V, 18.36kHz sine wave signal

利用示波器采集光电探测器信号，获取到干涉信号.再把计算机与示波器通信，利用MATLAB数据处理获得极大值.干涉信号及极大值如图5所示.对干涉信号包络进行快速傅里叶变换得到光谱如图6所示，中心波长1556.10nm，半高宽为33.15nm.

为了消除光电探测器中噪声对极大值的影响，采用多次采样作平均的方法获得稳定的干涉包络曲线.本文还分别采用了3次、10次、40次平均计算光谱.获得半高宽结果分别为34.42nm、34.42nm、34.50nm；获得中心波长分别为1556.09nm、1556.09nm、1556.10nm.图7所示为40次采样所得极大值数据及其平均值的曲线.

图7 40次干涉条纹及极大值平均Fig.7 Mean of 40 times interference fringes and maximum

为了评判此方法的精准性与可靠性，对干涉条纹直接傅里叶变换，获得光谱半高宽为33.845nm,中心波长为1555.66nm.利用Yokogawa AQ6370C 光谱分析仪测得光谱中心波长1556.2326nm，半高宽为34.2346nm.傅里叶变换光谱图及光谱仪光谱图如图8所示.本系统测量的半高宽与光谱仪测量相对误差0.78%，中心波长绝对误差0.1376nm.由此可见，利用该系统能测得稳定、精确的光谱.

图8 40次包络平均傅里叶变换光谱与光谱仪光谱Fig.8 Mean of 40 times envelopes Fourier transform spectra and spectrometer spectra

4 结 论

本文提出一种基于保偏光纤干涉结构的稳定光谱测量技术，该结构利用法拉第旋转镜及偏振分束器构成的反射式干涉环路.相比传统干涉仪该干涉系统具有偏振保持、干涉稳定、干涉效率高的特点.利用本系统测试了SLD光源的光谱，与光谱仪测量光谱线型一致.测量半高宽的相对误差0.78%，中心波长绝对误差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

国家重大科学仪器设备开发专项项目(2012YQ150213、2014YQ09070903)；上海市科委优秀学术带头人项目(15XD1500100)；上海市科委项目(14DZ2281200、17DZ2280600)

宋秋衡(1990—)，男，硕士研究生；肖 倩，女，副研究员，通信联系人，E-mail： xiaoqian@fudan.edu.cn.

O433.1

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