基于光譜的40 μm保偏光纖參數測量方法

王少華，何沛彤，陳 琳，衛 煬，謝良平

(中國航空工業集團公司 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異的偏振保持能力，其在光纖傳感、光信息處理和光通信領域得到廣泛應用。拍長和雙折射溫度系數是保偏光纖的兩項重要參數，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，目前有磁光調制[3]、剪斷[4]、壓力調制[5]、偏光干涉[6]和白光測試法[7]等；針對雙折射溫度系數測量的報道較少，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]，測試系統一般比較復雜。

受限于40 μm保偏光纖的器件和設備制作技術，很難通過在市場上直接購買商用光纖器件和設備搭建上述參數測試系統。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的測量原理，并組織實驗，通過調制光譜周期與保偏光纖長度的關系實現了拍長測量，通過調制光譜平移量與溫度的關系實現了雙折射溫度系數的測量，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域進行熔融拉錐，使拉錐后的光纖最細處<10 μm，此時，拉伸區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，然后在錐區最細處采用定向溫度梯度法生長雙折射晶體[12]。假設雙折射晶體的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保偏光纖參數測量裝置示意圖

假設高偏振度SLD芯片發出光的橫電模(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生周期性調制。為了獲得最大的光譜調制對比度，應使α=β=45 °，并采用高偏振度光源。

常溫下，假設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：

假設未處于和處于溫變環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制光譜不會出現跨條紋平移，原調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。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，耦合通過三維調節架實現；最后，將光纖輸出端接入光譜儀，旋轉與SLD芯片對接側的拉錐光纖角度，使調制光譜獲得最大對比度。

2.1 拍長測量

根據理論分析可知，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制光譜周期之間的多組測試數據，由式(4)可知，調制光譜的周期與光纖長度的倒數呈線性關系，因此，可以先利用線性擬合獲得比例系數，再根據式(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制光譜周期數據，其中調制光譜周期取中心波長附近5個調制周期的平均值。

表1 光纖長度與調制光譜周期測試數據

圖2 調制光譜周期隨光纖長度倒數的變化關系曲線

2.2 雙折射溫度系數測量

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 ℃記錄一次光譜數據，此條件下測量的調制光譜沒有發生跨條紋移動，圖3(a)所示為25和27 ℃下光譜儀記錄的調制光譜數據，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 ℃下調制光譜圖

圖4所示為上述峰值波長隨溫度變化的關系數據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為-4.2×10-7/℃。

圖4 某峰值波長隨溫度變化的關系曲線

3 結束語

針對40 μm超細徑保偏光纖拍長和雙折射溫度系數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制光譜的雙參數測量方法，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測量，且測試裝置搭建將會更加簡單。