超高灵敏度偏振耦合测量技术与Y波导测试方法研究

摘要

作为白光干涉技术典型应用，光学相干域偏振测量仪已经成为分布式偏振串扰评估的重要工具。光学相干域偏振测量方案以其具有大的动态范围、高的探测灵敏度、较长的测量器件距离等优势，在保偏光纤制造、集成光学器件测试、分布式传感等领域得到了普遍的应用。特别是在光纤陀螺快速发展的今天，对于陀螺中核心器件的偏振性能评价、生产工艺改进等方面，光学相干域偏振测量技术发挥着越来越重要的作用。
　　课题组前期在白光干涉和光纤智能结构领域已经有了一定的积累，本论文对偏振耦合分析方法、偏振测量系统性能提升、典型器件偏振测量应用等方面，开展了进一步的研究：理论分析了偏振光在双折射器件中的传输行为，提出了用于简化耦合路径分析的光程追踪法；从白光干涉仪的噪声角度出发，对现有测试系统进行结构改进，提升了测量的动态范围；利用直观的光程追踪法，深入研究了保偏光纤保偏光纤中多点耦合问题；从抑制机械波动角度出发，提出了用于光程扫描扩展的差分延迟线结构；将上述理论分析、结构改进进行了实际应用，提出了用于测试Y波导的双通道测试方案。简单概述如下：
　　（1）提出了一种简化偏振光传输的分析方法——光程追踪法。深入分析了偏振耦合现象，抽象出偏振光在双折射器件中传输行为，提出了基于图解法和枚举法的光程追踪法。
　　（2）首次提出了动态范围大于100 dB的偏振模式耦合测量系统。详细分析对检测灵敏度产生影响的固有噪声，克服了干涉拍噪声的限制；通过理论和实验，证明了该方案可以消除干扰拍频噪声、同时增强干涉信号的测试强度，显著提高系统的动态范围。
　　（3）提出了对于含有多个缺陷点的保偏光纤检测中伪干涉峰的鉴别方案。将光程追踪法进行扩展应用，提出了多耦合点的偏振耦合通用公式；发现了保偏光纤中高阶干涉强度在不同条件下增强和抑制的条件；验证了可以通过简单的四次测量，就将代表真实耦合点干涉峰和伪干涉峰鉴别开来。
　　（4）首次提出了可以用于提高光学相干偏振域测试精度和测量长度的差分式扫描延迟线。从对称结构和自聚焦透镜对之间的耦合出发，提出了延迟线结构模型；分析了由于光学延迟线不理想对偏振耦合信号的影响，对比了差分单一透镜结构和差分扫描结构对于扫描延迟线的波动影响。
　　（5）提出了针对Y波导的双通道偏振串扰测试方案。一种是将Y波导作为干涉仪的一部分，直接参与到解调干涉仪当中；另一种是带有自校准的双通道高精度光学相干域偏振测量系统；对Y波导双分支的特性——芯片消光比、输出耦合点偏振串音、分光比、芯片双折射的温度系数变化等参数，进行了静态和动态特性的测量。

目录

声明

第1章 绪论

1.1 研究背景

1.2 偏振耦合测试及其发展

1.3 本文研究工作

第2章 典型偏振器件与偏振耦合

2.1 典型元件的偏振特性

2.2 偏振耦合测量技术

2.3 光程追踪法

2.4 本章小结

第3章 多耦合点的偏振特性分析

3.1 多耦合点模型与分析

3.2 光程追踪法应用

3.3 多耦合点实验研究

3.4 伪干涉峰鉴别方法

3.5 本章小结

第4章 偏振耦合测试系统的灵敏度研究

4.1 白光干涉测量噪声

4.2 基于PBS的偏振耦合实验研究

4.3 高芯片消光比Y波导应用研究

4.4 本章小结

第5章 偏振耦合测试系统的测量精度研究

5.1 光纤陀螺环检测方案

5.2 扫描延迟线的差分扫描方案

5.3 本章小结

第6章 Y波导偏振特性的双通道测量方法研究

6.1 Y波导偏振特性测试瓶颈

6.2 一种简单的双通道测量方案

6.3 改进的Y波导双通道测量系统

6.4 本章小结

结论

参考文献

攻读博士学位期间发表的论文和取得的科研成果

致谢