[发明专利]一种光纤偏振态的可视化动态检测方法及装置

说明书

技术领域

本发明涉及光纤技术和偏振检测领域，进一步是涉及一种利用矢量偏振光场和数字图像处理技术实现光纤偏振态可视化动态检测的方法与装置。

背景技术

光纤作为一种圆柱形介质光波导，在光通信与传感领域具有重要应用。然而由于光纤拉制不完善、使用时易受外界因素(应力、温度变化等)的影响，光纤中的偏振态会发生随机改变，进而增加通信误码率或降低传感精度，甚至导致系统不能正常工作。在光纤通信领域，光纤中的偏振效应(如偏振模色散、偏振相关调制及损耗等)会限制系统的传输速率和传输距离；在光纤传感领域，外界因素随机变化会导致偏振衰落，进而影响相干检测系统的性能。此外，对光纤中的偏振态进行动态实时监测，不仅可以对通信系统的工作状态进行监控，提高光纤通信的保密程度；还可以用来制成光纤入侵检测传感器，通过检测光纤偏振态是否受到外界扰动，进而判断是否有侵扰行为发生。因此，快速准确地测量光纤中传输光波的偏振态，控制并补偿光纤中偏振态的变化，具有重要的应用价值与实际意义。

目前实现偏振检测的方法主要有时序型、空域型和干涉型三类。时序型检测系统通常是通过旋转光学元件(偏振片、玻片)或加入各种调制器件(电光、磁光、液晶等)改变偏振状态，并在不同时刻依次获取不同偏振状态下光强的偏振检测系统。这类系统因采用分时探测方式，实时性较差，且旋转光学元件存在非共轴误差，降低了系统的精度和稳定性。空域型检测是利用分束器件或采用多个子系统，在多个通道同时获取不同偏振状态下的输出光强，通过计算得到入射光波的Stokes(斯托克斯)分量，具体有分孔径(分波前)、分振幅和分焦平面阵列等多种形式。空域型偏振检测仪可实时获得多个偏振分量，数据处理相对简单，但会降低能量利用率并牺牲部分空间分辨率，且对各通道的空间配准要求高。干涉型偏振检测系统是利用分束器件，将光路分成调制有偏振信息的多路，然后汇聚于探测面并相干叠加，进而获取带有偏振信息的干涉图样，再利用计算机从干涉图中解算出待测光波的偏振信息。这类方案一般只适用于单波长的偏振检测系统，且从干涉图中提取偏振信息的运算量较大。

近年来广泛研究的光纤偏振态检测方法，基本都可归结为以上三类。时序型如2011年7月13日由延凤平等公布的中国发明专利(201010597611.0)“全自动光纤偏振特性分析系统”，采用磁光调制器件实现光波偏振态的自动调整，避免了机械旋转导致的非共轴误差，但磁光器件对波长、温度等敏感，且易受外界电磁场的干扰影响。空域型如2010年3月17日由谢尚然等公布的中国发明专利(200910092602.3)“一种光偏振检测仪”，利用分束器以分振幅方式实现了多个通道偏振信息的同时检测，但分束器分成三个通道的能量分光比是波长相关的，即波长不同时系统的标校参数不同，影响了检测的灵活性和适应性。干涉型如2012年1月18日由肖倩等公布的中国发明专利(201110226648.7)“监测光纤偏振变化的方法与光路系统”，通过构建光纤干涉光路来监测光纤偏振的变化，该方案显然也只适用于单波长或窄线宽光波的偏振检测。

发明内容

本发明的目的在于，提供一种新的光纤偏振态可视化动态检测装置，还相应提供一种基于矢量偏振光场和数字图像处理技术的光纤偏振态可视化动态检测方法。采用该方法实现的光纤偏振检测系统对光源波长和功率变化的敏感性低，检测精度高、速度快，检测结果直观、可动态显示，且无任何机械运动部件。

本发明所采用的第一种技术方案为：一种光纤偏振态的可视化动态检测装置，包括：光纤偏振态发生及控制单元、偏振态可视化单元、偏振图像采集及计算单元，光纤偏振态发生及控制单元产生并输出不同偏振态的待测光波；偏振态可视化单元将入射偏振光转换为光强呈楔形亮暗分布的偏振图像；偏振图像采集及计算单元将偏振图像采集进计算机并经专业软件分析解算，得到待测线偏振光的方向和偏振度。

所述光纤偏振态发生及控制单元包括；光源、光纤起偏器、偏振控制器、待测光纤、光纤准直器。所述光纤起偏器将光源发出的光转换为线偏振光，所述偏振控制器用于改变线偏振光的方向，所述待测光纤用于传输待测线偏振光并敏感外界参量变化，所述光纤准直器将入射偏振光扩束后准直输出，便于后续偏振态可视化单元的计算及分析。