LiNbO3光学芯片偏振特性的分布式测量与分析

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LiNbO3集成光学芯片是部分光纤传感器中不可或缺的器件之一,主要应用于光纤电流传感器和干涉式光纤陀螺系统中。LiNbO3集成光学芯片的偏振性能是评估其性能的重要指标,它的偏振性能的优劣直接影响了光纤传感系统的准确性和精度。LiNbO3集成光学芯片的偏振性能主要用芯片消光比、芯片内部偏振串扰、尾纤与芯片之间耦合点的偏振串扰及芯片和尾纤的双折射大小这几个方面来评估。传统的基于强度型的测试方法较为简单,只能对LiNbO3集成光学芯片整体偏振性能进行检测和评估,测量结果不仅包括芯片本身的消光比,还包括所用测试器件的消光比、芯片尾纤的偏振串扰以及芯片内部的各种偏振串扰,难以单独对芯片的偏振特性以及内部是否有缺陷点进行精确测量,且易受外部因素的影响,如光源的稳定性、光路的同轴性及准直性等,同时由于一些器件本身的精度限制,对高消光比的芯片测试就有一定的局限性。因此,迫切地需要对集成光学芯片的偏振特性进行精确的评估及测量。本文利用无鬼峰分布式偏振串扰分析仪,针对现有的LiNbO3集成光学芯片偏振性能测试的局限性,对LiNbO3集成光学芯片偏振性能测量方法进行了研究并分析,主要研究内容如下:首先从白光干涉原理入手,对白光干涉的信号组成、相干长度的概念进行了介绍,对白光干涉的信号分析进行了理论推导,并借助于白光干涉理论的相关知识,对无鬼峰分布式偏振串扰分析仪的测试原理进行了详细说明,着重介绍了其消鬼峰原理及有无消鬼峰装置对干涉信号的影响;其次说明了为什么要测试LiNbO3光学芯片的偏振特性,以及它的偏振特性的优劣在应用上的重要性;分析了在光纤电流传感器和光纤陀螺中偏振串扰误差对其精度的影响,主要从光纤电流传感器和光纤陀螺的原理,引起偏振串扰误差的原因,以及集成光学芯片在其中的作用这三个方面进行阐述;再构建了LiNbO3光学芯片的测试光路,并且将芯片内部的缺陷点纳入理论分析中,结合测量仪器的原理,对其进行了详细的理论推导。首先用琼斯矩阵进行理论推导、其次用图像法更加形象地表示,分别对LiNbO3集成光学芯片进行理论分析,并且对两种理论分析法进行了交叉验证;然后对LiNbO3集成光学芯片进行了分布式测量与实验结果分析。根据所构建的理论模型,对集成光学芯片进行了测试,并对其测试结果进行分析,实验结果与理论推导结论一致,验证了提出的测试芯片内部缺陷情况的假设。为简化读取数据步骤,用matlab编写了自动找寻数据的程序,且能与人工读取对应;最后利用与LiNbO3集成光学芯片(Y波导)偏振特性相似的单偏振光纤,模拟出已知缺陷点并进行测试,进一步验证了测试的Y波导结果的合理性;实验结果证明:利用无鬼峰分布式偏振串扰分析仪测试系统,可以实现对两种LiNbO3光学芯片直波导和Y波导的偏振特性的分布式测量。根据测量结果,可通过积分计算得到芯片整体的消光比、直接读取尾纤与波导的连接点串扰大小,且能够检测出其内部是否有缺陷点以及缺陷点的位置及大小。本文为筛选和检验LiNbO3集成光学芯片的质量提供了更可靠的方法,并且在LiNbO3集成光学芯片的制作工艺上的提升有着重要意义。
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