摘要 以光子晶體光纖環為研究對象，利用白光干涉儀測試了不同溫度下保偏光子晶體光纖環和普通保偏光纖環內部的偏振交叉耦合強度分布，分析了光纖環中固定耦合點不同溫度下的偏振耦合強度變化。結果表明，在 -40 ℃~50 ℃的溫度條件下，保偏光子晶體光纖環偏振耦合強度最大變化率為0.97%；普通保偏光纖環偏振耦合強度的變化率為4.71%，約為保偏光子晶體光纖環的5倍。實驗研究證明，光子晶體光纖環的偏振交叉耦合強度溫度穩定性高于普通保偏光纖環的偏振交叉耦合強度的溫度穩定性。

關鍵詞 相干光學；溫度特性；白光干涉法；偏振耦合強度；光子晶體光纖環

 1 引 言

近年來，由于光子晶體光纖（PCF）具有高雙折射、溫度穩定性好、抗輻射能力強等諸多優于傳統光纖的優點，其在光纖傳感領域尤其是光纖陀螺上的應用已經逐步成為研究熱點，并引起了國內外眾多研究機構的高度重視。

偏振誤差是陀螺中主要的非互易相位誤差，光纖環中的偏振交叉耦合情況是引起偏振誤差的因素之一，其穩定性影響陀螺的精度和長期穩定性。近幾年，各研究單位分別對保偏光纖環偏振耦合強度的溫度穩定性、雙折射色散對偏振耦合強度的影響

等進行了研究。在光子晶體光纖方面，北京航空航天大學的Ma等測試了全溫條件下雙折射的溫度特性。目前，對于光子晶體光纖環內偏振交叉耦合強度的溫度穩定

性研究尚未見報道。

本文利用白光干涉儀（OCDP）對采用四極對稱繞法繞制的光子晶體光纖環和普通保偏光纖環在不同溫度下的偏振交叉耦合分布進行了實驗研究。

2 測量原理

基于白光干涉儀的白光干涉法（一種光學相干域的偏振測試技術）可實現光纖環對稱性的分析、光纖環內部偏振交叉耦合的分布測量[。白光干涉儀(OCDP)采用白光干涉原理，其系統結構如圖1所示。

OCDP一般由傳感干涉儀和參考干涉儀串聯組成，在其內部, 傳感干涉儀的光程差被參考干涉儀補償，來自傳感干涉儀互不干涉的光信號，經參考干涉儀中的檢偏器檢偏、移動動反射鏡補償相位后，變為干涉光產生干涉。

光線在測試系統中的傳輸原理如圖 2所示。光源發出的非偏振光經起偏器起偏進入待測保偏光纖（PMF）環中，其中調節起偏器透光光軸方向與保偏光纖快軸方向一致。若光纖環中存在一個耦合點，光束在測試系統中傳輸，線偏振光在耦合點處會有一部分能量耦合進入與其正交的偏振態上去，變成相互正交的兩種線偏振光，記為X0、Y0。由于保偏光纖快慢軸折射率不同，經待測光纖環后輸出兩互相正交的線偏振光，且兩線偏振光的光程差為DZi。兩線偏光經過透光軸與相互正交的兩束線偏振光的偏振方向的夾角均為45°的檢偏器，變成偏振方向相同的兩束線偏光，記為X、Y。

經過分光棱鏡（PBS）后，線偏光X、Y均被分成兩束線偏光。由于兩束線偏光傳輸路徑不同，線偏光X1和X（2 Y1和Y2）會產生光程差DZa。通過調節動反射鏡的位置，可改變DZa的大小。由于白光干涉儀采用寬譜光源，相干長度僅在幾十微米左右，在光纖中積累的雙折射DZi將遠大于相干長度，兩波列不發生干涉。干涉儀的動反射壁進行掃描，當DZa=DZi時，補償光程差DZi，X2與Y1發生干涉產生干涉條紋。

干涉條紋如圖3所示，若耦合點包絡峰值和主極大峰值的光強分別記為Icoupling和Imain，則偏振耦合強度h可表示為

白光干涉儀的探測器（PD）探測到干涉信號后，經信號處理部分處理得到偏振耦合點的偏振交叉耦合強度。光纖環內部存在很多偏振交叉耦合點，通過移動白光干涉儀的動反射鏡，可依次找出光纖環內部的偏振交叉耦合點，得到光纖環的偏振耦合強度分布。

3 實驗研究

實驗中所用光源為超輻射發光二極管（SLD）。為了與普通保偏光纖環的偏振交叉耦合強度的溫度穩定性進行對比，所用光纖環為長度均為540 m左右的保偏光子晶體光纖環和普通保偏光纖環，保偏光子晶體光纖和普通保偏光纖的波長均為1550 nm。光纖環制作工藝相同，即：1）四極對稱繞法繞制；2）繞環所用張力相同；3）繞制層數相同；4）填充和固化工藝相同。為了消除結構件的熱脹冷縮造成的光纖環內部應力變化對偏振耦合強度的影響，將光纖環全脫骨架后在不同溫度下進行測量。

由于光子晶體光纖受雙折射色散影響較大，雙折射色散會引起耦合點干涉包絡的展寬，且展寬程度隨著光纖長度累積。為降低雙折射色散對光子晶體光纖環偏振耦合強度的影響，實驗時對光子晶體光纖環進行了正反兩次測量，取兩次測量結果的前半段的實驗數據進行分析。而普通保偏光纖環受雙折射色散影響很小，可忽略不計。

將圖1中的待測光纖環放入溫箱中。實驗溫度設置為-40 ℃，-10 ℃，20 ℃，50 ℃，每個溫度點保溫30 min，保證光纖環內部溫度均勻。最后，每個溫度點保溫結束后采用OCDP測量一組光纖環的偏振交叉耦合強度分布。

4 實驗結果分析

圖4給出了常溫（20 ℃）時光子晶體光纖環的偏振耦合強度分布。由于偏振交叉耦合點較多，僅選取如圖4所示的4個耦合點，4個耦合點均為繞環的換層點，其偏振耦合強度較強且兩組耦合點關于光纖中點基

本對稱。由圖4可見，由于雙折射色散的影響，光子晶體光纖環正向測量和反向測量中實驗數據的后半段無法區分相鄰的耦合點，從正向測量數據的前半段選取耦合點A1、A2，從反向測量的數據的前半段選取耦合點B1、B2。其中，A1與B1、A2與B2基本關于光纖環的中點對稱。

以光纖環長度的中點O為參考點，A1、B1、A2、B2距O點的光纖長度分別為154.96、155.17、33.04、32.97 m。光子晶體光纖環選取的4個耦合點位置分別標注在圖4(a)和圖4(b)中。圖5給出了常溫（20 ℃）時普通保偏光纖環的偏振耦合強度分布。由于偏振交叉耦合點較多，僅標注與圖4位置相同的4個耦合點，其測量結果如圖5所示。

表1和表2給出了光子晶體光纖環和普通保偏光纖環中4個耦合點在-40 ℃、-10 ℃、20 ℃、50 ℃時的耦合強度大小，表中T為溫度，單位為℃；hx為x點的偏振耦合強度，單位為dB。

從表1和表2可以看出，光子晶體光纖環的偏振交叉耦合強度比普通保偏光纖環的偏振交叉耦合強度小，說明光子晶體光纖的偏振交叉耦合受繞環工藝的影響較小。

光子晶體光纖環和普通保偏光纖環的 4個耦合點偏振交叉耦合強度隨溫度的變化曲線，如圖 6所示。由圖6可知，隨著溫度的升高，光子晶體光纖環和普通保偏光纖環各個耦合點的偏振耦合強度都呈減小趨勢。但是溫度從 -40 ℃上升到50 ℃的過程中，光子晶體光纖環偏振耦合強度變化平緩，且各耦合點變化趨勢基本相同；而普通保偏光纖環偏振耦合強度變化相對劇烈，變化趨勢相對光子晶體光纖環不太穩定。針對測試數據，可以計算兩光纖環的不同耦合點從-40 ℃~50 ℃時耦合強度的變化量Dh及變化率h，計算值見表3、表4 Δh 與 η 的關系工可表示為。

式中 Δh = hmax - hmin 。

由表3、表4可知，光子晶體光纖環中各耦合點偏振耦合強度最大減小值為1.2 dB，最大減小率為0.97%；

而普通保偏光纖環偏振耦合強度有較大程度的下降，最大達到了4.95 dB，最大減小率達到了4.71%。普通保

偏光纖環偏振耦合強度的變化量是光子晶體光纖環偏振耦合強度變化量的4.125倍，而變化率是光子晶體

光纖環的4.86倍。因此，光子晶體光纖環的偏振交叉耦合強度溫度穩定性高于普通保偏光纖環的偏振交叉

耦合強度的溫度穩定性。

5 結 論

對光子晶體光纖環內偏振耦合強度的溫度穩定性進行了研究，并與普通保偏光纖環進行了對比。通過對光纖環內部的偏振交叉耦合強度分布的溫度穩定性的研究可知，光子晶體光纖環較普通保偏光纖環的偏振耦合強度分布具有更好的溫度穩定性。因此，光纖陀螺使用光子晶體光纖環相對使用普通保偏光纖環可以降低陀螺的偏振誤差，提高光纖陀螺的測量精度。