撰稿 | 廣東工業(yè)大學(xué) 喻張俊 副教授（論文一作） &?楊軍 教授（通訊作者）

?01???導(dǎo)讀

偏振消光比（PER）是保偏光纖及其器件的重要性能指標(biāo)，反映了光纖與器件的偏振特性保持能力。在高精度光纖陀螺等對(duì)偏振純度要求極高的應(yīng)用場(chǎng)景中，多功能集成波導(dǎo)調(diào)制器（簡(jiǎn)稱Y波導(dǎo)）等器件的PER超過80dB，比普通光纖起偏器（PER一般不超過40dB）的性能要求高4個(gè)數(shù)量級(jí)；此外，隨著反諧振型空芯光子晶體光纖的提出和性能的快速提升，PER性能已經(jīng)達(dá)到100dB/m以上。因此，亟需攻克100dB以上超高性能分布式偏振測(cè)量方法與技術(shù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)上述保偏光纖及偏振器件的性能評(píng)價(jià)、缺陷分析與故障診斷。而目前，基于白光干涉原理的光相干域偏振測(cè)量技術(shù)（Optical?Coherence?Domain Polarimetry, OCDP）雖可達(dá)到100dB的分布式偏振測(cè)量性能，但由于它采用了低功率密度的寬譜光源和機(jī)械掃描型光程延遲線，其測(cè)量性能已達(dá)到理論極限，并且還存在測(cè)量速度慢、裝置結(jié)構(gòu)復(fù)雜等缺點(diǎn)，難以滿足超高精度的測(cè)試需求、亟需突破。

針對(duì)超高分布式偏振消光比測(cè)量需求，近期廣東工業(yè)大學(xué)先進(jìn)光子技術(shù)研究院提出了光頻域偏振（Optical?frequency domain polarimetry, OFDP）測(cè)量方法，目的是突破現(xiàn)有分布式偏振消光比測(cè)量方法PER100dB的理論極限。OFDP測(cè)量技術(shù)采用窄線寬、大范圍調(diào)諧的激光光源，借助于非平衡時(shí)延干涉儀和相干檢測(cè)技術(shù)，通過對(duì)光源掃頻非線性和相位噪聲的抑制，實(shí)現(xiàn)了將分布式偏振消光比測(cè)量能力從目前OCDP最優(yōu)的100dB提升至110dB，并有突破120dB的潛力。研究成果以“Optical Frequency Domain Polarimetry for Distributed Polarization Crosstalk Measurement beyond 110 dB Dynamic Range”為題發(fā)表在Optics?Letters上，廣東工業(yè)大學(xué)喻張俊副教授為論文第一作者，楊軍教授為論文的通訊作者。

?02??研究背景

由內(nèi)部缺陷或外部應(yīng)力導(dǎo)致的偏振串?dāng)_會(huì)劣化光子集成芯片或者保偏光纖的傳輸性能。偏振串?dāng)_不僅增大了傳輸損耗、改變了偏振相關(guān)損耗，導(dǎo)致光路中發(fā)生不必要的干涉，還能引起額外的非線性效應(yīng)。分布式偏振消光比測(cè)量能夠定位偏振串?dāng)_的發(fā)生位置并確定發(fā)生強(qiáng)度，還能進(jìn)一步提取分布式消光比特性，從而幫助我們?cè)u(píng)估器件質(zhì)量和改進(jìn)器件制備工藝。高性能器件和光纖的出現(xiàn)，對(duì)分布式偏振消光比測(cè)量的動(dòng)態(tài)范圍性能提出了很高的要求，有必要發(fā)展一種超寬量限的分布式偏振消光比測(cè)量方法，來滿足日益增長的器件測(cè)試需求。 ?

03???創(chuàng)新研究 3.1 光頻域偏振計(jì)的偏振消光比測(cè)量能力 ? 光頻域偏振計(jì)主要由可調(diào)諧激光光源、待測(cè)器件、時(shí)延干涉儀三個(gè)部分組成，如圖1所示。光源發(fā)出的線性掃頻激光經(jīng)過不同傳輸路徑最后在探測(cè)器匯合后，會(huì)產(chǎn)生頻率與光程差呈正比的干涉拍頻信號(hào)。將問詢光注入待測(cè)保偏器件的一個(gè)偏振主軸后，不同位置發(fā)生的偏振串?dāng)_光就能與問詢光產(chǎn)生這樣的干涉拍頻信號(hào)。通過拍頻信號(hào)的頻率，能夠確定串?dāng)_發(fā)生的位置，通過拍頻信號(hào)的強(qiáng)度，能夠確定串?dāng)_發(fā)生的強(qiáng)度。通過干涉移頻，時(shí)延干涉儀起到了調(diào)控測(cè)量動(dòng)態(tài)范圍的作用。經(jīng)過理論分析與實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，我們發(fā)現(xiàn)光頻域偏振計(jì)的測(cè)量動(dòng)態(tài)范圍可以表示為，

其中，Δν，ΔF，和γ分別是光源的線寬、掃頻范圍、和掃頻速率，c是真空中的光速，L0是時(shí)延干涉儀的光程差。從圖2的實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出，通過調(diào)控光源掃頻速率和時(shí)延干涉儀的光程差可以實(shí)現(xiàn)110dB動(dòng)態(tài)范圍的偏振消光比測(cè)量。

? 圖1 光頻域偏振計(jì)的偏振串?dāng)_發(fā)生過程與延遲相干探測(cè)原理 圖源: Optics?Letters (2022). https://doi.org/10.1364/OL.468893 (Fig. 1)

?圖2 光頻域偏振計(jì)的動(dòng)態(tài)范圍與光源掃頻范圍、掃頻速率、以及時(shí)延干涉儀光程差之間的關(guān)系 ? 圖源: Optics?Letters (2022). https://doi.org/10.1364/OL.468893 (Fig. 5) 3.2 超高偏振消光比Y波導(dǎo)測(cè)試應(yīng)用 使用優(yōu)化后的掃描參數(shù)和干涉儀光程差，搭建了如圖3所示的OFDP光路系統(tǒng)，對(duì)一個(gè)超高消光比的鈮酸鋰Y波導(dǎo)芯片的分布式偏振串?dāng)_進(jìn)行了測(cè)試，測(cè)試結(jié)果如圖4所示。得益于動(dòng)態(tài)范圍超過110 dB的OFDP系統(tǒng)，我們甚至看清了該波導(dǎo)內(nèi)部偏振消光比為105dB的偏振串?dāng)_特征（Cy1）。

? 圖3 光頻域偏振計(jì)的光路結(jié)構(gòu)圖 圖源: Optics?Letters (2022). https://doi.org/10.1364/OL.468893 (Fig. 3)

?圖4 超高消光比鈮酸鋰Y波導(dǎo)的分布式偏振串?dāng)_測(cè)試結(jié)果 ? 圖源: Optics?Letters (2022). https://doi.org/10.1364/OL.468893 (Fig. 6) ?

04???應(yīng)用與展望

總之，我們提出了一種新穎的分布式偏振消光比測(cè)量方法——光頻域偏振計(jì)（OFDP）。待測(cè)器件中的偏振串?dāng)_分布通過一個(gè)可調(diào)諧激光器和延遲干涉光路構(gòu)成的波長掃描干涉儀進(jìn)行測(cè)量。首先，研究了一個(gè)相噪受限的OFDP系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)范圍與光源的波長/頻率掃描范圍、光源的掃描速度、以及延遲干涉儀的光程差的關(guān)系；其次，使用優(yōu)化后的掃描速度和光程差，實(shí)現(xiàn)了110.52dB的動(dòng)態(tài)范圍；進(jìn)一步，測(cè)量了一個(gè)超高偏振消光比的鈮酸鋰波導(dǎo)調(diào)制器的分布式偏振串?dāng)_。得益于OFDP的超大動(dòng)態(tài)范圍，首次觀察到了波導(dǎo)中-105dB的偏振串?dāng)_特征。在未來，OFDP將在高性能偏振光纖與器件的研發(fā)與制造中發(fā)揮巨大的作用。 ?

05???作者簡(jiǎn)介 ? ? ? ?

喻張俊 （論文一作）副教授/碩士生導(dǎo)師 喻張俊，副教授，廣東工業(yè)大學(xué)信息工程學(xué)院副教授，碩士生導(dǎo)師。在哈爾濱工程大學(xué)獲學(xué)士及博士學(xué)位，師從楊軍教授。攻讀博士期間獲國家留學(xué)基金委資助赴新加坡南洋理工大學(xué)（NTU）王岐捷教授課題組聯(lián)合培養(yǎng)。研究方向：分布式光纖測(cè)試與傳感，光纖陀螺器件檢測(cè)等。主持科技部重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃課題與子課題各1項(xiàng)、軍委科技委173重點(diǎn)項(xiàng)目子課題1項(xiàng)、以及國家自然科學(xué)基金委青年基金1項(xiàng)，發(fā)表SCI論文20余篇，申請(qǐng)PCT國際專利2項(xiàng)，授權(quán)中國發(fā)明專利5項(xiàng)，申請(qǐng)中國發(fā)明專利15項(xiàng)，合著英文學(xué)術(shù)專著章節(jié)1章，獲黑龍江省技術(shù)發(fā)明獎(jiǎng)一等獎(jiǎng)1項(xiàng)。 ? ? ?

楊軍 （論文通訊作者）教授/博士生導(dǎo)師 楊軍，二級(jí)教授，博士生導(dǎo)師。國家杰出青年基金、國家基金委優(yōu)秀青年基金、教育部新世紀(jì)人才獲得者。裝發(fā)某領(lǐng)域?qū)I(yè)組專家，中國光學(xué)工程學(xué)會(huì)理事、光學(xué)工程學(xué)會(huì)光纖傳感專家工作委員會(huì)委員，中國光學(xué)學(xué)會(huì)光電技術(shù)專委會(huì)委員、纖維光學(xué)與集成光學(xué)專委會(huì)委員，全國光電測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會(huì)（SAC/TC487）委員。長期從事光纖傳感技術(shù)研究與測(cè)試儀器研發(fā)，主持國家重大科研儀器研制、國家重大科學(xué)儀器設(shè)備開發(fā)專項(xiàng)（任務(wù)）等項(xiàng)目，研發(fā)了多種高性能分布式光纖偏振、損耗儀，解決了高精度光纖器件性能評(píng)價(jià)與故障診斷等難題；發(fā)表學(xué)術(shù)論文250余篇，授權(quán)發(fā)明專利110余項(xiàng)，合著學(xué)術(shù)專著2本；獲黑龍江省科技獎(jiǎng)自然科學(xué)類、技術(shù)發(fā)明類、科技進(jìn)步類一等獎(jiǎng)各1項(xiàng)，教育部技術(shù)發(fā)明二等獎(jiǎng)2項(xiàng)，第十二屆黑龍江省青年科技獎(jiǎng)。

文章信息： Zhangjun Yu, Qinqin Zhuang, Yuhao Lin, Yicheng Lin, Cuofu Lin, Bowei Rang, Yonggui Yuan, Jun Yang, Kunhua Wen, Pengbai Xu, Yuncai Wang, and Yuwen Qin,?“Optical Frequency Domain Polarimetry for Distributed Polarization Crosstalk Measurement beyond 110 dB Dynamic Range,” Optics Letters 47(16), 4271-4274 (2022).

論文地址： https://opg.optica.org/ol/abstract.cfm?uri=ol-47-16-4271 https://doi.org/10.1364/OL.468893 ?

編輯：黃飛

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