自由空間等效單模光纖應用於光纖傳感器的製作方法
2023-10-25 02:12:22 2
專利名稱：自由空間等效單模光纖應用於光纖傳感器的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種光纖或光纖組件的補償技術，尤其是指補償光纖傳感器(如光纖陀螺儀)中的光纖或光纖組件如光纖環等。此補償技術除使得每個光纖或光纖組件的特性如自由空間(Free Space) 一般外，亦可大幅加快光纖傳感器的光路優化演算速度。
背景技術：
在我們的日常生活中，光纖技術所扮演的角色愈來愈重要。而當其應用在陸海空的導航、定向與平臺穩定等技術領域時，光纖組件的靈敏性、穩定性與複製性將愈形重要。由於光纖組件(比如，光纖環)的製作過程所導致光纖的各種光學特性改變與損耗，將使得光纖組件的功效降低。在已知技術中，為解決此類因光學特性改變或損耗而使光纖組件功效降低的問題，採用幾種不同的策略(US 2003/0007751AU US 2005/0226563A1)。以使用保偏光纖為例，保偏光纖可保持光的偏振態，但成本需求高；其次以保偏光纖繞制光纖環為例，則需維持光纖之極化銷光比(Polarization Extinction Ratio),此項參數在保偏光纖環繞制過程中較不易維持，以致增加繞制的成本與難度。另光纖環本身容易受到光纖本身質量、繞制時產生的應力與應變、及填充膠料的影響而質量不一。每個光纖環可能產出不同程度的光特性變化如線性雙折射，線性雙衰減和旋性雙折射的特性或其組合。長久以來高質量光纖環的繞制為一高技術門坎的工藝，需有特殊光纖及自動化張力控制繞制機的組合，加上有經驗的技工操作下才能將質量控制在某一範圍，也因此生產成本高。若光纖本身質量不一(來自不同生產日期或不同工廠)，光纖環的繞制控制則需要耗時試驗重新調整，以控制光纖環質量在最佳範圍內。如不調整製程，則被迫將繞制產出的光纖環依測試結果分列等級，如此一來高質量光纖環的良率則會大幅下降。有鑑於此，申請人經過悉心試驗與研究，並以跳脫傳統智慧的方法，終於發明出本案「自由空間等效單模光纖環應用於光纖傳感器」，其構想並實施一應用自由空間等效單模光纖之光纖傳感器，以量測光纖等效光路，並加以補償的方式，使得補償後的光纖等效光路為一單位矩陣，如同在自由空間傳導一般。此項創新不僅大幅提升光纖的複製性，亦可大幅加快使用光纖及光纖組件的光纖傳感器的光路優化仿真演算速度。如此快速的仿真演算速度和幾乎使光纖或光纖組件傳導的特性如同在自由空間一般的設計不但前所未有，且在公開的文獻中也無先例。以下為本案之簡要說明。
發明內容
在現有技術中，已提出將光學對象的等效光路參數組經由繆勒-史託克矩陣偏光儀量測而被導引出的方案(Characterization on five effective parametersof anisotropic optical material using Stokes parameters—Demonstration by afiber-type polarimeter，Optics Express, Vol.18，Issue 9，pp.9133—9150，April2010)。請參閱第一圖，係為此現有技術的實驗架構。雷射100提供一具有偏極態的入射光，經過一個1/4玻片(quarter-wave plate) 101,偏振片(polarizer) 102,藉以產生線性偏振光(0°、45° >90° >135° )及圓偏振光(左旋與右旋)共六種偏振光)，進入樣本光纖103後輸出，將輸出光的六種偏振態以繆勒-史託克矩陣偏光儀104量測後反演算，可解出樣本光纖103的五個等效光學參數，即主軸角度(α)、相位延遲(0)、雙向衰減角度(0(1)、雙向衰減(D)、以及旋光角(Y)，用以代表通過樣本光纖103的偏振光特性。此五個參數組α，β，Θ d，D，y的動態量測範圍為0° 180°，0° 180°，0° 180°，0 I以及0° 180。。光線的偏極態可以用stokes向量來表示，stokes向量分為四個部分
權利要求
1.一種光學系統，其特徵在於，包括: 一光學路徑，用以供一光傳播；以及 一光學補償模塊，置於該光學路徑之中並以一矩陣轉換補償方法為基礎而補償該光通過該光學路徑所造成的一光學特性變化。
2.如權利要求1所述的系統，其特徵在於，該光學路徑的光學參數組成一等效矩陣，該等效矩陣可代表該光學路徑，該矩陣轉換補償方法系令該等效矩陣乘以一補償矩陣後等於一單位矩陣後求解該補償矩陣。
3.如權利要求1所述的系統，其特徵在於，該等效光學路徑包括: (a)三個等效光學參數，系主軸角度(α)、相位延遲(β)、以及旋光角(Y);以及 (b)五個等效光學參數，系主軸角度(α)、相位延遲(β)、雙向衰減角度(0d)、雙向衰減⑶、以及旋光角(Y )。
4.如權利要求2所述的系統，其特徵在於，該單位矩陣代表一自由空間。
5.如權利要求1所述的系統，其特徵在於，該光學特性包括該光的一偏振態。
6.如權利要求1所述的系統，其特徵在於，該光學路徑更包括一光源、一光纖、一光纖環或一光纖組件與其組合。
7.如權利要求1所述的系統，其特徵在於，該光學補償模塊為以下兩種狀態其中之一: (a)該光學補償模塊包括 一可變延遲器和一半玻片；以及 (b)該光學補償模塊包括一極化控制器。
8.如權利要求1所述的系統，其特徵在於，該光學補償模塊更包括外加一光機反應於該光學路徑作為該光學補償模塊。
9.如權利要求8所述的系統,其特徵在於，該光機反應係為一外加動靜態應力的光學特性反應。
10.如權利要求1所述的系統，其特徵在於，該光學補償模塊更包括外加一光電反應於該光學路徑作為該光學補償模塊。
11.如權利要求10所述的系統,其特徵在於,該光電反應係為一外加動靜態電場的光學特性反應。
12.一種光學補償方法，包括下列步驟: (a)提供一輸入光，其具一已知偏振態； (b)使該輸入光通過一光學路徑而形成一輸出光； (C)量測該輸出光的一偏振態； (d)利用該輸出光的該偏振態與該輸入光的該已知偏振態，得到該光學路徑的一等效光學參數組； (e)解析該等效光學參數組以得知該輸出光所需的一光偏振態補償；以及 (f)對該輸入光與該輸出光兩者之一進行該補償。
13.如權利要求12所述的方法，其特徵在於，以該等效光學參數組建構一繆勒-史託克矩陣，且該繆勒-史託克矩陣系以一瓊斯矩陣(Jones Matrix)轉換形成。
14.如權利要求12所述的方法，其特徵在於，該補償為透過一光學補償模塊，使該輸入光的該偏振態維持與該輸出光相同來實施。
15.一種光學驗證系統，系驗證一光學系統的一等效自由空間補償，包括:一光學路徑，經補償後具一等效自由空間的光學特性，用以接收一光，並輸出該光；以及 一偏光儀，用以量測該輸出光的一光學參數，比較輸入光與輸出光的光學參數，並據以驗證該光學路徑是否具該等效自由空間補償。
16.如權利要求15所述的系統,其特徵在於，該偏光儀係為一繆勒-史託克矩陣偏光儀。
17.一種光學驗證方法，系驗證一光學系統的一等效自由空間補償，其包括: (a)使一第一輸入光通過一光學補償模塊以形成一第一輸出光； (b)以一偏光儀量測該第一輸出光的一第一光學參數組； (C)使一第二輸入光通過該光學補償模塊以形成一第二輸出光； (d)並以該偏光儀量測該第二輸出光的一第二光學參數組； (e)重複步驟(a) (d)輸入數種不同的偏振光；以及 (f)比較輸入光與輸出光的光學參數，以驗證該光學系統是否具該等效自由空間補償。
18.如權利要求17所述的方法，其特徵在於，該補償方式為透過該光學補償模塊，使該輸入光的一偏振態不 改變來實施。
全文摘要
本發明提出以量測光纖或光纖組件等效光路，並加以補償的方式，使得每個光纖或光纖組件的特性如自由空間(Free Space)一般，以提升光纖或光纖組件的複製性與穩定性。理論計算由繆勒-史託克矩陣(Muller-Stokes Matrix)偏光儀所得出的結果進行分析，再計算出光纖或光纖組件的等效瓊斯矩陣與轉成單位矩陣所需的補償。光纖或光纖組件的補償方式可加組件如可變延遲器(variable retarder)、半玻片(half-wave plate)等，或同等功能的極化控制器(polarization controller)。光纖或光纖組件的補償亦可不加組件如扭轉部份光纖製造等效的補償效應；或其它方式使得補償後的光纖或光纖組件等效光路為一單位矩陣(unit matrix)，如同自由空間一般。此項創新不僅大幅提升光纖及光纖組件的複製性，亦可大幅加快使用光纖與光纖組件的光纖傳感器(如光纖陀螺儀等)的光路優化仿真演算速度。
文檔編號G01D5/26GK103175553SQ20111019235
公開日2013年6月26日 申請日期2011年6月30日 優先權日2011年1月19日
發明者羅裕龍, 劉人仰, 顏志仲, 鍾逸凡 申請人:羅裕龍, 劉人仰