CN101319879A - 一种快速测量光纤长度的方法和设备 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种快速测量光纤长度的方法和设备。本发明中使用普通连续半导体激光器作为光源，电光调制器和待测光纤都接入萨尼亚克环中，其中电光调制器在萨尼亚克环中是不对称放置的，靠近光纤耦合器的一个口；电光调制器由频率可线性扫描的射频信号驱动；射频信号频率改变时，萨尼亚克干涉计的透射率改变，透射率变化频率与待测光纤长度有关；由光电二极管检测透射率变化；光电二极管的输出端与数据采集卡连接；采集卡采集到的数据通过快速傅立叶变换以及相关运算，得到光纤长度。本发明克服了不能同时满足大范围高精度测量的要求，并且相对成本较低。由于待测光纤连入萨尼亚克环中，设备抗外界温度波动以及机械扰动性能强。

Description

一种快速测量光纤长度的方法和设备

技术领域

本发明属于光学技术领域，涉及一般性的光纤长度测量，特别是适用于光纤通信网络、光纤传感网络等需要快速的大范围高精度测量光纤长度的测量的方法和设备，尤其涉及了一种利用电光调制器改变光波频率引起干涉仪结构不对称的效应来检测光纤长度的方法以及实现该方法的设备。

背景技术

在光纤光学领域，特别是光纤通讯方面，发展快速的大范围高精度测量光纤长度的方法和低成本设备具有十分重大的意义。

传统的光纤长度测量仪器都是基于光纤反射计的，包括光学时域反射计(OTDR)、光学频域反射计(OFDR)、光学相干反射计(OCDR)，这些方法或者需要极短的脉冲激光光源和极高速的光电探头，成本较高；或者不能同时达到高精度和大测量范围的要求，较难用于实用。

发明内容

本发明就是针对现有技术的不足，利用电光调制器光频变换技术，提出了一种适用于一般性的光纤长度快速测量的技术方案，使用普通连续半导体激光器和低速光电二极管，达到大范围和高精度的测量要求，同时提供了实现该方法的设备。

本发明的方法包括以下步骤：

1、中心波长在通讯波段的连续半导体激光器发出的激光通过光纤隔离器和四端口3-dB光纤耦合器后，进入萨尼亚克(Sagnac)环中。

2、激光进入Sagnac环后分为两路，其中一路进入长度已知的过渡段单模光纤，再经过待测段单模光纤，然后进入长度已知的连接段单模光纤；激光通过插入到连接段单模光纤中的电光调制器后产生变频，所述的电光调制器由频率受调制的正弦信号发生器驱动；变频后的激光回到四端口3-dB光纤耦合器，回到四端口3-dB光纤耦合器时激光的电场强度E₁(t)为：

$E_1\left(t\right)=-J_1\left(\mathrm{\α}\frac{\mathrm{\π}}{2}\right)\frac{E\left(t\right)}{2}\left\{\begin{array}{c}\exp (i(\mathrm{\ω}-\mathrm{\Ω})t+\mathrm{ni}[\frac{L_1+L_3}{C}\mathrm{\ω}+\frac{L_2}{C}(\mathrm{\ω}-\mathrm{\Ω})\left]\right)\\ +\exp (i(\mathrm{\ω}+\mathrm{\Ω})t+\mathrm{ni}[\frac{L_1+L_3}{C}\mathrm{\ω}+\frac{L_2}{C}(\mathrm{\ω}+\mathrm{\Ω})\left]\right)\end{array}\right\}---\left(1\right)$

其中α为电光调制器驱动信号的归一化振幅，J₁是一阶贝塞尔函数E(t)为光源的电场强度，ω为激光角频率，Ω为电光调制器驱动信号的角频率。n为单模光纤的折射率，C为真空中的光速，L₃为待测段单模光纤的长度，L₁为过渡段单模光纤的长度，L₂为连接段单模光纤的长度。

另一路激光首先进入长度已知的连接段单模光纤，通过电光调制器产生变频，变频后的激光顺序经过待测段单模光纤和已知长度的过渡段单模光纤后，回到3-dB光纤耦合器，回到四端口3-dB光纤耦合器时激光的电场强度E₂(t)为：

$E_2\left(t\right)=J_1\left(\mathrm{\α}\frac{\mathrm{\π}}{2}\right)\frac{E\left(t\right)}{2}\left\{\begin{array}{c}\exp (i(\mathrm{\ω}-\mathrm{\Ω})t+\mathrm{ni}[\frac{L_2}{C}\mathrm{\ω}+\frac{L_1+L_3}{C}(\mathrm{\ω}-\mathrm{\Ω})\left]\right)\\ +\exp (i(\mathrm{\ω}+\mathrm{\Ω})t+\mathrm{ni}[\frac{L_2}{C}\mathrm{\ω}+\frac{L_1+L_3}{C}(\mathrm{\ω}+\mathrm{\Ω})\left]\right)\end{array}\right\}---\left(2\right)$

回到四端口3-dB光纤耦合器的两路激光在四端口3-dB光纤耦合器中发生干涉，透射光的强度I_T为：

$I_T={J_1}^2\left(\mathrm{\α}\frac{\mathrm{\π}}{2}\right)\frac{{\left|E\left(t\right)\right|}^2}{4}\left\{\begin{array}{c}4+2\cos \left[2(\mathrm{\Ωt}+\frac{\mathrm{n\Ω}}{C}{L}_2)\right]+2\cos \left[2(\mathrm{\Ωt}+\frac{\mathrm{n\Ω}}{C}(L_1+L_3))\right]\\ +4\cos [2\mathrm{\Ωt}+\frac{\mathrm{n\Ω}}{C}(L_1+L_2+L_3)]+4\cos \left[\frac{\mathrm{n\Ω}}{C}(L_1+L_3-L_2)\right]\end{array}\right\}---\left(3\right)$

3、光电二极管探测透射光的强度，同时光强信号转化为电信号，光电二极管的截至频率为f_b，f_b＜＜Ω，由光电二极管接收到的光强I_T：

$I_T={J_1}^2\left(\mathrm{\α}\frac{\mathrm{\π}}{2}\right)\frac{{\left|E\left(t\right)\right|}^2}{4}\{4+4\cos [\frac{\mathrm{n\Ω}}{C}(L_1+2L_3+L_2)\left]\right\}---\left(4\right)$

电光调制器的驱动频率Ω按照2πwt作线性变化，通过线性扫描，透射光强按cos(ft)变化

$\mathrm{ft}=2\mathrm{\πn}\frac{L_1+L_3-L_2}{C}\mathrm{wt}---\left(5\right)$

其中f为光强变化的频率。

数据采集卡采集电信号，进行快速傅立叶变换(FFT)，在频谱上得到式(5)对应的峰，通过测量峰值的频率f得到待测段单模光纤的长度L₃

$L_3=\frac{\mathrm{Cf}}{2\mathrm{\πn\ω}}-L_1+L_2---\left(6\right)$

实现上述方法的设备为：半导体激光器通过光纤隔离器与四端口3-dB光纤耦合器的输入端口光连接，四端口3-dB光纤耦合器的输出端口与光电二极管的输入端光连接，光电二极管的输出端与数据采集卡的输入端电连接，数据采集卡的输出端与快速傅立叶变换分析仪电连接。四端口3-dB光纤耦合器的另外两个端口分别与过渡段单模光纤的一端和连接段单模光纤的一端连接，过渡段单模光纤的长度为L₁，连接段单模光纤的长度为L₂，L₁＞＞L₂；过渡段单模光纤的另一端和连接段单模光纤的另一端分别与待测段单模光纤的两端连接；电光调制器插入连接段单模光纤中，电光调制器的电驱动信号口与正弦信号发生器电连接。

本发明适用于一般性的光纤长度快速测量，与传统的光纤长度测量法案相比，克服了不能同时满足大范围高精度测量的要求；并且由于不需要窄带宽的单模激光光源和高速光电二极管，因此相对成本较低。由于待测光纤连入Sagnac环中，设备抗外界温度波动以及机械扰动性能强。

附图说明

图1为本发明的整体结构示意图。

具体实施方式

如图1所示，半导体激光器1通过光纤隔离器2与四端口3-dB光纤耦合器3的输入端口光连接，四端口3-dB光纤耦合器3的输出端口与光电二极管4的输入端光连接，光电二极管4的输出端与数据采集卡5的输入端电连接，数据采集卡5的输出端与快速傅立叶变换分析仪6电连接。四端口3-dB光纤耦合器3的另外两个端口分别与过渡段单模光纤7的一端和连接段单模光纤11的一端连接，过渡段单模光纤7的长度为L₁，连接段单模光纤11的长度为L₂，L₁＞＞L₂；过渡段单模光纤7的另一端和连接段单模光纤11的另一端分别与待测段单模光纤8的两端连接；电光调制器10插入连接段单模光纤11中，电光调制器10的电驱动信号口与正弦信号发生器9电连接。

具体的测量方法包括以下步骤：

中心波长在通讯波段的连续半导体激光器发出的激光通过光纤隔离器和四端口3-dB光纤耦合器后，进入萨尼亚克(Sagnac)环中。

激光进入Sagnac环后分为两路，其中一路进入长度已知的过渡段单模光纤，再经过待测段单模光纤，然后进入长度已知的连接段单模光纤，激光通过插入到连接段单模光纤中的电光调制器后，产生变频，所述的电光调制器由频率受调制的正弦信号发生器驱动；变频后的激光经过，最后回到四端口3-dB光纤耦合器；回到四端口3-dB光纤耦合器时激光的电场强度E₁(t)为：

$E_1\left(t\right)=-J_1\left(\mathrm{\α}\frac{\mathrm{\π}}{2}\right)\frac{E\left(t\right)}{2}\left\{\begin{array}{c}\exp (i(\mathrm{\ω}-\mathrm{\Ω})t+\mathrm{ni}[\frac{L_1+L_3}{C}\mathrm{\ω}+\frac{L_2}{C}(\mathrm{\ω}-\mathrm{\Ω})\left]\right)\\ +\exp (i(\mathrm{\ω}+\mathrm{\Ω})t+\mathrm{ni}[\frac{L_1+L_3}{C}\mathrm{\ω}+\frac{L_2}{C}(\mathrm{\ω}+\mathrm{\Ω})\left]\right)\end{array}\right\}---\left(1\right)$

其中α为电光调制器驱动信号的归一化振幅，J₁是一阶贝塞尔函数E(t)为光源的电场强度，ω为激光角频率，Ω为电光调制器驱动信号的角频率。n为单模光纤的折射率，C为真空中的光速，L₃为待测段单模光纤的长度，L₁为过渡段单模光纤的长度，L₂为连接段单模光纤的长度。

另一路激光首先进入长度已知的连接段单模光纤，通过电光调制器产生变频，变频后的激光顺序经过待测段单模光纤和已知长度的过渡段单模光纤后，回到3-dB光纤耦合器，回到四端口3-dB光纤耦合器时激光的电场强度E₂(t)为：

$E_2\left(t\right)=J_1\left(\mathrm{\α}\frac{\mathrm{\π}}{2}\right)\frac{E\left(t\right)}{2}\left\{\begin{array}{c}\exp (i(\mathrm{\ω}-\mathrm{\Ω})t+\mathrm{ni}[\frac{L_2}{C}\mathrm{\ω}+\frac{L_1+L_3}{C}(\mathrm{\ω}-\mathrm{\Ω})\left]\right)\\ +\exp (i(\mathrm{\ω}+\mathrm{\Ω})t+\mathrm{ni}[\frac{L_2}{C}\mathrm{\ω}+\frac{L_1+L_3}{C}(\mathrm{\ω}+\mathrm{\Ω})\left]\right)\end{array}\right\}---\left(2\right)$

回到四端口3-dB光纤耦合器的两路激光在四端口3-dB光纤耦合器中发生干涉，透射光的强度I_T为：

$I_T={J_1}^2\left(\mathrm{\α}\frac{\mathrm{\π}}{2}\right)\frac{{\left|E\left(t\right)\right|}^2}{4}\left\{\begin{array}{c}4+2\cos \left[2(\mathrm{\Ωt}+\frac{\mathrm{n\Ω}}{C}{L}_2)\right]+2\cos \left[2(\mathrm{\Ωt}+\frac{\mathrm{n\Ω}}{C}(L_1+L_3))\right]\\ +4\cos [2\mathrm{\Ωt}+\frac{\mathrm{n\Ω}}{C}(L_1+L_2+L_3)]+4\cos \left[\frac{\mathrm{n\Ω}}{C}(L_1+L_3-L_2)\right]\end{array}\right\}---\left(3\right)$

光电二极管探测透射光的强度，同时光强信号转化为电信号，光电二极管的截至频率为f_b，f_b＜＜Ω，由光电二极管接收到的光强I_T：

$I_T={J_1}^2\left(\mathrm{\α}\frac{\mathrm{\π}}{2}\right)\frac{{\left|E\left(t\right)\right|}^2}{4}\{4+4\cos [\frac{\mathrm{n\Ω}}{C}(L_1+2L_3+L_2)\left]\right\}---\left(4\right)$

电光调制器的驱动频率Ω按照2πwt作线性变化，通过线性扫描，透射光强按cos(ft)变化

$\mathrm{ft}=2\mathrm{\πn}\frac{L_1+L_3-L_2}{C}\mathrm{wt}---\left(5\right)$

其中f为光强变化的频率。

数据采集卡采集电信号，进行快速傅立叶变换(FFT)，在频谱上得到式(5)对应的峰，通过测量峰值的频率f得到待测段单模光纤的长度L₃。

$L_3=\frac{\mathrm{Cf}}{2\mathrm{\πn\ω}}-L_1+L_2---\left(6\right)$

Claims (2)

1、一种快速测量光纤长度的方法，其特征在于该方法的具体步骤是：

a.中心波长在通讯波段的连续半导体激光器发出的激光通过光纤隔离器和四端口3-dB光纤耦合器后，进入萨尼亚克环中；

b.激光进入萨尼亚克环后分为两路，其中一路进入长度已知的过渡段单模光纤，再经过待测段单模光纤，然后进入长度已知的连接段单模光纤；激光通过插入到连接段单模光纤中的电光调制器后产生变频，所述的电光调制器由频率受调制的正弦信号发生器驱动；变频后的激光回到四端口3-dB光纤耦合器，回到四端口3-dB光纤耦合器时激光的电场强度E₁(t)为：

$E_1\left(t\right)=-J_1\left(\mathrm{\α}\frac{\mathrm{\π}}{2}\right)\frac{E\left(t\right)}{2}\left\{\begin{array}{c}\exp (i(\mathrm{\ω}-\mathrm{\Ω})t+\mathrm{ni}[\frac{L_1+L_3}{C}\mathrm{\ω}+\frac{L_2}{C}(\mathrm{\ω}-\mathrm{\Ω})\left]\right)\\ +\exp (i(\mathrm{\ω}+\mathrm{\Ω})t+\mathrm{ni}[\frac{L_1+L_3}{C}\mathrm{\ω}+\frac{L_2}{C}(\mathrm{\ω}+\mathrm{\Ω})\left]\right)\end{array}\right\}---\left(1\right)$

其中α为电光调制器驱动信号的归一化振幅，J₁是一阶贝塞尔函数E(t)为光源的电场强度，ω为激光角频率，Ω为电光调制器驱动信号的角频率，n为单模光纤的折射率，C为真空中的光速，L₃为待测段单模光纤的长度，L₁为过渡段单模光纤的长度，L₂为连接段单模光纤的长度；

另一路激光首先进入长度已知的连接段单模光纤，通过电光调制器产生变频，变频后的激光顺序经过待测段单模光纤和已知长度的过渡段单模光纤后，回到3-dB光纤耦合器，回到四端口3-dB光纤耦合器时激光的电场强度E₂(t)为：

$E_2\left(t\right)=J_1\left(\mathrm{\α}\frac{\mathrm{\π}}{2}\right)\frac{E\left(t\right)}{2}\left\{\begin{array}{c}\exp (i(\mathrm{\ω}-\mathrm{\Ω})t+\mathrm{ni}[\frac{L_2}{C}\mathrm{\ω}+\frac{L_1+L_3}{C}(\mathrm{\ω}-\mathrm{\Ω})\left]\right)\\ +\exp (i(\mathrm{\ω}+\mathrm{\Ω})t+\mathrm{ni}[\frac{L_2}{C}\mathrm{\ω}+\frac{L_1+L_3}{C}(\mathrm{\ω}+\mathrm{\Ω})\left]\right)\end{array}\right\}---\left(2\right)$

回到四端口3-dB光纤耦合器的两路激光在四端口3-dB光纤耦合器中发生干涉，透射光的强度I_T为：

$I_T={J_1}^2\left(\mathrm{\α}\frac{\mathrm{\π}}{2}\right)\frac{{\left|E\left(t\right)\right|}^2}{4}\left\{\begin{array}{c}4+2\cos \left[2(\mathrm{\Ωt}+\frac{\mathrm{n\Ω}}{C}{L}_2)\right]+2\cos \left[2(\mathrm{\Ωt}+\frac{\mathrm{n\Ω}}{C}(L_1+L_3))\right]\\ +4\cos \left[(2\mathrm{\Ωt}+\frac{\mathrm{n\Ω}}{C}(L_1+L_2+L_3))\right]+4\cos \left[\frac{\mathrm{n\Ω}}{C}(L_1+L_3-L_2)\right]\end{array}\right\}---\left(3\right)$

c.光电二极管探测透射光的强度，同时光强信号转化为电信号，光电二极管的截至频率为f_b，f_b＜＜Ω，由光电二极管接收到的光强I_T：

$I_T={J_1}^2\left(\mathrm{\α}\frac{\mathrm{\π}}{2}\right)\frac{{\left|E\left(t\right)\right|}^2}{4}\{4+4\cos [\frac{\mathrm{n\Ω}}{C}(L_1+{2L}_3+L_2)\}---\left(4\right)$

电光调制器的驱动频率Ω按照2πwt作线性变化，通过线性扫描，透射光强按cos(ft)变化

$\mathrm{ft}=2\mathrm{\πn}\frac{L_1+L_3-L_2}{C}\mathrm{wt}---\left(5\right)$

其中f为光强变化的频率；

数据采集卡采集电信号，进行快速傅立叶变换，在频谱上得到式(5)对应的峰，通过测量峰值的频率f得到待测段单模光纤的长度L₃。

$L_3=\frac{\mathrm{Cf}}{2\mathrm{\πn\ω}}-L_1+L_2---\left(6\right)$

2、如权利要求1所述测量方法所使用的设备，其特征在于：半导体激光器通过光纤隔离器与四端口3-dB光纤耦合器的输入端口光连接，四端口3-dB光纤耦合器的输出端口与光电二极管的输入端光连接，光电二极管的输出端与数据采集卡的输入端电连接，数据采集卡的输出端与快速傅立叶变换分析仪电连接；四端口3-dB光纤耦合器的另外两个端口分别与过渡段单模光纤的一端和连接段单模光纤的一端连接，过渡段单模光纤的长度为L₁，连接段单模光纤的长度为L₂，L₁＞＞L₂；过渡段单模光纤的另一端和连接段单模光纤的另一端分别与待测段单模光纤的两端连接；电光调制器插入连接段单模光纤中，电光调制器的电驱动信号口与正弦信号发生器电连接。

Images