CN102281107A - 一种光纤光学器件色散测量装置与方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种光纤光学器件色散测量装置与方法，属于光学测量领域。该装置包括：固定波长激光器、可调谐激光器、光纤耦合器、电光调制器、微波信号源、第一光连接器、第二光连接器、待测光纤光学器件、光电探测器和数据采集与处理系统。本发明解决了现有技术中色散测量精度低、测量过程复杂的技术问题，具有抗外界干扰能力强、测量精度高、操作方便的优点。

Description

一种光纤光学器件色散测量装置与方法

技术领域

 本发明属于光学测量领域，具体涉及一种光纤光学器件色散测量装置与方法。

背景技术

色散是光纤光学器件特性的一个重要参量，也是影响光纤通信系统和微波光纤传输系统性能的重要因素之一。在高速光纤通信系统中，光纤色散将导致脉冲的展宽，从而使得误码率增加；在高频微波光纤传输系统中，光纤色散的累积将导致微波功率的衰减。通常采用一定的措施，如色散补偿光纤或色散补偿功能器件（光纤光栅、波导微环谐振器等）来补偿光纤色散，进而提高传输系统的性能。因此，对光纤光学器件色散的准确测量是十分必要的。

对光纤光学器件色散测量的方法通常有时延法、相移法、干涉法以及微波光子学测量方法。

时延法是直接测量光纤中传输的不同波长脉冲之间相对延迟量，通过拟合得到色散值。这种方法要求脉冲到达时间的计时极其准确，同时测量精度受到脉冲形状的影响，短脉冲发生变形则难以确定准确的到达时间。

相移法是对光进行一定频率的正弦强度调制，测量调制光在光纤中传播与波长相关的相位变动，与被测相移相关的参考信号可直接来自电子振荡器或光信号。由于能够实现高精度相移测量，该方法较时延法的测量精确大大提高。传统的相移法中光接收器对调制光进行检测并将其转换为电信号，但是由于参考信号和波长变动信号一般不沿相同的电路径（滤波器、放大器等）传播，额外的相对电延迟将造成测量误差。

干涉法是基于马赫曾德干涉仪或迈克尔逊干涉仪结构，通过测量干涉光谱，从中提取干涉相位进而得到色散值。虽然该方法测量系统结构较为简单，但是由于参考臂或待测臂易受外界环境（如温度、震动等）干扰，或者需要准确测量光纤在不同波长下的弹光系数，其测量精度难以保障。

微波光子学测量方法是将微波调制光波输入光纤中传播，光纤色散将引起输出微波信号功率的变化，通过对微波信号功率的测量与分析可以得到光纤的色散值。

在先技术[1]（B. Christensen, J. Mark, G Jacobsen, and E. B?dtker. “Simple dispersion measurement technique with high resolution”. Electronics Letters, 1993, Vol. 29, No. 1, pp. 132–134.）中利用双边带微波调制光信号在光纤中传播时光纤色散导致的微波功率衰减效应，微波功率随扫描频率呈周期性变化，通过测量微波功率极小值及与其对应的微波频率来可获得光纤的色散值。该方法中外界环境的变化将引起待测光纤的附加相位噪声，会造成微波功率极小值处的微波频率测量偏差，进而对色散值造成偏差。

在先技术[2]（Xiaoke Yi, Chao Lu, Wei Fang, Yixin Wang, Wen De Zhong. “A new method for chromatic dispersion measurement of WDM components by using photonic microwave technique”. 2002 International Topical Meeting on Microwave Photonics, pp. 293 – 296.）中将微波调制光信号分成两路，分别经过延时光纤和待测光纤（其长度不同），使其承载的微波信号获得不同的相移，光电探测后在电域内微波信号发生干涉，通过测量干涉的自由光谱范围来获得光纤的色散值。该方法色散值的测量范围和测量精度受到延时光纤长度的限制，同时由于微波调制光信号分别在延时光纤和待测光纤中传播，外界环境对两路信号引起的相位噪声不同，从而相位噪声将影响微波干涉极小值处的微波频率测量准确度和自由光谱范围的准确度，最终造成色散值的偏差。

在先技术[3]（T. Yamamoto, K. Kurokawa, K. Tajima, and T. Kurashima, “Simple and precise chromatic dispersion measurement using sinusoidally phase-modulated CW light”.  2009 Optical Fiber Communication Conference, paper OThD1.）中利用基于色散效应的微波相位调制向强度调制的转变，扫描微波频率，通过微波功率为零的微波频率来计算得到待测光纤的色散值。然而为了获得光纤在某一波段范围的色散值，需要对光源和微波信号源分别进行扫描，增加了测量过程的复杂性。

发明内容

本发明为了解决背景技术中色散测量精度低、测量过程复杂的技术问题。提供一种基于微波光子学方法的光纤光学器件色散测量装置与方法。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：提供一种光纤光学器件色散测量装置。所述光纤光学器件色散测量装置，包括：固定波长激光器、可调谐激光器、光纤耦合器、电光调制器、微波信号源、第一光连接器、第二光连接器、待测光纤光学器件、光电探测器、数据采集与处理系统、第一偏振控制器和第二偏振控制器。

所述数据采集与处理系统包括数据采集卡和计算机。

所述固定波长激光器、第一偏振控制器、光纤耦合器、电光调制器、第一光连接器、待测光纤光学器件、第二光连接器与光电探测器之间依次光路连接。

所述可调谐激光器、第二偏振控制器与电光调制器之间依次光路连接。

所述微波信号源与电光调制器之间为电路连接。

所述光电探测器、数据采集卡、计算机与可调谐激光器之间依次电路连接。

所述可调谐激光器是半导体可调谐激光器或光纤可调谐激光器。

所述电光调制器是电光强度调制器或电吸收调制器。

所述第一光连接器和第二光连接器是光纤连接器、光学透镜或光学棱镜。

本发明另提供一种光纤光学器件色散测量方法，包括以下步骤：固定波长激光器输出的光波与可调谐激光器输出的光波经光纤耦合器合为一路，输入至电光调制器，由微波信号源输出的微波信号经由电光调制器调制到两个光波上，由电光调制器输出的微波调制光载波经第一光连接器进入待测光纤光学器件，然后由第二光连接器进入光电探测器，由光电探测器输出电信号，所述电信号即微波功率，经数据采集卡采集至计算机进行数据处理与分析，得到光电探测器输出微波功率随可调谐激光器扫描输出波长变化的曲线；利用公式：

                                  （3）

得到待测光纤光学器件的色散量DL。其中，

是可调谐激光器输出的起始光波波长和扫描波长的间隔；f _RF为微波信号源输出的微波信号频率；

是可调谐激光器扫描输出波长间隔

引起的相位改变量，由变化曲线得出。

本发明的有益效果是：

（1）本发明光纤光学器件色散测量装置与方法，两路光载微波信号同时在待测光纤光学器件中进行传输，外界环境引起的附加相位噪声对两路信号是相同的，在光电探测器探测时相减而抵消掉，因此该色散测量装置可以避免外界环境的干扰，从而实现对光纤光学器件色散量的准确测量。

（2）本发明光纤光学器件色散测量装置与方法，在获得待测光纤光学器件在某一波段内的色散量时，只需对可调谐激光器的输出光波长进行扫描，通过监测分析输出微波功率的变化即可得到，具有效率高的优点。

（3）本发明光纤光学器件色散测量装置与方法，通过改变调制微波信号的频率，可以改变经待测光纤光学器件传输后，光电探测器输出微波功率变化一个周期所需可调谐激光器扫描波长范围的大小，从而可以获得色散量的精确测量。

（4）本发明光纤光学器件色散测量装置与方法，通过第一光连接器和第二光连接器将待测光纤光学器件与电光调制器输出端及光电探测器输入端相连，可以对光纤、光纤光栅、集成波导微环等光纤光学器件的色散进行测量，具有操作简便的优点。

附图说明

图1是本发明光纤光学器件色散测量装置图。

图2是本发明实施例中经光电探测器输出微波功率随可调谐激光器扫描输出波长变化的实验曲线图。

图3是本发明实施例中测得的单模光纤的色散曲线图。

图4是本发明实施例中测得的色散补偿光纤的色散曲线图。

图中：

1-固定波长激光器；2-可调谐激光器；3-光纤耦合器；4-电光调制器；5-微波信号源；61-第一光连接器；62-第二光连接器；7-待测光纤光学器件；8-光电探测器；9-数据采集与处理系统；91-数据采集卡；92-计算机；101-第一偏振控制器；102-第二偏振控制器。 

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进行详细说明。

本发明的光纤光学器件色散测量装置包括：固定波长激光器1、可调谐激光器2、光纤耦合器3、电光调制器4、微波信号源5、第一光连接器61、第二光连接器62、待测光纤光学器件7、光电探测器8、数据采集与处理系统9。

上述固定波长激光器1与光纤耦合器3之间设置有偏振控制器101。

上述可调谐激光器2与光纤耦合器3之间设置有偏振控制器102。

上述数据采集于处理系统9包括数据采集卡91和计算机92。

本发明光纤光学器件色散测量装置及使用方法的工作原理为：

采用本发明的光纤光学器件色散测量装置进行色散测量时，固定波长激光器1输出的光波与可调谐激光器2输出的光波经光纤耦合器3合为一路，输入至电光调制器4，由微波信号源5输出的微波信号经由电光调制器4调制到两个光波上，由电光调制器4输出的微波调制光载波经第一光连接器61进入待测光纤光学器件7，然后由第二光连接器62进入光电探测器8，由光电探测器8输出的电信号经数据采集卡91采集至计算机92进行数据处理与分析。调制于两个光载波上的微波信号在经过具有色散的光纤光学器件7传输过程中，分别获得一定的附加相位，由于两个光载波的波长不同，获得的附加相位之间存在一定的差值，经光电探测器8探测后两个微波信号发生干涉，输出的微波信号功率为：

              （1）

式（1）中A₁、λ₁分别为固定波长激光器1输出光波的幅度与波长， A₂、λ₂分别为可调谐激光器2输出光波的幅度与波长，f _RF为微波信号源5输出的微波信号频率，c为真空中的光速，DL为待测光纤光学器件7的色散量，

为承载于两个光波上的微波信号经待测光纤光学器件7传输获得的相位之差，可以表示为：

                            （2）

式（2）中

，

，

, 

 和 

分别是可调谐激光器2输出的起始光波波长和扫描的波长间隔。可以看出由光电探测器8输出的微波信号功率随可调谐激光器2扫描输出波长间隔

的改变而呈现周期性变化。待测光纤光学器件7的色散量可表示为

                                         （3）

当可调谐激光器2扫描输出波长间隔

引起的相位改变量

为时，输出微波功率变化一个周期。因此，通过监测分析输出微波功率的变化，由式（3）可以计算得出待测光纤光学器件7的色散量DL。

实施例

图1是本发明的光纤光学器件色散测量装置结构示意图。固定波长激光器1和可调谐激光器2输出的光波分别经过第一偏振控制器101和第二偏振控制器102进入光纤耦合器3合为一路，然后进入电光调制器4，由微波信号源5输出的微波信号经电光调制器4调制于两个光波之上，微波调制光载波由第一光连接器61进入待测光纤光学器件7，待测光纤光学器件7由第二光连接器62与光电探测器8相连，光电探测器8将输入的光信号转换为微波电信号，微波电信号经数据采集卡91采集后输入至计算机92进行数据分析，计算机92与可调谐激光器2相连，通过计算机92控制可调谐激光器2输出波长的扫描与数据采集卡91的数据采集同步，可调谐激光器2输出光波的扫描波长值与数据采集卡91采集的由光电探测器8输出的微波信号功率值一一对应存储于计算机92，采用正弦函数拟合得到微波信号功率变化的周期，利用式（3）计算得到待测光纤光学色散器件7的色散量。

可调谐激光器2采用半导体外腔可调谐激光器，第一光连接器61和第二光连接器62采用光纤连接器，待测光纤光学器件是长度为25公里的单模石英光纤。图2是利用本发明光纤光学器件色散测量装置对长度为25公里的单模石英光纤测量过程中，调制微波信号频率为1.5GHz时，测量得到光电探测器8输出微波功率随可调谐激光器2扫描输出波长变化的曲线。表明分别承载于固定波长激光器1输出光波与可调谐激光器2输出光波上的微波信号，经待测光纤光学色散器件7单模石英光纤后获得不同的附加相位，在经光电探测器8探测后两个微波信号发生干涉，输出微波功率值随可调谐激光器2扫描输出波长成正弦函数的周期性变化。图3是利用本发明光纤光学器件色散测量装置与方法得到的长度为25公里的单模石英光纤的色散曲线。

可调谐激光器2采用半导体外腔可调谐激光器，第一光连接器61和第二光连接器62采用光纤连接器，待测光纤光学器件是200米的色散补偿光纤。图4是利用本发明光纤光学器件色散测量装置与方法得到的长度为200米的色散补偿光纤的色散曲线。

以上内容是结合优选技术方案对本发明所做的进一步详细说明，不能认定发明的具体实施仅限于这些说明。对本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明的构思的前提下，还可以做出简单的推演及替换，都应当视为本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种光纤光学器件色散测量装置，其特征在于，所述光纤光学器件色散测量装置，包括：固定波长激光器（1）、可调谐激光器（2）、光纤耦合器（3）、电光调制器（4）、微波信号源（5）、第一光连接器（61）、第二光连接器（62）、待测光纤光学器件（7）、光电探测器（8）、数据采集与处理系统（9）、第一偏振控制器（101）和第二偏振控制器（102）；

所述数据采集与处理系统（9）包括数据采集卡（91）和计算机（92）；

所述固定波长激光器（1）、第一偏振控制器（101）、光纤耦合器（3）、电光调制器（4）、第一光连接器（61）、待测光纤光学器件（7）、第二光连接器（62）与光电探测器（8）之间依次光路连接；

所述可调谐激光器（2）、第二偏振控制器（102）与电光调制器（4）之间依次光路连接；

所述微波信号源（5）与电光调制器（4）之间为电路连接；

所述光电探测器（8）、数据采集卡（91）、计算机（92）与可调谐激光器（2）之间依次电路连接。

2.根据权利要求1所述的光纤光学器件色散测量装置，其特征在于，所述可调谐激光器（2）是半导体可调谐激光器或光纤可调谐激光器。

3.根据权利要求1所述的光纤光学器件色散测量装置，其特征在于，所述电光调制器（4）是电光强度调制器或电吸收调制器。

4.根据权利要求1所述的光纤光学器件色散测量装置，其特征在于，所述第一光连接器（61）和第二光连接器（62）是光纤连接器、光学透镜或光学棱镜。

5.一种光纤光学器件色散测量方法，包括以下步骤：固定波长激光器（1）输出的光波与可调谐激光器（2）输出的光波经光纤耦合器（3）合为一路，输入至电光调制器（4），由微波信号源（5）输出的微波信号经由电光调制器（4）调制到两个光波上，由电光调制器（4）输出的微波调制光载波经第一光连接器（61）进入待测光纤光学器件（7），然后由第二光连接器（62）进入光电探测器（8），由光电探测器（8）输出电信号，所述电信号即微波功率，经数据采集卡（91）采集至计算机（92）进行数据处理与分析，得到光电探测器（8）输出微波功率随可调谐激光器（2）扫描输出波长变化的曲线；利用公式：

                                  （3）

得到待测光纤光学器件（7）的色散量DL。

6.其中，是可调谐激光器（2）输出的起始光波波长和扫描波长的间隔；f _RF为微波信号源（5）输出的微波信号频率；

是可调谐激光器（2）扫描输出波长间隔

引起的相位改变量，由变化曲线得出。

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