CN103196869B - 多芯光纤有效折射率差的测量方法及其光谱数据获取装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种多芯光纤有效折射率差的测量方法及其光谱数据获取装置，通过获取经多芯光纤传输的光束产生的干涉图样所对应的光谱数据；对光谱数据进行傅里叶变换，获得空间频率谱一；对空间频率谱一进行滤波处理，获得空间频率谱二；对空间频率谱二进行傅里叶逆变换，获得正余弦函数波形；测量正余弦函数波形的自由光谱范围；并最终根据公式:计算所述多芯光纤有效折射率差；实现了多芯光纤纤芯-包层、纤芯-纤芯之间有效折射率差的测量与计算，操作非常简便，无需特殊高端复杂昂贵的测试仪器，所用到的测试工具也均为基本测量仪器，在普通的光学实验室内即可完成，具有快捷、简便、性价比高的特点。

Description

多芯光纤有效折射率差的测量方法及其光谱数据获取装置

技术领域

本发明属于光纤通信中多芯光纤折射率测量技术领域，特别涉及一种多芯光纤有效折射率差的测量方法及其光谱数据获取装置。

背景技术

折射率是表征光纤性能最基本的物理量之一，因为它直接影响着光纤的众多参数，如：模式分布，色散和带宽等。

现有技术中，折射近场法和近场扫描法是目前最成熟、应用最广泛的测量光纤折射率分布的方法，例如EXFO公司的OWA9500折射率测量仪采用的是近场折射法，该公司的另一款更为先进的综合测试仪NR-9200(HR)也是利用近场折射法测量光纤折射率。Nanonics Imaging公司的Optometronic2000^TM、Optometronic4000系列则是采用的近场扫描技术。

但是由于折射近场法需要用探测器接收所有逸出光纤纤芯的光功率，而多芯光纤在一个包层内具有多个纤芯，根本无法精确地区分和度量每个纤芯逸出的光功率，显然该方法对多芯光纤不适用。同样，对于近场扫描法，由于多芯光纤具有不同于普通光纤的特殊结构（多芯光纤是一种单个包层内具有多个单模或多模纤芯的光纤，它并不是普通光纤束的简单捆绑），那就对注入每个芯的光功率均匀性、稳定性有很高要求，另外光波在多芯光纤中传输时会产生串扰现象，也会对测试结果的精度有影响。特别值得指出的一点就是折射近场法和近场扫描法相对来说都需要非常精密的光学仪器如透镜等，和高精度的探测器，尽管这两种方法已经很成熟，但是目前商业的光纤折射率测量产品，例如Nanonics Imaging公司的Optometronic2000约是170万人民币，而Optometronic4000约是250万人民币。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种能够针对多芯光纤实现有效折射率差测量的测量方法及其光谱数据获取装置。

为解决上述技术问题，本发明提供了一种多芯光纤有效折射率差的测量方法，包括：获取经多芯光纤传输的光束产生的干涉图样所对应的光谱数据；对所述光谱数据进行傅里叶变换，获得空间频率谱一；对所述空间频率谱一进行滤波处理，获得空间频率谱二；对所述空间频率谱二进行傅里叶逆变换，获得正余弦函数波形；测量所述正余弦函数波形的自由光谱范围；同时，

根据公式:

计算所述多芯光纤有效折射率差；

其中，λ_FSR是所测得的自由光谱范围，单位是nm；λ是对应于λ_FSR，即测量时所选取的相邻两个波谷的中心波长，单位是nm；L是所述多芯光纤的长度，单位是m。

进一步地，所述获取光谱数据具体包括：宽带光源发射光束进入第一单模光纤；在所述第一单模光纤与多芯光纤一端偏心熔接区处，经过所述第一单模光纤的光束耦合至所述多芯光纤；在所述多芯光纤另一端与第二单模光纤偏心熔接区处，经过所述多芯光纤的光束耦合至所述第二单模光纤；通过光学分析仪器观察并记录经过所述第二单模光纤的光束干涉图样及光谱数据。

进一步地，通过Matlab或Origin数值分析软件对所述光谱数据进行快速傅里叶变换，获得空间频率谱一。

进一步地，通过对所述空间频率谱一进行高斯函数滤波处理，获得空间频率谱二。

进一步地，本发明还提供了一种用于获取所述测量方法中光谱数据的装置，其特征在于，包括：第一单模光纤、第二单模光纤、多芯光纤、宽带光源及光学分析仪器；所述第一单模光纤与所述宽带光源连接；所述多芯光纤一端与所述第一单模光纤偏心熔接，另一端与所述第二单模光纤偏心连接；所述第二单模光纤与所述光学分析仪器连接。

进一步地，所述第一单模光纤与所述第二单模光纤处于同一水平线上。

进一步地，所述多芯光纤是七芯全固态光纤，其外围六个纤芯以中间一个纤芯为中心点呈圆形对称分布；所述外围六个纤芯折射率相同。

进一步地，所述多芯光纤与所述单模光纤之间通过光纤熔接机偏心熔接，并通过多次放电使得熔接处出现坍塌结构。

进一步地，所述单模光纤纤芯与所述多芯光纤中任意两个纤芯的中心点对准。

进一步地，所述光学分析设备是光谱仪；所述多芯光纤长度为2-5m，外径为125um，其包层内每个纤芯的直径为9um。

本发明提供的一种多芯光纤有效折射率差的测量方法及其光谱数据获取装置，通过宽带光源发射光束进入第一单模光纤，并通过坍塌熔接区耦合至多芯光纤不同纤芯和包层中，不同路径的光波经过多芯光纤在另一坍塌熔接区重新耦合至第二单模光纤，进而由光谱仪进行观察测量，同时通过数值分析软件对光谱数据依次进行傅里叶变换、滤波及傅里叶逆变换处理实现多芯光纤纤芯-包层、纤芯-纤芯之间有效折射率差的计算，操作非常简便，无需高端复杂昂贵的测试仪器，所用到的测试工具也均为基本测量仪器，在普通光学实验室内即可完成，具有快捷、简便、性价比高的特点。

附图说明

图1为本发明实施例提供的多芯光纤有效折射率差测量方法在测量过程中光谱数据所对应的干涉图样。

图2为本发明实施例提供的多芯光纤有效折射率差测量方法在测量过程中光谱数据通过快速傅里叶变换所获得的空间频率谱一曲线示意图。

图3为本发明实施例提供的多芯光纤有效折射率差测量方法在测量过程中空间频率谱一经过滤波及傅里叶逆变换处理后所获得的正余弦函数波形示意图。

图4为本发明实施例提供的光谱数据获取装置的原理结构示意图。

图5为本发明实施例提供的光谱数据获取装置中单模光纤与多芯光纤连接关系示意图。

图6为本发明实施例提供的光谱数据获取装置中多芯光纤纤芯结构分布示意图。

图7为本发明实施例提供的光谱数据获取装置中第一单模光纤与多芯光纤的熔接关系示意图。

图8为本发明实施例提供的光谱数据获取装置中第二单模光纤与多芯光纤的熔接关系示意图。

其中，101-第一单模光纤，102-第二单模光纤，103-多芯光纤，201-多芯光纤中心纤芯，202-多芯光纤外围纤芯，301-第一熔接区，302-第二熔接区，401-第一单模光纤纤芯，402-第二单模光纤纤芯。

具体实施方式

下面结合附图，对本发明提供的具体实施方式作进一步详细说明。

参见图1-3，本发明实施例提供的一种多芯光纤有效折射率差的测量方法，其测量方法包括如下步骤：

步骤S1：获取经多芯光纤103传输的光束产生的干涉图样所对应的光谱数据；

步骤S2：对光谱数据进行傅里叶变换，获得空间频率谱一；

步骤S3：对空间频率谱一进行滤波处理，获得空间频率谱二；

步骤S4：对空间频率谱二进行傅里叶逆变换，获得正余弦函数波形；

步骤S5：测量正余弦函数波形的自由光谱范围；

步骤S6：外界计算机根据公式:

计算所述多芯光纤103有效折射率差；

其中，λ_FSR是所测得的自由光谱范围，单位是nm；λ是对应于λ_FSR，即测量时所选取的相邻两个波谷的中心波长，单位是nm；L是多芯光纤103的长度，单位是m。

本实施例提供的测量方法中，获取光谱数据具体包括如下过程：

1、宽带光源发射光束进入第一单模光纤101;

2、在第一单模光纤101与多芯光纤103一端偏心熔接区处，经过第一单模光纤101的光束耦合至多芯光纤103；

3、在多芯光纤103另一端与第二单模光纤102偏心熔接区处，经过多芯光纤103的光束耦合至第二单模光纤102；

4、通过光学分析仪器（光谱仪）观察并记录经过第二单模光纤102的光束干涉图样及光谱数据（可绘制干涉图样）。

本实施例提供的测量方法中，优选地，可通过数值分析软件（Matlab或Origin）将光学分析仪器（光谱仪）获得的干涉图样所对应的光谱数据进行快速傅里叶变换，获得空间频率谱一。

本实施例提供的测量方法中，优选地，可通过对所获得的空间频率谱一进行高斯函数滤波处理，获得空间频率谱二。

本实施例提供的测量方法中，由于第一单模光纤101、第二单模光纤102均与多芯光纤103偏心熔接，因此在第一单模光纤101与多芯光纤103熔接点处（第一熔接区301），由于模场失配，第一单模光纤101中的光功率会耦合至多芯光纤103中多个纤芯201-202及包层中，且经过多芯光纤103后，每一路径的光波相位延迟不同；在第二单模光纤102与多芯光纤103熔接点处（第二熔接区302），不同路径的光波再次耦合至第二单模光纤102，并发生多径干涉，所以从光谱数据对应的干涉图样（参见图1）中可以看到大小包络同时存在的现象。通过直接测量这些大小包络的自由光谱范围（即相邻波峰或波谷的间隔），就可以计算出有效折射率差，但误差极大且准确度极低。本实施例提供的测量方法中，通过计算机对获得的光谱数据进行快速傅里叶变换，便可得到空间频率谱一（参见图2），空间频率谱一表征了干涉图样中所含的频率成分及其权重，本实施例中所谓的频率成分即不同的“干涉对”，通过对空间频率谱一滤波处理（剔除由于次激发包层模所引起的旁瓣及毛刺）即可得到空间频率二，再通过对空间频率谱二进行傅里叶逆变换即可得到每一个“干涉对”的波形（正余弦函数波形），并测量波形自由光谱范围λ_FSR，最终通过计算机根据上述步骤S6中公式即可导出多芯光纤中对应的纤芯-包层或纤芯-纤芯的有效折射率差n_eff。

其中，光功率经第一单模光纤101耦合进多芯光纤103包层后会激励起一个主要的包层模，一般同时也会激起多个次要的包层模，每个模式的有效折射率不同，这些次要的包层模也会与主要的包层模及其他纤芯模发生干涉，且会对最终的干涉图样形成调制作用，所以经快速傅里叶变换后得到的空间频率谱一上会出现一些幅值较低的旁瓣和毛刺，即次要频率成分，处理时只需忽略它们即可。

基于上述理念，本实施例还提供一种用于获取上述多芯光纤有效折射率测量方法中光谱数据的装置，以支持本发明所要解决的技术问题。

参见图4-8，本实施例提供的光谱数据获取装置包括：第一单模光纤101、第二单模光纤102、多芯光纤103、宽带光源及光学分析仪器。其中，第一单模光纤101与宽带光源连接。多芯光纤103一端与第一单模光纤101偏心熔接，另一端与第二单模光纤102偏心熔接。第二单模光纤102与光学分析仪器连接。

本实施例提供的光谱数据获取装置中，多芯光纤103与单模光纤101-102之间通过光纤熔接机偏心熔接，并通过多次放电使得熔接处出现坍塌结构（坍塌结构即指用于破坏阶跃型光纤中纤芯与包层折射率分布界限分明的结构，使得熔接区域折射率近似为均匀分布）。

本实施例提供的光谱数据获取装置中，优选地，多芯光纤103是七芯全固态光纤，外径为125um，纤芯201-202直径是9um。为尽可能获得较高的干涉消光比，多芯光纤103外围六个纤芯202以中间一个纤芯201为中心点呈圆形对称分布，且外围六个纤芯202折射率相同（纤芯201与纤芯202折射率稍有不同）。单模光纤纤芯401-402分别与多芯光纤103中任意两个纤芯的中心点对准。同时，熔接后的第一单模光纤101与第二单模光纤102中心处于同一水平线上。

本实施例提供的光谱数据获取装置中，为便于光学分析仪器（光谱仪）在一定带宽窗口内得到大小包络同时存在的光谱数据，即真实完整反应所有频率信息，多芯光纤103应达到一定的长度范围，优选地，多芯光纤长度为2-5m（多芯光纤103过长时，串扰会很严重，光波会耦合至其他纤芯中，导致傅里叶变换得到的空间频率谱一出现旁瓣，引起测量误差）。

本实施例提供的光谱数据获取装置中，光学分析仪器（光谱仪）还可与外界计算机连接，计算机通过获取光学分析仪器（光谱仪）所测得的光谱数据，然后对其依次进行傅里叶变换、高斯函数滤波及傅里叶逆变换，最终获得正余弦函数波形，最终操作人员或计算机根据上述步骤S6中公式导出多芯光纤中对应的纤芯-包层或纤芯-纤芯的有效折射率差n_eff。

本发明提供的一种多芯光纤有效折射率差的测量方法及其光谱数据获取装置，通过宽带光源发射光束进入第一单模光纤101，并通过第一熔接区301耦合至多芯光纤103不同纤芯和包层中，不同路径的光波经过多芯光纤103在第二熔接区302重新耦合至第二单模光纤102，进而由光谱仪进行观察测量，并最终基于傅里叶变换、滤波处理实现多芯光纤103纤芯-包层、纤芯-纤芯之间有效折射率差的计算，操作非常简便，无需高端复杂昂贵的测试仪器，所用到的测试工具也均为基本测量仪器，在普通光学实验室内即可完成，具有快捷、简便、性价比高的特点。

最后所应说明的是，以上具体实施方式仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照实例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (10)

1.一种多芯光纤有效折射率差的测量方法，其特征在于，包括：

获取经多芯光纤传输后的光束产生的干涉图样所对应的光谱数据；

对所述光谱数据进行傅里叶变换，获得空间频率谱一；

对所述空间频率谱一进行滤波处理，获得空间频率谱二；

对所述空间频率谱二进行傅里叶逆变换，获得正余弦函数波形；

测量所述正余弦函数波形的自由光谱范围；

根据公式:

计算所述多芯光纤有效折射率差；

其中，λ_FSR是所测得的自由光谱范围，单位是nm；λ是对应于λ_FSR，即测量时所选取的相邻两个波谷的中心波长，单位是nm；L是所述多芯光纤的长度，单位是m；n_eff是所述多芯光纤有效折射率差。

2.根据权利要求1所述多芯光纤有效折射率差的测量方法，其特征在于，所述获取光谱数据具体包括：

宽带光源发射光束进入第一单模光纤；

在所述第一单模光纤与多芯光纤一端偏心熔接区处，经过所述第一单模光纤的光束耦合至所述多芯光纤；

在所述多芯光纤另一端与第二单模光纤偏心熔接区处，经过所述多芯光纤的光束耦合至所述第二单模光纤；

通过光学分析仪器观察并记录经过所述第二单模光纤的光束干涉图样及光谱数据。

3.根据权利要求1所述多芯光纤有效折射率差的测量方法，其特征在于：

通过Matlab或Origin数值分析软件对所述光谱数据进行快速傅里叶变换，获得空间频率谱一。

4.根据权利要求1所述多芯光纤有效折射率差的测量方法，其特征在于：

通过对所述空间频率谱一进行高斯函数滤波处理，获得空间频率谱二。

5.一种用于获取权利要求1所述测量方法中光谱数据的装置，其特征在于，包括：

第一单模光纤、第二单模光纤、多芯光纤、宽带光源及光学分析仪器；

所述第一单模光纤与所述宽带光源连接；

所述多芯光纤一端与所述第一单模光纤偏心熔接，另一端与所述第二单模光纤偏心连接；

所述第二单模光纤与所述光学分析仪器连接；

还包括：计算机，与所述光学分析仪器连接；

其中，所述计算机通过获取光学分析仪器所测得的光谱数据，然后对所述数据依次进行傅里叶变换、高斯函数滤波及傅里叶逆变换，最终获得正余弦函数波形，使得依据所述正余弦函数波形获得所述多芯光纤有效折射率差n_eff。

6.根据权利要求5所述的装置，其特征在于：

所述第一单模光纤与所述第二单模光纤处于同一水平线上。

7.根据权利要求6所述的装置，其特征在于：

所述多芯光纤是七芯全固态光纤，其外围六个纤芯以中间一个纤芯为中心点呈圆形对称分布；

所述外围六个纤芯折射率相同。

8.根据权利要求7所述的装置，其特征在于：

所述多芯光纤与所述单模光纤之间通过光纤熔接机偏心熔接，并通过多次放电使得熔接处出现坍塌结构。

9.根据权利要求7所述的装置，其特征在于：

所述单模光纤纤芯与所述多芯光纤中任意两个纤芯的中心点对准。

10.根据权利要求5-9任一项所述的装置，其特征在于：

所述光学分析设备是光谱仪；

所述多芯光纤长度为2-5m，外径为125um，其包层内每个纤芯的直径为9um。