CN103308171A - 采用矩形谱探测光测量光纤布里渊增益谱的装置及方法 - Google Patents

Abstract

采用矩形谱探测光测量光纤布里渊增益谱的装置及方法，属于光纤布里渊增益谱的测量技术领域。本发明为了解决现有布里渊增益谱的测试方法中，采用ASE光源作为探测光，不利于远距离测量的问题。装置包括光纤激光器、第一光纤分路器、第二光纤分路器、第一偏振控制器、光纤环行器、待测光纤、第二偏振控制器、外差测量仪、矩形谱探测光源和光纤隔离器；方法中根据待测光纤材料的不同，对矩形谱的带宽进行灵活调节；在Stokes频移附近的矩形谱探测光，功率可调，且能满足远距离探测的需要。本发明用于探测光纤布里渊增益谱。

Description

采用矩形谱探测光测量光纤布里渊增益谱的装置及方法

技术领域

本发明涉及采用矩形谱探测光测量光纤布里渊增益谱的装置及方法，属于光纤布里渊增益谱的测量技术领域。

背景技术

布里渊增益谱包含布里渊频移、线宽以及增益包络等重要信息，在分布式光纤传感、微弱信号的滤波放大和布里渊激光雷达探测等方面应用广泛。为获得信噪比SNR较高的布里渊增益谱，通常采用泵浦-探测法进行测量，即利用可调谐激光器或微波发生器控制电光强度调制器产生Stokes频移的探测光，该探测光和对向传播的泵浦光在布里渊放大器介质中发生相互作用，实现泵浦光向探测光的能量或功率转移，当在Stokes频移附近连续扫描探测光的频率，在放大器的输出端即得到放大的探测光光谱，即为布里渊增益谱。这种方法在应用中存在探测光频率扫描时间较长，无法实时、准确和迅速获得传感信息等问题，这也是限制其应用的主要缺陷之一。

中国专利《泵浦-探测法非扫描式测量布里渊增益谱的装置及方法》，公开号为CN102967371A，公开日为20130313，公开了以ASE光源作为探测光的方式来实现非扫描泵浦-探测法测量增益谱。然而由于通常的ASE光源带宽过宽，致使需要放大的Stokes成分功率较低，本底噪声较大，从而影响了布里渊增益谱的信噪比，不利于远距离布里渊增益谱的测量。

发明内容

本发明是为了解决现有布里渊增益谱的测试方法中，采用ASE光源作为探测光，不利于远距离测量的问题，提供了一种采用矩形谱探测光测量光纤布里渊增益谱的装置及方法。

本发明所述采用矩形谱探测光测量光纤布里渊增益谱的装置，它包括光纤激光器，它还包括第一光纤分路器、第二光纤分路器、第一偏振控制器、光纤环行器、待测光纤、第二偏振控制器、外差测量仪、矩形谱探测光源和光纤隔离器，

光纤激光器输出的激光经第一光纤分路器分为两束，第一束入射至第二光纤分路器，第二束入射至矩形谱探测光源的输入端口，

第二光纤分路器的第一输出端口的出射激光经第一偏振控制器入射至光纤环行器的第一端口，光纤环行器的第二端口连接待测光纤的一端；第二光纤分路器的第二输出端口的出射激光经第二偏振控制器入射至外差测量仪的第一激光输入端口，光纤环行器的第三端口连接外差测量仪的第二激光输入端口；

矩形谱探测光源输出的矩形谱探测光经光纤隔离器入射至待测光纤的另一端。

所述外差测量仪由光纤合路器、光电探测器和频谱分析仪组成，

外差测量仪的第一激光输入端口为光纤合路器的第一激光输入端口，外差测量仪的第二激光输入端口为光纤合路器的第二激光输入端口，光纤合路器的光信号输出端连接光电探测器的光信号输入端，光电探测器的电信号输出端连接频谱分析仪的电信号输入端。

所述矩形谱探测光源第三偏振控制器、第一强度调制器、微波发生器、光纤光栅滤波器、光纤放大器、第二强度调制器和任意波形信号发生器组成，

矩形谱探测光源的输入端口为第三偏振控制器的输入端口，第三偏振控制器的光信号输出端连接第一强度调制器的光信号输入端，第一强度调制器的电信号输入端连接微波发生器的电信号输出端，第一强度调制器的光信号输出端连接光纤光栅滤波器的输入端，光纤光栅滤波器的输出端连接光纤放大器的输入端，光纤放大器的输出端连接第二强度调制器的光信号输入端，第二强度调制器的电信号输入端连接任意波形信号发生器的电信号输出端，第二强度调制器输出的矩形谱探测光为矩形谱探测光源输出的矩形谱探测光。

基于上述采用矩形谱探测光测量光纤布里渊增益谱的装置的采用矩形谱探测光测量光纤布里渊增益谱的方法，

所述矩形谱探测光源第三偏振控制器、第一强度调制器、微波发生器、光纤光栅滤波器、光纤放大器、第二强度调制器和任意波形信号发生器组成，所述方法为：

使光纤激光器输出C波段窄带激光，该窄带激光波长为1550nm，线宽范围为1KHz～10MHz；矩形谱探测光源中通过第三偏振控制器调节入射激光的偏振态，然后输出给第一强度调制器，同时由微波发生器产生10GHz～12GHz的正弦信号控制第一强度调制器产生1阶上下边频光，调节第一强度调制器输入的激光，使其中心频率光谱达到最小值，同时使1阶上下边频光达到最大值，采用光纤光栅滤波器滤除1阶上边频光，1阶下边频光作为Stokes频移的探测光，Stokes频移的探测光经光纤放大器放大后，输入到第二强度调制器，由任意波形信号发生器产生sinc函数信号控制第二强度调制器产生矩形谱探测光，该矩形谱探测光通过光纤隔离器，进入到待测光纤中；待测光纤中接收的光纤环行器的第二端口传输的激光作为泵浦光，该泵浦光与矩形谱探测光在待测光纤中发生布里渊放大后，放大的矩形谱探测光依次由光纤环行器的第二端口和第三端口进入到外差测量仪，作为外差测量仪的待测信号；将外差测量仪的第一激光输入端口接收的激光信号作为外差测量仪的本征信号，待测信号和本征信号在外差测量仪中的光纤合路器中合为一束光，并经光电探测器转变为电信号，输入到频谱分析仪中，由此在频谱分析仪中得到待测光纤的布里渊增益谱，即为外差测量仪最终获得的布里渊增益谱。

本发明的优点：本发明装置及方法中，可根据待测光纤材料的不同，对矩形谱的带宽进行灵活调节；在Stokes频移附近的矩形谱探测光，功率可调，且能满足远距离探测的需要；在测量布里渊增益谱的过程中，由于不需要对探测光的频率进行扫描，大大缩短了测量时间。

附图说明

图1是本发明所述测量光纤布里渊增益谱的原理示意图；

图2是本发明所述采用矩形谱探测光测量光纤布里渊增益谱的装置的原理框图；

图3是本发明的具体实施例中第二强度调制器产生的矩形谱探测光曲线图；

图4是采用本发明方法的具体实施例中获得的光纤布里渊增益谱。

具体实施方式

具体实施方式一：下面结合图1和图2说明本实施方式，本实施方式所述采用矩形谱探测光测量光纤布里渊增益谱的装置，它包括光纤激光器1，它还包括第一光纤分路器2、第二光纤分路器3、第一偏振控制器4、光纤环行器5、待测光纤6、第二偏振控制器7、外差测量仪8、矩形谱探测光源9和光纤隔离器10，

光纤激光器1输出的激光经第一光纤分路器2分为两束，第一束入射至第二光纤分路器3，第二束入射至矩形谱探测光源9的输入端口，

第二光纤分路器3的第一输出端口的出射激光经第一偏振控制器4入射至光纤环行器5的第一端口，光纤环行器5的第二端口连接待测光纤6的一端；第二光纤分路器3的第二输出端口的出射激光经第二偏振控制器7入射至外差测量仪8的第一激光输入端口，光纤环行器5的第三端口连接外差测量仪8的第二激光输入端口；

矩形谱探测光源9输出的矩形谱探测光经光纤隔离器10入射至待测光纤6的另一端。

本实施方式中，所有组件之间均通过光纤连接。

具体实施方式二：下面结合图2说明本实施方式，本实施方式对实施方式一作进一步说明，本实施方式所述外差测量仪8由光纤合路器8-1、光电探测器8-2和频谱分析仪8-3组成，

外差测量仪8的第一激光输入端口为光纤合路器8-1的第一激光输入端口，外差测量仪8的第二激光输入端口为光纤合路器8-1的第二激光输入端口，光纤合路器8-1的光信号输出端连接光电探测器8-2的光信号输入端，光电探测器8-2的电信号输出端连接频谱分析仪8-3的电信号输入端。

本实施方式中，除了光电探测器8-2和频谱分析仪8-3之间为电路连接外，其余组件之间均为光纤连接。

具体实施方式三：下面结合图2说明本实施方式，本实施方式对实施方式一或二作进一步说明，本实施方式所述矩形谱探测光源9第三偏振控制器9-1、第一强度调制器9-2、微波发生器9-3、光纤光栅滤波器9-4、光纤放大器9-5、第二强度调制器9-6和任意波形信号发生器9-7组成，

矩形谱探测光源9的输入端口为第三偏振控制器9-1的输入端口，第三偏振控制器9-1的光信号输出端连接第一强度调制器9-2的光信号输入端，第一强度调制器9-2的电信号输入端连接微波发生器9-3的电信号输出端，第一强度调制器9-2的光信号输出端连接光纤光栅滤波器9-4的输入端，光纤光栅滤波器9-4的输出端连接光纤放大器9-5的输入端，光纤放大器9-5的输出端连接第二强度调制器9-6的光信号输入端，第二强度调制器9-6的电信号输入端连接任意波形信号发生器9-7的电信号输出端，第二强度调制器9-6输出的矩形谱探测光为矩形谱探测光源9输出的矩形谱探测光。

本实施方式中，除了微波发生器9-3和第一强度调制器9-2的连接以及第二强度调制器9-6和任意波形信号发生器9-7的连接外，其余组件之间均为光纤连接。

具体实施方式四：下面结合图1至图4说明本实施方式，本实施方式为基于上述实施方式之一所述采用矩形谱探测光测量光纤布里渊增益谱的装置的采用矩形谱探测光测量光纤布里渊增益谱的方法，

所述矩形谱探测光源9第三偏振控制器9-1、第一强度调制器9-2、微波发生器9-3、光纤光栅滤波器9-4、光纤放大器9-5、第二强度调制器9-6和任意波形信号发生器9-7组成，所述方法为：

使光纤激光器1输出C波段窄带激光，该窄带激光波长为1550nm，线宽范围为1KHz～10MHz；矩形谱探测光源9中通过第三偏振控制器9-1调节入射激光的偏振态，然后输出给第一强度调制器9-2，同时由微波发生器9-3产生10GHz～12GHz的正弦信号控制第一强度调制器9-2产生1阶上下边频光，调节第一强度调制器9-2输入的激光，使其中心频率光谱达到最小值，同时使1阶上下边频光达到最大值，采用光纤光栅滤波器9-4滤除1阶上边频光，1阶下边频光作为Stokes频移的探测光，Stokes频移的探测光经光纤放大器9-5放大后，输入到第二强度调制器9-6，由任意波形信号发生器9-7产生sinc函数信号控制第二强度调制器9-6产生矩形谱探测光，该矩形谱探测光通过光纤隔离器10，进入到待测光纤6中；待测光纤6中接收的光纤环行器5的第二端口传输的激光作为泵浦光，该泵浦光与矩形谱探测光在待测光纤6中发生布里渊放大后，放大的矩形谱探测光依次由光纤环行器5的第二端口和第三端口进入到外差测量仪8，作为外差测量仪8的待测信号；将外差测量仪8的第一激光输入端口接收的激光信号作为外差测量仪8的本征信号，待测信号和本征信号在外差测量仪8中的光纤合路器8-1中合为一束光，并经光电探测器8-2转变为电信号，输入到频谱分析仪8-3中，由此在频谱分析仪8-3中得到待测光纤6的布里渊增益谱，即为外差测量仪8最终获得的布里渊增益谱。

本实施方式的工作原理：本发明方法中，采用一束单频泵浦光和一束矩形谱探测光在待测光纤6中相遇，如图1所示，其中矩形谱探测光在光纤布里渊增益谱范围内的频谱成分都会和泵浦光发生相互作用，得到布里渊放大，当矩形谱探测光带宽大于待测光纤的布里渊增益谱带宽时，放大输出光即为该光纤的布里渊增益谱。

所述由任意波形信号发生器9-7产生sinc函数信号控制第二强度调制器9-6产生矩形谱探测光的具体控制方法为：

调节sinc函数信号的周期，改变矩形谱探测光的带宽，保证待测光纤6的布里渊增益谱完整呈现，满足各种条件下布里渊频移和线宽的测量要求。

本发明方法中，通过第三偏振控制器9-1调节激光的偏振态，但其与第一强度调制器9-2所要求输入激光的偏振态相一致，此时，第三偏振控制器9-1调节的激光通过第一强度调制器9-2的损耗最小；调节第一强度调制器9-2输入的激光，使其中心频率光谱达到最小值的方法为：调节加在第一强度调制器9-2上的直流偏置电压使中心频率光谱达到最小值，同时使1阶上下边频光达到最大值。

下面给出本发明的具体实施例：光纤激光器1采用NKT photonic公司生产的激光器，其输出功率在0～100mW范围内可调，输出波长为1550nm，激光线宽为50kHz；光纤激光器输出的激光经第一光纤分路器分束，从第一光纤分路器的第一输出端口输出，再经第二光纤分路器分束，从第二光纤分路器的第一输出端口输出，此路激光作为泵浦光，所述泵浦光通过第一偏振控制器，经光纤环行器的第一端口和第二端口进入1km的标准单模光纤中；第一光纤分路器的第二输出端口输出的激光注入到第三偏振控制器中，第三偏振控制器调节激光的偏振态，使之与第一强度调制器所要求输入激光的偏振态相一致，这时第三偏振控制器调节的激光通过第一强度调制器的损耗最小，所述激光输入到第一强度调制器，由微波发生器产生10.87GHz的正弦信号控制第一强度调制器产生1阶上下边频光，通过调节加在第一强度调制器上的直流偏置电压使中心频率光谱达到最小值，同时使1阶上下边频光达到最大值；利用光纤光栅滤波器滤除1阶上边频光，1阶下边频光作为Stokes频移的探测光，所述Stokes频移的探测光经光纤放大器放大后，输入到第二强度调制器，由任意波形信号发生器产生的sinc函数信号控制第二强度调制器产生带宽为43MHz的矩形谱探测光，如图3所示。矩形谱探测光经光纤隔离器从另一端进入1km的标准单模光纤中。由于探测光包含了布里渊增益谱内的全部频率分量，这些频率分量和泵浦光作用后同时得到放大，故不需要进行频率扫描，放大的探测光由光纤环行器的第三端口输出进入外差测量仪，获得的布里渊增益谱如图4所示，此时，增益为20dB，布里渊频移为10.867GHz，线宽为15MHz，由于增益较大，布里渊增益谱出现窄化现象，与传统的扫描式泵浦-探测法测量的结果一致。

Claims (4)

1.一种采用矩形谱探测光测量光纤布里渊增益谱的装置，它包括光纤激光器(1)，其特征在于，它还包括第一光纤分路器(2)、第二光纤分路器(3)、第一偏振控制器(4)、光纤环行器(5)、待测光纤(6)、第二偏振控制器(7)、外差测量仪(8)、矩形谱探测光源(9)和光纤隔离器(10)，

光纤激光器(1)输出的激光经第一光纤分路器(2)分为两束，第一束入射至第二光纤分路器(3)，第二束入射至矩形谱探测光源(9)的输入端口，

第二光纤分路器(3)的第一输出端口的出射激光经第一偏振控制器(4)入射至光纤环行器(5)的第一端口，光纤环行器(5)的第二端口连接待测光纤(6)的一端；第二光纤分路器(3)的第二输出端口的出射激光经第二偏振控制器(7)入射至外差测量仪(8)的第一激光输入端口，光纤环行器(5)的第三端口连接外差测量仪(8)的第二激光输入端口；

矩形谱探测光源(9)输出的矩形谱探测光经光纤隔离器(10)入射至待测光纤(6)的另一端。

2.根据权利要求1所述的采用矩形谱探测光测量光纤布里渊增益谱的装置，其特征在于，所述外差测量仪(8)由光纤合路器(8-1)、光电探测器(8-2)和频谱分析仪(8-3)组成，

外差测量仪(8)的第一激光输入端口为光纤合路器(8-1)的第一激光输入端口，外差测量仪(8)的第二激光输入端口为光纤合路器(8-1)的第二激光输入端口，光纤合路器(8-1)的光信号输出端连接光电探测器(8-2)的光信号输入端，光电探测器(8-2)的电信号输出端连接频谱分析仪(8-3)的电信号输入端。

3.根据权利要求1或2所述的采用矩形谱探测光测量光纤布里渊增益谱的装置，其特征在于，所述矩形谱探测光源(9)第三偏振控制器(9-1)、第一强度调制器(9-2)、微波发生器(9-3)、光纤光栅滤波器(9-4)、光纤放大器(9-5)、第二强度调制器(9-6)和任意波形信号发生器(9-7)组成，

矩形谱探测光源(9)的输入端口为第三偏振控制器(9-1)的输入端口，第三偏振控制器(9-1)的光信号输出端连接第一强度调制器(9-2)的光信号输入端，第一强度调制器(9-2)的电信号输入端连接微波发生器(9-3)的电信号输出端，第一强度调制器(9-2)的光信号输出端连接光纤光栅滤波器(9-4)的输入端，光纤光栅滤波器(9-4)的输出端连接光纤放大器(9-5)的输入端，光纤放大器(9-5)的输出端连接第二强度调制器(9-6)的光信号输入端，第二强度调制器(9-6)的电信号输入端连接任意波形信号发生器(9-7)的电信号输出端，第二强度调制器(9-6)输出的矩形谱探测光为矩形谱探测光源(9)输出的矩形谱探测光。

4.一种基于权利要求1所述采用矩形谱探测光测量光纤布里渊增益谱的装置的采用矩形谱探测光测量光纤布里渊增益谱的方法，其特征在于，

所述矩形谱探测光源(9)第三偏振控制器(9-1)、第一强度调制器(9-2)、微波发生器(9-3)、光纤光栅滤波器(9-4)、光纤放大器(9-5)、第二强度调制器(9-6)和任意波形信号发生器(9-7)组成，所述方法为：

使光纤激光器(1)输出C波段窄带激光，该窄带激光波长为1550nm，线宽范围为1KHz～10MHz；矩形谱探测光源(9)中通过第三偏振控制器(9-1)调节入射激光的偏振态，然后输出给第一强度调制器(9-2)，同时由微波发生器(9-3)产生10GHz～12GHz的正弦信号控制第一强度调制器(9-2)产生1阶上下边频光，调节第一强度调制器(9-2)输入的激光，使其中心频率光谱达到最小值，同时使1阶上下边频光达到最大值，采用光纤光栅滤波器(9-4)滤除1阶上边频光，1阶下边频光作为Stokes频移的探测光，Stokes频移的探测光经光纤放大器(9-5)放大后，输入到第二强度调制器(9-6)，由任意波形信号发生器(9-7)产生sinc函数信号控制第二强度调制器(9-6)产生矩形谱探测光，该矩形谱探测光通过光纤隔离器(10)，进入到待测光纤(6)中；待测光纤(6)中接收的光纤环行器(5)的第二端口传输的激光作为泵浦光，该泵浦光与矩形谱探测光在待测光纤(6)中发生布里渊放大后，放大的矩形谱探测光依次由光纤环行器(5)的第二端口和第三端口进入到外差测量仪(8)，作为外差测量仪(8)的待测信号；将外差测量仪(8)的第一激光输入端口接收的激光信号作为外差测量仪(8)的本征信号，待测信号和本征信号在外差测量仪(8)中的光纤合路器(8-1)中合为一束光，并经光电探测器(8-2)转变为电信号，输入到频谱分析仪(8-3)中，由此在频谱分析仪(8-3)中得到待测光纤(6)的布里渊增益谱，即为外差测量仪(8)最终获得的布里渊增益谱。

Images