CN103616165B - 光纤损耗测量系统 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种光纤损耗测量系统，该光纤损耗测量系统包括：激光信号发生器，用于产生激光，并将该激光注入被检测光纤的纤芯；光纤输出探测组件，用于将该被检测光纤的纤芯光场和包层光场分离，并根据该分离得到的纤芯光场和包层光场测量该被检测光纤的纤芯损耗和包层损耗。本发明可以对被检测光纤的纤芯损耗和包层损耗进行测量，并且还能提高其测量的精确度。
Description
技术领域
本发明涉及光纤测量技术领域，尤其涉及一种光纤损耗测量系统。
背景技术
相比于传统单包层光纤，双包层光纤具有两个独立的包层结构，如附图1所示，其具备结构纤芯1，内包层2，外包层3（匹配涂覆层），保护涂覆层4，通过配置其纤芯1，内包层2，外包层3（匹配涂覆层）的折射率，可以使双包层光纤的纤芯与内包层同时独立的传导光波。其具体结构与原理可以参考2013年5月公开的专利CN202956500U。随着光纤技术不断得到发展，双包层光纤在各个领域得到了广泛和深入的应用。在应用与实验的过程中我们发现，由于双包层光纤不同于传统单包层光纤的结构特点，使得在损耗测量的过程中，适用于传统单包层光纤的损耗测量方法不再适用于双包层光纤或者多包层光纤。
由于传统单包层光纤的包层不能传导光波，其纤芯的损耗进入包层以后会很快的泄漏到空间中或者被包层吸收。因此单包层光纤的总损耗实质上是单包层光纤的纤芯损耗，其测量原理是通过技术方法（切断法，插入损耗法，背向散射法等）获得单包层光纤中传导光波总能量的衰减进而得到单包层光纤损耗测量结果。其具体测量方法可以参考《光纤光学-原理与应用》（廖延彪编著，清华大学出版社，2010年9月第一版，225-230页）。以单包层光纤的损耗特性及其测量原理为基础，不仅可以进行大量的单包层光纤损耗测量（熔接损耗，吸收损耗，弯曲损耗，色散损耗等）同时为光纤传感器提供了丰富的原理与素材。相比于单包层光纤，双包层光纤的损耗机理更为复杂：在双包层光纤中，由于纤芯与内包层可以同时独立的传导光波，纤芯的损耗可以通过耦合，泄漏，辐射等方式进入光纤内包层形成稳定的光场继续沿着光纤传播；内包层损耗的主要部分通过泄漏，辐射等方式进入外部空间或者被光纤材料吸收，同时在某些条件下也可以通过耦合的方式进入光纤纤芯传播。这使得双包层光纤的损耗概念包括纤芯损耗，包层损耗，总损耗（双包层光纤纤芯波导与包层波导传导光能量总和的衰减）三个损耗过程，并且纤芯损耗与包层损耗不再与总损耗之间存在明确的对应关系。应用传统单包层光纤的损耗测量方法例如上文中提到的背向散射法，切断法，插入损耗法以及衰减测量法等进行双包层光纤的损耗测量时，其测量的实际结果是双包层光纤的总损耗，而纤芯损耗与包层损耗作为双包层光纤应用中重要的参数在测量过程中被忽略。
一些专利与文献通过对单包层光纤测量方法进行改进可以实现在双包层光纤的测量过程中独立的提取纤芯损耗与包层损耗，但是准确度，精度与灵敏度仍然不理想。例如在NEMI（National ElectronicsManufacturing Initiative）Fiber Optic Splice Improvement Project中，提到了通过探测光纤输出的远场分布曲线实现光纤的损耗探测测量的方法，NEMI通过这种方法进行光纤模式的识别进而判断不同类型光纤的熔接损耗特性。由于这种方法可以通过数值孔径分布与角谱分布还原双包层光纤中的纤芯光场与包层光场，因此我们在实验中通过对比损耗前后光纤输出远场分布曲线可以获得比传统测量方法更丰富的纤芯损耗与包层损耗信息，进而通过计算得到独立的光纤纤芯损耗与包层损耗。但这种方法本质上探测的是纤芯与包层的混合场并且没有对包层光场与纤芯光场进行物理分离，而我们根据光纤传输特性（数值孔径，模式等）进行的计算分离存在一定的误差，例如纤芯的光场的倏逝波本身就在包层内传播；纤芯损耗的一部分通过泄漏，耦合的方式转化为的包层光场仍然具有与纤芯光场十分接近的传播特性（数值孔径，分布特性），这些因素导致分离测量过程的准确性下降，进而导致损耗测量的精确度下降。
发明内容
（一）要解决的技术问题
本发明要解决的技术问题是：提供一种光纤损耗测量系统，能够对被检测光纤的纤芯损耗和包层损耗进行测量，并提高其测量的精确度。
（二）技术方案
为解决上述技术问题，本发明提供了一种光纤损耗测量系统，包括：
激光信号发生器，用于产生激光，并将所述激光注入被检测光纤的纤芯；
光纤输出探测组件，用于将所述被检测光纤的纤芯光场和包层光场分离，并根据所述分离得到的纤芯光场和包层光场测量所述被检测光纤的纤芯损耗和包层损耗。
进一步地，根据所述分离得到的纤芯光场和包层光场测量所述被检测光纤的纤芯损耗和包层损耗包括：
分别对所述纤芯光场和所述包层光场进行测量，对所述测量的结果进行放大、补偿和分析，以得到所述被检测光纤的纤芯损耗和包层损耗。
进一步地，所述光纤输出探测组件包括成像组件、面阵光电探测器以及差动放大电路；
所述成像组件将所述被检测光纤的包层的输出光和所述纤芯的输出光在所述面阵光电探测器上成像，以便在所述面阵光电探测器上形成所述被检测光纤输出光的光斑图像，所述面阵光电探测器根据所述光斑图像分别对所述纤芯光场和所述包层光场进行测量，所述差动放大电路对所述测量的结果进行放大处理。
进一步地，所述光纤输出探测组件包括反射镜、第一光探测器、第二光探测器和差动放大电路；
所述反射镜将所述纤芯的输出光反射至所述第一光探测器，所述第二光探测器接收所述被检测光纤的包层的输出光，所述第一光探测器与所述第二光探测器分别与所述差动放大电路连接，所述差动放大电路对所述第一光探测器以及所述第二光探测器输出的信号进行放大处理。
进一步地，所述光纤输出探测组件还包括光纤夹持器件，用于调整所述被检测光纤的位置。
进一步地，所述光纤输出探测组件包括积分球、光探测器、差动放大电路；
所述积分球用于对所述被检测光纤的包层进行探测，所述光探测器用于对所述纤芯进行探测，所述积分球以及所述光探测器分别与所述差动放大电路相连，所述差动放大电路对所述积分球以及所述光探测器探测的结果进行放大处理。
进一步地，所述光纤输出探测组件包括反向耦合器纤芯连接光纤、反向耦合器包层连接光纤、第一光探测器、第二光探测器和差动放大电路；
所述纤芯的输出光耦合进入所述反向耦合器纤芯连接光纤，所述第一光探测器用于对所述反向耦合器纤芯连接光纤的输出光进行探测，所述被检测光纤的包层的输出光耦合进入所述反向耦合器包层连接光纤，所述第二光探测器用于对所述反向耦合器包层连接光纤的输出光进行探测，所述第一光探测器与所述第二光探测器分别与所述差动放大电路连接，所述差动放大电路对所述第一光探测器以及所述第二光探测器输出的信号进行放大处理。
（三）有益效果
本发明通过将所述被检测光纤的纤芯光场和包层光场分离，从而可以对被检测光纤的纤芯损耗和包层损耗进行测量，并且还能提高其测量的精确度。
附图说明
图1是现有技术提供的双包层光纤结构的示意图；
图2是本发明实施方式提供的一种光纤损耗测量系统的结构图；
图3是本发明实施方式提供的一种光纤输出探测组件的结构图；
图4是本发明实施方式提供的另一种光纤输出探测组件的结构图；
图5是本发明实施方式提供的又一种光纤输出探测组件的结构图；
图6是本发明实施方式提供的再一种光纤输出探测组件的结构图；
图7是本发明实施方式提供的又一种光纤损耗测量系统的结构图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。
图2是本发明实施方式提供的一种光纤损耗测量系统的结构图，包括：
激光信号发生器101，用于产生激光，并将所述激光注入被检测光纤103的纤芯；
光纤输出探测组件102，用于将所述被检测光纤103的纤芯光场和包层光场分离，并根据所述分离得到的纤芯光场和包层光场测量所述被检测光纤的纤芯损耗和包层损耗。
其中，该被检测光纤包括纤芯和包层，根据所述分离得到的纤芯光场和包层光场测量所述被检测光纤的纤芯损耗和包层损耗包括：
分别对所述纤芯光场和所述包层光场进行测量，对所述测量的结果进行放大、补偿和分析，以得到所述被检测光纤的纤芯损耗和包层损耗。
本发明实施方式提供的光纤损耗测量系统，通过将所述被检测光纤的纤芯光场和包层光场分离，从而可以对被检测光纤的纤芯损耗和包层损耗进行测量，并且还能提高其测量的精确度。
其中，参见图3，图3是本发明实施方式提供的一种光纤输出探测组件的结构图，该光纤输出探测组件包括成像组件18、面阵光电探测器21以及差动放大电路37；
所述成像组件18将所述被检测光纤的包层的输出光17和所述纤芯的输出光16在所述面阵光电探测器21上成像，以便在所述面阵光电探测器21上形成所述被检测光纤输出光的光斑图像，所述面阵光电探测器21根据所述光斑图像分别对所述纤芯光场和所述包层光场进行测量，所述差动放大电路37对所述测量的结果进行放大处理。具体地，该光纤输出探测组件基于光电成像法分离双包层光纤能量场，该被检测光纤为双包层光纤，包括纤芯13，内包层14，涂覆层15，光纤输出光分为纤芯的输出光16与包层的输出光17，其具有不同的数值孔径与模式组成。并且，在面阵光电探测器21处的光纤输出光所成的像是纤芯的输出光16与包层的输出光17的叠加。成像组件18是应用于双包层光纤光斑成像，例如，对于较低的能量（功率）水平，可以采用聚焦透镜组将纤芯的输出光16与包层的输出光17汇聚到面阵光电探测器21上，对于较高能量（功率）水平，可以采用衰减后照射漫反射屏幕成像的方法被面阵光电探测器21探测。通过成像组件18，在面阵光电探测器21上形成光纤输出光的光斑，其中，面阵光电探测器21的主要参数包括：模数转换精度，像元尺寸以像素数。为了实现超高精度的探测，我们的探测设备中选择CCD成像器件的模数转换精度为12bit，其单个像元的强度分辨能力达到1/4096，满足超高精度探测的要求。像元尺寸与分辨率共同决定了在指定的探测范围内所得到的探测光场与原光场的差距。像元尺寸越小，像素数越高，所得单的探测光场越接近原光场，测量结果的误差越小。
根据被测光纤的尺寸，工作波长等信息，通过图像处理与滤除噪声处理，获得包含光纤纤芯的输出光16与包层的输出光17的强度分布叠加图像。根据光纤纤芯数值孔径，模式组成，包层光分布曲线成等信息通过软件算法对探测得到的光场进行分解，得到独立的纤芯光场与包层光场强度分布探测结果。
以上述方法进行的损耗探测过程需要分别探测损耗前光场与损耗后光场。对两组测量结果中的纤芯光与包层光进行进行差动检测，提高测试灵敏度。同时，该方法可以获得光纤由损耗前向损耗后的变化过程。为损耗分析提供了充足的数据。此外，该分离方法可以保证双包层光纤的纤芯13，内包层14，涂覆层15不受损伤。优选地，该光纤输出探测组件还包括光纤夹持器件11，用于调整所述被检测光纤的位置，实现光纤横向微调与俯仰微调，以保证光纤输出光（纤芯光，包层光）全部被面阵光电探测器21所接收。
图4是本发明实施方式提供的另一种光纤输出探测组件的结构图，包括反射镜22、第一光探测器231、第二光探测器232和差动放大电路38；
所述反射镜22将所述纤芯的输出光反射至所述第一光探测器231，所述第二光探测器232接收所述被检测光纤的包层的输出光，所述第一光探测器231与所述第二光探测器232分别与所述差动放大电路38连接，所述差动放大电路38对所述第一光探测器231以及所述第二光探测器232输出的信号进行放大处理。具体地，该光纤输出探测组件基于反射法分离双包层光纤能量场，第一光探测器231以及所述第二光探测器232分别对纤芯光与包层光进行探测。但是，被反射镜22遮挡的部分同时会反射一部分包层光，并且光纤纤芯模式同时含有一部分包层场，互相之间的交叠很难通过反射的方式简单的分离，因此，这种分离方法适用于单模双包层光纤，可以根据光纤基模的模式分布通过计算估算其中的纤芯光比例与包层光比例，差分后放大获得多包层光纤在线传感检测结果。优选地，该光纤输出探测组件还包括光纤夹持器件，用于调整所述被检测光纤的位置，实现光纤横向微调与俯仰微调，以保证光纤纤芯的输出光正好被反射镜22完全遮挡反射
图5是本发明实施方式提供的又一种光纤输出探测组件的结构图，包括积分球25、光探测器27、差动放大电路39；所述积分球25用于对所述被检测光纤的包层进行探测，所述光探测器用于对所述纤芯进行探测，所述积分球25以及所述光探测器27分别与所述差动放大电路39相连，所述差动放大电路39对所述积分球25以及所述光探测器27探测的结果进行放大处理。具体地，该光纤输出探测组件基于包层泄露原理分离双包层光纤能量场，首先对双包层光纤内包层表面24进行包层泄露处理，处理方法包括折射率匹配，包层表面腐蚀，包层微刻槽等技术手段，这种处理方法的目的是使包层内传输的光能量通过经过处理的内包层表面24泄露的空间中，使双包层光纤中只有纤芯能够传导光能量，纤芯的输出光26与包层泄露掉的光能量分别被探测器27与积分球25接收，分别获得独立的纤芯场与包层场的能量探测结果。经过差动放大获得双包层光纤在线传感检测结果。
图6是本发明实施方式提供的再一种光纤输出探测组件的结构图，包括反向耦合器纤芯连接光纤30、反向耦合器包层连接光纤29、第一光探测器311、第二光探测器312和差动放大电路40；
所述纤芯的输出光耦合进入所述反向耦合器纤芯连接光纤30，所述第一光探测器311用于对所述反向耦合器纤芯连接光纤30的输出光进行探测，所述被检测光纤的包层的输出光耦合进入所述反向耦合器包层连接光纤29，所述第二光探测器312用于对所述反向耦合器包层连接光纤29的输出光进行探测，所述第一光探测器311与所述第二光探测器312分别与所述差动放大电路40连接，所述差动放大电路40对所述第一光探测器311以及所述第二光探测器312输出的信号进行放大处理。该光纤输出探测组件基于反向耦合器分离多包层光纤能量场，双包层光纤28与反向耦合器纤芯连接光纤30、反向耦合器包层连接光纤29通过端面熔接的方式连接，构成反向耦合器结构。光纤纤芯传出的光能量耦合进反向耦合器纤芯连接光纤30传播，包层光能量耦合进反向耦合器包层连接光纤29传播。通过第一光探测器311、第二光探测器312对反向耦合器纤芯连接光纤30、反向耦合器包层连接光纤29传输的能量进行探测，从而获得独立的纤芯场与包层场的能量探测结果，再经过差动放大获得双包层光纤在线传感检测结果。
本发明实施方式中，该被检测光纤可以为多包层光纤，包括具有两个或两个以上包层的普通光纤，两个或两个以上包层的保偏光纤，两个或两个以上包层的掺杂光纤以及具有两个或两个以上包层特征的其他光纤。
参见图7，图7是本发明实施方式提供的又一种光纤损耗测量系统的结构图，包括激光信号发生器32和光纤输出探测组件36，其中，该光纤输出探测组件36可以是上述光纤输出探测组件的任意一种，激光信号发生器32产生稳定的激光功率注入被测光纤33的纤芯，其中，激光信号发生器注入被测光纤的效果（纤芯与包层能量比例）是进行了单独标定的。被测光纤33与被测光纤35通过熔接连接形成熔接点34。被测光纤35的自由端被夹持在光纤夹持组件上。光纤输出探测组件36可以是上述4中装置的任意一种或组合。该装置可以实现被测光纤33与被测光纤35的任意形式的损耗检测。
本发明实施方式提供的光纤损耗测量系统，通过分离被测光纤的包层能量（功率）与纤芯能量（功率），并且对其强度，分布进行测量，通过对测量结果进行放大，补偿与分析，实现多包层光纤纤芯损耗与包层损耗的测量过程。其中，分离被测光纤的包层能量（功率）与纤芯能量（功率），这种分离过程包括直接物理分离以及软件计算分离等分离方法。被测光纤的包层能量（功率）与光纤纤芯的能量（功率），包括不同形式，不同波长的脉冲光，连续光，准连续光的能量，功率，平均功率。测量的过程可以采用已知的光强分布测量，角谱分布测量，模式分布测量，数值孔径分布测量，波前测量以及其他获得光场分布的测量方法。对测量结果进行放大，其目的在于提升测量的分辨率与灵敏度，具体可以采用模拟放大，数字放大，差分放大等方法，该差分放大包括纤芯光场与包层光场的差分放大，纤芯损耗光场与包层损耗光场的差分放大，纤芯光场损耗前与损耗后的差分放大，包层光场损耗前与损耗后的差分放大以及纤芯，包层光场损耗前后的混合差分放大。其中，分析的过程包括针对光纤的强度，分布，模式所进行的滤波，分解，组合，拟合等过程，此外，本发明实施方式中，对于与多包层光纤损耗的测量，可以包括纤芯熔接损耗，包层损耗测量，总损耗测量以及反映纤芯熔接损耗，包层损耗测量，总损耗实时变化的动态在线测量。
本发明实施方式提供的光纤损耗测量系统，通过精确的分离纤芯光场与包层光场，并且对两者进行独立的探测，并基于光纤纤芯光场与光纤包层光场的探测结果进行模拟放大，数字放大，差分放大，使得探测的灵敏度大幅提升，并且通过差分放大过程可以更准确的捕捉光纤损耗光在纤芯以及包层之间的转移，此外，基于独立的光纤纤芯与包层光场的探测结果互为补偿，可以降低探测过程对信号源与能量（功率）探测器件稳定度的依赖程度，大幅降低探测不稳定性与误差，在上述探测结果的基础上，实现对多包层光纤状态的连续在线检测，获得多包层光纤物理特性的在线反馈；实现了多包层光纤纤芯光场与包层光场独立、准确、灵敏的测量分析。
以上实施方式仅用于说明本发明，而并非对本发明的限制，有关技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，还可以做出各种变化和变型，因此所有等同的技术方案也属于本发明的范畴，本发明的专利保护范围应由权利要求限定。
Claims (7)
1.一种光纤损耗测量系统，其特征在于，包括：
激光信号发生器，用于产生激光，并将所述激光注入被检测光纤的纤芯；
光纤输出探测组件，用于将所述被检测光纤的纤芯光场和包层光场分离，并根据所述分离得到的纤芯光场和包层光场测量所述被检测光纤的纤芯损耗和包层损耗。
2.根据权利要求1所述的光纤损耗测量系统，其特征在于，根据所述分离得到的纤芯光场和包层光场测量所述被检测光纤的纤芯损耗和包层损耗包括：
分别对所述纤芯光场和所述包层光场进行测量，对所述测量的结果进行放大、补偿和分析，以得到所述被检测光纤的纤芯损耗和包层损耗。
3.根据权利要求1所述的光纤损耗测量系统，其特征在于，所述光纤输出探测组件包括成像组件、面阵光电探测器以及差动放大电路；
所述成像组件将所述被检测光纤的包层的输出光和所述纤芯的输出光在所述面阵光电探测器上成像，以便在所述面阵光电探测器上形成所述被检测光纤输出光的光斑图像，所述面阵光电探测器根据所述光斑图像分别对所述纤芯光场和所述包层光场进行测量，所述差动放大电路对所述测量的结果进行放大处理。
4.根据权利要求1所述的光纤损耗测量系统，其特征在于，所述光纤输出探测组件包括反射镜、第一光探测器、第二光探测器和差动放大电路；
所述反射镜将所述纤芯的输出光反射至所述第一光探测器，所述第二光探测器接收所述被检测光纤的包层的输出光，所述第一光探测器与所述第二光探测器分别与所述差动放大电路连接，所述差动放大电路对所述第一光探测器以及所述第二光探测器输出的信号进行放大处理。
5.根据权利要求3或4所述的光纤损耗测量系统，其特征在于，所述光纤输出探测组件还包括光纤夹持器件，用于调整所述被检测光纤的位置。
6.根据权利要求1所述的光纤损耗测量系统，其特征在于，所述光纤输出探测组件包括积分球、光探测器、差动放大电路；
所述积分球用于对所述被检测光纤的包层进行探测，所述光探测器用于对所述纤芯进行探测，所述积分球以及所述光探测器分别与所述差动放大电路相连，所述差动放大电路对所述积分球以及所述光探测器探测的结果进行放大处理。
7.根据权利要求1所述的光纤损耗测量系统，其特征在于，所述光纤输出探测组件包括反向耦合器纤芯连接光纤、反向耦合器包层连接光纤、第一光探测器、第二光探测器和差动放大电路；
所述纤芯的输出光耦合进入所述反向耦合器纤芯连接光纤，所述第一光探测器用于对所述反向耦合器纤芯连接光纤的输出光进行探测，所述被检测光纤的包层的输出光耦合进入所述反向耦合器包层连接光纤，所述第二光探测器用于对所述反向耦合器包层连接光纤的输出光进行探测，所述第一光探测器与所述第二光探测器分别与所述差动放大电路连接，所述差动放大电路对所述第一光探测器以及所述第二光探测器输出的信号进行放大处理。
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