CN103913298A - 一种测量高非线性光纤Verdet常数的装置和方法 - Google Patents

Abstract

该发明公开了一种测量高非线性光纤Verdet常数的装置和方法，属于光纤通信和光纤传感技术领域，特别是基于光纤非线性效应和磁光效应的新型光子信息处理技术。该发明利用光纤的非线性系数计算光纤的Verdet常数，采用锁模光纤激光器产生光脉冲，光脉冲依次通过偏振控制器、掺铒光纤放大器、带通滤波器、衰减器获得适当的高功率光脉冲信号，利用光谱仪测得输入光纤前光脉冲的初始均方根谱宽和通过光纤后的最大均方根谱宽，计算出该光纤非线性系数；再在光纤上加磁场，采用相同的方法计算出加磁场后光纤的非线性系数，通过两次光纤的非线性系数计算出Verdet常数。从而具有准确、快速测量光纤的Verdet常数及操作简便的效果。

Description

一种测量高非线性光纤Verdet常数的装置和方法

技术领域：

本发明属于光纤通信和光纤传感技术领域，特别是基于光纤非线性效应和磁光效应的新型光子信息处理技术。

背景技术：

随着人们对信息需求的不断增长，光纤通信等新技术取得了快速的发展，全光信息处理技术成为人们研究的一个热点，其中磁光效应与光纤非线性效应相结合的智能光控光技术受到越来越多的关注。在一些微波和光学领域，磁光效应器件已经得到了较广泛的应用，如磁光调制器、光学隔离器、微波磁光器件以及光纤电流传感器等。Verdet常数是表征磁光材料特性的重要参数，影响磁光器件的磁控偏置特性和磁场传感器灵敏度。近年来如YIG等一些具有较大Verdet常数的磁光材料被发现，更激发了人们对磁光器件的关注。

早在1968年，人们已经采用连续的可见光谱来测量法拉第旋转角。目前，利用磁光法拉第效应可以测量磁光晶体、薄膜、液体等多种物质形态的Verdet常数，但光纤的Verdet常数测量关注得相对较少。测量磁光材料Verdet常数的传统方法如图1，激光器产生光脉冲，然后光脉冲依次经过起偏器、待测材料、检偏器到达光功率计，待测材料两端设置有两个环形电磁铁。在未加磁场时通过调节检偏器，使得检偏器和起偏器的偏振方向正交，此时功率计检测到的功率最小，记录检偏器的角度θ₁；然后打开直流电源，给待测材料施加稳定的轴向磁场，再次调节检偏器的偏振方向，使光功率计检测到的功率最小，读取检偏器的角度θ₂；则待测材料在该磁场下的法拉第旋转角为θ=|θ₂-θ₁|，再根据θ=VBL，其中B为磁感应强度，L为磁光材料长度，可以得到Verdet常数V。

采用传统方法测材料的Verdet常数时需要对光偏振态有较高的要求，和一般的磁光晶体等相比，光纤往往具有较长的长度以及固有双折射、随机双折射等，这些都让偏振态的变化比较复杂难以准确测量。

发明内容：

本发明的目的是针对背景技术的不足改进设计一种测量高非线性光纤Verdet常数的装置和方法，达到利用光纤非线性效应准确、快速的测量光纤的Verdet常数及操作简便的目的。

本发明的技术方案是利用光纤的非线性系数计算光纤的Verdet常数，采用锁模光纤激光器产生光脉冲，光脉冲依次通过偏振控制器、掺铒光纤放大器（EDFA）1、带通滤波器1、掺铒光纤放大器2、带通滤波器2、衰减器获得适当的高功率光脉冲信号，利用光谱仪测得输入光纤前光脉冲的初始均方根谱宽和通过光纤后的最大均方根谱宽，计算出该光纤非线性系数；再在光纤上加磁场，采用相同的方法计算出加磁场后光纤的非线性系数，通过两次光纤的非线性系数计算出Verdet常数，从而实现发明目的。

因此本发明装置包括：脉冲信号发生单元、待测光纤单元、接收测试单元以及数据处理单元四个部分，接收测试单元与数据处理单元相连，其特征在于脉冲信号发生单元包括：锁模光纤激光器、偏振控制器、掺铒光纤放大器1、带通滤波器1、掺铒光纤放大器2、带通滤波器2、衰减器，由锁模光纤激光器产生的高斯光脉冲依次通过偏振控制器、掺铒光纤放大器1、带通滤波器1、掺铒光纤放大器2、带通滤波器2、衰减器输出适当的高功率光脉冲信号，各元件之间通过光纤连接；

待测光纤单元包括：待测高非线性光纤、螺绕环、高斯计、直流电源，其中高非线性光纤从螺绕环中穿过，磁场大小可通过直流电源调节，利用高斯计测量磁场大小，待测高非线性光纤与脉冲信号发生单元的衰减器连接；

接收测试单元包括光谱仪、光功率计，用于获取待测高非线性光纤的输入、输出的光脉冲频谱、峰值功率；

数据处理单元是从输入或输出光谱信息中找出最大的非线性系数，并对光纤Verdet常数进行计算。

一种用于测量高非线性光纤Verdet常数装置的方法,该方法包括：

步骤1.调试各个单元的工作状态；

步骤2.设置锁模光纤激光器产生中心波长为λ的高斯光脉冲，光脉冲通过偏振控制器调整偏振态，然后经过掺铒光纤放大器、带通滤波器、衰减器获得适当的高功率光脉冲；

步骤3.用光谱仪测量高非线性光纤的输入光脉冲光谱，测得输入脉冲的峰值功率P₀并由数据处理单元计算光脉冲频谱的初始均方根谱宽△ω₀；

步骤4.通过偏振控制器调整导波光的偏振态，利用光谱仪获取从高非线性光纤输出的光脉冲光谱，并由数据处理单元计算出最大的均方根谱宽△ω_rms；

步骤5.根据公式：

$\mathrm{\γ}=\sqrt{\frac{3\sqrt{3}}{4}({\left(\frac{{\mathrm{\Δ\ω}}_{\mathrm{rms}}}{{\mathrm{\Δ\ω}}_0}\right)}^2-1)}\·\frac{\mathrm{\α}}{\left({1-e}^{-\mathrm{\αL}}\right)P_0}$

计算光纤的非线性系数γ；

其中P₀为输入脉冲的峰值功率，α为光纤的损耗系数，L为光纤长度；

步骤6.打开驱动螺绕环的直流电源，用高斯计测得光纤中磁感应强度为B（单位T），重复步骤4和5，可测得加载磁场时光纤的等效非线性系数γ^*；

步骤7.根据公式

$V=\frac{2\mathrm{\η}}{(1-{\mathrm{\η}}^2)}\·\frac{\mathrm{\Δn}\·\mathrm{\π}}{\mathrm{B\λ}}$

计算待测光纤在波长λ处的Verdet常数，

其中△n为光纤的线双折射参量；

步骤8.改变输入到光纤的导波光脉冲波长，重复上述过程可获得高非线性光纤Verdet常数的波长依赖关系V(λ)。

本发明提供了一种测量高非线性光纤Verdet常数的装置和方法，该方法利用光纤的非线性效应测量光纤的Verdet常数，避免了测量光脉冲偏正方向带来的误差，从而具有准确、快速的测量光纤的Verdet常数及操作简便的效果。

附图说明：

图1为测磁光材料Verdet常数的传统方法示意图；

图2为高非线性光纤Verdet常数测量系统示意图；

图3为输入脉冲光谱示意图；

图4为无磁场时输出脉冲光谱示意图；

图5为磁场200Gs时输出脉冲光谱示意图。

具体实施方式：

如图2所示的高非线性光纤Verdet常数测量系统，已知的高非线性光纤参数如表1所示。首先，按照图2所示放置并采用光纤连接好各光学器件。其中，锁模激光器为美国CARMAR公司生产的MLL PST-10-TT，经普通的三环偏振控制器后可控制改变光脉冲的偏振态，再经过两级天津俊峰生产的EDFA、日本Santec公司生产的OTF-350带通滤波器后得到高功率的高斯脉冲，利用衰减器OLA-55适当控制其光功率，输出的光脉冲经光纤进入待测光纤单元。在该单元中，利用开关直流电源WY190-8给缠绕在待测光纤上的螺绕环通电，螺绕环产生沿着光纤轴向的磁场，而数字式高斯计为上海复旦天欣的FD-GSM-A，该高斯计测得螺绕环内的磁感应强度，通过改变直流电源输出大小可以改变磁场大小。脉冲信号发生单元的输出高功率光脉冲经光纤进入待测光纤发生非线性效应，采用日本横河的光谱仪AQ6370-C和光功率计TAM8701可以得到脉冲进入待测光纤单元前后的光谱及输入脉冲的功率。光谱仪通过通用接口总线GPIB连接的计算机，计算得到均方根谱宽。

连接好测量系统后，检查仪器是否工作正常。关掉直流电源，调节锁模激光器输出的高斯脉冲载波频率到1550nm，通过偏振控制器调节脉冲的偏振态。

然后，按上述测量步骤依次测得输入纤高斯光脉冲的频谱（如图3所示）、不加载磁场时高非线性光纤输出的最大展宽高斯光脉冲频谱（如图4所示），由此可计算出最大的非线性系数为γ=11.997W^-1/km；打开螺绕环的驱动直流电源，调节电流光纤使光纤轴向磁感应强度为200Gs，此时测得的输出的最大展宽高斯光脉冲频谱如图5所示，对应于本征偏振态情形，其非线性系数γ^*=11.225W^-1/km。

最后，根据根据公式

$V=\frac{2\mathrm{\η}}{(1-{\mathrm{\η}}^2)}\·\frac{\mathrm{\Δn}\·\mathrm{\π}}{\mathrm{B\λ}}$

计算待测光纤在波长λ处的Verdet常数，

其中△n为光纤的线双折射参量；

可以得到该高非线性光纤在1550nm处的Verdet常数约为4.96rad/m/T。

可见，本发明的测量方法是在光纤非线性效应基础上结合了高非线性光纤中的磁光效应实现的，它能够帮助科研人员在开展光纤非线性研究的同时还能获得高非线性光纤的Verdet常数，可为基于磁光非线性的光信息处理器件设计提供重要参考，也为实现光纤磁场传感器提供了创新方法。

表1高非线性光纤相关参数

Claims (2)

1.一种测量高非线性光纤Verdet常数的装置，该装置包括：脉冲信号发生单元、待测光纤单元、接收测试单元以及数据处理单元四个部分，接收测试单元与数据处理单元相连，其特征在于脉冲信号发生单元包括：锁模光纤激光器、偏振控制器、掺铒光纤放大器1、带通滤波器1、掺铒光纤放大器2、带通滤波器2、衰减器，由锁模光纤激光器产生的高斯光脉冲依次通过偏振控制器、掺铒光纤放大器1、带通滤波器1、掺铒光纤放大器2、带通滤波器2、衰减器输出适当的高功率光脉冲信号，各元件之间通过光纤连接；待测光纤单元包括：待测高非线性光纤、螺绕环、高斯计、直流电源，其中高非线性光纤从螺绕环中穿过，磁场大小可通过直流电源调节，利用高斯计测量磁场大小，待测高非线性光纤与脉冲信号发生单元的衰减器连接；接收测试单元包括光谱仪、光功率计，用于获取待测高非线性光纤的输入、输出的光脉冲频谱、峰值功率；数据处理单元是从输入或输出光谱信息中找出最大的非线性系数，并对光纤Verdet常数进行计算。

2.一种用于测量高非线性光纤Verdet常数装置的测量方法,该方法包括：

步骤1.调试各个单元的工作状态；

步骤2.设置锁模光纤激光器产生中心波长为λ的高斯光脉冲，光脉冲通过偏振控制器调整偏振态，然后经过掺铒光纤放大器、带通滤波器、衰减器获得适当的高功率光脉冲；

步骤3.用光谱仪测量高非线性光纤的输入光脉冲光谱，测得输入脉冲的峰值功率P₀并由数据处理单元计算光脉冲频谱的初始均方根谱宽△ω₀；

步骤4.通过偏振控制器调整导波光的偏振态，利用光谱仪获取从高非线性光纤输出的光脉冲光谱，并由数据处理单元计算出最大的均方根谱宽△ω_rms；

步骤5.根据公式：

$\mathrm{\γ}=\sqrt{\frac{3\sqrt{3}}{4}({\left(\frac{{\mathrm{\Δ\ω}}_{\mathrm{rms}}}{{\mathrm{\Δ\ω}}_0}\right)}^2-1)}\·\frac{\mathrm{\α}}{\left({1-e}^{-\mathrm{\αL}}\right)P_0}$

计算光纤的非线性系数γ；

其中P₀为输入脉冲的峰值功率，α为光纤的损耗系数，L为光纤长度；

步骤6.打开驱动螺绕环的直流电源，用高斯计测得光纤中磁感应强度为B（单位T），重复步骤4和5，可测得加载磁场时光纤的等效非线性系数γ^*；

步骤7.根据公式

$V=\frac{2\mathrm{\η}}{(1-{\mathrm{\η}}^2)}\·\frac{\mathrm{\Δn}\·\mathrm{\π}}{\mathrm{B\λ}}$

计算待测光纤在波长λ处的Verdet常数，

其中△n为光纤的线双折射参量；

步骤8.改变输入到光纤的导波光脉冲波长，重复上述过程可获得高非线性光纤Verdet常数的波长依赖关系V(λ)。