CN104198158A - 一种光纤延迟量的温度特性的测量装置及测量方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种光纤延迟量的温度特性的测量装置及测量方法，属于光纤领域。其测量方法包括提供测量装置，将光源发出的光脉冲光经分路器等额分成两路光，第一路通过待测光纤，第二路通过参考光纤，通过两根光纤的光分别经过各自连接的光电转换器后进入示波器，示波器自动将两根光纤的延迟量相减后得到某一温度下待测光纤与参考光纤的延迟量差。改变待测光纤的环境温度，重复上述过程，从而为待测光纤的延迟量随温度的稳定性给出了定量的判据。本方法测量结果精确可靠，同时采用参考光纤与待测光纤大致等长的措施以及光源功率平均分配至两根光纤使得最终示波器中的信号值幅度大致相等，最大程度提高了读数的精度。
Description
技术领域
本发明涉及一种光纤延迟量的温度特性的测量装置及测量方法，属于光纤技术领域。
技术背景
光纤延迟线由于具有延迟范围宽、延迟精度高、可靠性高、偏振相关损耗低、插入损耗低及结构紧凑等优点而在多个领域得到广泛应用，例如光纤延迟线作为光信号延迟器件应用于信号处理、雷达等领域中。
在机载雷达系统中，光纤延迟线是核心元件之一，与雷达探测系统配套使用，将雷达接收到的信号准时分配给各接收器进行同步分析处理。目前的问题在于，用常规光纤制作成的延迟线在试验中发现，随着环境温度的变化(例如-55℃～85℃)，高频微波信号的延迟量出现了较为明显的变化，严重影响了后期信号的同步性，使得信号处理效果大为降低，甚至导致系统无法正常工作。
为提高雷达探测系统的性能，用于制作延迟线的光纤应具备较好的温度特性，即光纤的延迟量随温度的变化而变化得不显著，这就涉及到测量光纤延迟量的温度特性。
目前常见的光纤延迟线延迟量的测量方法主要包括光学测量法与电测量法两种。其中光学测量主要可分为低相干测量法和相干测量法，这两种测量法的区别在于采用光源的相干性不同，其基本结构主要是常用的各种光学干涉仪，例如在相干测量法中，基于迈克尔逊干涉仪的有光频域反射、光相干域反射、光低相干反射和全光纤任意反射面速度干涉系统。电测量法则需要具有光-电转换功能的光纤延迟线组件，并由示波器或者矢量网络分析仪测试结果。光学测量法的优点是精度较高，缺点是常需要搭建光路要求较高的光学测试平台，对测试操作及测试环境要求较为苛刻。电测量法的优点是测试搭建相对简单，易于操作，但若要获得分辨率较高的延迟量，必须具备高速采样的示波器，往往这类示波器价格高昂，增加测试成本，且测得的延迟量包含了光-电转换及其它接口产生的附加延迟量，致使测试结果准确度不够。
发明内容
针对上述现有技术存在的问题，本发明所要解决的技术问题在于提供一种准确、可简便操作的光纤延迟量的温度特性的测量装置。
本发明另一个要解决的问题利用上述测量装置进行的光纤延迟量的温度 特性的测量方法，该测量方法是基于同一测量装置条件下不同温度下延迟量的变化量，可排除光-电转换及其它组件、接口产生的附加延迟量，测量方法准确度高，并且对示波器的采样频率要求不太高，可有效降低测试成本。
为解决上述技术问题，本发明的技术方案是这样实现的：一种光纤延迟量的温度特性的测量装置，包括光源、1×2分路器、待测光纤、参考光纤、温度箱、光电转换器以及示波器；所述待测光纤置于温度箱内，其两端伸出，所述光源与1×2分路器输入端相连，所述1×2分路器输出纤分别与待测光纤和参考光纤相连，所述待测光纤和参考光纤的另一端分别与两个光电转换器相连，所述两个光电转换器的电信号输出至的示波器上，所述1×2分路器为等额分配。
进一步地，所述示波器为数字示波器。
进一步地，所述示波器为自带测量功能从波形上获取光纤延迟量。
进一步地，所述参考光纤置于室温环境中。
进一步地，所述温度箱的设定温度范围为待测光纤的工作温度范围-55℃～85℃。
进一步地，所述待测光纤与参考光纤波导结构与长度大致相等。
一种光纤延迟量的温度特性的测量方法，该测量方法包含下述步骤：
(1)提供上述光纤延迟量的温度特性的测量装置；
(2)将待测光纤放入温度箱内，且待测光纤两端伸出温度箱，待测光纤两端分别与一1×2分路器及光电转换器连接，将参考光纤置于室温环境中，所述参考光纤两端分别与1×2分路器的另一端及另一光电转换器连接；所述待测光纤与参考光纤波导结构与长度大致相等，所述温度箱的设定温度范围为待测光纤的工作温度范围；
(3)开启温度箱并设定所需温度T1，待温度箱的温度达到T1时将光源、光电转换器与示波器开启并采集延迟数据，设定光源的输出波长、输出功率，调节示波器的显示精度以最大程度保证延迟量读数的精度；观察待测光纤的延迟量数值，当该数值稳定后测得待测光纤延迟量测量值，记为j1，与参考光纤延迟量测量值，记为k1，计算出温度T1时待测光纤与参考光纤的延迟量差值的延迟量差t1，t1＝j1－k1；
(4)将待测光纤的温度箱的温度设置为T2，待测光纤新的延迟量稳定后，测得待测光纤延迟量测量值，记为j2，与参考光纤延迟量测量值，记为k2，计算出温度T2时待测光纤与参考光纤的延迟量差值的延迟量差t2，t2＝j2－k2；
(5)计算延迟变化量＝(t2－t1)/(L×ΔT)，L为待测光纤长度，ΔT为温度变化值T1－T2。
进一步地，所述待测光纤延迟量变化量表征的是利用上述方法得出的对应温度区间的平均值。
本发明的有益效果：本发明无需测量光纤的绝对延迟量，只需测得延迟量的变化量，从而有效扣除了测试系统在光-电转换环节及各接口或接头产生的附加延迟量，提高测试结果的准确性。
加之采用参考光纤与待测光纤波导结构与长度相近，可最大程度地提高测量系统的信号读取分辨率。
本测量装置及测量方法操作简单，精度较高，可测量用于射电望远镜、卫星跟踪站以及相控雷达阵等系统的延迟线光纤的温度特性，以保障系统的信号接收、处理的准确性与可靠性。
上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，而可依照说明书的内容予以实施，并且为了让本发明的上述和其他目的、特征和优点能够更明显易懂，以下特举较佳实施例，并配合附图，详细说明如下。
附图说明
图1为本发明测量装置的结构示意图。
图2为本发明示波器测量延迟量的测量界面示意图。
图3为两种光纤的延迟量温度特性测量结果。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步详细说明。
如图1所示，本发明一种光纤延迟量的温度特性的测量装置，包括光源1、1×2分路器2、待测光纤3、参考光纤4、温度箱5、光电转换器6、光电转换器7以及数字示波器8。
所述光源1用于产生脉冲光信号；所述待测光纤3置于温度箱5内，其两端伸出，参考光纤4置于室温环境中，所述光源1与1×2分路器2输入端相连，所述1×2分路器的输出纤分别待测光纤3和参考光纤4相连，所述待测光纤3和参考光纤4的另一端分别与光电转换器6和光电转换器7相连，两个光电转换器的电信号输出至示波器8上，用于测得脉冲电信号的延迟量差。1×2分路器2为等功 率分配，所述光电转换器6和光电转换器7用于将脉冲光信号转换成脉冲电信号。
所述示波器8为数字示波器，该数字示波器可以采用自带测量功能从波形上获取光纤延迟量。所述温度箱5的设定温度范围为待测光纤的工作温度范围-55℃～85℃。
本发明选择的待测光纤长度既保证常用采集频率的示波器的时间轴分辨率能够胜任要求，又保证光源发出的脉冲信号不因经过光纤后衰减严重而难以被示波器精确测量。
本发明光纤延迟量温度特性的测量方法包括下述步骤：
(1)提供上述的光纤延迟量的温度特性的测量装置；
(2)将待测光纤放入温度箱5内，且待测光纤3两端伸出温度箱5并分别与一1×2分路器2及光电转换器6连接，将参考光纤4置于室温环境中，所述参考光纤4两端分别与1×2分路器2的另一端及另一光电转换器7连接；所述待测光纤3与参考光纤4波导结构与长度大致相等，所述温度箱5的设定温度范围为待测光纤的工作温度范围；
(3)开启温度箱并设定所需温度T1，待温度箱的温度达到T1时将光源、光电转换器与示波器开启并采集延迟数据，设定光源的输出波长、输出功率，调节示波器的显示精度以最大程度保证延迟量读数的精度；观察待测光纤的延迟量数值，当该数值稳定后测得待测光纤延迟量测量值，记为j1，与参考光纤延迟量测量值，记为k1，计算出温度T1时待测光纤与参考光纤的延迟量差值的延迟量差t1，t1＝j1－k1；
(4)将待测光纤3的温度箱的温度设置为T2，待测光纤新的延迟量稳定后，测得待测光纤延迟量测量值，记为j2，与参考光纤延迟量测量值，记为k2，计算出温度T2时待测光纤与参考光纤的延迟量差值的延迟量差t2，t2＝j2－k2；
(5)计算延迟变化量＝(t2－t1)/(L×ΔT)，L为待测光纤长度，ΔT为温度变化值T1－T2。
由此可以得出相应单位长度光纤在T1与T2温度区间内单位温度的延迟变化量，通常以ps/km/℃作为单位。重复上述步骤，测量更多的温度点，绘制成光纤曲线，测量点越多，曲线越平滑，从而得到分辨率更高的延迟量温度特性。
下面以具体光纤示例说明：
(一)G.652光纤延迟量的温度特性的测量方法步骤如下：
步骤1：将一台1310nm/1550nm双波长光源1与一个等功率分配1×2分路器2相连，分路器2的两个输出纤分别与一根长10.03km的G.652待测光纤3及一根长10.05km的G.652参考光纤4通过 FC插针相连，其中待测光纤3位于温度箱5内，参考光纤4置于室温环境中。待测光纤3与参考光纤4的另一端分别与1550nm光电转换器6与1550nm光电转换器7相连，光电转换器6的电信号输出至带宽8Gbs的示波器8的通道1，光电转换器7的电信号输出至同一示波器8的通道2。
步骤2：启动温度箱5，并将温度T1设定为-55℃。待温度箱5的温度达到-55℃时将光源1、光电转换器6、光电转换器7与示波器8开启并采集延迟数据。设定光源1输出光波长为1550nm，输出光峰值功率为5dBm，脉宽10ns。设定示波器8的横轴为时间轴的显示精度为20ns/div，纵轴为电压的显示精度为20mV/div，使得示波器测量界面上被测光纤3与参考光纤4的脉冲波形在屏幕上完整显示且尽量占据满屏幕。利用示波器的测量功能测得待测光纤3与参考光纤4的延迟量差值t1为97ns，如图2所示，则-55℃时待测光纤3与参考光纤4的延迟量差值为97ns。
步骤3：将温度箱5的温度设置为-25℃，待测光纤3新的延迟量稳定后再次利用与上一步同样的方法测得待测光纤3与参考光纤4在-25℃时的延迟量差值为t2为92ns。
步骤4：计算延迟变化量＝(t2－t1)/(L×ΔT)＝10ns/(10.03km×30℃)＝17ps/km/℃，ΔT为温度变化值T1－T2。10ns为待测光纤3在-55℃与-25℃下的延迟量的改变量。即单位长度光纤在-55℃与-25℃区间内单位温度的延迟变化量17ps/km/℃。
步骤5：回到步骤2，将温度箱5设置为0℃，通过步骤3与步骤4测量、计算出待测光纤3在-25℃与0℃区间内单位温度的延迟变化量15ps/km/℃。
步骤6：重复若干次步骤5，每次设置的温度箱5的温度分别为25℃、55℃与85℃，得到三个温度区间的延迟量变化分别为14ps/km/℃、14ps/km/℃与13ps/km/℃。
步骤7：将上述测量结果作图，结果如图3中的G.652光纤曲线所示。可以看出，测量更多的温度点可以使得曲线更加平滑，从而得到分辨率更高的延迟量温度特性。
(二)G.657B光纤延迟量的温度特性的测量方法步骤如下：
步骤1：将一台1310nm/1550nm双波长光源1与一个等功率分配1×2分路器2相连，分路器2的两个输出纤分别与一根长22.31km的G.657B待测光纤3及一根长22.32km的G.657B参考光纤4通过FC插针相连，其中待测光纤3位于温度箱5内，参考光纤置于室温环境中。待测光纤3与参考光纤4的另一端分别与1310nm光电转换器6与1310nm光电转换器7相连，光电转换器6的电信号输出至带宽8Gbs的示波器8的通道1，光电转换器7的电信号输出至同一示波器8的通道2。
步骤2：启动温度箱5，并将温度T1设定为-55℃。待温度箱5的温度达到-55℃时将光源1、光电转换器6、光电转换器7与示波器8开启并采集延迟数据。设定光源1输出光波长为1310nm，输出光峰值 功率为5dBm，脉宽10ns。设定数字示波器8的横轴为时间轴的显示精度为20ns/div，纵轴为电压的显示精度为20mV/div，使得示波器8测量界面上被测光纤3与参考光纤4的脉冲波形在屏幕上完整显示且尽量占据满屏幕。利用示波器的测量功能测得待测光纤3与参考光纤4的延迟量差值t1为49ns，则-55℃时待测光纤3与参考光纤4的延迟量差值为49ns。
步骤3：将温度箱5的温度设置为-25℃，待测光纤3新的延迟量稳定后再次利用与上一步同样的方法测得待测光纤3与参考光纤4在-25℃时的延迟量差值为68ns。
步骤4：计算延迟变化量＝(t2－t1)/(L×ΔT)＝19ns/(22.32km×30℃)＝28ps/km/℃，ΔT为温度变化值T1－T2。19ns为待测光纤3在-55℃与-25℃下的延迟量的改变量。即单位长度光纤在-55℃与-25℃区间内单位温度的延迟变化量28ps/km/℃。
步骤5：回到步骤3，将温度箱5设置为0℃，通过步骤3与步骤4测量、计算出待测光纤3在-25℃与0℃区间内单位温度的延迟变化量24ps/km/℃。
步骤6：重复若干次步骤5，每次设置的温度箱8的温度分别为25℃、55℃与85℃，得到三个温度区间的延迟量变化分别为25ps/km/℃、24ps/km/℃与23ps/km/℃。
步骤7：将上述测量结果作图，结果如图3中的G.657B光纤曲线所示。可以看出，测量更多的温度点可以使得曲线更加平滑，从而得到分辨率更高的延迟量温度特性。
(三)62.5多模光纤延迟量的温度特性的测量方法步骤如下：
步骤1：将一台1300nm波长光源1与一个等功率分配1×2分路器2相连，分路器2的两个输出纤分别与一根长25.57km的62.5μm纤芯的多模待测光纤3及一根长25.56km的62.5μm纤芯的多模参考光纤4通过FC插针相连，其中待测光纤3位于温度箱5内，参考光纤4置于室温环境中。待测光纤3与参考光纤4的另一端分别与1300nm光电转换器6与1300nm光电转换器7相连，光电转换器6的电信号输出至带宽8Gbs的示波器8的通道1，光电转换器7的电信号输出至同一示波器8的通道2。步骤2：启动温度箱5，并将温度T1设定为-55℃。待温度箱5的温度达到-55℃时将光源1、光电转换器6、7与示波器8开启并采集延迟数据。设定光源1输出光波长为1300nm，输出光峰值功率为5dBm，脉宽10ns。设定数字示波器8的横轴为时间轴的显示精度为20ns/div，纵轴为电压的显示精度为20mV/div，使得示波器测量界面上被测光纤3与参考光纤4的脉冲波形在屏幕上完整显示且尽量占据满屏幕。利用示波器的测量功能测得待测光纤3与参考光纤4的延迟量差值t1为51ns，则-55℃时待测光纤3与参考光纤4的延迟量差值为51ns。
步骤3：将温度箱5的温度设置为-25℃，待测光纤3新的延迟量稳定后再次利用与上一步同样的方法
测得待测光纤3与参考光纤4在-25℃时的延迟量差值为4ns。
步骤4：计算延迟变化量＝(t2－t1)/(L×ΔT)＝47ns/(25.57km×30℃)＝61ps/km/℃，ΔT为温度变化值T1－T2。即单位长度光纤在-55℃与-25℃区间内单位温度的延迟变化量61ps/km/℃。
步骤5：回到步骤3，将温度箱5设置为0℃，通过步骤3与步骤4测量、计算出待测光纤3在-25℃与0℃区间内单位温度的延迟变化量59ps/km/℃。
步骤6：重复若干次步骤5，每次设置的温度箱5的温度分别为25℃、55℃与85℃，得到三个温度区间的延迟量变化分别为53ps/km/℃、50ps/km/℃与52ps/km/℃。
步骤7：将上述测量结果作图，结果如图3中的62.5多模光纤曲线所示。可以看出，测量更多的温度点可以使得曲线更加平滑，从而得到分辨率更高的延迟量温度特性。
上述的对实施例的描述是为便于该技术领域的普通技术人员能理解和应用本发明。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对这些实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于这里的实施例，本领域技术人员根据本发明的揭示，不脱离本发明范畴所做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。
Claims (8)
1.一种光纤延迟量的温度特性的测量装置，包括光源、1×2分路器、待测光纤、参考光纤、温度箱、光电转换器以及示波器；所述待测光纤置于温度箱内，其两端伸出，所述光源与1×2分路器输入端相连，所述1×2分路器输出纤分别与待测光纤和参考光纤相连，所述待测光纤和参考光纤的另一端分别与两个光电转换器相连，所述两个光电转换器的电信号输出至示波器上，所述1×2分路器为等额分配。
2.根据权利要求1所述的光纤延迟量的温度特性的测量装置，其特征在于：所述示波器为数字示波器。
3.根据权利要求1所述的光纤延迟量的温度特性的测量装置，其特征在于：所述示波器为自带测量功能从波形上获取光纤延迟量。
4.根据权利要求1所述的光纤延迟量的温度特性的测量装置，其特征在于：所述参考光纤置于室温环境中。
5.根据权利要求1所述的光纤延迟量的温度特性的测量装置，其特征在于：所述温度箱的设定温度范围为待测光纤的工作温度范围-55℃～85℃。
6.根据权利要求1所述的光纤延迟量的温度特性的测量装置，其特征在于：所述待测光纤与参考光纤波导结构与长度大致相等。
7.一种光纤延迟量的温度特性的测量方法，该测量方法包含下述步骤：
(1)提供如权利要求1～6中任一项所述的光纤延迟量的温度特性的测量装置；
(2)将待测光纤放入温度箱内，且待测光纤两端伸出温度箱，待测光纤两端分别与一1×2分路器及光电转换器连接，将参考光纤置于室温环境中，所述参考光纤两端分别与1×2分路器的另一端及另一光电转换器连接；所述待测光纤与参考光纤波导结构与长度大致相等，所述温度箱的设定温度范围为待测光纤的工作温度范围；
(3)开启温度箱并设定所需温度T1，待温度箱的温度达到T1时将光源、光电转换器与示波器开启并采集延迟数据，设定光源的输出波长、输出功率，调节示波器的显示精度以最大程度保证延迟量读数的精度；观察待测光纤的延迟量数值，当该数值稳定后测得待测光纤延迟量测量值，记为j1，参考光纤延迟量测量值，记为k1，计算出温度T1时待测光纤与参考光纤的延迟量差值的延迟量差t1，t1＝j1-k1；(3)将待测光纤的温度箱的温度设置为T2，待测光纤新的延迟量稳定后，测得待测光纤延迟量测量值，记为j2，参考光纤延迟量测量值，记为k2，计算出温度T2时待测光纤与参考光纤的延迟量差值的延迟量差t2，t2＝j2－k2；
(4)计算延迟变化量＝(t2－t1)/(L×ΔT)，L为待测光纤长度，ΔT为温度变化值T1－T2。
8.根据权利要求7所述的光纤延迟量的温度特性的测量方法，其特征在于：所述待测光纤延迟量变化量表征的是利用上述方法得出的对应温度区间的平均值。
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2014
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| WD01 | Invention patent application deemed withdrawn after publication |
Application publication date: 20141210 |
|
| WD01 | Invention patent application deemed withdrawn after publication |