CN104198435B - 一种基于调频连续波的光子带隙光纤群折射率测量装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于调频连续波的光子带隙光纤群折射率测量装置及方法，光源的输出尾纤经过准直透镜耦合到半透半反镜中，半透半反镜将光束分为两路，一路经过第一耦合透镜耦合到待测光纤，待测光纤的出射光经准直透镜准直，经反射镜反射后入射到半透半反镜；另一路光经反射镜后入射到半透半反镜；两束光在半透半反镜干涉，其中一路干涉光入射到光功率计，光功率计观测两路光功率，保持两路光功率接近，另一路经过第二耦合透镜入射到探测器转化成电信号，由频谱仪检测输出信号；通过频谱仪检测输出信号与信号发生器产生的调制信号，获取待测光纤在特定波长下的群折射率。本发明采用空间光路，易于和光子带隙光纤耦合，抗环境因素干扰。

Description

一种基于调频连续波的光子带隙光纤群折射率测量装置及 方法

技术领域

本发明涉及一种基于调频连续波的光子带隙光纤群折射率测量装置及方法，属于光纤测量技术领域。

背景技术

光纤是光导纤维的简称。它是工作在光波波段的一种介质波导，把以光的形式出现的电磁波能量约束在其界面内，并引导光波沿着光纤轴线的方向前进。光子晶体光纤是基于光子晶体技术发展起来的新一代石英光纤，是一种由中心存在缺陷态的二维光子晶体结构制成的光波导。光子晶体光纤可分为实芯光子晶体光纤和光子带隙光纤。前者的导光纤芯是实心石英或掺杂，利用与传统光纤类似的全反射机理导光；而后者的导光纤芯是空气，利用光子带隙效应导光。在光子带隙光纤中，光波主要在空气中传输。和石英材料相比，空气对温度、辐射等效应不敏感，因此带隙光子晶体光纤具有极低的温度和辐射敏感性，非常适合空间应用和大温变条件下的航空应用，从而可以从根本上解决光纤陀螺的空间环境适应性问题；光在空气中的传播速度远大于在二氧化硅材料中的传播速度，采用光子带隙光纤作为通信用光纤，可以提高光纤的传光效率，在光通信行业有广阔的发展前景。

在光子带隙光纤中，群折射率是重要参数之一。群折射率越大，光波在光纤中的传播速度越慢。在光纤中，对于不同的波长，群折射率也不同，这会导致具有一定谱宽的脉冲波形在通过光纤后发生展宽，在光纤通信中会严重影响带宽和传输距离；光纤陀螺中通常采用宽谱光源，而群折射率的变化会影响宽谱光源的相干性，会使干涉光的对比度下降，进而降低光纤陀螺的灵敏度，使光纤陀螺性能劣化。因此，精确测量群折射率对于光纤应用意义重大。目前测量光纤群折射率的方法主要有时延法、相移法、模场直径法和干涉法。时延法的使用需要待测光纤长度很长，一般须超过0.5km，不适合光子带隙光纤；模场直径法只适用于普通阶跃型光纤，不能用来测量光子带隙光纤。

发明内容

本发明的目的是为了解决上述问题，提出一种基于调频连续波的光子带隙光纤群折射率测量装置及方法。

一种基于调频连续波的光子带隙光纤群折射率测量装置，包括光源、信号发生器、第一准直透镜、第一半透半反镜、第一反射镜、第一耦合透镜、待测光纤、第二准直透镜、第二反射镜、第二半透半反镜、光功率计、频谱仪、探测器、第二耦合透镜；

光源的输出尾纤经过第一准直透镜耦合到第一半透半反镜中，第一半透半反镜将光束分为两路，一路经过第一耦合透镜耦合到待测光纤，待测光纤的出射光经第二准直透镜准直，经第二反射镜反射后入射到第二半透半反镜；另一路光经第一反射镜后入射到第二半透半反镜；两束光在第二半透半反镜干涉，其中一路干涉光入射到光功率计，光功率计观测两路光功率，保持两路光功率接近，另一路经过第二耦合透镜入射到探测器转化成电信号，由频谱仪检测输出信号；信号发生器产生光源的调制信号，通过频谱仪检测输出信号与信号发生器产生的调制信号，获取待测光纤在特定波长下的群折射率。

所述装置的一种基于调频连续波的光子带隙光纤群折射率测量方法，如下所述：

待测光纤的长度L为已知，获取待测光纤在特定波长的群折射率N：

$N=\frac{c\·{\mathrm{\ω}}_b}{2\mathrm{\π}\·\mathrm{\α}\·L}$

其中：c为光速，ω_b为拍信号角频率，α为光源调频速度，L为待测光纤的长度。

本发明的优点在于：

(1)提出了基于调频连续波的光纤群折射率测量方法；

(2)采用空间光路，易于和光子带隙光纤耦合，抗环境因素干扰；

(3)能测量长度较短的光纤；

(4)测量方法简单，精度高。

附图说明

图1是基于调频连续波的光纤群折射率测量系统的原理框图；

图2是光源锯齿波调制示意图；

图3是光波所受频率调制及拍信号频率示意图。

图中：

1-光源 2-信号发生器 3-第一准直透镜

4-第一半透半反镜 5-第一反射镜 6-第一耦合透镜

7-待测光纤 8-第二准直透镜 9-第二反射镜

10-第二半透半反镜 11-光功率计 12-频谱仪

13-探测器 14-第二耦合透镜

具体实施方式

下面将结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。

本发明是一种采用调频连续波方案的光纤群折射率测量装置，其原理框图如图1所示，包括光源1、信号发生器2、第一准直透镜3、第一半透半反镜4、第一反射镜5、第一耦合透镜6、待测光纤7、第二准直透镜8、第二反射镜9、第二半透半反镜10、光功率计11、频谱仪12、探测器13、第二耦合透镜14；

光源1的输出尾纤经过准第一直透镜3耦合到第一半透半反镜4中，第一半透半反镜4将光束分为两路，一路经过第一耦合透镜6耦合到待测光纤7，待测光纤7的出射光经第二准直透镜8准直，经第二反射镜9反射后入射到第二半透半反镜10；另一路光经第一反射镜5后入射到第二半透半反镜10。两束光在第二半透半反镜10干涉，其中一路干涉光入射到光功率计11，光功率计11观测两路光功率，保持两路光功率接近，另一路经过第二耦合透镜14入射到探测器13转化成电信号，由频谱仪12检测输出信号。

信号发生器2产生光源1的调制信号，通过频谱仪12检测输出信号与信号发生器2产生的调制信号，获取群折射率。

在本发明中，光源1选用NKT公司生产的E15可调谐激光光源；信号发生器2选用泰克公司的AFG3102；频谱仪12选用安捷伦公司的4396B；光功率计11选用Thorlabs公司制造的PM122D；探测器13为武汉电信器件有限公司的PFTM901-001型光电探测器。

本发明的一种基于调频连续波的光子带隙光纤群折射率测量方法，如下所述：

光源1输出光由信号发生器2调制，光源中心频率呈锯齿波变化，如图2所示。在第一半透半反镜4处分为幅值相等、垂直出射的两束光A、B。波列A经由第一耦合透镜6，通过待测光纤7，由第二准直透镜8准直，经准直的光束由第二反射镜9反射后入射到第二半透半反镜10；波列B经由第一反射镜5反射后直接入射到第二半透半反镜10。A、B光波的光程差为待测光纤7的长度，当光源采用锯齿波调制时，在A、B光的干涉信号中会存在固有的频率差，如图3所示。

同一时刻发生干涉的两束光波的时间差如下式所示：

$\mathrm{\τ}=\frac{OPD}{c}=\frac{NL}{c}---\left(1\right)$

其中OPD为两光路的光程差，N为光纤的群折射率，L为待测光纤7的长度，c为光速。设对光源进行以T_m为调制周期的锯齿波调制，则光源输出光波的角频率ω₁如下式所示：

ω₁(t)＝αt+ω₀ (2)

其中，α为光源调频速度，ω₀为光源的基准频率。两束光波在输出端发生干涉，得到的干涉信号强度表达式为：

$I_0\[1+Vcos(\mathrm{\α}\mathrm{\τ}t+{\mathrm{\ω}}_0\mathrm{\τ}-\frac{{\mathrm{\α\τ}}^2}{2})\]---\left(3\right)$

式中：I₀为A、B两路光的直流光强之和，V为干涉光对比度，α为光源调频速度，ω₀为光源的基准频率，τ为两路光的时间差。

从上式可以看出，拍信号的频率和相位均和光程差OPD有关，只要OPD改变，拍信号的频率和相位就都会发生改变。

在本发明中，利用频谱仪观测拍信号的频率f_b，根据以下公式可以求出两路光的时间差τ：

$\mathrm{\τ}=\frac{{\mathrm{\ω}}_b}{2\mathrm{\π}\·\mathrm{\α}}---\left(4\right)$

式中：ω_b为拍信号角频率，α为光源调频速度。

由于待测光纤的长度L已知，可利用以上条件求的待测光纤在相应波长的群折射率，群折射率N的计算公式如下

$N=\frac{c\·{\mathrm{\ω}}_b}{2\mathrm{\π}\·\mathrm{\α}\·L}---\left(5\right)$

频谱仪能探测到最小的频率为2Hz，即可观测的拍信号频率ω_b/2π最小为2Hz。以测量长度为1米的光纤为例，求得光纤群折射率的检测精度最高可达10^-4数量级。

通过这种方式，可以精确测量光子带隙光纤群折射率，从而为光纤陀螺及光通信领域的应用奠定基础。

Claims (2)

1.一种基于调频连续波的光子带隙光纤群折射率测量装置，包括光源、信号发生器、第一准直透镜、第一半透半反镜、第一反射镜、第一耦合透镜、待测光纤、第二准直透镜、第二反射镜、第二半透半反镜、光功率计、频谱仪、探测器、第二耦合透镜；

光源的输出尾纤经过第一准直透镜耦合到第一半透半反镜中，第一半透半反镜将光束分为两路，一路经过第一耦合透镜耦合到待测光纤，待测光纤的出射光经第二准直透镜准直，经第二反射镜反射后入射到第二半透半反镜；另一路光经第一反射镜后入射到第二半透半反镜；两束光在第二半透半反镜干涉，其中一路干涉光入射到光功率计，光功率计观测两路光功率，保持两路光功率接近，另一路经过第二耦合透镜入射到探测器转化成电信号，由频谱仪检测输出信号；信号发生器产生光源的调制信号，通过频谱仪检测输出信号与信号发生器产生的调制信号，获取待测光纤在特定波长下的群折射率。

2.一种根据权利要求1所述的基于调频连续波的光子带隙光纤群折射率测量装置的测量方法，如下所述：

待测光纤的长度L为已知，获取待测光纤在特定波长的群折射率N：

$N=\frac{c\·{\mathrm{\ω}}_b}{2\mathrm{\π}\·\mathrm{\α}\·L}$

其中：c为光速，ω_b为两路干涉光形成光学拍的角频率，α为光源调频速度，L为待测光纤的长度。