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同时测量两根光纤长度的系统和方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种同时测量两根光纤长度的系统和方法。本系统包括由半导体光放大器或掺铒光纤光放大器、偏振控制器、输出耦合器和第一待测标准单模光纤用光纤跳线依次连接构成的光纤环形激光器、第二待测标准单模光纤、反射镜或耦合器、光电探测器和数据采集与处理系统。第二待测光纤一端与输出耦合器相连，另一端连接反射镜；或两端与50/50的耦合器的一侧两端口相连，该耦合器的另一侧两端口接入光纤环形激光器。输出耦合器输出的光信号经光电探测器转成电信号后进入数据采集与处理系统。计算系统输出的混沌波形数据的自相关函数或傅立叶变换，得到两级相邻相关峰的时间间隔或两级相邻谐振峰的频率间隔，进而换算出第一、二待测光纤的长度。

Description

同时测量两根光纤长度的系统和方法
技术领域
本发明涉及一种同时测量两根光纤长度的系统和方法。 
背景技术
在科学实验和工程实际中都需要测量光纤的长度。已有的几种测量光纤长度的典型方法有光时域反射仪（OTDR）、光频域反射仪（OFDR）和光低相干反射仪（OLCR）等。然而OTDR的测量精度低，还有不可避免的固有误差，也不能测量短光纤的长度。OFDR和OLCR设备昂贵、稳定性低。而且OLCR的可测量范围很有限，只能测量几厘米长。其他的光纤长度测量方法，如全光纤干涉仪法，测量没有死区，但测量精度低。锁模光纤激光器法分辨率高，但不能直接测量短于500米的光纤长度。基于相位调制光链路的测量系统只适用于测量中、短长度的光纤。基于半导体光放大器的光纤环形激光器法能测量接入环内的光纤长度，测量简单、快速，没有死区，但所有这些方法一次测量都只能获得一根光纤的长度。 
发明内容
本发明的目的在于针对已有技术存在的缺陷，提供一种同时测量两根光纤长度的系统和方法。 
为达到上述目的，本发明采用如下技术方案： 
一种同时测量两根光纤长度的系统，包括光放大器、偏振控制器、输出耦合器、第一待测标准单模光纤，第二待测标准单模光纤，反射镜、光电探测器和数据采集与处理系统；所述包括光放大器、偏振控制器、输出耦合器和第一待测标准单模光纤用标准单模光纤跳线依次连接，构成光纤环形激光器，所述偏振控制器连接输出耦合器的I端口，所述第一待测标准单模光纤连接输出耦合器的a端口；所述输出耦合器的b端口外接第二待测标准单模光纤，所述第二待测标准单模光纤的另一端连接反射镜；所述输出耦合器的II端口连接光电探测器，所述光电探测器将光信号转成电信号后进入数据采集与处理系统。
本系统还包括一个2X2的50/50的耦合器，所述耦合器的III端口连接第一待测标准单模光纤，IV端口连接输出耦合器的a端口，由所述包括光放大器、偏振控制器、输出耦合器、第一待测标准单模光纤和耦合器构成光纤环形激光器；所述耦合器的c、d端口外接第二待测标准单模光纤，形成一个无源反射环；输出耦合器的b端口不再使用。 
所述光放大器为半导体光放大器或掺铒光纤放大器。 
一种同时测量两根光纤长度的方法，包括如下步骤： 
1）将光纤环形激光器输出的混沌波形数据计算其自相关函数，得到的自相关曲线有多个相关峰，相邻相关峰的时间间隔为tL；
2）放大延迟时间为零处的相关峰，得到多个具有小的等间隔的相关峰，相邻相关峰的时间间隔为t l ；
3）第一待测标准单模光纤的长度l = v×t l - l h ，第二待测标准单模光纤的长度L= v×tL / 2；其中v为光纤中的光速，l h 为光纤环形激光器中除第一待测标准单模光纤外的其它部分的固有长度，可以事先测得。
本方法还可以包括如下步骤： 
1）将光纤环形激光器输出的混沌波形数据计算其傅立叶变换，得到的频谱有多个谐振峰，相邻谐振峰的频率间隔为Df l ；
2）放大最大的谐振峰的谱线，得到多个具有小的等间隔的谐振峰，相邻谐振峰的频率间隔为Df L ；
3）第一待测标准单模光纤的长度l = v / Df l  - l h ，第二待测标准单模光纤的长度L = v / ( 2 Df L  ) ；其中v为光纤中的光速，l h 为光纤环形激光器中除第一待测标准单模光纤外的其它部分的固有长度，可以事先测得。
l h 为光纤环形激光器中除第一待测标准单模光纤外的其它部分的固有长度，可通过确定帧长的方法事先测得。即先不接入第一待测标准单模光纤和第二待测标准单模光纤，根据此时光纤环形激光器输出混沌波形的自相关峰的等间隔时间确定此时的帧长t l ，进而得到l h = v×t l 。 
本系统的工作原理与特点：
由半导体光放大器或掺铒光纤放大器、偏振控制器和耦合器通过标准单模光纤连接形成的光纤环形激光器，调整偏振控制器和半导体光放大器的驱动电流或掺铒光纤放大器的泵浦功率，可使激光器输出混沌波形。混沌波形具有帧型结构，且相邻帧混沌波形具有相似性。这种相似性体现在多帧混沌波形的自相关曲线具有多个自相关峰，这些自相关峰的间隔时间都等于光在环形腔中环行一次所需要的时间，称为帧长。帧长乘以光纤中的光速等于光纤环形腔的长度。另一方面，相邻帧混沌波形的相似性也体现在多帧混沌波形的频谱具有多个谐振峰，这些谐振峰的间隔频率都等于帧长的倒数，也即环形腔的谐振频率。光纤中的光速除以环形腔的谐振频率也可得环形腔的长度。
对环形激光器引入光反馈，无论环外反馈还是环内反馈，都可通过反馈引入一个新的不同长度的激光谐振腔；也仍然可调整偏振控制器和半导体光放大器的驱动电流或掺铒光纤放大器的泵浦功率，使系统输出混沌波形。由于两个谐振腔的存在，多帧混沌波形的自相关曲线中包含大小不等的两级自相关峰的等间隔时间；同样，多帧混沌波形的频谱中包含大小不等的两级谐振峰的等间隔频率。两级大小不等的等间隔时间或等间隔频率，分别对应两个不同长度的谐振腔。因此，可一次测量获得两根光纤的长度。 
本发明与现有技术相比较，具有如下显而易见的突出实质性特点和显著优点： 
本发明可同时对两根光纤的长度进行测量，测量时间短，只需对采集到的数据做一次自相关运算或傅立叶变换即可得到测量结果，不必像OTDR那样叠加上百条曲线；测量范围没有死区，从不到1米到几十公里，依赖于系统的采样率和环内光放大器的增益。
附图说明
图1为实施例1同时测量两根光纤长度的系统的结构示意图。 
图2为实施例2同时测量两根光纤长度的系统的结构示意图。 
图3为图1所示系统输出的混沌波形，(a)为多帧混沌数据的波形，(b)为局部放大的结果。 
图4为图3(a)所示的混沌波形的自相关曲线，(a)为整体结果，(b)为放大延迟时间为零处的自相关峰的结果。 
图5为图3(a)所示的混沌波形的频谱，(a)为整体结果，(b)为放大最大谐振峰处的频谱的结果。 
具体实施方式
本发明优选实施例，结合附图说明如下： 
实施例1
如图1所示，一种同时测量两根光纤长度的系统，包括光放大器1、偏振控制器2、输出耦合器3、第一待测标准单模光纤4，第二待测标准单模光纤5，反射镜6、光电探测器7和数据采集与处理系统8；所述包括光放大器1、偏振控制器2、输出耦合器3和第一待测标准单模光纤4用标准单模光纤跳线依次连接，构成光纤环形激光器，所述偏振控制器2连接输出耦合器3的I端口，所述第一待测标准单模光纤4连接输出耦合器3的a端口；所述输出耦合器3的b端口外接第二待测标准单模光纤5，所述第二待测标准单模光纤5的另一端连接反射镜6；所述输出耦合器3的II端口连接光电探测器7，所述光电探测器7将光信号转成电信号后进入数据采集与处理系统8。
实施例2
本实施例与实施例1基本相同，特别之处如下：如图2所示，还包括一个2X2的50/50的耦合器9，所述耦合器9的III端口连接第一待测标准单模光纤4，IV端口连接输出耦合器3的a端口，由所述包括光放大器1、偏振控制器2、输出耦合器3、第一待测标准单模光纤4和耦合器9构成光纤环形激光器；所述耦合器9的c、d端口外接第二待测标准单模光纤5，形成一个无源反射环；输出耦合器3的b端口不再使用。
实施例3
本实施例中，光放大器1选用英国CIP Technologies公司的SOA模块(SOA-S-C-14-FCA)，偏振控制器2采用General Photonics公司的光纤挤压器(PLC-001)，输出耦合器3采用上海翰宇光纤通信技术有限公司生产的2X2耦合器，分光比为50：50。反射镜6为自制的光纤端面镀膜形成的反射镜。光电探测器7为深圳飞通公司生产的PIN-TIA探测器。数据采集与处理系统8由一台普通微型计算机和英国PICO公司的PicoScope 5203数字示波器组成，示波器把采集的数据传送到计算机，用Matlab软件编程计算采集到的混沌数据的自相关函数和傅立叶变换。所有光纤均采用G.652标准单模光纤。第一待测标准单模光纤4的长度用OTDR测得为49.5 m，第二待测标准单模光纤5的长度为6.2836 km。事先测得环形腔的固有长度为l h  = 9.4 m。
调整SOA的驱动电流和偏振控制器，使系统工作于混沌状态，输出波形如图3所示。计算其自相关函数，得到如图4所示的结果。从图4(a)得到相邻自相关峰的时间间隔tL = 62.458 us，从图4(b)得到小的时间间隔t l  = 0.291 us。计算得到第二待测标准单模光纤5的长度为L= v×tL / 2 = 6.2458 km，第一待测标准单模光纤4的长度为l = v×t l - l h  = 58.2- 9.4 = 48.8 m。 
实施例4
本实施例与实施例4基本相同，不同之处在于，计算输出波形的傅立叶变换，得到如图5所示的结果。从图5(a)得到相邻谐振峰的频率间隔Df l  = 3.428 MHz，从图5(b)得到小的频率间隔Df L  = 0.0153 MHz。计算得到第一待测标准单模光纤4的长度为l = v / Df l  - l h  = 58.3- 9.4=48.9 m，第二待测标准单模光纤5的长度为L = v / ( 2 Df L  ) = 6.5359 km。 

Claims (5)

1.一种同时测量两根光纤长度的系统，其特征在于，包括光放大器（1）、偏振控制器（2）、输出耦合器（3）、第一待测标准单模光纤（4），第二待测标准单模光纤（5），反射镜（6）、光电探测器（7）和数据采集与处理系统（8）；所述包括光放大器（1）、偏振控制器（2）、输出耦合器（3）和第一待测标准单模光纤（4）用标准单模光纤跳线依次连接，构成光纤环形激光器，所述偏振控制器（2）连接输出耦合器（3）的I端口，所述第一待测标准单模光纤（4）连接输出耦合器（3）的a端口；所述输出耦合器（3）的b端口外接第二待测标准单模光纤（5），所述第二待测标准单模光纤（5）的另一端连接反射镜（6）；所述输出耦合器（3）的II端口连接光电探测器（7），所述光电探测器（7）将光信号转成电信号后进入数据采集与处理系统（8）。
2.根据权利要求1所述的同时测量两根光纤长度的系统，其特征在于，还包括一个2X2的50/50的耦合器（9），所述耦合器（9）的III端口连接第一待测标准单模光纤（4），IV端口连接输出耦合器（3）的a端口，由所述包括光放大器（1）、偏振控制器（2）、输出耦合器（3）、第一待测标准单模光纤（4）和耦合器（9）构成光纤环形激光器；所述耦合器（9）的c、d端口外接第二待测标准单模光纤（5），形成一个无源反射环；输出耦合器（3）的b端口不再使用。
3.根据权利要求1或2所述的同时测量两根光纤长度的系统，其特征在于，所述光放大器（1）为半导体光放大器或掺铒光纤放大器。
4.一种同时测量两根光纤长度的方法，其特征在于，包括如下步骤：
1）将光纤环形激光器输出的混沌波形数据计算其自相关函数，得到的自相关曲线有多个相关峰，相邻相关峰的时间间隔为tL；
2）放大延迟时间为零处的相关峰，得到多个具有小的等间隔的相关峰，相邻相关峰的时间间隔为t l ；
3）第一待测标准单模光纤（4）的长度l = v×t l - l h ，第二待测标准单模光纤（5）的长度L= v×tL / 2；其中v为光纤中的光速，l h 为光纤环形激光器中除第一待测标准单模光纤（4）外的其它部分的固有长度，事先测得。
5.根据权利要求4所述的同时测量两根光纤长度的方法，其特征在于，包括如下步骤：
1）将光纤环形激光器输出的混沌波形数据计算其傅立叶变换，得到的频谱有多个谐振峰，相邻谐振峰的频率间隔为Df l ；
2）放大最大的谐振峰的谱线，得到多个具有小的等间隔的谐振峰，相邻谐振峰的频率间隔为Df L ；
3）第一待测标准单模光纤（4）的长度l = v / Df l  - l h ，第二待测标准单模光纤（5）的长度L = v / ( 2 Df L  ) ；其中v为光纤中的光速，l h 为光纤环形激光器中除第一待测标准单模光纤（4）外的其它部分的固有长度，事先测得。
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