CN104748944A - 基于双重傅里叶变换重建光纤模式测量方法及其测量装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于双重傅里叶变换重建光纤模式的测量方法及测量装置，属于光纤模式测量领域。该方法只需经一次空间傅里叶变换及一次频谱傅里叶变换来重建光纤模式；实现该方法的测量装置包括放大自发辐射光源、待测光纤、傅里叶透镜、偏振片及由单模光纤、二维平移台、光谱分析仪及计算机系统构成的空间扫描光谱测量系统；入射光耦合进入待测光纤后，只需再经一个傅里叶透镜的二维空间傅里叶变换和偏振片就进入空间扫描光谱测量系统中，对待测光纤输出光斑扫描，获得光斑上每个点的光谱，即可对光纤模式进行重建。本装置不需要依赖严格透镜耦合条件，不需要复杂光路调节过程，其结构简单、且具有很强的鲁棒性。

Description

基于双重傅里叶变换重建光纤模式测量方法及其测量装置

技术领域

本发明涉及一种光纤模式测量技术，特别涉及一种基于双重傅里叶变换法来重建光纤模式的测量方法及其测量装置，属于光纤模式测量领域。

背景技术

在大模场光纤激光器中，通常通过拉大光纤的有效区域来降低非线性以获得高功率输出；但由于光纤中承载的模式越来越多，这样降低了输出激光的稳定性。因而对光纤模式的测量与分析成为对光纤激光器输出模式的控制与优化的重要手段之一。同时，光纤模式的分析和表征在色散补偿器、光纤模式转换器、光通信系统等应用领域也发挥了重要作用。

目前测量光纤模式的方法有边发射技术、三镜环形腔法、低相干干涉法等。但边发射技术对光纤暴露包层技术的精确度要求高，难度较大；三镜环形腔法需要精确的光纤对准，并且对高阶模的含量也有要求；而低相干干涉法其实验装置复杂，且缺乏强的鲁棒性。为克服这些矛盾，2008年，Nicholson等提出了基于空间和频谱分辨测量法及其测量装置，该方法能够获得光纤模式的类型以及其相对功率水平，因此，这就能对光纤激光器的输出特性进行全方位综合研究，以促进光纤激光器的发展。但实现该方法的装置需要双透镜组成的放大系统，由于所用透镜的俯仰角度会导致非平行光束引入的系统误差，这就需要严格控制透镜耦合条件。

发明内容

本发明的目的正是为克服现有技术中所存在的缺陷和不足，提出一种测量稳定可靠、结构更简单的、基于双重傅里叶变换来重建光纤模式的测量方法及其测量装置；该方法只需要经过一次空间傅里叶变换以及一次频谱傅里叶变换、而不需要依赖严格透镜偶合条件、不需要复杂光路调节过程则能重建光纤模式的测量方法；实现该测量方法的测量装置采用放大自发辐射光源，入射光经过待测光纤后，只需要再经过一个透镜和一个偏振片就进入光谱测量系统中对光纤模式进行测量；其结构简单、且具有很强的鲁棒性。

为实现本发明的上述目的，本发明采用以下技术措施构成的技术方案来实现的。

本发明基于双重傅里叶变换重建光纤模式的测量装置，包括放大自发辐射光源、待测光纤、傅里叶透镜、偏振片、空间扫描光谱测量系统；其中，所述空间扫描光谱测量 系统由二维平移台、单模光纤、光谱分析仪以及计算机系统组成；所述单模光纤一端固定在二维平移台上，其另一端连接光谱分析仪，二维平移台和光谱分析仪均连接计算机系统；按照光路描述，来自放大自发辐射光源发出的光耦合进入待测光纤后，经过傅里叶透镜进行准直，准直光通过偏振片以保证待测光纤模式偏振态的一致性，所述空间扫描光谱测量系统对待测光纤输出光斑进行二维扫描，由光谱分析仪获得光斑上每个点的光谱，最后将测量结果送入计算机系统进行分析。

上述所述方案中，所述傅里叶透镜为消色差透镜。

上述技术方案中，所述偏振片为格兰棱镜，或适用于放大自发辐射光源波长范围的偏振片。

上述技术方案中，所述二维平移台的分辨率至少为0.00025mm

上述技术方案中，所述对待测光纤输出光斑进行二维扫描的点数至少为30×30。

上述技术方案中，为能快速测量，并适用于光纤输入，所述光谱分析仪的分辨率为0.02～0.05nm。

本发明所述基于双重傅里叶变换重建光纤模式的测量装置用于光纤模式的测量方法，包括以下步骤：

(1)来自放大自发辐射光源发出的光耦合进入待测光纤后，经傅里叶透镜准直，由空间扫描光谱测量系统对待测光纤输出光斑进行二维扫描，由光谱分析仪获得待测光纤输出光斑上每个点的光谱；

(2)对步骤(1)获得的待测光纤光斑上每个点的光谱再进行频谱傅里叶变换，即得到其时域强度分布；

(3)将步骤(2)得到的时域强度分布取绝对值相加，获得总时域图；

(4)根据不同光纤模式间群时延不同，可重建步骤(3)总时域图上尖峰所对应的模式，最后即测量出光纤模式的类型以及相对功率水平。

上述技术方案中，所述傅里叶透镜为消色差透镜。

上述技术方案中，所述所述偏振片为格兰棱镜，或适用于放大自发辐射光源波长范围的偏振片。

上述技术方案中，所述光谱分析仪的分辨率为0.02～0.05nm。

本发明与现有技术相比具有以下特点和有益技术效果：

1、本发明所公开的基于双重傅里叶变换法的光纤模式测量装置，由于装置中采用了单个傅里叶透镜，使得该装置结构简单、稳定、调节方便。

2、本发明所公开的基于双重傅里叶变换法的光纤模式测量装置，由于采用了计算机系统来控制光谱分析仪和二维平移台，实现了数据采集的自动化，无需人为进行控制。

3、本发明所公开的基于双重傅里叶变换法的光纤模式测量方法，无需预先知道待测光纤的纤芯半径、纤芯和包层折射率等参数，即可测量出光纤模式的类型以及其相对功率水平。

附图说明

图1是本发明基于双傅里叶变换法的光纤模式测量装置的结构示意图。

图中，1-放大自发辐射光源、2-待测光纤、3-傅里叶透镜、4-偏振片、5-空间扫描光谱测量系统、6-二维平移台、7-单模光纤、8-光谱分析仪、9-计算机系统。 

具体实施方式

下面结合附图并用具体实施例对本发明作进一步的详细说明，但它仅用于对本发明的一些具体的实施方式的说明，而不应理解为是对本发明保护范围的任何限定。

本发明基于双重傅里叶变换法重建光纤模式的测量装置，其结构如图1所示，包括放大自发辐射光源1、待测光纤2、傅里叶透镜3、偏振片4、空间扫描光谱测量系统5；所述空间扫描光谱测量系统5由二维平移台6、单模光纤7、光谱分析仪8以及计算机系统9组成；按照光路描述，自放大自发辐射光源1发出的光耦合进入待测光纤2后，再通过傅里叶透镜3进行准直，准直光通过偏振片4以保证每个光纤模式偏振态的一致性；由于光纤模式间的不同群时延，待测光纤2中任意两光纤模式在单模光纤7端点位置(x,y)形成空间叠加并产生光谱干涉；而该干涉信号经由单模光纤7耦合后被光谱分析仪8记录下来；通过二维平移台6的移动，使用空间扫描测量系统5对待测光纤输出光斑进行二维扫描，获得光斑上每个点的光谱；然后通过计算机系统9对每个点的光谱干涉信号进行傅里叶变换频谱分析，在不同相对群时延位置处即可得到不同的光纤模式。

本发明重建待测光纤高阶模的强度分布和相对功率的推导如下：

根据光的相干理论，在光纤中传输的高阶模和基模之间要产生模间干涉，其干涉光场分布可以由下式表示：

$E(x,y,\mathrm{\ω})=E_{01}(x,y,\mathrm{\ω})+\underset{m\≠0,n\≠1}{\mathrm{\Σ}}{E}_{\mathrm{mn}}(x,y,\mathrm{\ω})\exp \left(\mathrm{i\ω}{\mathrm{\Δ\τ}}_{\mathrm{mn}}\right)---\left(1\right)$

其中E_mn和E₀₁分别为高阶模和基模的场分布；Δτ_mn为高阶模和基模之间的相对群时延。所述干涉光场分布经过傅里叶透镜进行空间傅里叶变换后可以得到空间频谱分布：

其中α_mn(f_x,f_y)为空间傅里叶变换后的基模与高阶模场的关联系数，满足：

E_mn(f_x,f_y,ω)＝α_mn(f_x,f_y)E₀₁(f_x,f_y,ω)  (3)

那么其相应的光谱干涉强度为：

$\begin{array}{c}I(f_x,f_y,\mathrm{\ω})=E(f_x,f_y,\mathrm{\ω})\·E{(f_x,f_y,\mathrm{\ω})}^{*}\\ =I_{01}(f_x,f_y,\mathrm{\ω})[1+\underset{m\≠0,n\≠1}{\mathrm{\Σ}}{\mathrm{\α}}_{\mathrm{mn}}(f_x,f_y)e^{\mathrm{i\ω}{\mathrm{\Δ\τ}}_{\mathrm{mn}}}]\×[1+\underset{p\≠0,q\≠1}{\mathrm{\Σ}}{\mathrm{\α}}_{\mathrm{pq}}(f_x,f_y)e^{-\mathrm{i\ω}{\mathrm{\Δ\τ}}_{\mathrm{pq}}}]\\ =I_{01}(f_x,f_y,\mathrm{\ω})[1+\underset{m\≠0,n\≠1}{\mathrm{\Σ}}{{\mathrm{\α}}_{\mathrm{mn}}}^2(f_x,f_y)+\underset{m\≠0,n\≠1}{\mathrm{\Σ}}{\mathrm{\α}}_{\mathrm{mn}}(f_x,f_y)(e^{\mathrm{i\ω}{\mathrm{\Δ\τ}}_{\mathrm{mn}}}+e^{-\mathrm{i\ω}{\mathrm{\Δ\τ}}_{\mathrm{mn}}})]\\ +\underset{m\≠p,n\≠q;m\≠0,n\≠1}{\mathrm{\Σ}}{\mathrm{\α}}_{\mathrm{mn}}(f_x,f_y){\mathrm{\α}}_{\mathrm{pq}}(f_x,f_y)e^{\mathrm{i\ω}({\mathrm{\Δ\τ}}_{\mathrm{mn}}-{\mathrm{\Δ\τ}}_{\mathrm{pq}})}\end{array}---\left(4\right)$

其中I₀₁(f_x,f_y,ω)为基模的光谱干涉强度分布；对光谱干涉强度再进行逆傅里叶变换可得到时域强度分布：

$\begin{array}{c}F(f_x,f_y,\mathrm{\τ})=[1+\underset{m\≠0,n\≠1}{\mathrm{\Σ}}{\mathrm{\α}}_{\mathrm{mn}}^2(f_x,f_y)]F_{01}(f_x,f_y,\mathrm{\τ})\\ +\underset{m\≠0,n\≠1}{\mathrm{\Σ}}{\mathrm{\α}}_{\mathrm{mn}}(f_x,f_y)[F_{01}(f_x,f_y,\mathrm{\τ}-{\mathrm{\Δ\τ}}_{\mathrm{mn}})+F_{01}(f_x,f_y,\mathrm{\τ}+{\mathrm{\Δ\τ}}_{\mathrm{mn}})]\\ +\underset{m\≠p,n\≠q;m\≠0,n\≠1}{\mathrm{\Σ}}{\mathrm{\α}}_{\mathrm{mn}}(f_x,f_y){\mathrm{\α}}_{\mathrm{pq}}(f_x,f_y)F_{01}(f_x,f_y,\mathrm{\τ}-{\mathrm{\Δ\τ}}_{\mathrm{mn}}+{\mathrm{\Δ\τ}}_{\mathrm{pq}})\end{array}---\left(5\right)$

其中F₀₁(f_x,f_y,τ)为基模的光场的逆傅里叶变换；公式(5)的第二项为高阶模和基模之间的干涉，在τ＝Δτ_mn处会有一个尖峰，它为某个光纤的高阶模和基模之间的拍，定义f_mn(f_x,f_y)为光谱强度的逆傅里叶变换值在相对群时延为Δτ_mn和0的比值：

$f_{\mathrm{mn}}(f_x,f_y)=\frac{F(f_x,f_y,\mathrm{\τ}={\mathrm{\Δ\τ}}_{\mathrm{mn}})}{F(f_x,f_y,\mathrm{\τ}=0)}=\frac{{\mathrm{\α}}_{\mathrm{mn}}(f_x,f_y)}{1+\underset{p\≠0,q\≠1}{\mathrm{\Σ}}{{\mathrm{\α}}_{\mathrm{pq}}}^2(f_x,f_y)}---\left(6\right)$

这样就可以得到比值f_mn(f_x,f_y)与系数α_mn(f_x,f_y)的关系，如公式(7)所示，

${\mathrm{\α}}_{\mathrm{mn}}(f_x,f_y)=\frac{f_{\mathrm{mn}}(f_x,f_y)(1-\sqrt{1-4\underset{p\≠0,q\≠1}{\mathrm{\Σ}}{f_{\mathrm{pq}}}^2(f_x,f_y)})}{2\underset{p\≠0,q\≠1}{\mathrm{\Σ}}{f_{\mathrm{pq}}}^2(f_x,f_y)}---\left(7\right)$

即可以得到光纤基模和光纤高阶模的强度分布，如公式(8)所示

$\begin{array}{c}{I}_{01}(f_x,f_y)=I_T(f_x,f_y)\frac{1}{1+\underset{m\≠0,n\≠1}{\mathrm{\Σ}}{\mathrm{\α}}_{\mathrm{mn}}^2(f_x,f_y)}\\ I_{\mathrm{mn}}(f_x,f_y)=I_T(f_x,f_y)\frac{{\mathrm{\α}}_{\mathrm{mn}}^2(f_x,f_y)}{1+\underset{p\≠0,q\≠1}{\mathrm{\Σ}}{\mathrm{\α}}_{\mathrm{pq}}^2(f_x,f_y)}\end{array}---\left(8\right)$

其中I_T(f_x,f_y)为待测光纤2中任意两光纤模式在单模光纤7端点位置对给定点(x,y)的空间频率(f_x,f_y)积分后的光谱强度，因此，可得到多路径干涉值MPI为

$\mathrm{MPI}=10\log \frac{\∫\∫I_{\mathrm{mn}}(f_x,f_y){\mathrm{df}}_x{\mathrm{df}}_y}{\∫\∫I_{01}(f_x,f_y){\mathrm{df}}_x{\mathrm{df}}_y}---\left(9\right)$

即为高阶模与基模的功率比，这样就可以得到高阶模的相对功率和强度分布。

实施例

本实例中，对大模场双包层光纤的模式进行测量；其测量装置如图1所示的结构。所用放大自发辐射光源1的波长范围为1040～1090nm，待测光纤2为大模场双包层光纤，傅里叶透镜3的焦距f＝30mm，为了保证在光源的波长范围内光纤模式偏振态的一致性，所用偏振片4采用格兰棱镜，所述空间扫描光谱测量系统5中的二维平移台6采用型号为GCD-402050M、分辨率为0.00025mm的电控平移台，单模光纤7采集的点数为30×30，光谱分析仪8采用型号为AQ6370C、分辨率为0.05nm的光谱分析仪，计算机系统9为PC计算机。按照图1所示的光路安装连接好各元器件，其测量步骤如下：

(1)从放大自发辐射光源1发出的光耦合进入待测光纤2后，再通过傅里叶透镜3进行准直，准直光通过偏振片4以保证在所用光源的波长范围内待测光纤中激发的各个模式偏振态的一致性；

(2)由于光纤模式间的不同群时延，待测光纤2中任意两模式在单模光纤7端点位置(x,y)形成空间叠加，发生光谱干涉；而该光谱干涉信号经由单模光纤7耦合后被光谱分析仪8记录下来；通过计算机软件控制二维平移台6对光斑进行列扫描并用光谱分析仪8记录，即可获得待测光纤2光斑上每个点的光谱干涉信号I(f_x,f_y,ω)；

(2)对步骤(1)的光谱干涉信号I(f_x,f_y,ω)进行频谱傅里叶变换，根据上述公式(5)的时域强度分布得到待测光纤2光斑上每个点的空间频率(f_x,f_y)时域强度分布F(f_x,f_y,τ)；

(3)将步骤(2)待测光纤2光斑上每个点的时域强度分布取模后相加，可得到横坐标为相对群时延，纵坐标为时域强度的总时域图；

(4)由于每个光纤模式间群时延的不同，总时域图上会出现若干尖峰，这些尖峰位置处分别对应不同光纤模式的群时延，根据上述公式(6)定义的f_mn(f_x,f_y)为光谱强度的空间傅里叶变换值在相对群时延为Δτ_mn和0的比值，求出f_mn(f_x,f_y)；由上述公式(7)-(9)即可以求出基模和高阶模的强度分布以及相对功率水平。

Claims (10)

1.一种基于双重傅里叶变换重建光纤模式的测量装置，其特征在于包括放大自发辐射光源(1)、待测光纤(2)、傅里叶透镜(3)、偏振片(4)、空间扫描光谱测量系统(5)；所述空间扫描光谱测量系统(5)由二维平移台(6)、单模光纤(7)、光谱分析仪(8)以及计算机系统(9)组成；单模光纤(7)一端固定在二维平移台(6)上，另一端连接光谱分析仪(8)，二维平移台(6)和光谱分析仪(8)均连接计算机系统(9)；按光路描述，来自放大自发辐射光源(1)发出的光耦合进入待测光纤(2)后，经傅里叶透镜(3)进行准直，准直光通过偏振片(4)以保证待测光纤(2)的模式偏振态的一致性，所述空间扫描光谱测量系统(5)对待测光纤(2)输出光斑进行二维扫描，由光谱分析仪(8)获得光斑上每个点的光谱，最后将测量结果送入计算机系统(9)进行分析。

2.根据权利要求1所述的测量装置，其特征在于所述傅里叶透镜(3)为消色差透镜。

3.根据权利要求1或2所述的测量装置，其特征在于所述偏振片(4)为格兰棱镜，或适用于放大自发辐射光源(1)波长范围的偏振片。

4.根据权利要求1所述的测量装置，其特征在于所述二维平移台(6)的分辨率至少为0.00025mm。

5.根据权利要求1所述的测量装置，其特征在于所述对待测光纤(2)输出光斑进行二维扫描的点数至少为30×30。

6.根据权利要求1所述的测量装置，其特征在于所述光谱分析仪(8)的分辨率为0.02～0.05nm。

7.一种权利要求1-6任一项所述测量装置用于测量光纤模式的测量方法，其特征在于包括以下步骤：

(1)来自放大自发辐射光源(1)发出的光耦合进入待测光纤(2)后，经傅里叶透镜(3)准直，同时也是对光场进行了一次空间傅里叶变换；准直光通过偏振片(4)以保证待测光纤(2)模式偏振态的一致性，由空间扫描光谱测量系统(5)对待测光纤(2)输出光斑进行二维扫描，由光谱分析仪(8)获得待测光纤(2)光斑上每个点的光谱；

(2)对步骤(1)获得的待测光纤(2)光斑上每个点的光谱再进行频谱傅里叶变换，即得到其时域强度分布；

(3)将步骤(2)得到的时域强度分布取绝对值相加，获得总时域图；

(4)根据不同光纤模式间群时延不同，重建步骤(3)总时域图上尖峰所对应的模式，即能测量出光纤模式的类型和相对功率水平。

8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于所述傅里叶透镜(3)为消色差透镜。

9.根据权利要求7所述的方法，其特征在于所述所述偏振片(4)为格兰棱镜，或适用于放大自发辐射光源(1)波长范围的偏振片。

10.根据权利要求7所述的方法，其特征在于所述光谱分析仪(8)的分辨率为0.02～0.05nm。