CN105954004B - 一种后向散射随机匹配相干噪声测试仪 - Google Patents

一种后向散射随机匹配相干噪声测试仪 Download PDF

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Abstract

本发明属于光纤技术领域，具体涉及的是一种提高性能指标的后向散射随机匹配相干噪声测试仪。本发明由窄带光源1，宽带光源2，第一波分复用器3，光纤隔离器4，第一光纤耦合器5，第二波分复用器6，光电探测器7，信号处理单元8，三端口光纤环形器9，第一光电探测器10，第二光电探测器11，差分器12，信号处理单元13，第二光纤耦合器14，可调衰减器15，标定参考器件16，光程扫描器17，光纤连接器18，待测光纤器件19组成。本发明能够完成后向散射随机匹配相干噪声特性的测试与分析，以达到提高光学系统性能指标、发现其本身所存在的缺陷的目的。

Description

一种后向散射随机匹配相干噪声测试仪
技术领域
本发明属于光纤技术领域，具体涉及的是一种可用于测试光纤器件及光纤系统中随机分布的微小缺陷带来的随机匹配相干噪声，能够实现对光纤、Y型波导器件、光纤耦合器、光纤陀螺环以及光纤陀螺系统等光纤器件及光纤系统进行随机匹配相干噪声分析以提高其性能指标的后向散射随机匹配相干噪声测试仪。
背景技术
光纤白光干涉技术与方法是光纤技术领域中独具特色的一种测量方法和传感技术。该项专门技术在宽谱光干涉特性研究，绝对形变光纤传感测量，光波导器件的结构及其对光波反射特性参量的检测，光纤陀螺环中光偏振态横向耦合测量与评估，尤其是在医学临床诊断的组织结构形态的光学层析技术等方面，都具有广泛的应用。
高精度光纤陀螺通常是由光源、光纤耦合器、Y波导器件、保偏光纤环和探测器等主要部件搭建成光纤干涉仪而构成的。要实现系统的高精度运行，必须保证上述主要光学元器件的性能指标满足陀螺高精度测量的需求。为此，需要对其使用的保偏光纤、光纤耦合器以及光纤陀螺环的性能进行测试，以此评估相关器件的稳定性和噪声谱特性及其对测量结果的影响。
为了实现对光波导器件的特性测试，1994年美国海军实验室的MatthewN.McLandrich,Donald J.Albares,和Stephen A.Pappert公开了一种基于Michelson干涉仪结构的后向反射式测量系统(美国专利：专利号5341205)。1995年美国H-P公司WayneV.Sorin和Douglas Μ.Baney公开了一种基于Michelson干涉仪结构的光程自相关器(美国专利：专利号5557400)。它基于非平衡Michelson干涉仪结构，利用光信号在Michelson干涉仪固定臂和可变扫描臂之间形成的光程差与光纤传感器的前后两个端面反射光信号的光程差之间的匹配实现光学自相关，获得传感器的白光干涉信号。该相关器由一个3dB光纤耦合器组成，入射光波注入后，该光波经过2×2光纤耦合器后被分成两路，一路经过固定长度光纤后经过其尾端反射器返回输出；另一路经过连接在光纤端的光学准直器后，被可移动的反射扫描镜反射回来，形成光程可调的光波后到达输出端。Michelson干涉仪型光纤光程相关器的优点是构造简单，使用的器件少。但缺点是有一半的光功率会返回光源，会造成光源的不稳定。
发明内容
本发明的目的在于提供一种光纤器件系统的后向散射随机匹配相干噪声测试仪。
本发明的目的是这样实现的：
一种后向散射随机匹配相干噪声测试仪，由窄带光源1，宽带光源2，第一波分复用器3，光纤隔离器4，第一光纤耦合器5，第二波分复用器6，光电探测器7，信号处理单元8，三端口光纤环形器9，第一光电探测器10，第二光电探测器11，差分器12，信号处理单元13，第二光纤耦合器14，可调衰减器15，标定参考器件16，光程扫描器17，光纤连接器18，待测光纤器件19组成，窄带光源与宽带光源分别从第一波分复用器的两个端口输入，第一波分复用器的输出端与光纤隔离器相连，光纤隔离器的输出端连接到第一光纤耦合器的端口i，第一光纤耦合器的端口j、端口k连接一个光程扫描器，第一光纤耦合器的端口m连接到第二波分复用器，第二波分复用器的输出分别接到光电探测器和三端口光纤环形器的端口a，光电探测器输出接到信号处理单元，三端口环形器的端口b与第二光纤耦合器的端口e相连，第二光纤耦合器的端口f与光纤连接器相连接，端口g与标定参考器件相连，端口h与可调衰减器相连，三端口光纤环形器的端口c和可调衰减器分别与第一光电探测器、第二光电探测器相连，其输出再经过一个差分器后与信号处理单元相连，光纤连接器输出与待测光纤器件相连接。
所述的窄带光源、宽带光源输出光信号波长不同，窄带光源1用于测定光程扫描器17中反射镜位置，窄带光源1输出的光经波分复用器3、光纤隔离器4、光纤耦合器5和光程扫描器17，再经过光纤耦合器5和波分复用器6输出到光电探测器7，经过信号处理单元8处理后得到光程扫描器17的反射镜位置；光源2为其余测试系统的光源，即第一光纤耦合器5、第二光纤耦合器14以及三端口环形器9的中心波长和光源2波长相同。
所采用的光程扫描器是Fizeau干涉仪结构。
所采用的光程扫描器是Michelson空间光程匹配扫描装置。
所采用的光程扫描器是Mach-Zehnder空间光程扫描装置。
所述的宽带光源采用脉冲光的形式。
本发明的有益效果在于：
本发明所提供的测试仪能够解决保偏光纤、光纤陀螺环、Y波导器件、光纤耦合器以及由他们组成的光学系统的后向散射匹配相干噪声测试问题，特别是：(1)由于光纤环以及其他光学器件尾纤长度及其焊点对系统引入的匹配相干噪声；(2)由于温度变化导致光纤环中等效光程差的累积变化引入的后向散射光程匹配相干噪声；这两项通常是无法评估与测量的。本发明通过克服在先技术的不足，能够完成上述后向散射随机匹配相干噪声特性的测试与分析，以达到提高光学系统性能指标、发现其本身所存在的缺陷的目的。其独特性是其它光学测量系统所不能替代的。
附图说明
图1是光纤器件系统的后向散射随机匹配相干噪声测试仪的系统结构示意图。
图2是该测试系统的一种简化形式的测量原理示意图。
图3是该测试系统中光程扫描器17采用Michelson空间光程匹配扫描方式组成测量原理示意图。
图4是该测试系统中光程扫描器17采用Mach-Zehnder空间光程匹配扫描方式组成的测量原理示意图。
图5是描述光纤中随机分布的缺陷所形成的两类随机相关谐振腔，图中(a)是Fizeau干涉仪构成的光学腔(c)在光纤中的等效形式，同理(b)是Fabry-Perot干涉仪构成的光学腔(d)在光纤中的等效形式。
图6是使用该测试系统测试一个光纤陀螺环的测量原理示意图。
图7是对于长程光学系统获得分布式后向散射随机匹配相干噪声测试结果示意图。
图8是使用该测试系统测试一段单模保偏光纤的测量原理示意图。
图9是使用该测试系统测试一个Y波导器件的测量原理示意图。
图10是使用该测试系统测试一个全光纤陀螺系统的测量原理示意图。
具体实施方式
下面结合附图实施举例对本发明做更详细地描述：
图1中测量装置是由窄带光源1；宽带光源2(与光源1的波长不同)；波分复用器3；光纤隔离器4；光纤耦合器5；波分复用器6；光电探测器7；信号处理单元8；三端口光纤环形器9；光电探测器10；光电探测器11；差分器12；信号处理单元13；光纤耦合器14；可调衰减器15；标定参考器件16；光程扫描器17；光纤连接器18；待测光纤器件19等部分组成。
本发明公开了一种光纤器件系统的后向散射随机匹配相干噪声测试仪，其主要特征是：该测量装置是由窄带光源1；宽带光源2(与光源1的波长不同)；波分复用器3；光纤隔离器4；光纤耦合器5；波分复用器6；光电探测器7；信号处理单元8；三端口光纤环形器9；光电探测器10；光电探测器11；差分器12；信号处理单元13；光纤耦合器14；可调衰减器15；标定参考器件16；光程扫描器17；光纤连接器18；待测光纤器件19等部分组成。本发明所给出的测量装置能够实现测量光纤器件或者光纤系统中由于材料不均匀以及生产过程中的随机因素导致的微小缺陷对光学系统产生的相干噪声，对其进行评估。可用于光纤陀螺研制和生产过程中进行测试与分析，也可用于对全光纤陀螺系统中的光纤耦合器、光纤以及光纤陀螺环的噪声特性进行测试与分析。
本发明可用于测试光纤器件及光纤系统中随机分布的微小缺陷带来的后向散射随机匹配相干噪声的测量与评估，这种微小缺陷是光纤器件和光纤系统的光路内部由于材料的不均匀性、光纤的焊接以及生产过程中的随机因素造成的。本发明即可用于光纤陀螺系统研制和生产过程中进行测试与分析其后向散射随机匹配相干噪声特性，也可用于对光纤陀螺系统中的光纤、光纤耦合器、Y波导器件、以及光纤陀螺环器件的后向散射随机匹配相干噪声特性的测试。
任何光器件内部都会存在随机分布的缺陷，例如：光纤在制造过程中由于材料的不均匀而导致的随机分布缺陷，而这些随机分布的缺陷点除了会产生瑞利散射噪声外，还会导致相关噪声。这种随机缺陷散射相关噪声产生的机理是：光器件内部任意散射点为中心，可与其紧邻的散射点构成两类随机相关谐振腔，所形成的光学腔主要是Fizeau干涉腔或光纤Fabry-Perot干涉腔，如图5所示。事实上，Fizeau干涉是Fabry-Perot干涉的一阶近似，对于微小缺陷导致的后向散射相干噪声，由于等效反射系数一般都非常小，因而噪声贡献主要来自于一阶Fizeau干涉光程匹配相干。
本发明的目的是这样实现的：该测试仪是由窄带光源1；宽带光源2(与光源1的波长不同)；波分复用器3；光纤隔离器4；光纤耦合器5；波分复用器6；光电探测器7；信号处理单元8；三端口光纤环形器9；光电探测器10；光电探测器11；差分器12；信号处理单元13；光纤耦合器14；可调衰减器15；标定参考器件16；光程扫描器17；光纤连接器18；待测光纤器件19等部分组成。窄带光源1与宽带光源2分别从波分复用器3的两个端口输入，波分复用器3的输出端与光纤隔离器4相连；光纤隔离器4的输出端连接到光纤耦合器5的端口i，光纤耦合器5的端口j、端口k连接一个光程扫描器17，光纤耦合器5的端口m连接到波分复用器6，波分复用器6的输出分别接到光电探测器7和三端口光纤环形器9的端口a，光电探测器7输出接到信号处理单元8；三端口环形器9的端口b与光纤耦合器14的端口e相连，光纤耦合器14的端口f与光纤连接器18相连接，端口g与标定参考器件16相连，端口h与可调衰减器15相连；三端口光纤环形器9的端口c和可调衰减器15分别与光电探测器10、11相连，其输出再经过一个差分器12后与信号处理单元13相连；光纤连接器18输出与待测光纤器件19相连接。
在测试过程中，为了消除瑞利散射的累计信号对测试结果的影响，系统采用了差动探测光路的结构，一方面消除了瑞利散射作为直流非相干强度噪声的影响，另一方面，也实现了匹配干涉信号的倍增。
当光路中的有关光纤器件都采用保偏光器件时，可构成全偏振测试系统，这有利于实现对保偏式光纤陀螺系统的测试。
基于光时域反射测量技术(OTDR)可实现长程光纤器件(包括光纤陀螺环以及全光纤陀螺系统等)测量，为此，当本发明中的宽带光源2以脉冲形式工作时，通过对时序信号的分析与处理，可实现待测光学系统沿着传输光程的分布式后向散射匹配相干噪声特性的测量。具体实现原理如图6和图7所示：图中的光源2发射脉冲光，经过波分复用器3、光纤隔离器4后进入光纤耦合器5，分成两个相干光脉冲，经过光程扫描器17后形成光程差，两个相干光脉冲再经过波分复用器6、三端口环形器9进入光纤耦合器14，进入标定参考器件16和待测器件19中(二者内部各有两个脉冲光)，沿着向前传输的两个脉冲光由于待测器件19(或标定参考器件16)内部的不均匀分布会发生瑞利散射，这两个脉冲光的后向瑞利散射光将沿着光纤传回，经过光纤耦合器14进入差分信号检测装置，得到光程补偿的两个后向散射光脉冲，在满足相位匹配的条件下发生干涉。其中的一路经过三端口光纤环形器9(损耗约1dB)的一臂后被光电探测器10所接收；另外一路经过可调衰减器后被光电探测器11所接收，由于两探测器所接收到的信号是由2×2光纤耦合器14两个端口输出，所以其相位恰好相反，通过可调衰减器15使两路光信号大小达到平衡，这时经过差分器12以及信号处理单元13处理后，与干涉测量无关的平均强度信号被抵消，而两路干涉信号却差动得到放大。通过调整光程扫描器17两臂的光程差，即可扫描待测器件内部的不同距离处的散射点，即材料分布不均匀处或者有缺陷的地方。最后在信号检测单元13可得到测试结果，如图7中所示，横坐标为传播距离，纵坐标为后向散射信号功率取对数，曲线上的尖峰即为待测器件中有缺陷的地方。
将需要测试的光学元器件或光学系统作为待测单元19连接到本测试系统的光路中的，从而实现对待测器件的测试与评估。
实施例一：为了对光纤陀螺环的特性实施测试，将其串联到测试系统中的待测器件19的位置，如图6、图7所示，将该待测的光纤陀螺环的一端与光纤连接器18端口相连，就能实现该光纤陀螺环噪声特性的测量。
实施例二：为了对单模保偏光纤的特性实施测试，我们将该单模光纤串联到测试系统中的待测器件19位置，如图8所示，将该待测光纤与光纤连接器18的端口相连，就能实现该光纤的后向散射匹配相干噪声特性的测量。
实施例三：为了对Y波导器件的特性实施测试，将其串联到测试系统中的待测器件19的位置，如图9所示，将Y波导器件与光纤连接器18的端口相连，就能实现该Y波导器件的后向散射匹配相干噪声特性的测量。
实施例四：为了对全光纤陀螺系统的特性实施测试，将其测试系统中的待测器件19的位置，如图10所示，将该全光纤陀螺系统的一端与光纤连接器18的端口相连，就能实现该全光纤陀螺系统后向散射匹配相干噪声特性的测量。

Claims (6)

1.一种后向散射随机匹配相干噪声测试仪，由窄带光源(1)，宽带光源(2)，第一波分复用器(3)，光纤隔离器(4)，第一光纤耦合器(5)，第二波分复用器(6)，光电探测器(7)，信号处理单元(8)，三端口光纤环形器(9)，第一光电探测器(10)，第二光电探测器(11)，差分器(12)，信号处理单元(13)，第二光纤耦合器(14)，可调衰减器(15)，标定参考器件(16)，光程扫描器(17)，光纤连接器(18)，待测光纤器件(19)组成，其特征在于：所述窄带光源与宽带光源输出光信号波长不同；窄带光源与宽带光源分别从第一波分复用器的两个端口输入，第一波分复用器的输出端与光纤隔离器相连，光纤隔离器的输出端连接到第一光纤耦合器的端口i，第一光纤耦合器的端口j、端口k连接一个光程扫描器，第一光纤耦合器的端口m连接到第二波分复用器，第二波分复用器的输出分别接到光电探测器和三端口光纤环形器的端口a，光电探测器输出接到信号处理单元，三端口光纤环形器的端口b与第二光纤耦合器的端口e相连，第二光纤耦合器的端口f与光纤连接器相连接，端口g与标定参考器件相连，端口h与可调衰减器相连，三端口光纤环形器的端口c和可调衰减器分别与第一光电探测器、第二光电探测器相连，其输出再经过一个差分器后与信号处理单元相连，光纤连接器输出与待测光纤器件相连接。
2.根据权利要求1所述的一种后向散射随机匹配相干噪声测试仪，其特征在于：窄带光源(1)用于测定光程扫描器(17)中反射镜位置，窄带光源(1)输出的光经第一波分复用器(3)、光纤隔离器(4)、第一光纤耦合器(5)和光程扫描器(17)，再经过第一光纤耦合器(5)和第二波分复用器(6)输出到光电探测器(7)，经过信号处理单元(8)处理后得到光程扫描器(17)的反射镜位置；宽带光源(2)为其余测试系统的光源，即第一光纤耦合器(5)、第二光纤耦合器(14)以及三端口光纤环形器(9)的中心波长和宽带光源(2)波长相同。
3.根据权利要求1所述的一种后向散射随机匹配相干噪声测试仪，其特征在于：所采用的光程扫描器是Fizeau干涉仪结构。
4.根据权利要求1所述的一种后向散射随机匹配相干噪声测试仪，其特征在于：所采用的光程扫描器是Michelson空间光程匹配扫描装置。
5.根据权利要求1所述的一种后向散射随机匹配相干噪声测试仪，其特征在于：所采用的光程扫描器是Mach-Zehnder空间光程扫描装置。
6.根据权利要求1所述的一种后向散射随机匹配相干噪声测试仪，其特征在于：所述的宽带光源采用脉冲光的形式。
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