CN106289726B - 一种光子带隙光纤背向散射分布式测量方法及装置 - Google Patents

一种光子带隙光纤背向散射分布式测量方法及装置 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种光子带隙光纤背向散射分布式测量装置，包括光源、1:99耦合器、测量光路的环形器、参考光路的环形器、待测光纤、Y波导、信号发生器、探测器、锁相放大器、电动延迟线、1×N路光开关C、1×N路光开关D、光纤全反射镜和普通单模光纤1～N；本发明使用低相干光干涉以及方波和三角波联合调制和解调的相关检测技术，实现了高空间分辨、高灵敏度的光子带隙光纤背向散射分布式测量。本发明使用1:99耦合器和环形器调整参考光路和测量光路的分光比，提高了散射信号强度，改善了系统的信噪比。本发明通过电动延迟线和光开关的组合，在不影响系统分辨率、灵敏度和信噪比的前提下，拓展了装置的测量长度。

Description

一种光子带隙光纤背向散射分布式测量方法及装置
技术领域
本发明属于光纤特征参数测试技术领域，具体涉及一种光子带隙光纤背向散射分布的高精度测量方法及装置。
背景技术
光子带隙光纤是一种基于光子带隙效应的新型微结构光纤，通过SiO2和空气孔的周期性排列形成二维光子晶体结构，产生光子带隙效应，从而限制光波在中心空气孔缺陷(纤芯)中传播。与传统光纤相比，光子带隙光纤具有诸多优点，如对温度、电磁场、空间辐射等环境因素的敏感度低，对弯曲不敏感等。
光纤的背向散射是指在光纤的数值孔径内的散射光中沿着与入射光波相反方向传播的散射。传统光纤中的背向散射主要来源于光纤的折射率不均匀引起的瑞利散射。与传统光纤不同，光子带隙光纤可以使超过99％的传输功率位于空气中，光子带隙光纤的背向散射主要发生在光纤内壁的空气-玻璃分界面上。在光子带隙光纤拉制过程中，熔融玻璃表面存在热激发表面毛细波，随着光纤的冷却，这些表面毛细波也会固定在玻璃表面，从而造成固有的表面粗糙。由于热力学的原因，这种由表面毛细波引入的表面粗糙是不可避免的，这种粗糙会使光在空气-玻璃分界面上发生散射。
由于现有光子带隙光纤拉制工艺的限制，光子带隙光纤的背向散射远大于传统光纤，精确测量光子带隙光纤的背向散射及其沿轴向分布对光子带隙光纤自身质量的衡量及应用有重要意义。如将其应用于光子带隙光纤陀螺时，会引入较大的背向散射噪声，精确测量光子带隙光纤的背向散射可以为陀螺背向散射噪声的抑制提供数据支持。同时，精确测量光子带隙光纤的背向散射分布可以获得光纤的拉制质量信息，从而评定光纤生产工艺的好坏。
目前，测量光纤背向散射分布的装置主要有光时域反射计(OTDR)、光频域反射计(OFDR)和光学低相干反射计(OLCR)。OTDR通过光脉冲的返回时间和光强进行定位和测量，空间分辨率和灵敏度低。OFDR系统的光源为线性扫频窄线宽单纵模激光器，对光源要求很高，同时系统的偏振误差抑制困难，且解调需要傅里叶变换，算法复杂。OLCR虽然测量精度高，但是测量长度短且解算复杂。因此，现有的光纤背向散射测量不能很好的兼顾测量精度和测量长度，需要提供一种能够有效解决上述难题的光子带隙光纤背向散射分布式测量方法和装置。
发明内容
本发明的目的是为了解决上述问题，提出一种光子带隙光纤背向散射分布式测量的方法及装置。
一种光子带隙光纤背向散射分布式测量装置，包括光源、1:99耦合器、测量光路的环形器、参考光路的环形器、待测光纤、Y波导、信号发生器、探测器、锁相放大器、电动延迟线、1×N路光开关C、1×N路光开关D、光纤全反射镜和普通单模光纤1～N；
本发明的优点在于：
(1)本发明使用低相干光干涉以及方波和三角波联合调制和解调的相关检测技术，实现了高空间分辨、高灵敏度的光子带隙光纤背向散射分布式测量。
(2)本发明使用1:99耦合器和环形器调整参考光路和测量光路的分光比，提高了散射信号强度，改善了系统的信噪比。
(3)本发明通过电动延迟线和光开关的组合，在不影响系统分辨率、灵敏度和信噪比的前提下，拓展了装置的测量长度。
(4)本方法及装置还可用于其它光纤及相关非起偏器件的背向散射及背向反射测试。
附图说明
图1是本发明一种光子带隙光纤背向散射分布式测量方法的原理框图；
图2是本发明中信号发生器的输出波形示意图；
图3是三角波调制后的干涉信号波形图；
图中：
1-光源 2-1:99耦合器 3-测量光路的环形器
4-参考光路的环形器 5-待测光纤 6-Y波导
7-信号发生器 8-探测器 9-锁相放大器
10-电动延迟线 11-1×N路光开关C 12-1×N路光开关D
13-光纤全反射镜 14-普通单模光纤1～N
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。
本发明是一种光子带隙光纤背向散射分布式测量装置，如图1所示，包括光源1、1:99耦合器2、测量光路的环形器3、参考光路的环形器4、待测光纤5、Y波导6、信号发生器7、探测器8、锁相放大器9、电动延迟线10、1×N路光开关C11、1×N路光开关D12、光纤全反射镜13和普通单模光纤1～N；
电动延迟线10变化的最大长度为△L，普通单模光纤1、2、···、N的折射率为n，长度分别为
光源1输出的宽谱光经1:99耦合器分为光强之比为99:1的两束光Wm0、Wr0，Wm0由测量光路的环形器3的E端口进入测量光路，Wr0由参考光路的环形器4的H端口进入参考光路。
测量光路由环形器3和待测光纤5组成，由环形器3的E端口输入的光Wm0从环形器3的F端口进入待测光纤5，当Wm0在待测光纤5中传输时，光子带隙光纤纤芯内表面上的散射点会产生背向散射，其背向散射光Im经过环形器3的G端口进入Y波导6。
参考光路由环形器4、光纤全反射镜13及电动延迟线10、1×N路光开关C11、1×N路光开关D12和普通单模光纤1～N14组成的精密光程扫描构件组成。由环形器4的H端口输入的光Wr0从环形器4的J端口进入参考光路，并依次经过电动延迟线10、1×N路光开关C11、普通单模光纤m(为1×N路光开关C11和D12接通的普通单模光纤，1≤m≤N)和1×N路光开关D12，入射到光纤全反射镜13。进入光纤全反射镜13的光Wr0被反射镜反射后按原光路返回，由J端口进入环形器4并从环形器4的K端口输出，作为参考光Wr进入Y波导6。
背向散射光Wm和参考光Wr分别经Y波导6的两分支输入并经Y波导6耦合后输入到探测器8。探测器8将接收的光信号转换为电信号并发送给锁相放大器9的信号端。使用信号发生器7在Y波导6上添加一方波+三角波的调制信号以实现对背向散射光Wm和参考光Wr干涉相位的调制，并将其中的方波信号作为参考信号接入锁相放大器9的参考端，通过锁相放大器9即可实现Wm和Wr干涉信号的相关检测。光纤不同散射点产生的背向散射光光程不同，由于光源为宽谱光源，背向散射光Wm中只有与参考光Wr等光程的散射光(设为散射点A产生的背向散射光WmA，光强为ImA)才能与参考光发生干涉。因此，探测器8探测到的光强为：
其中：干涉项相位Im为背向散射光Wm的总光强，Ir为参考光Wr的光强。
信号发生器7在Y波导上添加如图2所示的方波+三角波调制，其中方波的幅值等于Y波导半波电压的频率约几百kHz，三角波的幅值约为Y波导半波电压的4倍，频率约几Hz，该调制信号将使在0～4π周期性变化，则ID将如图3所示呈余弦变化。使用信号发生器7和锁相放大器9对ID中的干涉项进行调制和解调，实现对ID的相关检测，得到余弦信号ID的峰峰值Ipp。
由计算出散射点A的背向散射光强为：
通过延迟线和光开关组成的精密光程扫描部分改变参考光路的光程即可改变参考光的光程，从而实现参考光与不同散射点背向散射光的干涉，获得相应散射点的背向散射大小。对光子带隙光纤的背向散射进行逐点测量即可获得该段光子带隙光纤的背向散射分布信息。
装置实现参考光路光程大范围精密变化的方法如下：
电动延迟线10、1×N路光开关C城11、1×N路光开关D12和光纤1～N14组成图1中所示的精密光程扫描构件，其中电动延迟线10变化的最大长度为△L，普通单模光纤1、2、···、N的折射率为n，长度分别为
当1×N路光开关C11和D12接通光纤1且电动延迟线10的延迟长度为0时，由光源1经参考光路到探测器8的光程与由光源1经待测光纤5入射端(光纤熔点B)散射后到探测器8的光程相等，此时，参考光光程与待测光纤5入射端的散射光等光程。设此时参考光的光程为0，改变电动延迟线10的延迟长度可以使参考光的光程在0～△L内精密变化。当1×N路光开关C11和D12接通光纤m(1≤m≤N)且电动延迟线10的延迟长度为0时，参考光的光程为(m-1)△L，改变电动延迟线10的延迟长度可以使参考光的光程在(m-1)△L～m△L内精密变化。如图1所示，使用电动延迟线和1×N路光开关组成的精密光程扫描结构可以使参考光光程在0～N△L范围内精密变化，从而实现对长度为N△L的光子带隙光纤背向散射分布的测量。
本发明一种光子带隙光纤背向散射分布式测量方法，包括以下几个步骤：
(1)使用1:99耦合器将宽谱光源发出的光分为光功率之比为1:99的两束光，其中功率大的一束光Wm0经环形器进入待测光纤，Wm0在待测光纤中传输时将产生背向散射光；功率小的一束光Wr0经另一环形器进入参考光路，并经光纤反射镜反射成为参考光Wr。
(2)使用Y波导耦合背向散射光和参考光。待测光纤中不同散射点产生的背向散射光光程不同，只有与参考光等光程的散射光Wmi才能与参考光Wr发生干涉，其干涉信号为：
其中干涉项相位Im为待测光纤背向散射的总光强，Ir为参考光的光强，Imi为背向散射光Wmi的光强。
(3)在Y波导上施加方波调制信号，使系统受到调制，以便后续利用相关检测的方法去解调。
(4)在Y波导上添加三角波调制使干涉项的相位在0～2π周期变化，则Iint将呈周期性的余弦变化。通过相关检测提取该余弦信号的峰峰值Ipp即可计算相应的背向散射光光强：
(5)使用可调电动延迟线和1×N路光开关构成可实现大范围精密光程扫描的参考光路，改变参考光路光程，即可实现不同散射点背向散射的测量，从而得到一段光子带隙光纤的背向散射分布。

Claims (4)

1.一种光子带隙光纤背向散射分布式测量装置，包括光源、1:99耦合器、测量光路的环形器、参考光路的环形器、待测光纤、Y波导、信号发生器、探测器、锁相放大器、电动延迟线、1×N路光开关C、1×N路光开关D、光纤全反射镜和普通单模光纤1～N；
光源输出的宽谱光经1:99耦合器分为光强之比为99:1的两束光Wm0、Wr0，Wm0由测量光路的环形器的E端口进入测量光路，Wr0由参考光路的环形器的H端口进入参考光路；
测量光路包括环形器和待测光纤，环形器的E端口输入的光Wm0从环形器的F端口进入待测光纤，Wm0在待测光纤中传输时，待测光纤纤芯内表面上的散射点产生背向散射，背向散射光Wm经过环形器的G端口进入Y波导；
参考光路包括环形器、光纤全反射镜、电动延迟线、1×N路光开关C、1×N路光开关D和普通单模光纤1～N，环形器的H端口输入的光Wr0从环形器的J端口进入参考光路，依次经过电动延迟线、1×N路光开关C、普通单模光纤m和1×N路光开关D，入射到光纤全反射镜，光Wr0被光纤全反射镜反射后按原光路返回，由J端口进入环形器并从环形器的K端口输出，作为参考光Wr进入Y波导，其中，普通单模光纤m为普通单模光纤1～N中的一路，普通单模光纤通过1×N路光开关C和1×N路光开关D接通，1≤m≤N；
背向散射光Wm和参考光Wr分别经Y波导的两分支输入并经Y波导耦合后输入到探测器，探测器将接收的光信号转换为电信号并发送给锁相放大器的信号端，信号发生器在Y波导上添加方波+三角波的调制信号，实现对背向散射光Wm和参考光Wr干涉相位的调制，方波信号作为参考信号接入锁相放大器的参考端，通过锁相放大器实现Wm和Wr干涉信号的相关检测，探测器探测到的光强为：其中：干涉项相位Im为背向散射光Wm的总光强，Ir为参考光Wr的光强；
信号发生器和锁相放大器对ID中的干涉项相位进行调制和解调，实现对ID的相关检测，得到余弦信号ID的峰峰值Ipp，进而得到散射点A的背向散射光强为：
通过电动延迟线、1×N路光开关C和1×N路光开关D改变参考光路的光程，进而改变参考光的光程，实现参考光与不同散射点背向散射光的干涉，获得相应散射点的背向散射大小，对待测光纤的背向散射进行逐点测量，获得该段待测光纤的背向散射分布信息。
2.根据权利要求1所述的一种光子带隙光纤背向散射分布式测量装置，所述的电动延迟线、1×N路光开关C、1×N路光开关D和普通单模光纤1～N组成精密光程扫描构件，电动延迟线变化的最大长度为△L，普通单模光纤1、2、···、N的折射率为n，长度分别为当1×N路光开关C和1×N路光开关D接通普通单模光纤1且电动延迟线的延迟长度为0时，由光源经参考光路到探测器的光程与由光源经待测光纤入射端散射后到探测器的光程相等，此时，参考光光程与待测光纤入射端的散射光等光程；设此时参考光的光程为0，改变电动延迟线的延迟长度使参考光的光程在0～△L内精密变化；当1×N路光开关C和1×N路光开关D接通光纤m且电动延迟线的延迟长度为0时，参考光的光程为(m-1)△L，改变电动延迟线的延迟长度使参考光的光程在(m-1)△L～m△L内精密变化；使用电动延迟线、1×N路光开关C和1×N路光开关D组成的精密光程扫描结构使参考光光程在0～N△L范围内精密变化，实现对长度为N△L的待测光纤背向散射分布的测量。
3.根据权利要求1所述的一种光子带隙光纤背向散射分布式测量装置，所述的信号发生器在Y波导上添加的调制信号为方波+三角波，其中方波的幅值为Y波导半波电压的三角波的幅值为Y波导半波电压的4倍，调制信号使在0～4π周期性变化，ID呈余弦变化。
4.一种光子带隙光纤背向散射分布式测量方法，包括以下几个步骤：
(1)使用1:99耦合器将宽谱光源发出的光分为光功率之比为1:99的两束光，其中功率大的一束光Wm0经环形器进入待测光纤，Wm0在待测光纤中传输产生背向散射光；功率小的一束光Wr0经另一环形器进入参考光路，并经光纤反射镜反射成为参考光Wr；
(2)使用Y波导耦合背向散射光和参考光，待测光纤中不同散射点产生的背向散射光光程不同，只有与参考光等光程的散射光Wmi才能与参考光Wr发生干涉，其干涉信号为：
其中：干涉项相位Im为待测光纤背向散射的总光强，Ir为参考光的光强，Imi为背向散射光Wmi的光强；
(3)在Y波导上施加方波调制信号，进行调制；
(4)在Y波导上添加三角波调制信号，调制使干涉项相位在0～2π周期变化，Iint将呈周期性的余弦变化，通过相关检测提取该余弦信号的峰峰值Ipp，计算相应的背向散射光光强：
(5)通过电动延迟线、1×N路光开关C和1×N路光开关D，改变参考光路光程，实现不同散射点背向散射的测量，进而得到一段待测光纤的背向散射分布。
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