CN106644409A - 一种光纤特征参数测量仪器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种光纤特征参数测量仪器。本发明包括一个激光器、两根单模光纤、两个光纤准直器，两个光纤耦合器、两个分束器，两个相位板、若干待测光纤，一个旋转多普勒效应发生器、一个光电探测器。激光器产生的激光由单模光纤输出，准直后被分束器分成两路，一路经过相位板调制后，再耦合到待测光纤中，待测光纤的输出光与另外一路经相位板调制成某个指定模式后的光合成为一束光束，合成的光束入射到旋转多普勒效应发生器变成散射光并且发生不同的频移，最后滤出该散射光基模由光电探测器检测，通过分析光电探测器收集的能量曲线能分析出光纤所支持的模式的传播常数、损耗以及其它特征参数。本发明具有易操作，分析全面等优点。

Description

一种光纤特征参数测量仪器

技术领域

本发明属于光纤特征参数测量技术领域，更具体地，涉及一种基于旋转多普勒效应的光纤特征参数测量技术。

背景技术

光纤已经广泛的应用于各个方面，比如光通信、传感、光学器件等。因此分析光纤的特征参数是一项很重要的基本需求。随着大容量光纤通信技术的发展，光纤媒介已经从传统的单模光纤传输逐步发展为基于模式复用的少模光纤等新型光纤载体。一般情况下分析少模光纤的特征参数就是要分析光纤所支持的本征模的各种性能参数，比如损耗，色散等等。传统的分析光纤特征参数的方法主要是通过输入某个单一模式脉冲，再根据输出端的功率和延时量来测量损耗和色散，或者通过设计高阶模和基模的拍频效应来测量延时量，传统的方法需要逐个模式的测量，在待测模式比较多的情况下，操作比较繁琐、耗时。考虑到光纤的广泛应用，发展一种简单、系统、省时的光纤特征参数测量仪器是很必要的。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种基于旋转多普勒效应的光纤特征参数测量仪器，可以一次性地测量出待测光纤在某个波长所支持的各种本征模的传播常数和损耗，克服现有技术存在的操作繁琐、功能单一、耗时较长等问题。

本发明提出的一种光纤特征参数测量仪器，包括激光器，第一、第二单模光纤，第一、第二光纤准直器，第一、第二分束器，第一、第二相位板，第一、第二光纤耦合器，旋转多普勒效应发生器和光电探测器；其中：

所述的第一单模光纤、第一光纤准直器和第一分束器依次设置在激光器的输出光路上，第一单模光纤用于将激光器产生的激光输出，经第一光纤准直器准直后耦合到自由空间，第一分束器用于将接收到的第一光纤准直器输出的准直光分成两路；

所述的第一相位板设置在第一分束器的其中一条输出光路上，用于给输入的光束加载上一个空间相位调制，将该路光束调制成某个指定的模式，要求该模式在待测光纤的本征模式范围之外，作为参考光；

所述的第二相位板设置在第一分束器的另外一条输出光路上，用于将该路光束调制成待测光纤本征模的叠加态，使其可以有效地激励出待测光纤中的各种本征模；

所述的第一光纤耦合器与待测光纤和第二光纤准直器依次设置在第一相位板的输出光路上，第一光纤耦合器的作用是将第二相位板的输出光耦合到待测光纤中，用于激发待测光纤中的各种本征模；第二光纤准直器用于将待测光纤的输出光向第二分束器耦合；

所述的第二分束器的两个输入端分别设置在第一相位板和第二光纤准直器的输出光路上，用于将这两路光束合成一路光束；

所述的旋转多普勒效应发起器设置在第二分束器的输出光路上，用于使不同的入射光模式转换成基模，并且发生相应的频移；不同的入射模式，产生的频移不同；

所述的第二光纤耦合器、单模光纤、光电探测器依次设置在旋转多普勒效应发起器的输出光路上，第二光纤耦合器用于将旋转多普勒效应发起器的输出光耦合到第二单模光纤中，第二单模光纤用于将旋转多普勒效应发起器的输出光中的基模筛选出来；

光电探测器用于检测单模光纤的输出光；通过分析光电探测器检测到的光能量曲线，能分析出待测光纤的模式传输常数和损耗；通过改变激光器输出的波长，能进一步分析待测光纤包括各个波长的模式传播常数，各个波长的模式损耗，各个波长的导模数目、带宽、模间色散和材料色散在内的其它光纤特征参数。

进一步的，所述旋转多普勒效应发生器为一个反光面及与其固连的电机，反光面表面粗糙，以利于产生旋转多普勒效应；反光面其中心与电机转轴固连，在电机带动下匀速转动；反光面用于将待测光纤所支持的本征模转换成基模。

进一步的，所述旋转多普勒效应发生器为设置在所述分束器的输出光路的空间光调制器件，该器件加载有匀速旋转的相位图。

进一步的，所述分束器是平板光分束器、立方体光分束器或薄膜分光器。

进一步的，所述相位版是可以产生参考光模式和待测光纤本征模式的二维空间相位版，或包括空间光调制器和全息图在内的其他相位元件。

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，具有以下有益效果：利用空间相位板有效地激励出待测光纤的本征模式，经过待测光纤的损耗和色散后，再利用旋转多普勒效应发生器将每个入射的模式以一定的效率转换成基模，将这些基模滤出后用光电探测器测量其能量，通过分析其能量曲线既能测量出光纤各个模式的传播常数和损耗，且可一次性测量出在某个波长时各个本征模的传播常数和损耗，方法简单，易于实现。而传统的方法需要逐个模式测量，操作相对繁琐。扫描波长可进一步可以分析光纤的其它特征参数，可测量的光纤特征参数包括：各个波长的模式传播常数、各个波长的模式损耗、各个波长的导模数目、带宽、模间色散、材料色散。相比其他方案，具有易操作，分析全面等优点。

附图说明

图1是本发明实施例的光纤特征参数测量仪器的结构示意图；

图2是光纤中的本征模式与频率的转换示意图；

其中图(a)依次表示模式指数为2，1，0，-1，-2的光纤本征模式的三维等相位面分布，图(b)依次表示模式指数为2，1，0，-1，-2的光纤本征模式的横截面相位分布，图(c)依次表示模式指数为2，1，0，-1，-2的光纤本征模式的光强度分布，图(d)依次表示模式指数为2，1，0，-1，-2的光纤本征模式映射到各个频率的分布；

在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或结构，其中：1-激光器，2-第一单模光纤，3-第一光纤准直器，4-第一分束器，5-第一相位板，6-第二相位板，7-第一光纤耦合器，8-第二光纤准直器，9-第二分束器，10-旋转多普勒效应发生器，11-第二光纤耦合器，12-第二单模光纤，13-光电探测器。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合简单的理论推导及演示例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的演示例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

如图1所示，本发明实施例的基于旋转多普勒效应的光纤特征参数测量仪器包括：激光器1，第一单模光纤2，第一光纤准直器3，第一分束器4，第一相位板5，第二相位板6，第一光纤耦合器7，第二光纤准直器8，第二分束器9，旋转多普勒效应发生器10，第二光纤耦合器11，第二单模光纤12，光电探测器13。旋转多普勒效应发生器10为一个反光面及与其固连的电机或者为加载有匀速旋转的相位图的空间光调制器件。激光器1产生所需波长的激光，由第一单模光纤2输出，再由第一光纤准直器3耦合到自由空间，输出准直光，随后该准直光被第一分束器4分成两路，其中第一路被第一相位板5调制成一个特定的模式，作为参考光，假设参考光表达为：

E_r＝B_r exp(-i2πft)exp(il_rθ) (1)其中B_r表征该参考光的复振幅，f是光波的频率，t是时间参数，θ是方位角，l_r表示模式指数，另外一路被第二相位板6调制成一组特定的模式，并且通过第一光纤耦合器7以一定的效率耦合到待测光纤中，激励的待测光纤的本征模分布可以表示为：

E_f＝∑_{s＝1,2,…,N}B_s exp(-i2πft)exp(il_sθ) (2)

l_s表征不同的模式指数，假设待测光纤有M段，每段的长度为L_n,n＝1,2,...,M，那么第n段光纤激发的模式分布可以表述为：

E_f,n＝η_n∑_{s＝1,2,…,N}B_s exp(-i2πft)exp(il_sθ) (3)

其中η_n与第n段光纤的耦合效率相关，假设模式损耗因子是α_s，模式传播常数是β_s，那么激励的光场经过色散和损耗后，待测光纤输出端的光场变为：

E_{f_out,n}＝η_n∑_{s＝1,2,…,N}B_s exp(-i2πft)exp(il_sθ)exp(-a_sL_n)exp(iβ_sL_n) (4)

该光束经过待第二光纤准直器8耦合到自由空间，之后第二分束器9再将该光束和参考光合束成路光，合成的光束表达为：

E_c,n＝E_{f_out,n}+E_r (5)

合成的光束在入射到旋转多普勒效应发生器10上，旋转多普勒效应发生器10的调制函数可以表述为：

其中Ω为旋转多普勒效应发生器10的旋转速度，m取任意整数。可以看出旋转多普勒效应发生器10可以将模式指数为l的入射模式以比例系数A_-l转换成基模(模式指数为0的模式)，并且发生频移，频移量为-lΩ。该基模经过第二光纤耦合器11耦合到第二单模光纤12后被滤出，该基模可以表示为：

E_0,n＝C_r,n exp(-i2πft)exp(il_rΩt)+∑_{s＝1,2,…,N}C_s,n exp(-i2πft)exp(il_sΩt) (7)

其中 从公式(7)我们可以看出，不同的模式被转换成基模，并且发生相应的频移量。该第二单模光纤12输出的基模的能量被光电探测器13收集，光电探测器13收集的能量可以表达为：

一般来说，所要测量的光纤所支持的模式数量不会很多，因此我们可以选取在待测光纤本征模式范围之外的参考模式使得公式(8)中的频率(l_h-l_s)Ω跟(l_r-l_s)Ω不会有重叠项，那么通过傅里叶分析，我们就可以得到这些频率的系数由于是不变的，因此得到了C_s,n的分布。假设得到了任意两组系数C_s,n,C_s,m，那么相除可得到：

其中△L_n,m＝L_n-L_m，可以看出

其中p为一个整数。可以看出通过两次不同长度的测量就可以得到唯一的模式损耗因子是α_s，和多值的传播常数β_s。可以根据以下三种方法唯一确认传播常数β_s：1)如果事先或者根据经验知道传播常数在哪个量级，那么可以唯一确认β_s；2)经过第三次长度测量也可以唯一确定β_s；3)经过三组或者三组以上的不同长度光纤测量后，再根据公式C_n,s/η_n＝ξ_s exp(-a_sL_n)exp(iβ_sL_n)，去拟合α_s，β_s，ξ_s，可以唯一确认该系数。确定了α_s，β_s，就知道了光纤各个模式的损耗和传播常数，扫描波长可进一步可以分析光纤的其它特征参数，可测量的光纤特征参数包括：各个波长的模式传播常数、各个波长的模式损耗、各个波长的导模数目、带宽、模间色散和材料色散。

图2举例说明了光纤本征模式跟频率的映射关系。在这里我们选取参考光的模式指数为-8，并且假设待测光纤只支持模式指数为2，1，0，-1，-2的本征模。图2(a)依次表示模式指数为2，1，0，-1，-2的光纤本征模式的三维等相位面分布，图2(b)依次表示模式指数为2，1，0，-1，-2的光纤本征模式的横截面相位分布，图2(c)依次表示模式指数为2，1，0，-1，-2的光纤本征模式的光强度分布。我们可以看出，我们所选取的模式正交基其相位呈l倍螺旋结构分布，其中l表示本征模的模式指数，其横截面相位分布的相位沿着方位角由0变化到2πl，其强度分布一般为环状，且模式指数越大，环半径越大，基模是光圆斑分布。根据前面分析，我们知道每个入射模式，包括参考光，都会被转换成基模，并且发生频移，频移量跟模式指数成正比。这些不同频率的基模会相互之间拍频，即出现公式(8)中的各种频率项。由于所选取的参考光的模式指数(-8)远大于光纤模本征指数(2，1，0，-1，-2)，因此参考光与光纤本征模式的拍频频率不会跟参考光内部的拍频频率重叠，因此，如图2(d)所示，参考光和模式指数为-2的本征模式拍出一个频率为6Ω的信号，该本征模的相位和幅度信息也会转移到该拍频信号上。其它的本征模(模式指数为2，1，0，-1)类似的，会分别与参考光拍出一个频率为10Ω，9Ω，8Ω，7Ω的信号，其相位和幅度信息会转移到相应的拍频信号上。这些拍频信号可以被光电探测器(13)接收，通过频谱分析就可以得到相应本征模的分布，通过后续分析可以得到光纤的特征参数，如传播常数，损耗和色散等。

对于用其他类型的正交模式，比如说线性偏振模(LP模)，一般情况下光纤所支持的模式只考虑径向指数最小的模式，比如说LP₀₁，LP_11a，LP_11b，LP_21a和LP_21b模式，其中a和b分别表示偶模和奇模。可以看出LP模是在三角函数系下的正交模式，而我们上述的分析是在复指数函数系下的正交模式，两者是可以转换的，因此只要分析出复指数函数型的模式特征参数，就可以将之转换成其他类型模式的特征参数。

本发明可一次性地测量出待测光纤在某个波长所支持的各种本征模的传播常数和损耗，进一步的通过扫描激光输入波长可以得到各个波长的模式传播常数、各个波长的模式损耗、各个波长的导模数目、带宽、模间色散和材料色散。现有技术无法同时测量待测光纤的传播常数和损耗这两个参数，测量得到的光纤特征参数单一，需要多次测量确定所有特征参数。本发明克服了现有技术存在的操作繁琐、功能单一、耗时较长等问题。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种光纤特征参数测量仪器，其特征在于，包括激光器(1)、第一、第二单模光纤(2、12)、第一、第二光纤准直器(3、8)、第一、第二分束器(4、9)、第一、第二相位板(5、6)、第一、第二光纤耦合器(7、11)、旋转多普勒效应发生器(10)和光电探测器(13)；其中：

所述的第一单模光纤(2)、第一光纤准直器(3)和第一分束器(4)依次设置在激光器(1)的输出光路上，第一单模光纤(2)用于将激光器(1)产生的激光输出，经第一光纤准直器(3)准直后耦合到自由空间，第一分束器(4)用于将接收到的第一光纤准直器(3)输出的准直光分成两路；

所述的第一相位板(5)设置在第一分束器(4)的其中一条输出光路上，用于给输入的光束加载上一个空间相位调制，将该路光束调制成某个指定的模式，要求该模式在待测光纤的本征模式范围之外，作为参考光；

所述的第二相位板(6)设置在第一分束器(4)的另外一条输出光路上，用于将该路光束调制成待测光纤本征模的叠加态，使其可以有效地激励出待测光纤中的各种本征模；

所述的第一光纤耦合器(7)与待测光纤和第二光纤准直器(8)依次设置在第一相位板(6)的输出光路上，第一光纤耦合器(7)的作用是将第二相位板(6)的输出光耦合到待测光纤中，用于激发待测光纤中的各种本征模；第二光纤准直器(8)用于将待测光纤的输出光向第二分束器(9)耦合；

所述的第二分束器(9)的两个输入端分别设置在第一相位板(5)和第二光纤准直器(8)的输出光路上，用于将这两路光束合成一路光束；

所述的旋转多普勒效应发起器(10)设置在第二分束器(9)的输出光路上，用于使不同的入射光模式转换成基模，并且发生相应的频移；不同的入射模式，产生的频移不同；

所述的第二光纤耦合器(11)、单模光纤(12)、光电探测器(13)依次设置在旋转多普勒效应发起器(10)的输出光路上，第二光纤耦合器(11)用于将旋转多普勒效应发起器(10)的输出光耦合到第二单模光纤(12)中，第二单模光纤(12)用于将旋转多普勒效应发起器(10)的输出光中的基模筛选出来；

光电探测器(13)用于检测单模光纤(12)的输出光；通过分析光电探测器(13)检测到的光能量曲线，能分析出待测光纤的模式传输常数和损耗；通过改变激光器输出的波长，能进一步分析待测光纤包括各个波长的模式传播常数，各个波长的模式损耗，各个波长的导模数目、带宽、模间色散和材料色散在内的其它光纤特征参数。

2.如权利要求1所述的光纤特征参数测量仪器，其特征在于，所述旋转多普勒效应发生器为一个反光面及与其固连的电机，反光面表面粗糙，以利于产生旋转多普勒效应；反光面其中心与电机转轴固连，在电机带动下匀速转动；反光面用于将待测光纤所支持的本征模转换成基模。

3.如权利要求1或2所述的光纤特征参数测量仪器，其特征在于，所述旋转多普勒效应发生器为设置在所述分束器的输出光路的空间光调制器件，该器件加载有匀速旋转的相位图。

4.如权利要求1或2所述的光纤特征参数测量仪器，其特征在于，所述分束器是平板光分束器、立方体光分束器或薄膜分光器。

5.如权利要求1或2所述的光纤特征参数测量仪器，其特征在于，所述相位版是可以产生参考光模式和待测光纤本征模式的二维空间相位版，或包括空间光调制器和全息图在内的其他相位元件。