CN107121916B - 光波导器件全息谱测量方法及装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种光波导器件全息谱测量方法及装置。该方法是将宽带光源分成三束光并传输到待测光波导、固定光程光路及反射镜，得到两路信号光和一路参考光；将参考光与两路信号光干涉得到两个干涉光并经光电转换得到两个电信号；在反射镜移动过程中，连续采样并AD转换两个电信号而得到两组数据，对这两组数据分别进行傅里叶变换；用傅里叶变换的两个振幅计算出光波导的振幅谱，用傅里叶变换的实部和虚部计算出光波导的相位谱。基于该方法，由宽带光源、分光/合光器、固定光程光路、可移动反射镜、光电探测器、数据采集系统和计算机可构成光波导器件全息谱测量装置。本发明具有抗干扰性强，精度高，可同时测量光波导器件的振幅谱和相位谱等优点。
Description
技术领域
本发明涉及光学传感与测量领域，特别地，涉及一种光波导器件全息谱测量方法及装置，属于光谱测量领域。
背景技术
光波导器件可广泛用于光纤通信、光学传感、集成光学、生化物理、医学诊断等领域。随着光波导器件制作技术的提高及应用领域的扩展，人们对光波导器件特性测试的要求也越来越高。光波导器件的全息谱包括振幅谱和相位谱信息，包含了光波导器件的内部结构与特性信息。全息谱的获取需要高可靠性、高灵敏度、高分辨率的振幅谱及相位谱测量系统，以实现对光波导器件有效的监测。因此，光波导器件全息谱的测量方法具有很重要的作用和广阔的应用前景。
目前，光波导器件光谱特性的测量方法主要有调制相移法、低相干干涉法等。调制相移法可同时测量光波导器件的振幅谱和相位谱。调制相移法是将可调谐激光器输出的光波经射频RF信号调制后分为两路光，一路光经光电探测器转换为参考电信号并输入到矢量网络分析仪；另一路光入射到光波导器件并被反射，反射回的光波经光电探测器转换为被测电信号并输入到矢量网络分析仪；矢量网络分析仪对参考电信号和被测电信号进行相位和振幅比较，从而得到光波导器件的振幅谱和相位谱，再由振幅谱和相位谱构成全息谱。其测量系统需要可调谐激光器、矢量网络分析仪,还需对波长进行扫描。因此其成本较高，测量与数据处理的时间较长，另外光源与射频RF信号的频率相差太大而导致其误差较大。
低相干干涉法主要用于测量光波导器件的相位谱。在该方法中，低相干光源被分为两束光，分别传输到反射镜和待测光波导器件；反射镜和待测光波导器件的反射光产生干涉信号并被光电探测器转换为电信号，扫描移动反射镜并得到被测器件内不同位置的反射光强信息，对该反射光强信息进行傅里叶变换可得到光波导器件的相位谱，也可计算得到幅值谱。该方法可以测量被测器件的振幅谱或相位谱，但所测量的振幅谱包含了光源光谱，光源光谱会带来较大的测量误差。
发明内容
针对上述现有技术的不足，本发明所要解决的技术问题是：如何提供一种可同时高精度测量光波导器件的振幅谱和相位谱，并消除光源光谱分布不均引起的测量误差，也适用于时延谱和色散谱的测量，能够实现多变量、多特性测量的光波导器件全息谱测量方法；以及抗干扰能力强、操作方便、测量精度以及效率高、易于实现的光波导器件全息谱测量装置。
为了解决上述技术问题，本发明采用了如下的技术方案：
一种光波导器件全息谱测量方法，包括如下步骤：
(1)将宽带光源经过分光处理后形成三束光，分别为第一束光、第二束光和第三束光；将所述第一束光传输到待测光波导器件，反射得到第一信号光；将所述第二束光传输到光程恒定的固定光程光路，反射或透射得到第二信号光；将第三束光传输到可移动的反射镜，反射后得到参考光；
(2)将所述参考光经过分光处理后得到第一参考光和第二参考光，将所述第一参考光与所述第一信号光干涉得到干涉光a，将所述第二参考光与所述第二信号光干涉得到干涉光b；
(3)将所述干涉光a和干涉光b分别进行光电转换后得到电信号A和电信号B；在移动所述反射镜的过程中，对所述电信号A和电信号B进行连续采集，分别得到数据组A和数据组B；
(4)对所述数据组A和数据组B分别进行傅里叶变换得到FA和FB，将FA的振幅除以FB的振幅计算得到光波导器件的振幅谱r(v)，用FA的虚部除以FA的实部并取其反正切函数计算得到光波导器件的相位谱计算所用到的具体公式为
式中，v＝2/λ为光波波数，λ为光波波长，Re和Im分别为FA的实部和虚部；符号“±”在对数据A进行傅里叶正变换时取为“-”，在对数据A进行傅里叶反变换时取为“+”。
作为优化，所述步骤(1)中，所述宽带光源为白炽灯或自发辐射光源或超辐射发光二极管或发光二极管。
进一步的，所述步骤(1)中的分光处理具体为将所述宽带光源直接分为三束光；或先将所述宽带光源分为两束光，将这两束光中的任一束光再分为两束光，使所述宽带光源最终被分为三束光。
作为优化，所述步骤(1)中，所述第二束光在所述固定光程光路中的光程与所述第三束光经过所述反射镜反射回来的光的平均光程相一致。
进一步的，所述步骤(3)中，所述反射镜的反射面垂直于所述第三束光的光轴，且沿所述第三束光的光轴方向移动。
进一步的，所述步骤(3)中，所述连续采集是指在所述反射镜匀速移动过程中，对所述电信号进行连续、等时间间隔采集多个数据；或者在所述反射镜移动过程中，按反射镜等位移量间隔、连续地对所述电信号采集多个数据。
一种光波导器件全息谱测量装置，包括宽带光源、可将所述宽带光源分成三束光的三分光装置、固定光程光路、反射镜、直线移动平台；所述宽带光源连接至所述三分光装置的输入端，所述三分光装置的第一输出端连接至待测光波导器件，所述三分光装置的第二输出端连接至固定光程光路，所述三分光装置的第三输出端正对反射镜，反射镜固定在直线移动平台上；
还包括第一合光器、第二合光器、可把反射镜的反射光分成两束光的分光器；所述反射镜的反射光传输到所述分光器的输入端，所述分光器的第一输出端和待测光波导器件反射光的输出端连接至所述第一合光器的输入端，所述分光器的第二输出端和所述固定光程光路的输出端连接至所述第二合光器的输入端；
还包括第一光电探测器、第二光电探测器、数据采集系统和计算机；所述第一合光器的输出端和第二合光器的输出端分别连接到第一光电探测器和第二光电探测器，所述第一光电探测器和第二光电探测器的输出端连接到可采集电信号的数据采集系统，所述数据采集系统连接至可对数据进行傅里叶变换和数值计算的计算机。
进一步的，所述三分光装置为1×3光纤耦合器或由两个1×2光纤耦合器构成的分光装置；所述固定光程光路为光程恒定的光路或长光纤或带有固定反射面的光纤。
进一步的，所述直线移动平台的位移控制端连接至所述计算机。
综上所述，本发明具有的优点包括：(1)用两组低相干干涉光和傅里叶变换方法可获取同时包含了振幅谱和相位谱的全息谱。(2)本方法及装置的最大优点是可同时测量光波导器件的振幅谱和相位谱，并消除光源光谱的影响。因在幅值谱r(v)的计算中，分子与分母同时包含了光源的振幅谱因子，相除后就消除了光源光谱不均匀性引起的测量误差，且抗干扰能力强，精度高。(3)该方法可测量光波导器件的全息谱，还可应用于生物、化学、医学及物理量等的传感，适用范围广。
附图说明
图1为本发明所述光波导器件全息谱测量方法及装置中的光电信息流图(图中虚线箭头代表光及其传输方向，实线箭头代表电信号连接及其流向)。
图2为实施例2的光波导器件全息谱测量方法及装置结构示意图。
图3为实施例3的光波导器件全息谱测量方法及装置结构示意图。
图4为实施例4的光波导器件全息谱测量方法及装置结构示意图。
图5为实施例5的光波导器件全息谱测量方法及装置结构示意图。
具体实施方式
为更清楚的说明本发明，下面结合本发明所述光波导器件全息谱测量方法及装置，优选实施例和附图对本发明做进一步说明。本发明实施例主要包括振幅谱和相位谱测量，只是所用到的方法略有不同，相应地，基于该方法的测量装置结构也略有不同。本领域技术人员应当理解，下面具体描述的内容是说明性的而非限制性的，不应以此限制本发明的保护范围。
实施例1：如图1所示，光波导器件全息谱测量方法的实施例是：宽带光源是指其光谱分布范围较宽(如大于20nm)的光源；用掺铒光纤放大自发辐射(ASE)光源作为宽带光源1，其光谱范围为1528-1610nm，输出光功率为30mW；宽带光源1输出的光传输到三分光装置2，三分光装置2把宽带光源1的输出光分为三束光，这三束光分别记为第一束光、第二束光和第三束光，它们之间的分光比由三分光装置的内部结构决定；三分光装置2输出的第一束光入射到被测光波导器件3，光波导器件3的反射光作为第一信号光并传输到第一合光器4；三分光装置2输出的第二束光传输到固定光程光路5，固定光程光路5是带有固定反射面的一段光纤，经固定光程光路5反射后的光作为第二信号光并传输到第二合光器6；三分光装置2输出的第三束光入射到反射镜7，被反射镜7反射的光作为参考光并通过光纤传输到分光器8；反射镜7是镀有反射率为0.8的反射膜的直角棱镜，安装在直线移动平台11上形成可移动的反射镜；分光器8是1×2或2×2的光纤耦合器，把参考光分为第一参考光和第二参考光；第一参考光和第二参考光分别传输到第一合光器4和第二合光器6；第一信号光和第一参考光在第一合光器4处产生干涉，形成干涉光a；第二信号光和第二参考光在第二合光器6处产生干涉，形成干涉光b；为获得优良的干涉信号，要求固定光程光路5能使第二信号光和第二参考光在产生干涉时有相近的光程，优化的固定光程光路5是能使干涉时的第二信号光光程与第二参考光的平均光程相等；干涉光a和干涉光b分别经第一光电探测器9和第二光电探测器10转换为电信号；所述第一光电探测器9和第二光电探测器10输出的电信号传输到数据采集系统12的信号输入端。
反射镜7在200mm移动范围内作直线匀速移动；在反射镜7匀速移动过程中，数据采集系统12连续、同时、等时间间隔地采集第一光电探测器9和第二光电探测器10的输出电信号，分别获得由多个数据组成的数据组A和数据组B；数据采集系统12选用至少有2个输入通道、每通道10位模数转换、存储容量为32MB的数据采集(DAQ)板卡，数据采集系统12将数据组A和数据组B传送到计算机13。
计算机13对数据组A和数据组B分别进行傅里叶正变换得到FA和FB；按照光波导器件全息谱测量方法中所述振幅谱r(v)和相位谱的计算公式，用FA的模除以FB的模得到光波导器件3的振幅谱r(v)，用FA的虚部除以FA的实部再取其反正切函数的负值而得到光波导器件3的相位谱由计算出的振幅谱r(v)和相位谱构成光波导器件3的全息谱。
光波导器件全息谱测量装置的实施例是：该测量装置包括宽带光源1及将所述宽带光源1分成三束光的三分光装置2、固定光程光路5、反射镜7、直线移动平台11；所述宽带光源1是光谱范围为1528-1600nm的掺铒光纤放大自发辐射光源，连接至三分光装置2的输入端；所述三分光装置2是由光纤耦合器构成的、至少有三个输出端的分光装置，它可将输入端的光分为至少三束光，其第一输出端连接至待测光波导器件3，其第二输出端连接至固定光程光路5，其第三输出端输出的光正对反射镜7；所述反射镜7固定在直线移动平台11上。
还包括第一合光器4、第二合光器6、可把反射镜7的反射光分成至少两束光的分光器8；所述反射镜7的反射光通过光纤传输到所述分光器8的输入端，所述分光器8的第一输出端和待测光波导器件3反射光的输出端连接至所述第一合光器4的输入端，所述分光器8的第二输出端和所述固定光程光路5的反射光输出端连接至所述第二合光器6的输入端；所述第一合光器4、第二合光器6、分光器8都为1×2或2×2的光纤耦合器；所述固定光程光路5是一段固定长度的光纤，该段光纤的端面有固定的反射面，该段光纤的长度是能使固定反射面反射的第二信号光和第二参考光在产生干涉时有相近的光程，优化的该光纤长度是能使第二信号光光程与第二参考光的平均光程相等。
还包括第一光电探测器9、第二光电探测器10、数据采集系统12和计算机13；所述第一光电探测器9和第二光电探测器10都是雪崩光电二极管APD；所述第一合光器4的输出端和第二合光器6的输出端分别连接到第一光电探测器9和第二光电探测器10的光输入端口，所述第一光电探测器9和第二光电探测器10的输出端均连接到由多功能数据采集(DAQ)板卡构成的数据采集系统12，所述数据采集系统12连接至可对数据进行傅里叶变换和数值计算的计算机13；所述多功能数据采集板卡至少有2路模拟输入通道，其每个模拟通道有独立的10位模数转换器(ADC)和32MB的数据存储器；在反射镜7匀速移动过程中，数据采集系统12连续、等时间间隔地采集第一光电探测器9和第二光电探测器10的电信号而得到数据组A和数据组B，计算机根据所述全息谱测量方法计算出光波导器件的全息谱。这样就构成了光波导器件全息谱测量装置。
实施例2：如图2所示，光波导器件全息谱测量方法及装置的实施例是：用经光纤耦合的白炽灯或宽带发光二极管或超辐射发光二极管作为宽带光源，其光谱带宽大于30nm，其输出光功率大于10mW；宽带光源输出的光经环行器C0传输到三分光装置并分为三束光输出；所述三分光装置是由两个光纤耦合器C1和C2组成的，其中一个光纤耦合器C1把输入的宽带光源分为两束光，另一个光纤耦合器C2将这两束光中的任意一束光再分为两束光，这样光纤耦合器C2输出的两束光和光纤耦合器C1输出的另一束光构成了三分光装置的三束输出光，分别记为第一束光、第二束光和第三束光，各光束之间的分光比由光纤耦合器的分光比参数决定。
利用光波传输的可逆性，三分光装置输出的第一束光传输到被测光波导器件，光波导器件的反射光作为第一信号光并经三分光装置返回到光纤耦合器C1，光纤耦合器C1又同时作为第一合光器；三分光装置输出的第二束光经环行器C5入射到固定光程光路，该固定光程光路是长度固定的、在光纤端面有固定反射面的一段光纤，经固定光程光路反射的光作为第二信号光并再经环行器C5传输到第二合光器C3，所述第二合光器C3是1×2或2×2端口的光纤耦合器；三分光装置输出的第三束光通过1×2或2×2的光纤耦合器C4和准直器入射到所述反射镜；该反射镜是镀有反射膜的直角棱镜，安装在直线移动平台上形成可移动的反射镜；该反射镜反射的光作为参考光并再经准直器返回到所述光纤耦合器C4，该光纤耦合器C4作为分光器把返回的参考光分为第一参考光和第二参考光；所述第一参考光返回到光纤耦合器C1(即第一合光器)，第二参考光传输到第二合光器C3；第一信号光和第一参考光在第一合光器中产生干涉并形成干涉光a，干涉光a经光纤耦合器C1和环行器C0传输到第一光电探测器PD1；第二信号光和第二参考光在第二合光器C3中产生干涉并形成干涉光b，干涉光b传输到第二光电探测器PD2；第一光电探测器PD1和第二光电探测器PD2分别将干涉光a和干涉光b转换为电信号，所述光电探测器PD1和PD2都是雪崩光电二极管APD或光电倍增管。在所述环行器C0和环行器C5中，光的传输方向是入射到端口1的光可传输到端口2输出，入射到端口2的光可传输到端口3输出。
所述两个光电探测器PD1和PD2输出的电信号传输到数据采集系统的信号输入端；在所述反射镜移动过程中，数据采集系统根据反射镜的位移增量或步进量、连续、等空间位移间隔地采集第一光电探测器PD1和第二光电探测器PD2输出的电信号，分别获得由多个数据组成的数据组A和数据组B，并把数据组A和数据组B传送到计算机；计算机对数据组A和B分别进行傅里叶反变换得到FA和FB，按光波导器件全息谱测量方法中所述振幅谱r(v)和相位谱的计算公式，用FA的模除以FB的模得到光波导器件的振幅谱r(v)，用FA的虚部除以FA的实部并取其反正切函数而得到光波导器件的相位谱由计算出的振幅谱r(v)和相位谱构成光波导器件的全息谱。
光波导器件全息谱测量装置的实施例是:该装置包括超辐射发光二极管、环行器CO和环行器C5、由1×2或2×2端口的两个光纤耦合器C1和C2构成的三分光装置、1×2或2×2端口的光纤耦合器C3和C4、固定光程光路、反射镜、准直器、直线移动平台、两个光电探测器PD1和PD2、数据采集系统、计算机。该装置的组成及连接关系是：超辐射发光二极管作为宽带光源，其光谱范围为1250-1450nm，超辐射发光二极管的输出光连接到环行器C0的端口1，环行器C0的端口2连接至光纤耦合器C1的输入端口，光纤耦合器C1的一个输出端连接至光纤耦合器C2的一个输入端，光纤耦合器C2的两个输出端和光纤耦合器C1的另一输出端分别作为三分光装置的第一输出端、第二输出端和第三输出端，由两个光纤耦合器C1和C2构成三分光装置；所述第一输出端连接至待测光波导器件，所述第二输出端连接到环行器C5的端口1，所述第三输出端连接到光纤耦合器C4的一个输入端；所述环行器C5的端口2连接到固定光程光路，所述固定光程光路是一段固定长度的光纤，该段光纤的端面有固定的反射面；所述环行器C5的端口3连接到作为第二合光器的光纤耦合器C3的一个输入端；所述光纤耦合器C4的输出端连接到准直器的输入端，所述准直器的输出口正对反射镜；所述反射镜是镀有反射膜的直角棱镜，安装在直线移动平台上；所述光纤耦合器C4的另一个输入端连接到所述光纤耦合器C3的另一个输入端，所述光纤耦合器C3的输出端连接到第二光电探测器PD2，所述环行器C0的端口3连接到第一光电探测器PD1；所述光电探测器PD1和光电探测器PD2的输出端信号连接至由数据采集板卡构成的数据采集系统，所述光电探测器PD1和光电探测器PD2是雪崩光电二极管APD或光电倍增管，所述数据采集系统连接至可对数据进行傅里叶变换和数值计算的计算机；所述数据采集系统的控制信号可通过计算机或直接连接到直线移动平台的控制端，可对直线移动平台的位移增量或步进量、数据采集过程进行同步控制；在所述准直器和反射镜之间的光传输通路是自由空间通路，其它的光连接和光传输通路采用光纤线路或自由空间通路。这样就构成了光波导器件全息谱测量装置。
在本实施例中，利用了光纤耦合器中光波传输的双向可逆性，光纤耦合器C1、C2、C3和C4的输入端和输出端都可分别作为输出端和输入端使用，而可分别输出和输入光信号。因此，所述光纤耦合器C1的输入端和输出端分别输出和输入光时就构成了第一合光器，所述光纤耦合器C4的输入端和输出端分别输出和输入光时就构成了所述反射镜反射光的分光器。在该全息谱测量装置中，所述超辐射发光二极管发出的宽带光源经环行器C0、两个光纤耦合器C1和C2可得到第一束光、第二束光和第三束光；所述第一束光传输到被测光波导器件，该光波导器件的反射光作为第一信号光并再经光纤耦合器C2的输入端和光纤耦合器C1的一个输出端返回到光纤耦合器C1，此时的光纤耦合器C1作为第一合光器；所述第二束光经环行器C5的端口1和端口2入射到固定光程光路，固定光程光路反射的光作为第二信号光并再经环行器C5的端口3传输到作为第二合光器的光纤耦合器C3的一个输入端；所述固定光程光路中光纤的长度是能使其反射面反射的第二信号光和第二参考光在产生干涉时有相近的光程，优化的光纤长度是能使第二信号光光程与第二参考光的平均光程相等；所述第三束光通过光纤耦合器C4和准直器入射到所述反射镜，该反射镜的反射光再经准直器返回到所述光纤耦合器C4并被分为第一参考光和第二参考光，此时的光纤耦合器C4又作为参考光的分光器；所述第一参考光再经光纤耦合器C4的一个输入端和光纤耦合器的输出端返回到光纤耦合器C1(即第一合光器)，并与第一信号光在光纤耦合器C1中产生干涉而形成干涉光a；干涉光a再经光纤耦合器C1的输入端和环行器C0的端口3传输到第一光电探测器PD1；所述第二参考光再经光纤耦合器C4的另一个输入端输出到光纤耦合器C3(即第二合光器)的一个输入端，并与第二信号光在光纤耦合器C3中产生干涉而形成干涉光b；干涉光b经光纤耦合器C3的输出端传输到第二光电探测器PD2；所述第一光电探测器PD1和第二光电探测器PD2分别将所述干涉光a和干涉光b转换为电信号，所述光电探测器PD1和PD2输出的电信号传输到数据采集系统中数据采集板卡的信号输入端；在所述反射镜移动过程中，数据采集系统根据反射镜的位移量、连续、等空间位移间隔地采集两个光电探测器PD1和PD2的电信号，分别获得由多个数据组成的数据组A和数据组B；数据组A和数据组B被传送到计算机，计算机对数据组A和B分别进行傅里叶反变换得到FA和FB，按光波导器件全息谱测量方法中所述振幅谱r(v)和相位谱的计算公式，用FA的模除以FB的模得到光波导器件的振幅谱r(v)，用FA的虚部除以FA的实部并取其反正切函数而得到光波导器件的相位谱由计算出的振幅谱r(v)和相位谱构成光波导器件的全息谱。这样就实现了光波导器件全息谱的测量。
实施例3：如图3和图2所示，本实施例中光波导器件全息谱测量方法与实施例2的区别在于，所述三分光装置输出的第二束光传输到固定光程光路；所述固定光程光路的透射光作为第二信号光并传输到作为第二合光器的光纤耦合器C3的输入端，与第二参考光干涉而形成干涉光b；本测量方法的其它部分与实施例2相同。
本实施例中光波导器件全息谱测量装置与实施例2的区别在于，用一段固定长度的光纤作为固定光程光路，所述三分光装置的第二输出端连接到所述固定光程光路的一端，所述固定光程光路的另一端连接到光纤耦合器C3的输入端；所述固定光程光路中光纤的长度约是实施例2中固定光程光路的光纤长度的2倍长，能使其透射的第二信号光与第二参考光有相近的光程，优化的光纤长度是能使第二信号光光程与第二参考光的平均光程相等；本测量装置的其它组成和连接方式与实施例2相同。
实施例4：如图4和图2所示，本实施例中光波导器件全息谱测量装置与实施例2的区别在于，所述三分光装置是一个1×3的光纤耦合器C6，环行器C0的端口1连接到所述光纤耦合器C6的输入端，所述光纤耦合器C6的第一输出端、第二输出端和第三输出端分别连接到被测光波导器件、环行器C5的端口1和光纤耦合器C4的一个输入端；利用光纤耦合器中光波传输的可逆性，光纤耦合器C6的输入端和输出端也可分别输出和输入光信号，所述光纤耦合器C6又作为第一合光器；本测量装置的其它组成和连接方式与实施例2相同。
本实施例中光波导器件全息谱测量方法与实施例2的区别在于，宽带光源经环行器C0输入到1×3的光纤耦合器C6，所述光纤耦合器C6把宽带光源分光为第一束光、第二束光和第三束光，光纤耦合器C6输出的第一束光、第二束光和第三束光分别传输到被测光波导器件、环行器C5的端口1和光纤耦合器C4的一个输入端；光波导器件反射的第一信号光和光纤耦合器C4分光的第一参考光分别经光纤耦合器C6的第一输出端和第三输出端返回到光纤耦合器C6，并产生干涉信号a；干涉信号a经所述光纤耦合器C6的输入端和环行器C0的端口3传输到第一光电探测器PD1；计算机对数据组A和数据组B分别进行傅里叶正变换得到FA和FB，按光波导器件全息谱测量方法中所述振幅谱r(v)和相位谱的计算公式，用FA的模除以FB的模得到光波导器件的振幅谱r(v)，用FA的虚部除以FA的实部并取其反正切函数的负值而得到光波导器件的相位谱由计算出的振幅谱r(v)和相位谱构成光波导器件的全息谱；本测量方法的其它部分与实施例2相同。
实施例5：如图5和图2所示，本实施例中光波导器件全息谱测量装置与实施例2的区别在于，在实施例2中光波导器件全息谱测量装置的组成结构基础上，增加环行器C7、环行器C8、1×2或2×2口的光纤耦合器C9，去除环行器C0；光纤耦合器C1和光纤耦合器C2构成了三分光装置，宽带光源的输出光连接到三分光装置的输入端(即光纤耦合器C1的输入端)，所述三分光装置的第一输出端连接到环行器C7的端口1，所述环行器C7的端口2和端口3分别连接到被测光波导器件和光纤耦合器C9的一个输入端，所述三分光装置的第三输出端连接到环行器C8的端口1，所述环行器C8的端口2和端口3分别连接到光纤耦合器C4的一个输入端和光纤耦合器C9的另一个输入端；所述光纤耦合器C9作为第一合光器，光纤耦合器C9的输出端连接到第一光电探测器PD1；本测量装置的其它组成及连接方式与实施例2相同，所述光纤耦合器C4的另一输入端仍然连接到光纤耦合器C3的输入端。
本实施例中光波导器件全息谱测量方法与实施例2的区别在于，宽带光源的输出光直接传输到三分光装置的输入端(即光纤耦合器C1的输入端)，由两个光纤耦合器C1和C2构成的三分光装置将宽带光源分为第一束光、第二束光和第三束光，所述第一束光经环行器C7的端口1和端口2传输到被测光波导器件；被测光波导器件的反射光作为第一信号光，返回到环行器C7并经环行器C7的端口3传输到光纤耦合器C9的一个输入端；所述第三束光经环行器C8的端口1和端口2传输到光纤耦合器C4的一个输入端并从该输入端返回第一参考光，该第一参考光再返回到环行器C8并经其端口2和端口3传输到光纤耦合器C9的另一个输入端；输入到光纤耦合器C9中的第一信号光和第一参考光产生干涉并形成干涉光a，干涉光a经光纤耦合器C9的输出端传输到第一光电探测器PD1；在反射镜匀速移动过程中，数据采集系统连续、等时间间隔、同时地采集第一光电探测器PD1和第二光电探测器PD2输出的电信号，分别得到数据组A和数据组B；计算机根据所述全息谱测量方法计算出光波导器件的全息谱；本测量方法的其它部分与实施例2相同。
实施例6：参见图2、图3和图4，本实施例中光波导器件全息谱测量方法与实施例4的区别在于，所述三分光装置输出的第二束光传输到固定光程光路；所述固定光程光路的透射光作为第二信号光并传输到作为第二合光器的光纤耦合器C3的输入端，与第二参考光干涉而形成干涉光b；本测量方法的其它部分与实施例2相同。
本实施例中光波导器件全息谱测量装置与实施例4的区别在于，用一段固定长度的光纤作为固定光程光路，所述三分光装置的第二输出端连接到所述固定光程光路的一端，所述固定光程光路的另一端连接到光纤耦合器C3的输入端；所述固定光程光路中光纤的长度是能使其透射的第二信号光与第二参考光有相近的光程，优化的光纤长度是能使第二信号光光程与第二参考光的平均光程相等；本测量装置的其它组成及连接方式与实施例4相同。
实施例7：参见图2、图3和图5，本实施例中光波导器件全息谱测量方法与实施例5的区别在于，所述三分光装置输出的第二束光传输到固定光程光路；所述固定光程光路的透射光作为第二信号光并传输到作为第二合光器的光纤耦合器C3的输入端，与第二参考光干涉而形成干涉光b；本测量方法的其它部分与实施例5相同。
本实施例中光波导器件全息谱测量装置与实施例5的区别在于，用一段固定长度的光纤作为固定光程光路，所述三分光装置的第二输出端连接到所述固定光程光路的一端，所述固定光程光路的另一端连接到光纤耦合器C3的输入端；所述固定光程光路中光纤的长度是能使其透射的第二信号光与第二参考光有相近的光程，优化的光纤长度是能使第二信号光光程与第二参考光的平均光程相等；本测量装置的其它组成及连接方式与实施例5相同。
实施例8：参见图2、图4和图5，本实施例中光波导器件全息谱测量装置与实施例5的区别在于，所述三分光装置是一个1×3的光纤耦合器C6，宽带光源的输出光连接到所述光纤耦合器C6的输入端，所述光纤耦合器C6的第一输出端、第二输出端和第三输出端分别连接到被测光波导器件、环行器C5的端口1和光纤耦合器C4的一个输入端；本测量装置的其它组成和连接方式与实施例5相同。
本实施例中光波导器件全息谱测量方法与实施例5的区别在于，宽带光源的输出光输入到光纤耦合器C6，所述光纤耦合器C6把宽带光源分光为第一束光、第二束光和第三束光，光纤耦合器C6输出的第一束光、第二束光和第三束光分别传输到被测光波导器件、环行器C5的端口1和光纤耦合器C4的一个输入端；计算机对数据组A和数据组B分别进行傅里叶正变换得到FA和FB，按光波导器件全息谱测量方法中所述振幅谱r(v)和相位谱的计算公式，用FA的模除以FB的模得到光波导器件的振幅谱r(v)，用FA的虚部除以FA的实部并取其反正切函数的负值而得到光波导器件的相位谱由计算出的振幅谱r(v)和相位谱构成光波导器件的全息谱；本测量方法的其它部分与实施例5相同。
实施例9：参见图2、图3、图4和图5，本实施例中光波导器件全息谱测量方法与实施例8的区别在于，所述三分光装置(即1×3端口的光纤耦合器C6)输出的第二束光传输到固定光程光路；所述固定光程光路的透射光作为第二信号光并传输到作为第二合光器的光纤耦合器C3的输入端，与第二参考光干涉而形成干涉光b；本测量方法的其它部分与实施例8相同。
本实施例中光波导器件全息谱测量装置与实施例8的区别在于，用一段固定长度的光纤作为固定光程光路，所述三分光装置的第二输出端连接到所述固定光程光路的一端，所述固定光程光路的另一端连接到光纤耦合器C3的输入端；所述固定光程光路中光纤的长度是能使其透射的第二信号光与第二参考光有相近的光程，优化的光纤长度是能使第二信号光光程与第二参考光的平均光程相等；本测量装置的其它组成及连接方式与实施例8相同。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不以本发明为限制，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 (9)
1.一种光波导器件全息谱测量方法，其特征在于，包括如下步骤：
(1)将宽带光源经过分光处理后形成三束光，分别为第一束光、第二束光和第三束光；将所述第一束光传输到待测光波导器件，反射得到第一信号光；将所述第二束光传输到固定光程光路，反射或透射得到第二信号光；将第三束光传输到可移动的反射镜，反射后得到参考光；
(2)将所述参考光经过分光处理后得到第一参考光和第二参考光，将所述第一参考光与所述第一信号光干涉得到干涉光a；将所述第二参考光与第二信号光干涉得到干涉光b；
(3)将所述干涉光a和干涉光b分别进行光电转换后得到电信号A和电信号B；在移动所述反射镜的过程中，对所述电信号A和电信号B进行连续采集，分别得到数据组A和数据组B；
(4)对数据组A和数据组B分别进行傅里叶变换得到FA和FB，将FA的振幅除以FB的振幅计算得到光波导器件的振幅谱r(v)，用FA的虚部除以FA的实部并取其反正切函数计算得到光波导器件的相位谱计算所用到的具体公式为
式中，v＝2/λ为光波波数，λ为光波波长，Re和Im分别为FA的实部和虚部；符号“±”在对数据A进行傅里叶正变换时取为“-”，在对数据A进行傅里叶反变换时取为“+”。
2.如权利要求1所述的光波导器件全息谱测量方法，其特征在于，所述步骤(1)中，所述宽带光源为白炽灯、超辐射发光二极管或宽带发光二极管。
3.如权利要求1所述的光波导器件全息谱测量方法，其特征在于，所述步骤(1)中的分光处理具体为将所述宽带光源直接分为三束光；或先将所述宽带光源分为两束光，将这两束光中的任一束光再分为两束光，使所述宽带光源最终被分为三束光。
4.如权利要求1所述的光波导器件全息谱测量方法，其特征在于，所述步骤(1)中，所述第二束光在固定光程光路中的光程与所述第三束光经过所述反射镜反射回来的光的平均光程相一致。
5.如权利要求1所述的光波导器件全息谱测量方法，其特征在于，所述步骤(3)中，所述反射镜的反射面垂直于所述第三束光的光轴，且沿所述第三束光的光轴方向移动。
6.如权利要求1所述的光波导器件全息谱测量方法，其特征在于，所述步骤(3)中，所述连续采集是指在所述反射镜匀速移动过程中，对所述电信号进行连续、等时间间隔采集多个数据；或者在所述反射镜移动过程中，按反射镜等位移量间隔、连续地对所述电信号采集多个数据。
7.一种光波导器件全息谱测量装置，其特征在于，包括宽带光源及用于将所述宽带光源分成三束光的三分光装置、固定光程光路、反射镜、直线移动平台；所述宽带光源连接至所述三分光装置的输入端，所述三分光装置的第一输出端连接至待测光波导器件，第二输出端连接至固定光程光路，第三输出端正对反射镜，反射镜固定在直线移动平台上；
还包括第一合光器、第二合光器、用于把所述反射镜的反射光分成两束光的分光器；所述分光器的第一输出端和待测光波导器件反射光的输出端连接至所述第一合光器的输入端，所述分光器的第二输出端和所述固定光程光路的反射光或者透射光的输出端连接至所述第二合光器的输入端，所述固定光程光路发出的光与所述分光器的第二输出端发出的光在产生干涉时，二者的平均光程相等；
还包括第一光电探测器、第二光电探测器、数据采集系统和计算机；所述第一合光器的输出端和第二合光器的输出端分别连接到第一光电探测器和第二光电探测器，所述第一光电探测器和第二光电探测器的输出端连接到可采集电信号的数据采集系统，所述数据采集系统连接至可对数据进行傅里叶变换和数值计算的计算机。
8.如权利要求7所述的光波导器件全息谱测量装置，其特征在于，所述三分光装置、分光器、第一合光器、第二合光器都为耦合器或光纤耦合器；所述固定光程光路为带有固定发射面的光纤或长光纤，所述长光纤的长度为带有固定发射面的光纤的2倍。
9.如权利要求7所述的光波导器件全息谱测量装置，其特征在于，所述直线移动平台的位移控制端连接至所述计算机。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee | ||
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Granted publication date: 20190927 Termination date: 20200711 |