CN107894327B - 一种光纤色散系数的测量装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种光纤色散系数的测量装置，包括宽谱光源、电光调制器和计算机，宽谱光源输出端连接光纤耦合器，光纤耦合器的一个输出端和电动可调光纤延迟线连接，光纤耦合器和电动可调光纤延迟线构成一个马赫曾德干涉仪，马赫曾德干涉仪的输出端连接光谱仪和电光调制器，电光调制器输出的调制信号经过待测光纤后入射到高速光电探测器上，高速光电探测器将光信号装换成微波信号并通过低噪放放大，低噪放输出端连接微波功分器，微波功分器将一部分微波信号注入到电光调制器中，同时将另一部分微波信号输入频谱仪，频谱仪末端连接计算机，本发明可实现高精度光纤色散系数的测量，同时克服了环境影响，简化了结构。

Description

一种光纤色散系数的测量装置
技术领域
本发明涉及一种测量装置，具体为一种光纤色散系数的测量装置。
背景技术
光纤色散系数，意思是单位谱宽所引起的脉冲展宽值。光纤的色散系数是光纤的一个重要参数，色散系数的大小决定了色散光纤色散的补偿能力。
光纤色散系数的测量是光纤参数测量技术的重要研究方向，传统测量手段都是通过脉冲延迟法、相移法、模场直径法和白光干涉等方法来实现，相移法存在容易受大大气扰动和环境振动的干扰的缺点，白光干涉由于存在衍射受限和系统的横向分辨力由物镜的孔径尺寸来决定，所以一般的横向分辨力相对比较低，脉冲延迟发法抗环境干扰性能较差，模场直径法需要复杂的时频分析算法来计算和分析测量结果。
本发明提出了一种基于光纤微波光子滤波器的光纤色散系数的测量方法和装置，以解决上述问题。
发明内容
本发明要解决的技术问题是克服现有测量装置在工作过程中，成本高、精度差和结构复杂的缺陷，提供一种光纤色散系数的测量装置，从而解决上述问题。
为了解决上述技术问题，本发明提供了如下的技术方案：
本发明一种光纤色散系数的测量装置，包括宽谱光源、电光调制器和计算机，宽谱光源输出端连接光纤耦合器，光纤耦合器的一个输出端和电动可调光纤延迟线连接，电动可调光纤延迟线的输出光和光纤耦合器的输出光在一端合束，光纤耦合器和电动可调光纤延迟线构成一个马赫曾德干涉仪，马赫曾德干涉仪的输出端连接光谱仪和电光调制器，电光调制器输出的调制信号经过待测光纤后入射到高速光电探测器上，高速光电探测器将光信号装换成微波信号并通过低噪放放大，低噪放输出端连接微波功分器，微波功分器将一部分微波信号注入到电光调制器中，同时将另一部分微波信号输入频谱仪，频谱仪末端连接计算机。
作为本发明的一种优选技术方案，电光调制器、待测光纤、高速光电探测器、低噪放和微波功分器组成光电振荡器环路，且光电振荡器环路输入端与马赫曾德干涉仪的输出端相连接，能够将马赫曾德干涉仪输出端产生的干涉正弦梳状谱注入光电振荡器环路中，并通过光电振荡器环路产生微波信号。
作为本发明的一种优选技术方案，电光调制器内部设置有线性调制设备，线性调制设备表面设置有纵向和横向接口，接口均位于铝外壳中，由于电光效应可分为线性电光效应(泡克耳斯效应)和二次电光效应(克尔效应)，而线性电光效应比二次电光效应的作用效果明显，因此采用线性调制效果更好。
作为本发明的一种优选技术方案，宽谱光源可采用高斯型或矩形光源作为发射光源，使得光源发射装置的选择性更高。
本发明所达到的有益效果是：本发明提出了一种新的光纤色散系数的测量方法，根据微波光子滤波器输出微波信号的中心频率来实现光纤色散系数的测量，宽谱光源进入一光纤耦合器，电动可调光纤延迟线和光纤耦合器构成一个马赫曾德干涉仪，宽谱光源经该干涉仪后，在当干涉仪两臂光程差在光源相干范围内时，在干涉仪的输出端将产生干涉条纹，该干涉梳状谱一部分通过光谱仪进行监测和采集，另一部分进入一个光电振荡器环路中，由马赫曾德干涉仪输出的梳状谱经过一处于正交工作点的电光调制器，则由光电振荡器产生的微波信号通过该电光调制器被调制到干涉梳状光谱上，该光载微波信号经过色散补偿光纤后入射到高速光电探测器上，该探测器将光信号装换成微波信号，该微波信号一部分微波信号注入到电光调制器中，一部分信号通过频谱仪来测量光电振荡器输出微波信号的中心频率并通过计算机来记录该微波信号中心频率的变化。系统中的马赫曾德干涉仪和光电振荡器构成一个微波光子滤波器，通过可调光纤延迟线的延时量可以实现微波信号中心频率的连续调节，本发明提出的测试原理和方法可实现高精度光纤色散系数的测量，同时也降低了成本克服了环境影响，简化了结构。
附图说明
附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例一起用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。
在附图中：
图1是本发明系统框架结构示意图；
图中标号：101、宽谱光源；102、光纤耦合器；103、电动可调光纤延迟线；104、光谱仪；105、电光调制器；106、待测光纤；107、高速光电探测器；108、低噪放；109、微波功分器；201、频谱仪；202、计算机。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的优选实施例进行说明，应当理解，此处所描述的优选实施例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。
在本发明的描述中，需要说明的是，术语“竖直”、“上”、“下”、“水平”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
在本发明的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
实施例：如图1所示，本发明提供一种光纤色散系数的测量装置，包括宽谱光源101、电光调制器105和计算机202，宽谱光源101输出端连接光纤耦合器102，光纤耦合器102的一个输出端和电动可调光纤延迟线103连接，电动可调光纤延迟线103的输出光和光纤耦合器102的输出光在一端合束，光纤耦合器102和电动可调光纤延迟线103构成一个马赫曾德干涉仪，马赫曾德干涉仪的输出端连接光谱仪103和电光调制器105，电光调制器105输出的调制信号经过待测光纤106后入射到高速光电探测器107上，高速光电探测器107将光信号装换成微波信号并通过低噪放108放大，低噪放108输出端连接微波功分器109，微波功分器109将一部分微波信号注入到电光调制器105中，同时将另一部分微波信号输入频谱仪201，频谱仪201末端连接计算机202。
具体的，本发明一种光纤色散系数的测量装置，电光调制器105、待测光纤106、高速光电探测器107、低噪放108和微波功分器109组成光电振荡器环路，且光电振荡器环路输入端与马赫曾德干涉仪的输出端相连接，能够将马赫曾德干涉仪输出端产生的干涉正弦梳状谱注入光电振荡器环路中，并通过光电振荡器环路产生微波信号，电光调制器105内部设置有线性调制设备，线性调制设备表面设置有纵向和横向接口，接口均位于铝外壳中，由于电光效应可分为线性电光效应(泡克耳斯效应)和二次电光效应(克尔效应)，而线性电光效应比二次电光效应的作用效果明显，因此采用线性调制效果更好，宽谱光源101可采用高斯型或矩形光源作为发射光源，使得光源发射装置的选择性更高。
具体的，本发明一种光纤色散系数的测量装置，具体测量原理如下：本测量方法的原理是通过测试系统输出的微波信号的中心频率来得到待测光纤的色散系数。宽谱光源101经过马赫曾德干涉仪后，将发生干涉，干涉条纹的输出在频域上可表示为：
Figure GDA0002715511030000041
其中A为干涉仪输出干涉条纹的可见度，Δω为不同干涉仪光程差nΔL时输出干涉条纹的频率间隔，
Figure GDA0002715511030000042
为干涉仪的相位漂移，ω0为激光器的中心圆频率。Δω可表示为：
Δω＝2πc/nΔL (2)
其中c为光速，n为光纤折射率，ΔL为干涉仪两臂光程差。则该干涉仪的自由光谱范围可表示为：
Figure GDA0002715511030000043
干涉的输出光是与波长相关，其电场可表征为：
E(t)＝∫E(ω)ejωtdω (4)
则光源的光功率谱密度可表示为：
T(ω)＝|E(ω)|2 (5)
干涉仪输出的干涉条纹经过电光调制器105后，光谱的每个频率分量E(ω)都被调制，并且由光电振荡器环路产生一频率为ξ的微波信号，电光调制器105输出的光场可表示为：
E(ω)＝ejωt(1+ejξt+e-jξt) (6)
光电振荡器中使用色散光纤作为延迟线，该延迟线的电场传递函数可表示为：
H(ω)＝|H(ω)|e-jφ(ω) (7)
φ(ω)为待测光纤延迟引入的相位，根据泰勒级数展开，该相位可表示为：
Figure GDA0002715511030000051
式中，τ(ω0)为中心频率为ω0时的群时延，β为待测光纤的色散，其单位为ps2/km，β可表示为：
Figure GDA0002715511030000052
式中D(ps/km/nm)为待测光纤的色散系数，λ0为光源波长。
根据式(5)——(9)可得光电振荡器响应函数为：
Figure GDA0002715511030000053
其中
Figure GDA0002715511030000054
由此可知，光电振荡器输出的微波信号的中心频率可表示为：
Figure GDA0002715511030000055
则待测色散光纤的色散系数可表示为：
Figure GDA0002715511030000061
由上式可知，根据光电振荡器输出微波信号的中心频率，宽谱光源101的中心波长，待测光纤的长度以及马赫曾德干涉仪两臂的光程差nΔL就可以得到待测保偏光纤的拍长。马赫曾德干涉仪两臂的光程差nΔL可通过光谱仪203接收到的干涉光谱的数据计算得到。由式(1)可知，干涉仪输出的干涉光谱相邻两波峰的相位差为2π，即：
Figure GDA0002715511030000062
上式中λ1和λ2为干涉光谱中任意两相邻波峰对应的波长，λ0＝λ1-λ2。由此可得马赫曾德干涉仪两臂的光程差nΔL可表示为：
Figure GDA0002715511030000063
由上式可得，只要记录任意两相邻波峰对应的波长和光源的中心波长，就可以得到马赫曾德干涉仪两臂的光程差。
本发明提出的光纤色散系数的测量装置的工作流程如下所示：
1、用光谱仪104单独采集光源的光谱，并测量光源的中心波长；
2、上电后，调制器驱动板通过程序自动控制强度型光调制器工作在线性工作点。调制器工作点确定后，记录光电振荡器输出的微波信号的中心频率；
3、采集干涉仪输出的光谱干涉条纹并记录任意两相邻波峰对应的波长，根据式(14)计算干涉仪的两臂光程差；根据步骤2和3得到的计算结果并代入到式(12)中就可得到待测光纤的色散系数。
最后应说明的是：以上仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种光纤色散系数的测量装置，其特征在于，包括宽谱光源(101)、电光调制器(105)和计算机(202)，宽谱光源(101)输出端连接光纤耦合器(102)，光纤耦合器(102)的一个输出端和电动可调光纤延迟线(103)连接，电动可调光纤延迟线(103)的输出光和光纤耦合器(102)的输出光在一端合束，光纤耦合器(102)和电动可调光纤延迟线(103)构成一个马赫曾德干涉仪，马赫曾德干涉仪的输出端连接光谱仪(103)和电光调制器(105)，电光调制器(105)输出的调制信号经过待测光纤(106)后入射到高速光电探测器(107)上，高速光电探测器(107)将光信号装换成微波信号并通过低噪放(108)放大，低噪放(108)输出端连接微波功分器(109)，微波功分器(109)将一部分微波信号注入到电光调制器(105)中，同时将另一部分微波信号输入频谱仪(201)，频谱仪(201)末端连接计算机(202)；所述马赫曾德尔干涉仪用于产生干涉正弦梳状谱；
一种光纤色散系数的测量装置的具体测量过程如下：本测量方法是通过测试系统输出的微波信号的中心频率来得到待测光纤的色散系数，宽谱光源101经过马赫曾德干涉仪后，将发生干涉，干涉条纹的输出在频域上可表示为：
Figure FDA0002715511020000011
其中A为干涉仪输出干涉条纹的可见度，Δω为不同干涉仪光程差nΔL时输出干涉条纹的频率间隔，
Figure FDA0002715511020000012
为干涉仪的相位漂移，ω0为激光器的中心圆频率，Δω可表示为：
Δω＝2πc/nΔL (2)
其中c为光速，n为光纤折射率，ΔL为干涉仪两臂光程差，则该干涉仪的自由光谱范围可表示为：
Figure FDA0002715511020000013
干涉的输出光是与波长相关，其电场可表征为：
E(t)＝∫E(ω)ejωtdω (4)
则光源的光功率谱密度可表示为：
T(ω)＝|E(ω)|2 (5)
干涉仪输出的干涉条纹经过电光调制器105后，光谱的每个频率分量E(ω)都被调制，并且由光电振荡器环路产生一频率为ξ的微波信号，电光调制器105输出的光场可表示为：
E(ω)＝ejωt(1+ejξt+e-jξt) (6)
光电振荡器中使用色散光纤作为延迟线，延迟线的电场传递函数可表示为：
H(ω)＝|H(ω)|e-jφ(ω) (7)
φ(ω)为待测光纤延迟引入的相位，根据泰勒级数展开，该相位可表示为：
Figure FDA0002715511020000021
式中，τ(ω0)为中心频率为ω0时的群时延，β为待测光纤的色散，其单位为ps2/km，β可表示为：
Figure FDA0002715511020000022
式中D(ps/km/nm)为待测光纤的色散系数，λ0为光源波长；
根据式(5)——(9)可得光电振荡器响应函数为：
Figure FDA0002715511020000023
其中
Figure FDA0002715511020000024
由此可知，光电振荡器输出的微波信号的中心频率可表示为：
Figure FDA0002715511020000025
则待测色散光纤的色散系数可表示为：
Figure FDA0002715511020000031
由上式可知，根据光电振荡器输出微波信号的中心频率，宽谱光源101的中心波长，待测光纤的长度以及马赫曾德干涉仪两臂的光程差nΔL就可以得到待测保偏光纤的拍长，马赫曾德干涉仪两臂的光程差nΔL可通过光谱仪203接收到的干涉光谱的数据计算得到，由式(1)可知，干涉仪输出的干涉光谱相邻两波峰的相位差为2π，即：
Figure FDA0002715511020000032
上式中λ1和λ2为干涉光谱中任意两相邻波峰对应的波长，λ0＝λ1-λ2，由此可得马赫曾德干涉仪两臂的光程差nΔL可表示为：
Figure FDA0002715511020000033
由上式可得，只要记录任意两相邻波峰对应的波长和光源的中心波长，就可以得到马赫曾德干涉仪两臂的光程差。
2.根据权利要求1所述的一种光纤色散系数的测量装置，其特征在于，电光调制器(105)、待测光纤(106)、高速光电探测器(107)、低噪放(108)和微波功分器(109)组成光电振荡器环路，且光电振荡器环路输入端与马赫曾德干涉仪的输出端相连接。
3.根据权利要求1所述的一种光纤色散系数的测量装置，其特征在于，电光调制器(105)内部设置有线性调制设备，线性调制设备表面设置有纵向和横向接口，接口均位于铝外壳中。
4.根据权利要求1所述的一种光纤色散系数的测量装置，其特征在于，宽谱光源(101)可采用高斯型或矩形光源作为发射光源。
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