CN108534990B - 基于otdr的光子晶体光纤环熔点反射强度确定方法 - Google Patents

Abstract

本发明基于OTDR的光子晶体光纤环熔点反射强度确定方法，在光子晶体光纤两侧熔接保偏光纤并使用OTDR从一侧保偏光纤处对熔点的背向反射进行测量，既可模拟光子晶体光纤环中熔点背向反射，又可抑制陀螺信号光对测量的干扰，实现背向反射的独立测量。针对OTDR测量精度低的问题，通过将另一侧保偏光纤未熔接端面切割得到垂直于光传输方向的光纤解理面，使其成为背向反射强度可精确计算的菲涅尔反射面。从OTDR测量曲线中得到光纤熔点和菲涅尔反射面的背向反射光强相对比例，并根据计算得到的菲涅尔反射面绝对反射强度，即可精确得到熔点背向反射强度。本方法解决了光子晶体光纤环内熔点背向反射强度不可测的问题，且测量精度较高。

Description

基于OTDR的光子晶体光纤环熔点反射强度确定方法

技术领域

本发明涉及一种基于OTDR的光子晶体光纤陀螺光纤环熔点背向反射确定方法，能够实现光子晶体光纤陀螺内光子晶体光纤与波导尾纤熔点处的背向反射光强精确测量，属于光子晶体光纤陀螺技术领域。

背景技术

光纤陀螺以其全固态、高可靠、高精度等特点，目前已在空间系统中广泛应用。但空间环境中存在较强的辐射，传统光纤受辐照后性能和可靠性快速下降的问题严重制约了光纤陀螺的应用。光子晶体光纤作为一种新型材料，其抗辐射能力较普通光纤有本质提高，具备空间应用的长寿命潜力；同时，其优异的温度、磁场特性也十分有助于提高陀螺的性能指标。是解决目前光纤陀螺空间应用“瓶颈”问题的唯一可行办法。现有光子晶体光纤虽然能够满足陀螺的基本应用需求，但光子晶体光纤陀螺精度与传统光纤陀螺比起来还有一定的差距，限制光子晶体光纤陀螺精度提高的其中一个原因是光子晶体光纤与普通光纤熔点处存在较大的背向反射。

光子晶体光纤陀螺光路原理框图如图1所示，其中红色部分表示光子晶体光纤，黑色部分表示传统保偏光纤。可以看出，目前光子晶体光纤陀螺仅光纤环由光子晶体光纤绕制，而与其相连的波导尾纤仍为传统保偏光纤，两者的连接通过熔接实现，光路中存在两个光子晶体光纤和传统保偏光纤的熔点。

光子晶体光纤基于全新的传光机理，具有较多的蜂窝状空气孔，其截面如图2(a)所示，而传统保偏光纤为SiO₂实芯结构，其截面如图2(b)所示。当光子晶体光纤与传统保偏光纤熔接时，在熔点处存在空气与SiO₂的界面，由于界面两端空气和SiO₂的折射率不同，光在界面传输时会发生反射，反射光不包含转速信号，但其返回探测器时会产生额外的噪声，从而导致了光子晶体光纤陀螺信噪比降低，精度下降。由于传统光纤陀螺中熔点界面两端均为SiO₂，折射率基本相同，产生的反射光很小，不会降低陀螺精度，因此熔点处的背向反射光是导致光子晶体光纤陀螺精度低于传统陀螺的重要因素。

为了抑制熔点背向反射，首先要对其强度进行精确的测量，才能够正确评价各抑制方法的有效性。但是在光子晶体光纤陀螺中，由于信号光和背向反射光同时返回到探测器中，无法区分，因此无法对背向反射光强进行单独测量。

针对上述问题，本专利设计了一种工程中容易实现的基于光时域反射计(OTDR)的光子晶体光纤陀螺光纤环熔点背向反射强度确定方法，在光子晶体光纤两侧熔接保偏光纤并使用OTDR从一侧保偏光纤处对熔点的背向反射进行测量，通过特殊的数据处理方法实现了熔点背向反射光强的精确测量，方法简单、测量精度高。

发明内容

本发明解决的技术问题是：克服现有技术无法对光子晶体光纤陀螺中熔点背向反射光强进行测量的不足，提出一种基于OTDR的光子晶体光纤陀螺光纤环熔点背向反射强度确定方法。

本发明的技术方案是：一种基于OTDR的光子晶体光纤环熔点反射强度确定方法，步骤如下：

步骤1：在光子晶体光纤左侧熔接波导用传统保偏光纤；

步骤2：在光子晶体光纤右侧熔接波导用传统保偏光纤；

步骤3：使用光纤切割刀对右侧传统保偏光纤的未熔接端进行切割，得到与光传播方向垂直的光纤解理面；

步骤4：将左侧传统保偏光纤通过APC接头与光纤跳线连接；

步骤5：使用OTDR从光纤跳线未连接端对光纤中背向反射点进行测量，得到背向反射光强测量曲线，曲线横坐标为距离OTDR的长度，纵坐标为对应位置点的相对背向反射强度；

步骤6：熔点在测量曲线中体现为极大值点，根据本专利提出的光纤熔接方式，测量曲线中将存在三个极大值点，从靠近OTDR测量曲线处算起依次为熔点正向反射、反向反射和菲涅尔反射，从测量曲线中读取各极大值点对应的纵坐标值得到熔点正向反射相对强度I′₁，反向反射相对强度I′₂和解理面菲涅尔反射相对强度I′₀；

步骤7：根据光纤折射率和空气折射率，计算得到解理面菲涅尔反射绝对强度其中n₁为空气折射率和n₂为SiO₂折射率。

步骤8：根据熔点正向反射相对强度I′₁、解理面菲涅尔反射相对强度I′₀和步骤7计算得到的菲涅尔反射绝对强度I₀，计算得到熔点正向反射绝对强度

步骤9：根据熔点反向反射相对强度I′₂、解理面菲涅尔反射相对强度I′₀和步骤7计算得到的菲涅尔反射绝对强度I₀，计算得到反向反射绝对强度

所述步骤1、步骤2中所用熔接机和相应的熔接参数与陀螺中光子晶体光纤环与波导尾纤熔接时相同。

所述步骤4中光纤跳线长度大于OTDR盲区长度。

一种终端设备，包括执行机构、存储器、处理器以及存储在所述存储器中并可在所述处理器上运行的计算机程序，所述执行机构合处理器执行所述计算机程序时实现如权利要求1所述方法的步骤。

一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质存储有计算机程序，所述计算机程序被执行时实现如权利要求1所述方法的步骤。

本发明与现有技术相比的优点在于：

本发明采用在光子晶体光纤两端熔接波导用传统保偏光纤的方式既模拟了光子晶体光纤环熔点处的背向反射又解决了在陀螺中由于信号光与背向反射光同时返回探测器而导致背向反射无法测量的问题。OTDR是一种通用的测量光纤内背向反射强度的仪器，但其测量值是综合了熔点反射强度和光纤损耗得到的相对值，测量精度低。针对这一问题，本发明通过将保偏光纤的一个未熔接端垂直切割构造了背向反射强度可精确计算的菲涅尔反射面，并利用OTDR测量得到的熔点相对背向反射强度与菲涅尔反射面相对背向反射强度之比，精确确定了光子晶体光纤环熔点的绝对背向反射强度，解决了工程中对光子晶体光纤环熔点背向反射缺乏精确评价方法的问题。

附图说明

图1为光子晶体光纤陀螺光路基本原理框图；

图2为光纤横截面扫描电镜照片，其中(a)为光子晶体光纤横截面扫描电镜照片，(b)为传统保偏光纤横截面扫描电镜照片；

图3为光子晶体光纤熔点背向反射光强测量装置框图；

图4为OTDR原理框图；

图5为OTDR测量结果曲线；

具体实施方式

光子晶体光纤陀螺是基于Sagnac效应的角速度传感器，基本原理如图1所示，其信号光波传输路径为：光源发出的光经过2×2耦合器1端口进入耦合器，经分束后从耦合器2、3端口输出，耦合器2端口与波导输入端相连，光经波导进入光纤环传输一圈后干涉，并从波导输出，经耦合器2端口进入耦合器，经耦合器分束后从耦合器1、4端口反向输出，耦合器4端口与探测器相连，输出干涉光波进入探测器进行检测。图1中同时标出了熔点产生的背向反射光波，其传输路径与输出干涉光波相同，因此在陀螺探测器端无法区分背向反射光波和干涉信号光波，也就无法单独测量背向反射光波强度。此外，从图1中可以看出，光子晶体光纤与波导尾纤的熔点会产生双向背向反射，由于光子晶体光纤结构的特殊性，正向反射和反向反射的光强并不相等，因此需要分别测量正向、反向反射强度。为了解决上述问题，本专利设计了一种光子晶体光纤环熔点背向反射确定方法，其原理框图如图3所示。

本发明一种基于OTDR的光子晶体光纤环熔点反射强度确定方法，步骤如下：

步骤1：在光子晶体光纤左侧熔接波导用传统保偏光纤；

步骤2：在光子晶体光纤右侧熔接波导用传统保偏光纤；

步骤3：使用光纤切割刀对右侧传统保偏光纤的未熔接端进行切割，得到与光传播方向垂直的光纤解理面；

步骤4：将左侧传统保偏光纤通过APC接头与光纤跳线连接；

步骤5：使用OTDR从光纤跳线未连接端对光纤中背向反射点进行测量，得到背向反射光强测量曲线，曲线横坐标为距离OTDR的长度，纵坐标为对应位置点的相对背向反射强度；

步骤6：熔点在测量曲线中体现为极大值点，根据本专利提出的光纤熔接方式，测量曲线中将存在三个极大值点，从靠近OTDR测量曲线处算起依次为熔点正向反射、反向反射和菲涅尔反射，从测量曲线中读取各极大值点对应的纵坐标值得到熔点正向反射相对强度I′₁，反向反射相对强度I′₂和解理面菲涅尔反射相对强度I′₀；

步骤7：根据光纤折射率和空气折射率，计算得到解理面菲涅尔反射绝对强度其中n₁为空气折射率和n₂为SiO₂折射率。

步骤8：根据熔点正向反射相对强度I′₁、解理面菲涅尔反射相对强度I′₀和步骤7计算得到的菲涅尔反射绝对强度I₀，计算得到熔点正向反射绝对强度

步骤9：根据熔点反向反射相对强度I′₂、解理面菲涅尔反射相对强度I′₀和步骤7计算得到的菲涅尔反射绝对强度I₀，计算得到反向反射绝对强度

所述步骤1、步骤2中所用熔接机和相应的熔接参数与陀螺中光子晶体光纤环与波导尾纤熔接时相同。

所述步骤4中光纤跳线长度大于OTDR盲区长度。

本发明在光子晶体光纤两端各熔接了一段与波导尾纤参数相同的传统保偏光纤，当光从左侧射入时，将能够分别模拟正向和反向熔点反射。将右侧波导尾纤未熔接端使用光纤切割刀进行切割，得到垂直于光传播方向的光纤解理面，该端面为空气与SiO₂的理想界面，界面反射为菲涅尔反射，其绝对反射强度可以由下式计算得到：

将空气折射率n₁＝1和SiO₂折射率n₂＝1.45带入上式可得解理面背向反射强度为3.4％。

光时域反射计(OTDR)是一种用来测量光纤内背向反射的仪器，其工作原理如图4所示。由脉冲激光光源产生脉冲光束耦合进被测光纤中，被测光纤内部反射点会对输入光波进行反射，OTDR收集背向反射光波，通过探测器测量光强和到达时间，即可确定背向反射的位置及强度。一般情况下，OTDR存在一定长度的事件盲区，无法测量短距离光纤，为了避开盲区，在左侧保偏光纤未熔接端前增加了一段光纤跳线。为了防止跳线与被测光纤连接处的背向反射对测量产生影响，两者的连接通过APC接头实现，APC接头可以保证反射光射出光纤，而不经过光纤返回到OTDR接收端。使用OTDR从跳线的未连接端对光纤进行测量，得到的典型测量结果如图5所示。

光纤内反射点在OTDR测量曲线中体现为极大值点，图5中标出了各极大值点对应的熔点及反射面，可以看出测量曲线中除包含正向熔点反射和反向熔点反射外，还包含了光纤端面菲涅尔反射。由于OTDR测量的是光纤损耗和背向反射强度综合作用的结果，而光纤的损耗无法精确得到，因此无法从测量曲线上直接读出背向反射的强度，但OTDR测量值可以反映各点背向反射强度的相对大小。本专利通过对光纤一端的切割引入了理想菲涅尔反射面，其绝对强度可以通过计算精确获得。因此，通过OTDR测量曲线中得到的各反射尖峰强度与末端菲涅尔反射强度的相对关系，结合菲涅尔反射的实际反射强度，可以得到熔点背向反射强度的精确值。设OTDR测量得到的熔点正向反射相对强度为I₁′，熔点反向反射相对强度为I′₂，菲涅尔反射面相对强度为I′₀，菲涅尔反射面理论计算得到的绝对反射强度为I₀，则熔点正向反射绝对强度I₁和熔点反向反射绝对强度I₂可由下式计算：

以图5中测量曲线为例，正向熔点反射测量得到的相对强度I₁′和反向熔点反射测量得到的相对强度I′₂分别为1dB和0.7dB，而菲涅尔反射面的相对强度I′₀为14dB，带入式(2)和式(3)计算得正向熔点和反向熔点对应的反射强度分别为0.286％和0.2％。

本发明未详细说明部分属本领域技术人员公知常识。

Claims (7)

1.一种基于OTDR的光子晶体光纤环熔点反射强度确定方法，其特征在于步骤如下：

步骤1：在光子晶体光纤左侧熔接波导用传统保偏光纤；

步骤2：在光子晶体光纤右侧熔接波导用传统保偏光纤；

步骤3：使用光纤切割刀对右侧传统保偏光纤的未熔接端进行切割，得到与光传播方向垂直的光纤解理面；

步骤4：将左侧传统保偏光纤与光纤跳线连接；

步骤5：从光纤跳线未连接端对光纤中背向反射点进行测量，得到背向反射光强测量曲线；

步骤6：从测量曲线中读取各极大值点对应的纵坐标值，得到熔点正向反射相对强度I′₁、反向反射相对强度I′₂和解理面菲涅尔反射相对强度I′₀；

步骤7：根据光纤折射率和空气折射率，计算得到解理面菲涅尔反射绝对强度I₀；

步骤8：根据熔点正向反射相对强度I′₁、解理面菲涅尔反射相对强度I′₀和步骤7计算得到的菲涅尔反射绝对强度I₀，计算得到熔点正向反射绝对强度I₁；

步骤9：根据熔点反向反射相对强度I′₂、解理面菲涅尔反射相对强度I′₀和步骤7计算得到的菲涅尔反射绝对强度I₀，计算得到反向反射绝对强度I₂。

2.根据权利要求1所述的一种基于OTDR的光子晶体光纤环熔点反射强度确定方法，其特征在于：所述步骤4中光纤跳线长度大于OTDR盲区长度。

3.根据权利要求1-2任意所述的一种基于OTDR的光子晶体光纤环熔点反射强度确定方法，其特征在于：所述解理面菲涅尔反射绝对强度其中n₁为空气折射率，n₂为SiO₂折射率。

4.根据权利要求3所述的一种基于OTDR的光子晶体光纤环熔点反射强度确定方法，其特征在于：所述熔点正向反射绝对强度

5.根据权利要求3所述的一种基于OTDR的光子晶体光纤环熔点反射强度确定方法，其特征在于：所述计算得到反向反射绝对强度

6.一种终端设备，包括执行机构、存储器、处理器以及存储在所述存储器中并可在所述处理器上运行的计算机程序，其特征在于：所述执行机构和处理器执行所述计算机程序时实现如权利要求1所述方法的步骤。

7.一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质存储有计算机程序，其特征在于：所述计算机程序被执行时实现如权利要求1所述方法的步骤。