CN108645344A - 一种基于法布里-珀罗干涉的空芯光子晶体光纤纤芯尺寸测量装置及方法 - Google Patents

一种基于法布里-珀罗干涉的空芯光子晶体光纤纤芯尺寸测量装置及方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于法布里‑珀罗干涉的空芯光子晶体光纤纤芯尺寸测量装置及方法，属于光纤特征参数测试领域，所述装置包括扫频激光器、1×2光纤耦合器、光纤准直器、待测光纤、探测器和示波器。光纤准直器的出射光射入待测光纤纤芯平行的空气‑SiO2界面作为法布里‑珀罗干涉腔；扫频激光器扫频，准直光在干涉腔内形成反射，反射光谱原路返回到达探测器，干涉光强转化成电压信号传递给示波器，拟合得到法布里‑珀罗干涉腔的距离；旋转待测光纤测得完整的纤芯尺寸；调整光纤准直器，使其沿待测光纤的轴向依次等距离移动，测得不同位置纤芯的大小进而评估纤芯的均匀性。本发明无损测量，装置简单且成本低，具有高灵敏度和分辨率，有利于工程化应用。

Description

一种基于法布里-珀罗干涉的空芯光子晶体光纤纤芯尺寸测 量装置及方法
技术领域
本发明属于光纤特征参数测试领域，具体是一种基于法布里-珀罗干涉的空芯光子晶体光纤纤芯尺寸测量装置及方法。
背景技术
空芯光子晶体光纤(HC-PBFs)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、电磁场和空间辐射等环境因素的敏感度低，非线性和延迟低，对弯曲不敏感等。因此，HC-PBFs在光纤通信和光纤传感领域尤其是光纤陀螺上有着非常重要的应用前景。
但是目前HC-PBFs拉制过程中不可避免的存在轴向不均匀的问题，从而影响光纤的很多光学性能，如偏振特性等，这种不均匀性的产生主要是因为光纤在拉制过程中，有很多的拉制参数需要控制，如温度、气压、拉制速度和张力等，这些参数的波动会对纤芯的结构产生影响，从而导致纤芯在拉制过程中不可能一直保持完美的圆形或正多边形结构。因此，高精度测量纤芯大小及均匀性评估空芯光子晶体光纤性能，对指导光纤拉制工艺具有极其重要的意义。
目前提出的测量HC-PBFs纤芯尺寸的高精度方法，主要有截断法和基于X光的断层扫描成像法(CT)。截断法是直接将HC-PBFs切断，将端面放到光学显微镜或者扫描电镜显微镜下，但是由于光纤在切断时不可能是一个完全平整的平面，同时在放置时，光纤端面和透镜平面不可能完全平行，而是会存在一个角度，所以在显微镜下通常观察到的纤芯不是一个圆，而是椭圆，因此通过截断法无法准确测量纤芯几何尺寸的大小，且这种方法在测量纤芯均匀性上空间分辨率很低，并且截断法是破坏性的。基于X光的断层扫描成像法(CT)可以在不破坏光纤结构的情况下获得光纤全部的三维结构(包含纤芯大小及均匀性等信息)，并且具有亚微米级空间分辨率，但是这种方法对设备要求高，非常耗时且成本昂贵，不适合广泛应用。
因此，迫切需要一种简单且非破坏性的、具有高灵敏度和高分辨率的测量装置及方法来测量HC-PBFs纤芯大小及均匀性。
发明内容
本发明针对上述问题，提出了一种基于法布里-珀罗干涉的空芯光子晶体光纤纤芯尺寸测量装置及方法。
所述的空芯光子晶体光纤纤芯尺寸的测量装置，包括扫频激光器、1×2光纤耦合器、光纤准直器、待测光纤、六维位移台、探测器和示波器。
扫频激光器和探测器同时连接1×2光纤耦合器，1×2光纤耦合器连接光纤准直器，光纤准直器通过支撑架固定，支撑架同时连接六维位移台，通过六维位移台调整光纤准直器的位置；光纤准直器和待测光纤都浸没在折射率匹配液中；通过旋转待测光纤同时调节光纤准直器的位置，找到法布里-珀罗干涉腔；
扫频激光器扫频，出射光依次经过1×2光纤耦合器，光纤准直器变成空间准直光，准直光射入待测光纤，经纤芯反射后，法布里-珀罗干涉腔的反射光谱依次经过光纤准直器和1×2光纤耦合器到达探测器，探测器同时连接示波器，根据示波器的反射光谱进一步计算待测光纤的大小。
所述的空芯光子晶体光纤纤芯尺寸的测量方法，包括以下步骤：
步骤一、针对待测光纤，去掉涂覆层，同时将除去纤芯外的其他空气孔全部填满折射率匹配液，并将待测光纤全部浸入折射率匹配液中；
折射率匹配液匹配SiO2的折射率。
步骤二、通过六维位移台调整光纤准直器，使光纤准直器浸没在折射率匹配液中；
步骤三、调节光纤准直器同时旋转待测光纤调整待测光纤的角度，使光纤准直器的出射光垂直射入待测光纤纤芯的上下两个平行的空气-SiO2界面，两个平行的空气-SiO2界面作为法布里-珀罗干涉腔；
步骤四、扫频激光器扫频，准直光射入待测光纤，在法布里-珀罗干涉腔内形成反射，反射光谱依次经过光纤准直器和1×2光纤耦合器到达探测器；
法布里-珀罗干涉腔的反射光谱也就是干涉强度Iinterference随波长λ的变化波形；
两个平行的空气-SiO2界面的反射光分别为W1和W2，由于反射率较低，因此两个界面之间的多重反射可以忽略；两束反射光W1和W2之间发生干涉，干涉强度Iinterference如下：
I1为反射光W1的光强；I2为反射光W2的光强；ΔΦ为反射光W1和反射光W2之间的相位差；表示为：
其中n是待测光纤纤芯内空气的折射率干涉，n≈1，λ是入射光束的波长，d是两个空气-SiO2界面之间的距离；
根据公式(1)和(2)得到干涉强度Iinterference表达式为：
步骤五、探测器将反射光谱各个波长下的干涉光强转化成电压信号，进而传递给示波器，输出电压值Vinterference。
探测器将探测到的光强转化成电压信号，则示波器输出的电压值Vinterference表示为：
V1为光强I1的电压值；V2为光强I2的电压值；Vinterference为干涉强度Iinterference的电压值。
步骤六、对各个波长下对应的电压值进行最小二乘法拟合，拟合结果最优时得到的距离d即为法布里-珀罗干涉腔的距离。
依据公式(4)对采集到的电压值Vinterference随波长λ的变化波形数据进行最小二乘法拟合，拟合结果最优时得到的参数d的值即为法布里-珀罗干涉腔的距离。
步骤七、从0°到～180°旋转待测光纤，依次测得6个反射光强最强的不同位置的法布里-珀罗干涉腔的腔长，因此得到完整的待测光纤的纤芯尺寸。
从0°到～180°旋转待测光纤，并通过调整六维位移台，使得光纤准直器的出射光垂直射入待测光纤纤芯的上下两个平行的空气-SiO2界面，形成法布里-珀罗干涉腔，依次测得6个反射光强最强的不同位置。扫频激光器重复扫频，分别得到6个位置的反射光谱，并通过探测器转化成电压信号，进而传递给示波器，根据电压值对反射光谱进行最小二乘法拟合，得到6个不同位置的法布里-珀罗干涉腔的距离，因此得到完整的待测光纤的纤芯尺寸。
步骤八、调节六维位移台使光纤准直器沿待测光纤的轴向依次等距离移动，重复上述步骤测量，测得不同位置纤芯的大小进而评估纤芯的均匀性。
本发明的优点在于：
(1)一种基于法布里-珀罗干涉的空芯光子晶体光纤纤芯尺寸测量装置，是一种无损测量装置，可以在不破化空芯光子晶体光纤的情况下进行测量。
(2)一种基于法布里-珀罗干涉的空芯光子晶体光纤纤芯尺寸测量装置，装置简单且成本低，有利于工程化应用。
(3)一种基于法布里-珀罗干涉的空芯光子晶体光纤纤芯尺寸测量方法，具有高灵敏度和分辨率。
附图说明
图1是本发明一种基于法布里-珀罗干涉的空芯光子晶体光纤纤芯尺寸测量装置原理图；
图2是本发明一种基于法布里-珀罗干涉的空芯光子晶体光纤纤芯尺寸测量方法流程图；
图3是本发明除去纤芯外其他空气孔全部填满折射率匹配液之后的待测光纤侧面图；
图4是本发明除去纤芯外其他空气孔全部填满折射率匹配液之后的待测光纤端面示意图；
图5是本发明对待测光纤形成的法布里-珀罗干涉腔进行扫频得到的反射光谱图。
具体实施方式
下面将结合附图和实例对本发明作进一步的详细说明。
本发明提供一种基于法布里-珀罗干涉的空芯光子晶体光纤纤芯尺寸测量的装置及方法，用于测量空芯光子晶体光纤纤芯大小及均匀性。
所述的空芯光子晶体光纤纤芯尺寸的测量装置，如图1所示，包括扫频激光器、1×2光纤耦合器、光纤准直器、待测光纤、六维位移台、探测器和示波器等。
扫频激光器和探测器同时连接1×2光纤耦合器，1×2光纤耦合器连接光纤准直器，光纤准直器通过支撑架连接到六维位移台，通过六维位移台调整光纤准直器的位置；光纤准直器和待测光纤都浸没在折射率匹配液中；通过旋转待测光纤同时调节光纤准直器的位置，找到法布里-珀罗干涉腔；
扫频激光器的出射光依次经过1×2光纤耦合器，光纤准直器变成空间准直光，方向如图1中箭头所示，准直光射入待测光纤(空芯光子晶体光纤)，经纤芯反射后再次进入光纤准直器，经过1×2光纤耦合器到达探测器，探测器同时连接示波器，信号传递给示波器，示波器根据反射光谱进一步计算待测光纤的大小。
基于以上的测量装置，本发明提供一种基于法布里-珀罗干涉的空芯光子晶体光纤纤芯尺寸测量方法，如图2所示，包括以下步骤：
步骤一、针对待测光纤，去掉包层外的涂覆层，同时将除去纤芯外的其他空气孔全部填满折射率匹配液，并将待测光纤全部浸入折射率匹配液中；
如图4所示，待测光纤为空芯光子晶体光纤，纤芯具有多边形结构；折射率匹配液匹配SiO2的折射率，填满折射率匹配液后的侧面显微镜图像如图3所示。
步骤二、通过六维位移台调整光纤准直器，使光纤准直器浸没在折射率匹配液中；
步骤三、调节光纤准直器同时旋转待测光纤调整待测光纤的角度，使光纤准直器的出射光垂直射入待测光纤纤芯的上下两个平行的空气-SiO2界面，两个平行的空气-SiO2界面作为法布里-珀罗干涉腔；
步骤四、扫频激光器扫频，准直光射入待测光纤，在法布里-珀罗干涉腔内形成反射，反射光谱依次经过光纤准直器和1×2光纤耦合器到达探测器；
法布里-珀罗干涉腔的反射光谱也就是干涉强度Iinterference随波长λ的变化波形；
如图4所示，通过光纤准直器的出射光只在待测光纤的上下两个空气-SiO2界面(A+A-)发生反射，而不在其他位置反射。两个平行的空气-SiO2界面的反射光分别为W1和W2，由于反射率较低，因此两个界面之间的多重反射可以忽略；两束反射光W1和W2之间发生干涉，干涉强度Iinterference如下：
I1为反射光W1的光强；I2为反射光W2的光强；ΔΦ为反射光W1和反射光W2之间的相位差；表示为：
其中n是待测光纤纤芯内空气的折射率干涉，n≈1，λ是入射光束的波长，d是两个空气-SiO2界面之间的距离；额外的相位π是由于反射光W2在从空气正入射进入SiO2时产生的半波损耗；
根据公式(1)和(2)得到干涉强度Iinterference表达式为：
步骤五、探测器将反射光谱各个波长下的干涉光强转化成电压信号，进而传递给示波器，输出电压值Vinterference。
探测器将探测到的光强转化成电压信号，则示波器输出的电压值Vinterference表示为：
V1为光强I1的电压值；V2为光强I2的电压值；Vinterference为干涉强度Iinterference的电压值。
步骤六、对各个波长下对应的电压值进行最小二乘法拟合，拟合结果最优时得到的距离d即为法布里-珀罗干涉腔的距离。
本实例法布里-珀罗干涉腔归一化强度的反射光谱如图5所示，依据公式(4)对采集到的干涉强度Iinterference随波长λ的变化波形数据进行最小二乘法拟合，拟合结果最优时得到的参数d≈11.413μm，即为法布里-珀罗干涉腔的距离。同时重复测量五次计算得到标准差为0.004，因此可知两个空气-SiO2界面(A+A-)反射面之间的距离d＝11.413±0.004μm。
步骤七、从0°到～180°旋转待测光纤，依次测得6个反射光强最强的不同位置的法布里-珀罗干涉腔的腔长，因此得到完整的待测光纤的纤芯尺寸。
通过旋转待测光纤从0°到～180°，并通过调整六维位移台，使得光纤准直器的出射光垂直射入待测光纤纤芯的上下两个平行的空气-SiO2界面，形成法布里-珀罗干涉腔，依次测得6个反射光强最强的不同位置。扫频激光器重复扫频，分别得到6个位置的反射光谱，并通过探测器转化成电压信号，进而传递给示波器，示波器根据电压值对反射光谱进行最小二乘法拟合，得到6个不同位置的法布里-珀罗干涉腔的距离，因此得到完整的待测光纤的纤芯尺寸。
本实例依次测得6个不同的法布里-珀罗干涉腔的腔长，分别为|A+A-|＝11.413±0.004μm,|B+B-|＝11.7±0.002μm,|C+C-|＝11.362±0.003μm,|D+D-|＝11.605±0.003μm,|E+E-|＝11.317±0.003μm,|F+F-|＝11.627±0.002μm，因此得到了完整的带测光纤纤芯尺寸。
步骤八、调节六维位移台使光纤准直器沿待测光纤的轴向依次等距离移动，重复上述步骤测量，测得不同位置纤芯的大小进而评估纤芯的均匀性。
本发明可以无损地测量空芯光子晶体光纤纤芯大小和均匀性，具有高灵敏度和高分辨率，从而可以有效地评估空芯光子晶体光纤性能，进而指导光纤拉制工艺，改善光纤在传感领域应用时的性能。

Claims (4)

1.一种基于法布里-珀罗干涉的空芯光子晶体光纤纤芯尺寸测量装置，其特征在于，包括扫频激光器、1×2光纤耦合器、光纤准直器、待测光纤、六维位移台、探测器和示波器；
扫频激光器和探测器同时连接1×2光纤耦合器，1×2光纤耦合器连接光纤准直器，光纤准直器通过支撑架固定，支撑架同时连接六维位移台，通过六维位移台调整光纤准直器的位置；光纤准直器和待测光纤都浸没在折射率匹配液中；通过旋转待测光纤同时调节光纤准直器的位置，找到法布里-珀罗干涉腔；
扫频激光器扫频，出射光依次经过1×2光纤耦合器，光纤准直器变成空间准直光，准直光射入待测光纤，经纤芯反射后，法布里-珀罗干涉腔的反射光谱依次经过光纤准直器和1×2光纤耦合器到达探测器，探测器同时连接示波器，根据示波器的反射光谱进一步计算待测光纤的大小。
2.基于权利要求1所述的一种基于法布里-珀罗干涉的空芯光子晶体光纤纤芯尺寸测量装置的测量方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一、针对待测光纤，去掉涂覆层，同时将除去纤芯外的其他空气孔全部填满折射率匹配液，并将待测光纤全部浸入折射率匹配液中；
步骤二、通过六维位移台调整光纤准直器，使光纤准直器浸没在折射率匹配液中；
步骤三、调节光纤准直器同时旋转待测光纤调整待测光纤的角度，使光纤准直器的出射光垂直射入待测光纤纤芯的上下两个平行的空气-SiO2界面，两个平行的空气-SiO2界面作为法布里-珀罗干涉腔；
步骤四、扫频激光器扫频，准直光射入待测光纤，在法布里-珀罗干涉腔内形成反射，反射光谱依次经过光纤准直器和1×2光纤耦合器到达探测器；
法布里-珀罗干涉腔的反射光谱即干涉强度Iinterference随波长λ的变化波形；
两个平行的空气-SiO2界面的反射光分别为W1和W2，由于反射率较低，因此忽略两个界面之间的多重反射，两束反射光W1和W2之间发生干涉，干涉强度Iinterference如下：
I1为反射光W1的光强；I2为反射光W2的光强；ΔΦ为反射光W1和反射光W2之间的相位差；表示为：
其中n是待测光纤纤芯内空气的折射率干涉，n≈1，λ是入射光束的波长，d是两个空气-SiO2界面之间的距离；
根据公式(1)和(2)得到干涉强度Iinterference表达式为：
步骤五、探测器将反射光谱各个波长下的干涉光强转化成电压信号，进而传递给示波器，输出电压值Vinterference；
探测器将探测到的光强转化成电压信号，则示波器输出的电压值Vinterference表示为：
V1为光强I1的电压值；V2为光强I2的电压值；Vinterference为干涉强度Iinterference的电压值；
步骤六、对各个波长下对应的电压值进行最小二乘法拟合，拟合结果最优时得到的距离d即为法布里-珀罗干涉腔的距离；
依据公式(4)对采集到的电压值Vinterference随波长λ的变化波形数据进行最小二乘法拟合，拟合结果最优时得到的参数d的值即为法布里-珀罗干涉腔的距离；
步骤七、从0°到～180°旋转待测光纤，依次测得6个反射光强最强的不同位置的法布里-珀罗干涉腔的腔长，因此得到完整的待测光纤的纤芯尺寸；
步骤八、调节六维位移台使光纤准直器沿待测光纤的轴向依次等距离移动，重复上述步骤测量，测得不同位置纤芯的大小进而评估纤芯的均匀性。
3.如权利要求2所述的一种基于法布里-珀罗干涉的空芯光子晶体光纤纤芯尺寸测量方法，其特征在于，所述的折射率匹配液匹配SiO2的折射率。
4.如权利要求2所述的一种基于法布里-珀罗干涉的空芯光子晶体光纤纤芯尺寸测量方法，其特征在于，所述的步骤七具体为：
从0°到～180°旋转待测光纤，并通过调整六维位移台，使得光纤准直器的出射光垂直射入待测光纤纤芯的上下两个平行的空气-SiO2界面，形成法布里-珀罗干涉腔，依次测得6个反射光强最强的不同位置；扫频激光器重复扫频，分别得到6个位置的反射光谱，并通过探测器转化成电压信号，进而传递给示波器，根据电压值对反射光谱进行最小二乘法拟合，得到6个不同位置的法布里-珀罗干涉腔的距离，因此得到完整的待测光纤的纤芯尺寸。
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