CN110260794B - 一种空芯光子带隙光纤纤芯尺寸测量噪声抑制装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种空芯光子带隙光纤纤芯尺寸测量噪声抑制装置，包括微型振动调制器、阶梯型固定平台、耦合器、光电转换器、低通滤波器和数据采集及处理单元，其中，微型振动调制器紧贴合于光纤准直器的支撑架的上表面，以带动支撑架沿垂直于HC‑PBFs纤芯的反射面的方向以同频率微幅共振，实现对光纤准直器的反射面与HC‑PBFs纤芯的反射面之间的距离L进行调制；耦合器一端连接光纤准直器，另一端同时连接TSL光源和光电转换器，光电转换器同时依次连接低通滤波器和数据采集及处理单元。本发明解决了基于法布里‑珀罗干涉的HC‑PBFs纤芯尺寸的装置测量时噪声较大的问题，为HC‑PBFs纤芯尺寸的准确测量奠定了基础。

Description

一种空芯光子带隙光纤纤芯尺寸测量噪声抑制装置及方法

技术领域

本发明属于光纤应用技术领域，具体涉及一种空芯光子带隙光纤纤芯尺寸测量噪声抑制装置及方法。

背景技术

空芯光子带隙光纤(HC-PBFs)是一种新型微结构光纤，是在光子晶体的基础上发展起来的。不同于传统光纤通过全内反射来传导光，空芯光子带隙光纤是通过光子带隙原理导光的，其包层由周期性排列的空气孔构成，这一包层结构形成一个光子晶体，从而具有光子带隙，能阻碍特定频率的光在其中传播，通过在包层中心引入一个大的空气孔造成结构缺陷，就能够将光限制在这一缺陷中传输。相比于二氧化硅，空气的物理性质及化学性质更为稳定，因此光子带隙光纤具有相比于传统光纤更优良的环境适应性，如对温度、电磁场、空间辐射等环境因素的敏感度低，对弯曲不敏感等，更适用于复杂环境下的光纤传感及信号传输。

目前HC-PBFs拉制过程中不可避免的存在轴向纤芯不均匀的问题，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，需要同时控制温度、气压、拉制速度和张力等多种参数，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带隙光纤性能，对光纤拉制工艺具有极其重要的指导意义。

本申请人在2018年5月7日提交了申请号为CN201810424200.8、公开日为2018年10月12日的先前专利申请“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”，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分别连接到1×2光纤耦合器两个输入端，1×2光纤耦合器输出端连接光纤准直器，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；旋转待测光纤的同时调节光纤准直器位置，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，准直光射入待测光纤(空芯光子带隙光纤)，经纤芯反射后依次通过光纤准直器、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纤芯尺寸的大小。

基于法布里-珀罗干涉的空芯光子带隙光纤纤芯尺寸的本装置能够无损地测量HC-PBFs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HC-PBFs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。但是，在HC-PBFs纤芯尺寸的测量中，HC-PBFs纤芯反射面次波和光纤准直器反射面次波会发生干涉，引起偏置误差，同时由于光纤准直器臂随环境产生的不规则微弱振动，进而导致偏置误差转化为随机噪声，对纤芯尺寸的准确测量造成影响。

发明内容

为了解决上述问题，本发明提出了一种空芯光子带隙光纤纤芯尺寸测量噪声抑制装置及方法，通过微型振动调制器对光纤准直器反射面到HC-PBFs纤芯反射面的距离进行调制，进而改变该距离，使偏置误差中δ以200HZ的频率进行变化，最终使得输出的次波信号变为频率为200HZ高频信号，之后将被调制后的信号通过低通滤波器，滤除随机噪声，从而减弱测量时的随机噪声。

根据本发明的一方面，提供了一种空芯光子带隙光纤纤芯尺寸测量噪声抑制装置，包括微型振动调制器、阶梯型固定平台、耦合器、光电转换器、低通滤波器和数据采集及处理单元，

所述微型振动调制器紧贴合于光纤准直器的支撑架的上表面，以带动所述支撑架沿垂直于空芯光子带隙光纤纤芯的反射面的方向以同频率微幅共振，实现对光纤准直器的反射面与空芯光子带隙光纤纤芯的反射面之间的距离L进行调制；折射率匹配液盛放容器和六维移动台分别放置于所述阶梯型固定平台的不同阶梯平台上；所述耦合器一端连接光纤准直器，另一端同时连接TSL光源和所述光电转换器，所述光电转换器同时依次连接所述低通滤波器和所述数据采集及处理单元。

在一些实施例中，所述折射率匹配液盛放容器和所述阶梯型固定平台之间可以设置有用于减震的定型棉。

在一些实施例中，所述支撑架的上表面可以设置有十字光标，以指示所述微型振动调制器的贴合位置，确保调制时支撑架垂直于空芯光子带隙光纤纤芯的反射面。

在一些实施例中，可以通过树脂型压敏胶将所述微型振动调制器紧贴合于所述支撑架的上表面。

根据本发明的另一方面，提供了一种根据上述装置进行噪声抑制的方法，包括如下步骤：

S1.将微型振动调制器紧贴合于光纤准直器的支撑架的上表面，确保调制时支撑架垂直于空芯光子带隙光纤纤芯的反射面；

S2.调节微型振动调制器，使其输出频率为200HZ的微幅振动，带动支撑架沿垂直于空芯光子带隙光纤纤芯的反射面的方向以同频率微幅共振，使光纤准直器的反射面与纤芯的反射面之间的距离L以200HZ频率规律变化，

在空芯光子带隙光纤纤芯尺寸的测量中，由于纤芯的反射面均为空气-SiO2分界面，反射率较低，因此两个界面之间的多重反射可以忽略，此处假定两个平行的空气-SiO2界面对次波反射率近似相等，均为r₂，则纤芯的反射面的次波复振幅依次为r₂Aexp[iδ]、r₂Aexp[i(δ+δ₀+π)]，其中，A为入射光振幅，i为虚数单位，

d为纤芯的上下两个平行反射面之间的间距，

n为折射率匹配液的折射率，λ为入射光的波长，

两个平行的空气-SiO2界面反射光之间发生干涉，干涉强度I_{int erference}如下：

I_{int erference}＝r₂ ²A²[2+2 cos(δ₀+π)] (1)

由于两个平行的空气-SiO2界面的次波和光纤准直器的反射面的次波之间发生干涉，假定光纤准直器的反射面对次波的反射率为r₁，则光纤准直器的反射面的次波复振幅为r₁A，干涉强度I^(r)如下：

波长λ不变，I_{int erference}为常数，但纤芯的反射面次波和光纤准直器的反射面次波形成干涉，引起偏置误差

同时由于支撑架随环境产生的不规则微弱振动，造成偏置误差中δ以不规则频率发生变化，进而导致偏置误差转化为随机噪声，

调制使光纤准直器的反射面与纤芯的反射面之间的距离L以200HZ频率规律变化，最终使δ以200HZ的频率进行变化，使得产生的随机信号噪声变为频率为200HZ高频噪声信号；

S3.采集调制后返回的频率为200HZ高频噪声信号，进行光电转换，获得包含200HZ高频噪声的信号电压波形，使其通过低通滤波器将其中的200HZ高频噪声信号滤除。

本发明的有益效果：

1)本发明的空芯光子带隙光纤纤芯尺寸测量噪声抑制装置使用体积较小的微型振动调制器，可以在保证装置稳定性的情况下实现噪声良好的滤除效果。

2)本发明的空芯光子带隙光纤纤芯尺寸测量噪声抑制装置简单且成本低，有利于工程化应用。

3)本发明的空芯光子带隙光纤纤芯尺寸测量噪声抑制装置减弱了纤芯尺寸测量时的随机噪声，使得测量精度高。

附图说明

图1为本发明的空芯光子带隙光纤纤芯尺寸测量噪声抑制装置的结构示意图。

图2为本发明的振动调制方向及测量原理示意图。

图3为本发明的空芯光子带隙光纤纤芯尺寸测量中随机噪声产生的光路示意图。

图4为本发明的低通滤波器幅频特性曲线。

图5为本发明降噪前的信号曲线图。

图6为本发明降噪后的信号曲线图。

图7为本发明降噪前后随机噪声的方差曲线图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步说明。

本发明是为了抑制本申请人在2018年5月7日提交了申请号为CN201810424200.8、公开日为2018年10月12日的先前专利申请“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”所产生的随机噪声而设计的，因此省略空芯光子晶体光纤纤芯尺寸测量装置的相关说明。

如图1和2所示，本发明的空芯光子带隙光纤纤芯尺寸测量噪声抑制装置，包括微型振动调制器1、阶梯型固定平台2、耦合器3、光电转换器4、低通滤波器5和数据采集及处理单元6。其中，微型振动调制器1例如通过树脂型压敏胶紧贴合于光纤准直器7的支撑架8的上表面，使调制最大效率传递到支撑架8，以带动支撑架8沿垂直于HC-PBFs纤芯9的反射面9-1的方向以同频率微幅共振，实现对光纤准直器的反射面与HC-PBFs纤芯9的反射面9-1之间的距离L进行调制。折射率匹配液盛放容器10和六维移动台11分别放置于阶梯型固定平台2的不同阶梯平台上。耦合器3一端连接光纤准直器7，另一端同时连接TSL光源12和光电转换器4，光电转换器4同时依次连接低通滤波器5和数据采集及处理单元6。

特别地，为防止振动调制对承载匹配液的折射率匹配液盛放容器10产生干扰，对其施加减震处理。在本实例中，折射率匹配液盛放容器10和阶梯型固定平台2之间设置有硬度适当且表面平整的定型棉13，以减弱共振对折射率匹配液盛放容器10产生影响，确保装置的稳定性。

噪声抑制装置对支撑架8与HC-PBFs纤芯9的反射面9-1的垂直关系有着严格的要求，特别地，在支撑架8的上表面设置十字光标，以指示微型振动调制器1在支撑架8的上表面的贴合位置，确保调制时支撑架8垂直于HC-PBFs纤芯纤芯9的反射面9-1。

基于上述装置，本发明提供一种空芯光子带隙光纤纤芯尺寸测量噪声抑制方法，包括以下步骤：

S1.将微型振动调制器1紧贴合于光纤准直器7的支撑架8的上表面，确保调制时支撑架8垂直于HC-PBFs纤芯9的反射面9-1；

S2.调节微型振动调制器1，使其输出频率为200HZ的高频微幅振动，带动支撑架8沿垂直于HC-PBFs纤芯9的反射面9-1的方向以同频率微幅共振，使光纤准直器7的反射面7-1与纤芯9的反射面9-1之间的距离L以200HZ频率规律变化，

如图3所示，在空芯光子带隙光纤纤芯尺寸的测量中，由于纤芯9的反射面均为空气-SiO2分界面，反射率较低，因此两个界面之间的多重反射可以忽略，此处假定两个平行的空气-SiO2界面对次波反射率近似相等，均为r₂，则纤芯9的反射面的次波复振幅依次为r₂Aexp[iδ]、r₂Aexp[i(δ+δ₀+π)]，其中，A为入射光振幅，i为虚数单位

d为纤芯的上下两个平行反射面之间的间距，

n为折射率匹配液折射率，L为光纤准直器的反射面与纤芯的反射面之间的距离，λ为入射光的波长，

两个平行的空气-SiO2界面反射光之间发生干涉，干涉强度I_{int erference}如下：

I_{int erference}＝r₂ ²A²[2+2 cos(δ₀+π)] (1)

由于两个平行的空气-SiO2界面的次波和光纤准直器的反射面的次波之间发生干涉，假定光纤准直器7的反射面对次波的反射率为r₁，则光纤准直器7的反射面的次波复振幅为r₁A，干涉强度I^(r)如下：

波长λ不变，I_{int erference}为常数，但纤芯9的反射面次波和光纤准直器7的反射面次波形成干涉，引起偏置误差

同时由于支撑架8随环境产生的不规则微弱振动，造成偏置误差中δ以不规则频率发生变化，进而导致偏置误差转化为随机噪声，

调制使光纤准直器7的反射面与纤芯9的反射面之间的距离L以200HZ频率规律变化，最终使δ以200HZ的频率进行变化，使得产生的随机信号噪声变为频率为200HZ高频噪声信号；

S3.采集调制后返回的频率为200HZ高频噪声信号，进行光电转换，获得包含200HZ高频噪声的信号电压波形，使其通过低通滤波器5(带宽曲线如图4所示)。由于有效信号波形的频率小于5HZ，所以通过低通滤波器5可以将200HZ的高频噪声有效滤除，最终实现随机噪声的降噪处理，降噪前后信号波形分别如图5和6所示。

由图7可以明显看出，优化后随机噪声的方差值明显小于优化前随机噪声的方差值，可见本发明对空芯光子带隙光纤纤芯尺寸测量噪声起到了良好的抑制效果。

本发明的空芯光子带隙光纤纤芯尺寸测量噪声抑制装置及方法，解决了先前基于法布里-珀罗干涉的空芯光子带隙光纤纤芯尺寸的装置测量时噪声较大的问题，为空芯光子带隙光纤纤芯尺寸的准确测量奠定了基础。

对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请创造构思的前提下，还可以对本发明的实施例做出若干变型和改进，这些都属于本申请的保护范围。

Claims (5)

1.一种空芯光子带隙光纤纤芯尺寸测量噪声抑制装置，其特征在于，包括微型振动调制器、阶梯型固定平台、耦合器、光电转换器、低通滤波器和数据采集及处理单元，

所述微型振动调制器紧贴合于光纤准直器的支撑架的上表面，以带动所述支撑架沿垂直于空芯光子带隙光纤纤芯的反射面的方向，以与所述微型振动调制器的频率相同的频率微幅共振，实现对光纤准直器的反射面与空芯光子带隙光纤纤芯的反射面之间的距离L进行调制；所述阶梯型固定平台具有高阶梯平台和低阶梯平台，折射率匹配液盛放容器放置于所述低阶梯平台上，六维移动台放置于所述高阶梯平台上，所述光纤准直器浸没在所述折射率匹配液盛放容器中的折射率匹配液中，所述光纤准直器通过所述支撑架固定，所述支撑架同时连接所述六维位移台；所述耦合器一端连接光纤准直器，另一端同时连接TSL光源和所述光电转换器，所述光电转换器同时依次连接所述低通滤波器和所述数据采集及处理单元。

2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述折射率匹配液盛放容器和所述阶梯型固定平台之间设置有用于减震的定型棉。

3.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述支撑架的上表面设置有十字光标，以指示所述微型振动调制器的贴合位置，确保调制时支撑架垂直于空芯光子带隙光纤纤芯的反射面。

4.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，通过树脂型压敏胶将所述微型振动调制器紧贴合于所述支撑架的上表面。

5.一种根据权利要求1-4之一所述的装置进行噪声抑制的方法，其特征在于，包括如下步骤：

S1.将微型振动调制器紧贴合于光纤准直器的支撑架的上表面，确保调制时支撑架垂直于空芯光子带隙光纤纤芯的反射面；

S2.调节微型振动调制器，使其输出频率为200HZ的微幅振动，带动支撑架沿垂直于空芯光子带隙光纤纤芯的反射面的方向，以与所述微型振动调制器的频率相同的频率微幅共振，使光纤准直器的反射面与纤芯的反射面之间的距离L以200HZ频率规律变化，

在空芯光子带隙光纤纤芯尺寸的测量中，由于纤芯的反射面均为空气-SiO2分界面，反射率较低，因此两个界面之间的多重反射可以忽略，此处假定两个平行的空气-SiO2界面对次波反射率近似相等，均为r₂，则纤芯的反射面的次波复振幅依次为r₂Aexp[iδ]、r₂Aexp[i(δ+δ₀+π)]，其中，A为入射光振幅，i为虚数单位，

d为纤芯的上下两个平行反射面之间的间距，

n为折射率匹配液的折射率，λ为入射光的波长，

两个平行的空气-SiO2界面反射光之间发生干涉，干涉强度I_interference如下：

I_interference＝r₂ ²A²[2+2cos(δ₀+π)] (1)

由于两个平行的空气-SiO2界面的次波和光纤准直器的反射面的次波之间发生干涉，假定光纤准直器的反射面对次波的反射率为r₁，则光纤准直器的反射面的次波复振幅为r₁A，干涉强度I^(r)如下：

波长λ不变，I_interference为常数，但纤芯的反射面次波和光纤准直器的反射面次波形成干涉，引起偏置误差

同时由于支撑架随环境产生的不规则微弱振动，造成偏置误差中δ以不规则频率发生变化，进而导致偏置误差转化为随机噪声，

调制使光纤准直器的反射面与纤芯的反射面之间的距离L以200HZ频率规律变化，最终使δ以200HZ的频率进行变化，使得产生的随机信号噪声变为频率为200HZ高频噪声信号；

S3.采集调制后返回的频率为200HZ高频噪声信号，进行光电转换，获得包含200HZ高频噪声的信号电压波形，使其通过低通滤波器将其中的200HZ高频噪声信号滤除。

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