CN110849586A - 光纤干涉器参数测量方法及装置 - Google Patents

光纤干涉器参数测量方法及装置 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种光纤干涉器参数测量方法，用一组不同频率的微波信号分别对相干长度小于待测光纤干涉器两干涉臂臂长差的光载波进行强度调制，并将所得到的调制光信号作为探测光信号输入待测光纤干涉器的输入端；从待测光纤干涉器的输入端接收探测光信号的反射信号，将其转换为电信号，然后从中提取幅度和相位信息，从而得到待测光纤干涉器在所述一组不同频率下的幅度和相位响应；最后根据所述幅度和相位响应对光纤干涉器的参数进行解算。本发明还公开了一种光纤干涉器参数测量装置。本发明可以较低成本实现高精度、大范围的测量，且测量精度不会随着臂长的增大而减小。

Description

光纤干涉器参数测量方法及装置
技术领域
本发明涉及一种光纤干涉器参数测量方法，属于光器件测量技术领域。
背景技术
光纤干涉器可用于制作干涉型传感器，在水声、电流、磁场等物理量的监测中取得了广泛的应用，具有灵敏度高、测量速度快等优点。不过制作光纤干涉器时，需要极高的测量精度来确保其制成之后满足设计要求，否则在应用于传感系统时就会恶化解调精度。尤其在组成大规模传感阵列时，需要确保阵元(即光纤干涉器)之间的一致性，才能最大化地提升传感阵列的性能。所以，准确的测量光纤干涉器各项参数具有极为重要的意义。
现有的光纤干涉器测量方法主要分为脉冲法和频率扫描干涉法两种。脉冲法通过发射一个光脉冲进入光纤干涉器，然后观测经过两个干涉臂传输后的光脉冲来计算被测光纤干涉器的两个干涉臂的臂长以及损耗。由于光脉冲的脉宽限制了距离分辨率，并且难以提升，因此脉冲法不适合测量臂长差较小的光纤干涉器，而且精度有限，只是米量级，且随着臂长的增加，测量误差也随之增大。频率扫描干涉法将待测光纤干涉器的臂长转化为探测光与参考光信号的频率差来进行测量。由于要使用连续扫频激光器，价格昂贵，而且受限于这种激光器的线宽跟扫频线性度，其测量范围较小，一般为公里量级，而且测量精度随着臂长的增大而明显减小。例如美国LUNA公司的OBR系列仪表在大于70米的情况下，精度从十微米量级下降为1毫米。
综上，现有技术存在以下缺点：(1)脉冲法的测量精度不高，只能达到米级，而且分辨率差，无法测量臂长差较小的光纤干涉器；(2)频率扫描干涉法难以准确测量臂长较大的光纤干涉器，且对光源的要求很高，价格昂贵。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于克服现有技术不足，提供一种光纤干涉器参数测量方法，可以较低成本实现高精度、大范围的测量，且测量精度不会随着臂长的增大而减小。
一种光纤干涉器参数测量方法，用一组不同频率的微波信号分别对相干长度小于待测光纤干涉器两干涉臂臂长差的光载波进行强度调制，并将所得到的调制光信号作为探测光信号输入待测光纤干涉器的输入端；从待测光纤干涉器的输入端接收探测光信号的反射信号，将其转换为电信号，然后从中提取幅度和相位信息，从而得到待测光纤干涉器在所述一组不同频率下的幅度和相位响应；最后根据所述幅度和相位响应对光纤干涉器的参数进行解算。
优选地，所述光载波为用微波噪声对窄线宽稳频激光器的输出光信号进行相位调制的调制光信号。
作为以上技术方案的优选方案之一，所述一组不同频率的微波信号的最小频率fa、最大频率fb以及信号数量m的确定方法如下：
Figure BDA0002286538510000022
Figure BDA0002286538510000023
其中，c为真空中的光速；n为光纤折射率；Lp为测量臂长差时的最大容忍误差；区间[La,Lb]为所需要的臂长差测量范围；
Figure BDA0002286538510000024
a为幅度响应测量精度，D为干涉深度，单位均为dB。
进一步地，在对光纤干涉器的参数进行解算时，利用以下公式分别计算出短、长干涉臂的总传输损耗系数α1、α2：
Figure BDA0002286538510000025
Figure BDA0002286538510000026
其中，α为测量系统自身的回波损耗系数；Amax、Amin分别为幅度响应的最大值和最小值Amin；
利用以下公式分别计算出两干涉臂的臂长差L-与臂长和L+，进而计算出长、短干涉臂的臂长L2、L1：
Figure BDA0002286538510000031
其中，k*为幅度响应的波谷数量，为幅度响应波谷的最大频率，c为真空中的光速，n为光纤折射率，fi为幅度响应波峰的最大频率，slope为fi所在幅度响应波峰的3dB带宽内的相位响应随频率变化的斜率，θ(fi)为fi处的相位响应，[…]为四舍五入法取整运算符。
作为以上技术方案的优选方案之二，所述一组不同频率的微波信号的最小频率fa、最大频率fb以及信号数量m的确定方法如下：
Figure BDA0002286538510000033
Figure BDA0002286538510000035
其中，c为真空中的光速；n为光纤折射率；Lp为测量臂长差时的最大容忍误差；区间[La,Lb]为所需要的臂长差测量范围；
Figure BDA0002286538510000036
a为幅度响应测量精度，D为干涉深度，单位均为dB。
进一步地，在对光纤干涉器的参数进行解算时，利用以下公式分别计算出短、长干涉臂的总传输损耗系数α1、α2：
Figure BDA0002286538510000037
Figure BDA0002286538510000038
其中，α为测量系统自身的回波损耗系数；Amax、Amin分别为幅度响应的最大值和最小值Amin；
利用以下公式分别计算出两干涉臂的臂长差L-与臂长和L+，进而计算出长、短干涉臂的臂长L2、L1：
Figure BDA0002286538510000041
Figure BDA0002286538510000042
其中，k*为幅度响应的波谷数量，
Figure BDA0002286538510000043
f1、
Figure BDA0002286538510000044
分别为幅度响应波谷的最小频率、最大频率，c为真空中的光速，n为光纤折射率，fi为幅度响应波峰的最大频率，slope为fi所在幅度响应波峰的3dB带宽内的相位响应随频率变化的斜率，θ(fi)为fi处的相位响应，[…]为四舍五入法取整运算符。
根据相同的发明构思还可以得到以下技术方案：
一种光纤干涉器参数测量装置，包括：
探测光模块，用于用一组不同频率的微波信号分别对相干长度小于待测光纤干涉器两干涉臂臂长差的光载波进行强度调制，并将所得到的调制光信号作为探测光信号输入待测光纤干涉器的输入端；
幅相响应提取模块，用于从待测光纤干涉器的输入端接收探测光信号的反射信号，将其转换为电信号，然后从中提取幅度和相位信息，从而得到待测光纤干涉器在所述一组不同频率下的幅度和相位响应；
解算模块，用于根据所述幅度和相位响应对光纤干涉器的参数进行解算。
优选地，所述光载波为用微波噪声对窄线宽稳频激光器的输出光信号进行相位调制的调制光信号。
作为以上技术方案的优选方案之一，所述一组不同频率的微波信号的最小频率fa、最大频率fb以及信号数量m的确定方法如下：
Figure BDA0002286538510000046
Figure BDA0002286538510000047
其中，c为真空中的光速；n为光纤折射率；Lp为测量臂长差时的最大容忍误差；区间[La,Lb]为所需要的臂长差测量范围；
Figure BDA0002286538510000051
a为幅度响应测量精度，D为干涉深度，单位均为dB。
进一步地，在对光纤干涉器的参数进行解算时，利用以下公式分别计算出短、长干涉臂的总传输损耗系数α1、α2：
Figure BDA0002286538510000052
其中，α为测量系统自身的回波损耗系数；Amax、Amin分别为幅度响应的最大值和最小值Amin；
利用以下公式分别计算出两干涉臂的臂长差L-与臂长和L+，进而计算出长、短干涉臂的臂长L2、L1：
Figure BDA0002286538510000054
Figure BDA0002286538510000055
其中，k*为幅度响应的波谷数量，
Figure BDA0002286538510000056
为幅度响应波谷的最大频率，c为真空中的光速，n为光纤折射率，fi为幅度响应波峰的最大频率，slope为fi所在幅度响应波峰的3dB带宽内的相位响应随频率变化的斜率，θ(fi)为fi处的相位响应，[…]为四舍五入法取整运算符。
作为以上技术方案的优选方案之二，所述一组不同频率的微波信号的最小频率fa、最大频率fb以及信号数量m的确定方法如下：
Figure BDA0002286538510000057
Figure BDA0002286538510000058
Figure BDA0002286538510000059
其中，c为真空中的光速；n为光纤折射率；Lp为测量臂长差时的最大容忍误差；区间[La,Lb]为所需要的臂长差测量范围；
Figure BDA0002286538510000061
a为幅度响应测量精度，D为干涉深度，单位均为dB。
进一步地，在对光纤干涉器的参数进行解算时，利用以下公式分别计算出短、长干涉臂的总传输损耗系数α1、α2：
Figure BDA0002286538510000062
Figure BDA0002286538510000063
其中，α为测量系统自身的回波损耗系数；Amax、Amin分别为幅度响应的最大值和最小值Amin；
利用以下公式分别计算出两干涉臂的臂长差L-与臂长和L+，进而计算出长、短干涉臂的臂长L2、L1：
Figure BDA0002286538510000064
Figure BDA0002286538510000065
其中，k*为幅度响应的波谷数量，
Figure BDA0002286538510000066
f1、
Figure BDA0002286538510000067
分别为幅度响应波谷的最小频率、最大频率，c为真空中的光速，n为光纤折射率，fi为幅度响应波峰的最大频率，slope为fi所在幅度响应波峰的3dB带宽内的相位响应随频率变化的斜率，θ(fi)为fi处的相位响应，[…]为四舍五入法取整运算符。
相比现有技术，本发明技术方案具有以下有益效果：
本发明基于微波光子技术，利用廉价的微波扫频方式生成不同频率的探测光，通过成熟的微波幅相提取技术获得待测光纤干涉器的幅相频响，并利用所获得的幅相频响解算出包括两条干涉臂的臂长、臂长差及传输损耗在内的待测光纤干涉器全物理参数，为光纤干涉器的测量开辟了一条全新的道路；相比现有频率扫描干涉法，本发明实现成本大幅降低，而测量精度基本相当，并且测量精度不会随着臂长的增大而减小，测量范围更大。
附图说明
图1为本发明测量装置一个具体实施例的结构示意图；
图2为具体实施例中的光源模块的结构示意图。
具体实施方式
针对现有技术的不足，本发明的解决思路是基于微波光子技术，利用廉价的微波扫频方式生成不同频率的探测光，通过成熟的微波幅相提取技术获得待测光纤干涉器的幅相频响，并利用所获得的幅相频响解算出包括两条干涉臂的臂长、臂长差及传输损耗在内的待测光纤干涉器全物理参数。
本发明所提出的光纤干涉器参数测量方法，具体如下：用一组不同频率的微波信号分别对相干长度小于待测光纤干涉器两干涉臂臂长差的光载波进行强度调制，并将所得到的调制光信号作为探测光信号输入待测光纤干涉器的输入端；从待测光纤干涉器的输入端接收探测光信号的反射信号，将其转换为电信号，然后从中提取幅度和相位信息，从而得到待测光纤干涉器在所述一组不同频率下的幅度和相位响应；最后根据所述幅度和相位响应对光纤干涉器的参数进行解算。
为了便于公众理解，下面通过一个具体实施例，并结合附图来对本发明的技术方案进行进一步详细说明：
本实施例以常用的迈克尔逊光纤干涉器为待测件，该测量装置的结构如图1所示，光源模块发出一束光载波(光载波的相干长度应小于待测光纤干涉器两干涉臂臂长差)到MZM(马赫-曾德尔)调制器，偏置点控制器将MZM调制器的偏置点控制在线性点，再将微波源输出的微波信号加载到MZM调制器的射频输入端，此处采用小信号调制，所产生的探测光信号可表示为：
EP(t)＝(1+Mcosωt)E0(t) (1)
其中，E0(t)是载波的光场，ω是微波信号的角频率，M是调幅系数。首先，不接待测器件，探测光经过光环行器之后，在1端口发生菲涅耳反射，最后返回到光电探测器，光电转换之后恢复出来的微波信号可表示为：
Figure BDA0002286538510000071
其中，η为光电转换系数，τ0为系统时延，E0为载波的幅度，α为环行器1端口的回波损耗，可以事先用光功率计测得。再接上待测的光纤干涉器，此时返回的探测光可表示为：
Figure BDA0002286538510000081
其中，L1是从1端口到2端口的短臂的光纤长度，L2是从1端口到3端口的长臂的光纤长度，α1是短臂的总传输损耗系数，α2是长臂的总传输损耗系数，c为真空中的光速，n为光纤折射率。由于
Figure BDA0002286538510000082
与
Figure BDA0002286538510000083
不相干，所以光电转换之后恢复出的微波信号可表示为：
Figure BDA0002286538510000084
根据公式(2)和(4)可得到光纤干涉器的理论传输响应为：
Figure BDA0002286538510000085
由公式(5)可以看出，扫描微波信号的频率，Ht(ω)的幅度会随之呈现周期性的涨落，形成干涉条纹。其中，干涉条纹的第k个波谷对应的频率可表示为：
Figure BDA0002286538510000086
因此，只要得到一个波谷频率fk并确定相应的波谷序数k，就可以解算出干涉器的臂长差。
本实施例中的光源模块结构如图2所示，窄线宽稳频激光器产生一束光波，在相位调制器中被微波噪声源输出的噪声信号进行调制，从而产生了中心频率稳定，相干长度较短的光波，以此为载波的话可以避免光域的相干叠加和光波长漂移带来的测量误差。
本发明提供两种确定k值的方法，一种是从极低频(甚至零频)开始测量，主要目的是为了确保起始频率小于第一个波谷频率，其扫频的起始频率fa和终止频率fb以及点数由下式确定：
Figure BDA0002286538510000087
其中，Lp为测量臂长差时的最大容忍误差，即目标测量误差属于区间[-Lp,Lp]；区间[La,Lb]为所需要的臂长差测量范围；Q的计算公式为：
Figure BDA0002286538510000091
a为幅相提取模块的幅度响应测量精度，D为干涉深度，一般取D＝10。
确定了扫频范围和扫频点数之后，再进行测量。首先不接待测器件，扫描微波信号的频率，并通过幅相提取模块提取出测量系统自身的频率响应H0(ω)；再接上待测的光纤干涉器，并重复上述步骤，得到一组既携带了测量系统信息又携带了待测器件信息的频率响应H1(ω)；由此可以计算得到光纤干涉器的频率响应H(ω)＝H1(ω)/H0(ω)。由光纤干涉器的频率响应解算其物理参数的方法具体如下：
首先，利用幅度响应分别计算出长臂和短臂的传输损耗，这里我们默认长臂的损耗比短臂大，具体步骤如下：(1)找出幅度响应的最大值Amax和最小值Amin；(2)分别计算出长、短臂的损耗系数：
Figure BDA0002286538510000092
其次，利用幅度响应计算出臂长差，具体如下：(1)从小到大依次找出幅度响应的k*个波谷频率，记为
Figure BDA0002286538510000093
(2)计算臂长差为：
Figure BDA0002286538510000094
接着，结合相位响应计算出臂长和，具体步骤如下：(1)依次找出幅度响应的波峰频率，记为f1,f2,…fi；(2)取出最后一个波峰(中心频率为fi)的3dB带宽内的所有频率的相位响应，再用线性拟合的方法求出这些相位响应随频率变化的斜率slope；(3)计算出臂长和为：
Figure BDA0002286538510000095
最后，由公式(9)和(10)可以计算出L1和L2：
Figure BDA0002286538510000096
至此，光纤干涉器的全物理参数均被获得。
然而这种方法需要极宽的扫频范围，对器件要求较高，而且在测量较大臂长差的时候，所需扫频点数极多，测量速度较慢。为此，本发明还提供了另一种改进方法，其扫频的起始频率fa由下式确定：
Figure BDA0002286538510000101
终止频率和扫频点数的确定方法与此前一样，测量步骤也与第一种方法一样，但是解算臂长差的方法不同，具体步骤如下：(1)从小到大依次找出幅度响应的k*个波谷频率，记为
Figure BDA0002286538510000102
(2)按照公式
Figure BDA0002286538510000103
计算出k1，此处的[…]为“四舍五入法”取整运算符；(3)计算出臂长差为：
Figure BDA0002286538510000104
其它参数的解算步骤与之前相同。

Claims (12)

1.一种光纤干涉器参数测量方法，其特征在于，用一组不同频率的微波信号分别对相干长度小于待测光纤干涉器两干涉臂臂长差的光载波进行强度调制，并将所得到的调制光信号作为探测光信号输入待测光纤干涉器的输入端；从待测光纤干涉器的输入端接收探测光信号的反射信号，将其转换为电信号，然后从中提取幅度和相位信息，从而得到待测光纤干涉器在所述一组不同频率下的幅度和相位响应；最后根据所述幅度和相位响应对光纤干涉器的参数进行解算。
2.如权利要求1所述光纤干涉器参数测量方法，其特征在于，所述光载波为用微波噪声对窄线宽稳频激光器的输出光信号进行相位调制的调制光信号。
3.如权利要求1所述光纤干涉器参数测量方法，其特征在于，所述一组不同频率的微波信号的最小频率fa、最大频率fb以及信号数量m的确定方法如下：
Figure FDA0002286538500000012
Figure FDA0002286538500000013
其中，c为真空中的光速；n为光纤折射率；Lp为测量臂长差时的最大容忍误差；区间[La,Lb]为所需要的臂长差测量范围；
Figure FDA0002286538500000014
a为幅度响应测量精度，D为干涉深度，单位均为dB。
4.如权利要求3所述光纤干涉器参数测量方法，其特征在于，在对光纤干涉器的参数进行解算时，利用以下公式分别计算出短、长干涉臂的总传输损耗系数α1、α2：
Figure FDA0002286538500000016
其中，α为测量系统自身的回波损耗系数；Amax、Amin分别为幅度响应的最大值和最小值Amin；
利用以下公式分别计算出两干涉臂的臂长差L-与臂长和L+，进而计算出长、短干涉臂的臂长L2、L1：
Figure FDA0002286538500000021
Figure FDA0002286538500000022
其中，k*为幅度响应的波谷数量，fk*为幅度响应波谷的最大频率，c为真空中的光速，n为光纤折射率，fi为幅度响应波峰的最大频率，slope为fi所在幅度响应波峰的3dB带宽内的相位响应随频率变化的斜率，θ(fi)为fi处的相位响应，[…]为四舍五入法取整运算符。
5.如权利要求1所述光纤干涉器参数测量方法，其特征在于，所述一组不同频率的微波信号的最小频率fa、最大频率fb以及信号数量m的确定方法如下：
Figure FDA0002286538500000023
Figure FDA0002286538500000024
Figure FDA0002286538500000025
其中，c为真空中的光速；n为光纤折射率；Lp为测量臂长差时的最大容忍误差；区间[La,Lb]为所需要的臂长差测量范围；
Figure FDA0002286538500000026
a为幅度响应测量精度，D为干涉深度，单位均为dB。
6.如权利要求5所述光纤干涉器参数测量方法，其特征在于，在对光纤干涉器的参数进行解算时，利用以下公式分别计算出短、长干涉臂的总传输损耗系数α1、α2：
Figure FDA0002286538500000027
Figure FDA0002286538500000028
其中，α为测量系统自身的回波损耗系数；Amax、Amin分别为幅度响应的最大值和最小值Amin；
利用以下公式分别计算出两干涉臂的臂长差L-与臂长和L+，进而计算出长、短干涉臂的臂长L2、L1：
Figure FDA0002286538500000031
Figure FDA0002286538500000032
其中，k*为幅度响应的波谷数量，
Figure FDA0002286538500000033
f1、fk*分别为幅度响应波谷的最小频率、最大频率，c为真空中的光速，n为光纤折射率，fi为幅度响应波峰的最大频率，slope为fi所在幅度响应波峰的3dB带宽内的相位响应随频率变化的斜率，θ(fi)为fi处的相位响应，[…]为四舍五入法取整运算符。
7.一种光纤干涉器参数测量装置，其特征在于，包括：
探测光模块，用于用一组不同频率的微波信号分别对相干长度小于待测光纤干涉器两干涉臂臂长差的光载波进行强度调制，并将所得到的调制光信号作为探测光信号输入待测光纤干涉器的输入端；
幅相响应提取模块，用于从待测光纤干涉器的输入端接收探测光信号的反射信号，将其转换为电信号，然后从中提取幅度和相位信息，从而得到待测光纤干涉器在所述一组不同频率下的幅度和相位响应；
解算模块，用于根据所述幅度和相位响应对光纤干涉器的参数进行解算。
8.如权利要求7所述光纤干涉器参数测量装置，其特征在于，所述光载波为用微波噪声对窄线宽稳频激光器的输出光信号进行相位调制的调制光信号。
9.如权利要求7所述光纤干涉器参数测量装置，其特征在于，所述一组不同频率的微波信号的最小频率fa、最大频率fb以及信号数量m的确定方法如下：
Figure FDA0002286538500000034
Figure FDA0002286538500000035
其中，c为真空中的光速；n为光纤折射率；Lp为测量臂长差时的最大容忍误差；区间[La,Lb]为所需要的臂长差测量范围；
Figure FDA0002286538500000037
a为幅度响应测量精度，D为干涉深度，单位均为dB。
10.如权利要求9所述光纤干涉器参数测量装置，其特征在于，在对光纤干涉器的参数进行解算时，利用以下公式分别计算出短、长干涉臂的总传输损耗系数α1、α2：
Figure FDA0002286538500000041
Figure FDA0002286538500000042
其中，α为测量系统自身的回波损耗系数；Amax、Amin分别为幅度响应的最大值和最小值Amin；
利用以下公式分别计算出两干涉臂的臂长差L-与臂长和L+，进而计算出长、短干涉臂的臂长L2、L1：
Figure FDA0002286538500000043
Figure FDA0002286538500000044
其中，k*为幅度响应的波谷数量，
Figure FDA0002286538500000045
为幅度响应波谷的最大频率，c为真空中的光速，n为光纤折射率，fi为幅度响应波峰的最大频率，slope为fi所在幅度响应波峰的3dB带宽内的相位响应随频率变化的斜率，θ(fi)为fi处的相位响应，[…]为四舍五入法取整运算符。
11.如权利要求7所述光纤干涉器参数测量装置，其特征在于，所述一组不同频率的微波信号的最小频率fa、最大频率fb以及信号数量m的确定方法如下：
Figure FDA0002286538500000046
Figure FDA0002286538500000047
Figure FDA0002286538500000048
其中，c为真空中的光速；n为光纤折射率；Lp为测量臂长差时的最大容忍误差；区间[La,Lb]为所需要的臂长差测量范围；
Figure FDA0002286538500000049
a为幅度响应测量精度，D为干涉深度，单位均为dB。
12.如权利要求11所述光纤干涉器参数测量装置，其特征在于，在对光纤干涉器的参数进行解算时，利用以下公式分别计算出短、长干涉臂的总传输损耗系数α1、α2：
Figure FDA0002286538500000052
其中，α为测量系统自身的回波损耗系数；Amax、Amin分别为幅度响应的最大值和最小值Amin；
利用以下公式分别计算出两干涉臂的臂长差L-与臂长和L+，进而计算出长、短干涉臂的臂长L2、L1：
Figure FDA0002286538500000054
其中，k*为幅度响应的波谷数量，
Figure FDA0002286538500000055
f1、
Figure FDA0002286538500000056
分别为幅度响应波谷的最小频率、最大频率，c为真空中的光速，n为光纤折射率，fi为幅度响应波峰的最大频率，slope为fi所在幅度响应波峰的3dB带宽内的相位响应随频率变化的斜率，θ(fi)为fi处的相位响应，[…]为四舍五入法取整运算符。
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