CN112665823B - 一种光纤模式时域能量波动曲线测量装置和测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种光纤模式时域能量波动曲线测量装置和测量方法，测量装置包括光线延迟器、标准单模光纤、测试光纤、显示终端、第一分光镜和第二分光镜，光线延迟器、标准单模光纤依次设置于第一分光镜与第二分光镜之间组成参考光路，测试光纤设置于第一分光镜与第二分光镜之间组成测量光路，第二分光镜与CCD感光器组成成像光路，显示终端与CCD感光器电性连接，测量方法包括使用测量装置获取光纤模式时域能量波动曲线的步骤。采用本发明的技术方案，不需破坏测试光纤，对测量环境适应性好，操作简单，光线延迟器由计算机进行控制，可对参考光束的延迟时间进行调整，测量得出不同延时状态下的模式能量分布，为多模光纤性能的研究提供了试验基础。

Description

一种光纤模式时域能量波动曲线测量装置和测量方法

技术领域

本发明涉及光学技术领域，特别是指一种光纤模式时域能量波动曲线测量装置和测量方法。

背景技术

随着5G/6G通信发展，大数据、人工智能、物联网等数据传输容量迅速提升，已大大超越光通信网络传输容量的增速，逐渐出现容量危机，因此，提升现有光纤通信网传输容量已迫在眉睫，而光纤的模分复用和多芯光纤的空分复用技术是有效的解决方案之一。在光纤激光器领域，随着智能制造、激光加工、国防安全等方面的快速需求发展，提高光纤输出功率阈值，优化光束质量已是光纤激光器发展的核心技术，多模光纤和多芯大模场光纤通过加大光纤纤芯有效区域面积，降低纤芯功率密度，可提高输出功率阈值，然而，由于高阶模式的增多，光纤激光器输出的光束质量会急剧恶化。

无论是在高速光纤通信还是高功率光纤激光器中，光纤的模式分布是其性能的重要指标。在光纤中可以稳定传输的光的基本形态是由一组传播常数接近的矢量模式进行简并叠加而形成的线偏振模式，简称为LP模式，光纤中传播的光功率按模式进行分配，不同LP模式之间的有效折射率和模场分布存在差异特性，此差异特性表现为光纤中脉冲能量在时域分离，在空间上形成花瓣，可用于光纤通信中的模分复用，增加光纤信道，提高通信带宽；也可用于光纤激光器增加纤芯有效区域面积，降低纤芯功率密度，提高输出功率阈值。此外，光纤模式的测量与分析还可以应用在光纤传感器件设计、光纤折射率表征、光纤滤波器、色散补偿器、光纤模式转换器、偏振控制器等多个领域。

目前，对于模式分析检测的方法主要有环形谐振腔法，数值分析法，空间光调制器法以及模式干涉法。环形谐振腔法可以在任意偏振状态下，对功率与基模相当的高阶模式进行高效率测量，但是该方法对于光纤的对准要求高，测量结果无相位信息，当高阶模含量较低时测量不准确。数值分析法记录光纤输出的近场或者远场分布，采用数值计算的方式，枚举不同模式系数组合，通过比较重构光场与记录光场的差异性，不断逼近真实光场，得到待测光束的模式信息，此种方法对于实验仪器的要求低，测量结果为近似值，当光轴和测量系统不重合时，测试结果偏差较大。空间光调制器法具有灵活、实时与可控等诸多优点，可以被用来对模式光斑进行解调，通过在空间光调制器上加载特定的解调全息图，可以简单易行的对模式进行实时测量，但是此种方法的检测精度较低，不能获取模间时延差、模场分布等。例如公开号为：“CN104748944A”的专利文献，公开了一种基于双重傅里叶变换重建光纤模式的测量方法及测量装置，属于光纤模式测量领域。该方法只需经一次空间傅里叶变换及一次频谱傅里叶变换来重建光纤模式；实现该方法的测量装置包括放大自发辐射光源、待测光纤、傅里叶透镜、偏振片及由单模光纤、二维平移台、光谱分析仪及计算机系统构成的空间扫描光谱测量系统；入射光耦合进入待测光纤后，只需再经一个傅里叶透镜的二维空间傅里叶变换和偏振片就进入空间扫描光谱测量系统中，对待测光纤输出光斑扫描，获得光斑上每个点的光谱，即可对光纤模式进行重建。该专利文献主要基于光传播的粒子特性对光纤模式展开测量，这种测量装置对测量精度的要求极高，测量装置结构和算法复杂，测量过程漫长，测量效率较低。

模式干涉法是通过将待测光束与基模光或参考光进行干涉，记录待测光束的模式信息，通过计算机还原出待测光束的模式强度和相位信息。目前，模式干涉法主要有空间光谱法和互相关法，空间光谱法英文名称为：space spectrum S2，互相关法英文名称为cross-correlated C2。其中，S2法是基于光纤中模间干涉效应，采用宽光谱光源注入被测光纤，记录多波长模间干涉图，通过干涉图与波长关系，可以得到高阶模与基模的干涉分布曲线，以此测量出各个干涉模式的数量以及相对功率值等信息，但S2法对于扫描仪器的分辨率要求高，存在光纤中高阶模之间的干涉串扰，模间分辨率较低。C2 法基于马赫-曾德光路系统采用同轴干涉方式，使待测光纤的各个模式与参考的基模依次发生干涉，构建互相关曲线，分析光纤模式成分、模式色散等特性，但此方法后续数据处理复杂，测量时间较长、模间分辨率偏低且测量结果易受环境影响。

发明内容

为解决上述技术问题，本发明提供了一种光纤模式时域能量波动曲线测量装置。

本发明通过以下技术方案得以实现。

本发明提供了一种光纤模式时域能量波动曲线测量装置，包括光线延迟器、标准单模光纤、测试光纤、显示终端、控制终端、第一分光镜和第二分光镜，所述光线延迟器、标准单模光纤依次设置于所述第一分光镜与第二分光镜之间组成参考光路，所述测试光纤设置于第一分光镜与第二分光镜之间组成测量光路，所述参考光路与所述测量光路相互并联，所述第二分光镜还与CCD感光器组成成像光路，所述显示终端与所述CCD感光器电性连接，所述光线延迟器与所述控制终端电性连接。

所述标准单模光纤两端还分别连接有第一耦合器。

所述测试光纤两端还分别连接有第二耦合器。

所述参考光路还包括第一显微物镜，第一显微物镜设置于标准单模光纤与第二分光镜之间。

所述测量光路还包括第二显微物镜，第二显微物镜设置于测试光纤与第二分光镜之间。

所述显示终端是计算机。

所述控制终端是计算机。

所述光纤模式时域能量波动曲线测量装置还包括光源生成器和波长选择器，光源生成器、波长选择器与所述第一分光镜依次设置组成前处理光路。

此外，本发明还提供了一种使用前述光纤模式时域能量波动曲线测量装置的光纤模式时域能量波动曲线测量方法，包括以下步骤：

使特征光束经过第一分光镜传播后生成第一测试光束和第二测试光束，使第一测试光束经过参考光路延时传播后生成参考光束，同时使第二测试光束经过测量光路传播后生成物光光束，再使参考光束与物光光束经过成像光路汇合后在所述CCD感光器上生成干涉全息图，通过所述显示终端提取该干涉全息图并经过计算获得光纤模式时域能量波动曲线后向用户显示。

所述特征光束是由所述光源生成器生成的超连续宽光谱光束经过前处理光路传播后对其波长进行筛选后形成。

本发明的有益效果在于：采用本发明的技术方案，首先通过光源生成器生成超连续宽光谱光束，使超连续宽光谱光束经过前处理光路、第一分光镜后生成第一测试光束和第二测试光束，第一测试光束经过参考光路传播后生成参考光束，第二测试光束经过测量光路传播后生成物光光束，再使参考光束与物光光束经过成像光路汇合后在所述CCD感光器上生成干涉全息图，最后通过所述显示终端提取该干涉全息图并经过计算即可获得光纤模式时域能量波动曲线，本发明的测量装置和测量方法，不需要破坏测试光纤，也不需要对光纤断面进行切割，对测量环境的要求较低，操作简单，并且能够实时地对光纤模式成分进行记录和分析，第一测试光路经过光线延迟器后变换成经过延时后的参考光束，光线延迟器由计算机进行控制，可对延时时间进行调节，从而测量得出不同延时状态下的模式能量分布，最终构建出光纤的模式能量波动图。为研究光纤的内部构造，光纤的传输特性，色散特性，特种光纤的传感特性奠定了实验基础，特别是为研究特种光纤的拉制、光纤熔接点等工艺特性提供了实验和理论基础，具有适用范围广，实用价值高的优点。

附图说明

图1是本发明的结构示意图；

图2是采用本发明的技术方案获得的光纤模式时域能量波动曲线；

图3是采用本发明的技术方案获得的数字全息图；

图4是采用本发明的技术方案获得的LP01模式强度分布图；

图5是采用本发明的技术方案获得的模式能量波动曲线；

图6是采用本发明的技术方案获得的数字全息图；

图7是采用本发明的技术方案获得的模式强度分布图；

图8是采用本发明的技术方案获得的模式相位分布图；

图9是采用本发明的技术方案获得的多模光纤模式能量波动曲线及其模式强度分布。

图中：1-光线延迟器，2-标准单模光纤，3-测试光纤，4-显示终端，5-第一分光镜，6-第二分光镜，7-CCD感光器，8-第一耦合器，9-第二耦合器，10-第一显微物镜，11-第二显微物镜，12-控制终端， 13-光源生成器，14-波长选择器。

具体实施方式

下面进一步描述本发明的技术方案，但要求保护的范围并不局限于所述。

如图1至图9所示，本发明提供了一种光纤模式时域能量波动曲线测量装置，包括光线延迟器1、标准单模光纤2、测试光纤3、显示终端4、控制终端、第一分光镜5和第二分光镜6，光线延迟器1、标准单模光纤2依次设置于第一分光镜5与第二分光镜6之间组成参考光路，测试光纤3设置于第一分光镜5与第二分光镜6之间组成测量光路，参考光路与测量光路相互并联，第二分光镜6还与CCD感光器7组成成像光路，显示终端4与CCD感光器7电性连接，光线延迟器1与控制终端12 电性连接。

另外，标准单模光纤2两端还分别连接有第一耦合器8。测试光纤 3两端还分别连接有第二耦合器9。参考光路还包括第一显微物镜10，第一显微物镜10设置于标准单模光纤2与第二分光镜6之间。测量光路还包括第二显微物镜11，第二显微物镜11设置于测试光纤3与第二分光镜6之间。第一显微物镜10和第二显微物镜11主要用于放大经过相应参考光路、测量光路的光束。

此外，优选显示终端4是计算机。光纤模式时域能量波动曲线测量装置还包括控制终端12，控制终端12是计算机。计算机通过内置的光纤模式测试软件对在CCD感光器上生成干涉全息图依次进行傅里叶变换运算、基于模式特征的频域滤波处理后最终得到模式能量波动曲线，为后期开展对多模光纤特性的研究奠定了基础。

此外，光纤模式时域能量波动曲线测量装置还包括光源生成器13 和波长选择器14，光源生成器13、波长选择器14与第一分光镜5依次设置组成前处理光路。

本发明还提供了一种使用如前光纤模式时域能量波动曲线测量装置的光纤模式时域能量波动曲线测量方法，包括以下步骤：

使特征光束经过第一分光镜5传播后生成第一测试光束和第二测试光束，使第一测试光束经过参考光路延时传播后生成参考光束，同时使第二测试光束经过测量光路传播后生成物光光束，再使参考光束与物光光束经过成像光路汇合后在CCD感光器7上生成干涉全息图，通过显示终端4提取该干涉全息图并经过计算获得光纤模式时域能量波动曲线后向用户显示。特征光束是由光源生成器13生成的超连续宽光谱光束经过前处理光路传播后对其波长进行筛选后形成。

采用本发明的技术方案，首先通过光源生成器生成超连续宽光谱光束，使超连续宽光谱光束经过前处理光路、第一分光镜后生成第一测试光束和第二测试光束，第一测试光束经过参考光路传播后生成参考光束，第二测试光束经过测量光路传播后生成物光光束，再使参考光束与物光光束经过成像光路汇合后在CCD感光器上生成干涉全息图，最后通过显示终端提取该干涉全息图并经过计算即可获得光纤模式时域能量波动曲线，本发明的测量装置和测量方法，不需要破坏测试光纤，也不需要对光纤断面进行切割，对测量环境的要求较低，操作简单，并且能够实时地对光纤模式成分进行记录和分析，第一测试光路经过光线延迟器后变换成经过延时后的参考光束，光线延迟器由计算机进行控制，可对延时时间进行调节，从而测量得出不同延时状态下的模式能量分布，最终构建出光纤的模式能量波动图。为研究光纤的内部构造，光纤的传输特性，色散特性，特种光纤的传感特性奠定了实验基础，特别是为研究特种光纤的拉制、光纤熔接点等工艺特性提供了实验和理论基础，具有适用范围广，实用价值高的优点。

Claims (5)

1.一种光纤模式时域能量波动曲线测量装置，其特征在于：包括光线延迟器(1)、标准单模光纤(2)、测试光纤(3)、显示终端(4)、控制终端、第一分光镜(5)和第二分光镜(6)，所述光线延迟器(1)、标准单模光纤(2)依次设置于所述第一分光镜(5)与第二分光镜(6)之间组成参考光路，所述测试光纤(3)设置于第一分光镜(5)与第二分光镜(6)之间组成测量光路，所述参考光路与所述测量光路相互并联，所述第二分光镜(6)还与CCD感光器(7)组成成像光路，所述显示终端(4)与所述CCD感光器(7)电性连接，所述光线延迟器(1)与所述控制终端(12)电性连接；所述光纤模式时域能量波动曲线测量装置还包括光源生成器(13)和波长选择器(14)，光源生成器(13)、波长选择器(14)与所述第一分光镜(5)依次设置组成前处理光路；所述参考光路还包括第一显微物镜(10)，第一显微物镜(10)设置于标准单模光纤(2)与第二分光镜(6)之间；所述测量光路还包括第二显微物镜(11)，第二显微物镜(11)设置于测试光纤(3)与第二分光镜(6)之间；

所述控制终端(12)是计算机，所述计算机通过内置的光纤模式测试软件对在所述CCD感光器(7)上生成干涉全息图依次进行傅里叶变换运算、基于模式特征的频域滤波处理后最终得到模式能量波动曲线。

2.如权利要求1所述的光纤模式时域能量波动曲线测量装置，其特征在于：所述标准单模光纤(2)两端还分别连接有第一耦合器(8)。

3.如权利要求1所述的光纤模式时域能量波动曲线测量装置，其特征在于：所述测试光纤(3)两端还分别连接有第二耦合器(9)。

4.如权利要求1所述的光纤模式时域能量波动曲线测量装置，其特征在于：所述显示终端(4)是计算机。

5.一种使用如权利要求1至4任一项所述光纤模式时域能量波动曲线测量装置的光纤模式时域能量波动曲线测量方法，其特征在于：包括以下步骤：

使特征光束经过第一分光镜(5)传播后生成第一测试光束和第二测试光束，使第一测试光束经过参考光路延时传播后生成参考光束，同时使第二测试光束经过测量光路传播后生成物光光束，再使参考光束与物光光束经过成像光路汇合后在所述CCD感光器(7)上生成干涉全息图，通过所述显示终端(4)提取该干涉全息图并经过计算获得光纤模式时域能量波动曲线后向用户显示；所述特征光束是由所述光源生成器(13)生成的超连续宽光谱光束经过前处理光路传播后对其波长进行筛选后形成；

所述显示终端(4)提取该干涉全息图并经过计算获得光纤模式时域能量波动曲线，具体为：

所述控制终端(12)是计算机，所述计算机通过内置的光纤模式测试软件对在所述CCD感光器(7)上生成干涉全息图依次进行傅里叶变换运算、基于模式特征的频域滤波处理后最终得到模式能量波动曲线。