CN113804299B - 一种基于光频域干涉的光纤器件分布式双向偏振测量装置 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种基于光频域干涉的光纤器件分布式双向偏振测量装置，属于光纤测量技术领域，包括可调谐激光源模块、待测器件模块、光频域干涉反射测量模块、光频域干涉透射测量模块、信号采集分析模块，其特征是：使用线性扫频激光作为问询光，问询光经过起偏器后注入待测光纤器件，其中的瑞利散射光经过起偏器返回后注入光频域干涉反射测量模块中，而前向传输光和偏振耦合光则注入光频域干涉透射测量模块中，分别测得光纤器件的分布式瑞利散射谱和分布式偏振串扰谱，并使用互相关算法对其进行数据融合。该测试装置利用可调谐激光源快速的线性频率扫描，提升了测试速率和测量长度，快速获得器件的透射和反射信息，减少外界变化对测试结果的干扰。
Description
技术领域
本发明设计属于光纤测量技术领域，具体涉及一种基于光频域干涉的光纤器件分布式双向偏振测量的装置
背景技术
光频域测量技术是一种重要的分布式光纤测量和传感技术，主要是测量或监控沿光纤传输路径的空间分布和随时间变化的信号。光频域偏振测量技术(0FDP)和光频域反射技术(OFDR)分别是针对光学器件透射和反射性能测试的高精度分布式测量技术。
保偏光纤及光纤偏振器件内具有两个正交的特征轴，当光波经过其中的耦合点(例如熔接点，缺陷点，扰动点等)时，工作在主轴的光波会被耦合到正交轴上，这个现象被描述为偏振串音现象。光频域偏振测量技术(OFDP)通过可调谐激光源的频率线性扫描，实现不同偏振模式下的拍频干涉，是对偏振串音特性进行探测的重要技术，通过对偏振串扰的空间位置、偏振耦合的信号强度高精度分析，对偏振光学器件的性能进行测试评估。
光频域反射技术(OFDR)是一种基于光的背向散射进行的测量传感技术，光经过光链路中缺陷点如焊点，断点，机械接头点就会产生散射和反射(瑞利散射和菲涅尔反射)，通过检测背向散射信号中光频率差就可以得到待测光纤或器件中缺陷、不规则或其他特征的位置，具有高空间分辨率，高信噪比，大动态范围的优点。
光频域测量技术具有高空间分辨率，高灵敏度的优点，不少研究人员对其发展研究有兴趣。2011年，天津大学刘铁根等人将光频域反射技术和偏振控制及提取技术相结合(偏振敏感的分布式光频域反射扰动传感装置和解调方法，CN102322880B)，将光频域反射与基于琼斯和穆勒矩阵的偏振解算方法结合，获取传感光纤中的偏振信息。2014年，此课题组还提出了一种白光频域干涉测量系统(一种保偏光纤双折射色散测量方法，CN104006950B)，通过光谱仪采集频域干涉信号，并采用三次相位函数进行数据处理，相较于传统相干域干涉测量，不仅缩短了测量时间且提升了测量精度。2018年，南京大学刘晓平等人利用背反射信号光与第二路光干涉产生的拍频信号，测量硅基波导的光束部分长度和传播质量(基于OFDR的硅基波导背反射传感装置及其测量方法，CN108507981B)。大部分的研究单一获取光纤器件的反射或者透射信息。
透射测量得到器件偏振耦合信息，反射测量得到器件瑞利散射信息，两者结合能够完整的描述器件的性能。2016年，哈尔滨工程大学杨军等人利用光相干域偏振测量技术(OCDP)和光低相干域反射技术(0LDR)结合(一种光纤器件的透射和反射性能测试装置及方法，CN105784336B)，使用同一光源和共同延迟部件同时测试器件的透反射特性，但因为使用延迟部件复杂化了结构，且导致测量时间长，而且反射端测量长度受限于延长线长度，测量距离不长。
由于单独使用光频域偏振测量技术(0FDP)和光频域反射技术(0FDR)只能分别获得器件的透射和反射的信息，这样获得的器件信息并不完整，而且如果待测量处于变化速度极快的情况下，分别测量透反射信息存在时间差，导致透射和反射信息就存在偏差，本发明公开了一种光纤器件分布式双向偏振响应测量装置，使用光频域上干涉的测试方法，将OFDR和OFDP结合，结构简单，测试距离长，将扫频光源的线性扫频映射到频域上，不同耦合点和反射点的位置映射为频域不同的频率，不同耦合点偏振串音的强度和反射峰的幅值映射为频域不同频率的幅值，通过对频域信息的解调，可在短时间内同时获得器件的透反射完整信息，减少外界对测试的影响。
发明内容
本发明的目的在于提供一种高空间分辨率、测试时间短、结构简单的光纤器件分布式双向偏振响应测量的装置。
本发明提出一种基于光频域干涉的光纤器件分布式双向偏振测量装置，包括可调谐激光源101、光频域干涉反射测量模块2、待测器件模块3、光频域干涉透射测量模块4和信号采集分析模块5，其特征在于：
可调谐激光源101产生波长随时间变化的线性扫频连续光，注入第一耦合器201并被分成两束，一束作为参考光注入第一耦合器第一输出端201b，另一束作为测试光注入第一耦合器第二输出端201a，经过三端口环行器第一端口202a进入三端口环行器202，从三端口环行器第二端口202b输出到待测器件模块3，其中产生瑞利散射光303a和偏振耦合光303b，瑞利散射光303a注入光频域干涉反射测量模块2；偏振耦合光303b注入光频域干涉透射测量模块4；
采集卡501对光频域干涉反射测量模块2和光频域干涉透射测量模块4的干涉信号进行数据同步采集，然后通过快速傅里叶变换502，再将信号输入瑞利散射信息获取模块503和偏振串扰信息获取模块504，获得分布式瑞利散射谱510和分布式偏振串扰谱511；
理论上保偏光纤线性双折射Δn为5×10-4，由于保偏光纤的线性双折射较小且并不是均匀分布的，反映在得到的偏振串扰位置信息跟理论计算光程差有差异，偏振串扰峰与反射峰位置存在错位。在透反射数据融合模块505中，通过互相关算法算出对应瑞利散射光程差和偏振串扰光程差错位量Δx，通过偏振串扰光程差加上错位量Δx，对齐对应瑞利散射光程差和偏振串扰光程差，得到器件的透射和反射特性信息；
所述的待测器件模块3，其特征在于：线性扫频光依次经起偏器输入尾纤301a、起偏器301、起偏器输出尾纤301b注入保偏待测器件303，其中产生的瑞利散射光303a经过起偏器输出尾纤301b注入起偏器301，再经起偏器输入尾纤301a输出；保偏待测器件303产生的偏振耦合光303b经过检偏器输入尾纤302a注入检偏器302，再经检偏器输出尾纤302b输出；
起偏器输出尾纤301b，保偏待测器件303，检偏器输入尾纤302a对应的总透射光程差为ΔSFUT，对应的反射总光程差为SFUT；
所述的起偏器301和检偏器302，其特征在于：起偏器301的起偏角度为0°，起偏器输入尾纤301a是单模光纤，起偏器输出尾纤301b是保偏光纤；检偏器302的检偏角度为45°，检偏器输入尾纤302a是保偏光纤，检偏器输出尾纤302b是单模光纤；
所述的光频域干涉反射测量模块2，其特征在于：瑞利散射光303a从三端口环行器第二端口202b注入三端口环行器202，从三端口环行器第三端口202c输出到第二耦合器第一输入端204a，参考光从第一耦合器第一输出端201b经过功率衰减器203注入第二耦合器第二输入端204b，最后两束光在第二耦合器204合束，注入第一平衡探测器205，由第一平衡探测器205差分探测干涉信号；功率衰减器203是为了匹配光频域干涉反射测量模块2干涉臂和参考臂的功率，达到高信噪比的目的；
所述的光频域干涉透射测量模块4，其特征在于：偏振耦合光303b注入第三耦合器401分成两束，分别注入光频域干涉透射测量模块4的参考臂401a和带有延长光纤405的透射臂401b，最后两束光在第四耦合器402合束，注入第二平衡探测器403，由第二平衡探测器403差分探测干涉信号；
所述光频域偏振测量技术透射测量模块4，其特征在于：参考臂401a和透射臂401b对应的光程差为S，其满足S＞ΔSFUT；
所述的采集卡501，其特征在于：采集卡501的采样率fs，其满足fs≥2SFUTγf/c，γf是可调谐激光源扫频速度，c为光速；
OFDR的核心是采用可调谐光源实现对光频进行线性调谐。可调谐激光器601产生波长随时间变化的线性扫频连续光被耦合器603被分成两束，一束光进入参考臂光路604被反射镜605反射回到耦合器603，作为参考光；另一束光进入测试臂606，测试臂606连接待测光纤607，待测光纤607上有瑞利散射和菲涅尔反射，这部分光作为测试光608反射(散射)回耦合器603，参考光和测试光608发生干涉，经过路径609由探测器610接收干涉信号，由数据采集卡611采集，然后干涉信号信息在电脑端612通过快速傅里叶变换获得瑞利散射信息。由于参考光和测试光到达耦合器603存在时间差，两者所携带的光频不同，频差信息对应得到待测光纤607上反射点的反射峰位置和幅值信息；
OFDP的核心在光频域上利用线性扫频的连续光，将传输光和耦合光之间的时间差通过扫频速率映射为拍频。以保偏光纤的性能测试为例，从可调谐光源发出光，经过起偏器进入保偏光纤的慢轴(快轴同理)，保偏光纤中存在缺陷点，慢轴光经过缺陷点，部分光就会耦合到快轴，形成耦合光，一直在快轴传输的是传输光，由于快轴和慢轴的折射率不一样，慢轴的折射率比快轴折射率大，所以传输光和耦合光之间存在时间差，两者到达检偏器时携带的光频不同，经过检偏器，在耦合器中发生干涉，由探测器探测干涉信号，利用采集卡对探测器接收的干涉信号进行数据同步采集与存储，进行FFT解调获取频域的信息，从而得到耦合光与传输光之间的光程差和干涉信号幅值，此分别确定某一点的偏振串音位置和强度。
本发明的优点在于：
1)本发明是一种利用光频域干涉同时进行透反射特性测试的装置，利用OFDR和OFDP结合，实现透反射同时测量，减少外界环境变化对测试结果影响；
由于激光本身的大能量带来的高信噪比，本装置可大幅提高扫描速率。测试时间短；
2)本发明的光程扫描量程只与探测器的带宽和采样率有关，因此测量量程得到极大拓展；空间分辨率只与频谱分析的精度有关，可以得到高空间分辨率；采用同一光源，提高光源出射利用率。
附图说明
图1光频域反射技术对单一缺陷点测量的光学原理示意图
图2保偏光纤的透射和反射性能测试装置结构图
图3保偏光纤透反射数据对比图
图4保偏光纤透反射数据对齐结果图
图5基于光频域干涉的光纤器件分布式双向偏振测量装置
具体实施方式
为清楚地说明本发明动态透反射偏振耦合装置，结合实施例和附图对本发明作进一步说明，但不应以此限制本发明的保护范围。
以保偏待测器件303是三段熔接起来的保偏光纤为例，主要光电器件的选择及其参数如下：
1)可调谐激光源101型号为Santec公司TSL-770激光器，波长调谐范围是1510nm～1620nm，开启高相干模式，波长调谐范围是110nm，扫频速率是100nm/s，扫频时间是1.1s；
2)第一平衡探测器205和第二平衡探测器405型号为Newport 1817，最大探测带宽是80MHz，共模抑制比是25dB，饱和差分探测功率是55uW；
采集卡501型号为Spectrum Instrumentation公司的M4i：4471-x8，16位的采样率设置11.25MHz，采样点数25M，采样时间为2.222s，触发方式用labview进行软件触发；
3)第一耦合器201，第二耦合器204，第三耦合器401，第四耦合器402分光比均为50∶50，插入损耗均小于0.5dB，工作波长1550nm；
4)起偏器301工作波长覆盖1550nm波段，起偏角度为0°，起偏器输出尾纤301b是125um的熊猫型保偏光纤，长度为l11＝2m，计算其反射光程差是S11＝l11×n×2＝5.8m，n为光纤的折射率，约为1.45，对应的透射光程差S12＝l11×Δn＝1×10-3m，Δn为保偏光纤的双折射，约为5×10-4；
5)检偏器工作波长覆盖1550nm波段，检偏角度45°，检偏器输入尾纤302b为直径125um的熊猫型保偏光纤，长度为l22＝16m，，对应反射光程差是S21＝46.4m，对应的透射光程S22＝8×10-3m；
6)三端口环行器202工作波长为1550nm，插入损耗少于0.5dB；
本发明基于光频域干涉光纤器件分布式双向偏振测量装置的实施方式为：包括可调谐激光源101、光频域干涉反射测量模块2、待测器件模块3、光频域干涉透射测量模块4和信号采集分析模块5；
可调谐激光源101产生波长随时间变化的线性扫频连续光，注入第一耦合器201并被分成两束，一束作为参考光注入第一耦合器第一输出端201b，另一束作为测试光注入第一耦合器第二输出端201a，经过三端口环行器第一端口202a进入三端口环行器202，从三端口环行器第二端口202b输出到待测器件模块3，其中产生瑞利散射光303a和偏振耦合光303b，瑞利散射光303a注入光频域干涉反射测量模块2；偏振耦合光303b注入光频域干涉透射测量模块4；
瑞利散射光303a从三端口环行器第二端口202b注入三端口环行器202，从三端口环行器第三端口202c输出到第二耦合器第一输入端204a，参考光从第一耦合器第一输出端201b经过功率衰减器203注入第二耦合器第二输入端204b，最后两束光在第二耦合器204合束，注入第一平衡探测器205，由第一平衡探测器205差分探测干涉信号；功率衰减器203是为了匹配光频域干涉反射测量模块2功率，达到高信噪比的目的；
偏振耦合光303b注入第三耦合器401分成两束，分别注入光频域干涉透射测量模块4的参考臂401a和带有延长光纤405的透射臂401b，最后两束光在第四耦合器402合束，注入第二平衡探测器403，由第一平衡探测器205差分探测干涉信号；
保偏待测器件303是三段熔接起来的熊猫型保偏光纤，产生第二熔接点B和第三熔接点C，起偏器输出尾纤301b与保偏待测器件303连接产生第一熔接点A，检偏器输入尾纤302a与保偏待测器件303连接产生第四熔接点D；
保偏待测器件303部分，三段保偏光纤对应长度为lAB＝lBC＝LCD＝1m，直径为125um，计算其反射最大光程是SAB1＝SBC1＝SCD1＝2.9m，对应的透射光程差SAB2＝SBC2＝SCD2＝5×10-4m。起偏器输出尾纤301b，保偏待测器件303，检偏器输入尾纤302a对应的总透射光程差为ΔSFUT＝105×10-4m，对应的反射总光程为SFUT＝60.9m。
光频域干涉透射测量模块4的参考臂401a和透射臂401b的臂长差为l1＝1m，对应的光程差为S＝l1·n＝1.45m，其满足S＞ΔSFUT；采集卡501的采样率fs＝11.25MHz，其满足fs≥2SFuTγf/c，γf是可调谐激光源扫频速度，c为光速；
采集卡501对光频域干涉反射测量模块2和光频域干涉透射测量模块4的干涉信号进行数据同步采集，然后通过快速傅里叶变换502，再将信号输入瑞利散射信息获取模块503和偏振串扰信息获取模块504，获得分布式瑞利散射谱510和分布式偏振串扰谱511，测试时间大约为2s。
通过上述光程差的计算，找出图中对应熔接点以及起偏器301和检偏器302的位置，在反射图谱510中，第一反射峰81，第二反射峰82，第三反射峰83，第四反射峰84分别对应第一熔接点A，第二熔接点B第三熔接点C，第四熔接点D，第五反射峰80和第六反射峰85分别对应着起偏器301和检偏器302，反射峰的空间分辨率约为20um；在偏振串扰图谱511中，第一偏振串扰峰71，第二偏振串扰峰72，第三偏振串扰峰73，第四偏振串扰峰74分别对应第一熔接点A，第二熔接点B，第三熔接点C，第四熔接点D，第五偏振串扰峰80和第六偏振串扰峰85分别对应着起偏器301和检偏器302。
图3将第一熔接点A对应的第一偏振串扰峰71和第一反射峰81对齐，将第二熔接点B对应的第二偏振串扰峰72和第二反射峰82对齐，两个点对齐后观察其他熔接点的错位量，第三熔接点C和第四熔接点D对应的串扰峰和反射峰位置上有错位，起偏器301和检偏器302对应的串扰峰和反射峰位置上也存在错位量。
理论上保偏光纤线性双折射Δn为5×10-4，由于保偏光纤的线性双折射较小且并不是均匀分布的，反映在得到的偏振串扰位置信息跟理论计算光程差有差异，偏振串扰峰与反射峰位置存在错位。在透反射数据融合模块505中，通过互相关算法算出对应瑞利散射光程差和偏振串扰光程差错位量Δx，通过偏振串扰光程差加上错位量Δx，对齐对应瑞利散射光程差和偏振串扰光程差，将瑞利散射光程差和偏振串扰光程差乘以相应系数，将横坐标统一为光纤长度，得到器件的透射和反射特性信息；
通过对偏振串扰峰和反射峰的综合分析，得到偏振特性，色散特性，损耗特性，相干光谱特性的信息，完成对器件的测试。
Claims (5)
1.一种基于光频域干涉的光纤器件分布式双向偏振测量装置，包括可调谐激光源(101)、光频域干涉反射测量模块(2)、待测器件模块(3)、光频域干涉透射测量模块(4)和信号采集分析模块(5)，其特征在于：
可调谐激光源(101)产生波长随时间变化的线性扫频连续光作为问询光，注入第一耦合器(201)并被分成两束，一束作为参考光注入第一耦合器第一输出端(201b)，另一束作为测试光注入第一耦合器第二输出端(201a)，经过三端口环行器第一端口(202a)进入三端口环行器(202)，从三端口环行器第二端口(202b)输出到待测器件模块(3)，依次经过该待测器件模块的起偏器输入尾纤(301a)、起偏器(301)、起偏器输出尾纤(301b)后注入保偏待测器件(303)，其中产生的瑞利散射光(303a)经过起偏器输出尾纤(301b)后注入起偏器(301)，再经起偏器输入尾纤(301a)输出，注入到光频域干涉反射测量模块(2)；该光频域干涉反射测量模块中，瑞利散射光(303a)从三端口环形器第二端口(202b)注入三端口环形器(202)，从三端口环形器第三端口(202c)输出到第二耦合器第一输入端(204a)，参考光从第一耦合器第一输出端(201b)经过功率衰减器(203)注入第二耦合器第二输入端(204b)，最后两束光在第二耦合器(204)合束，注入第一平衡探测器(205)，由第一平衡探测器(205)差分探测干涉信号；保偏待测器件(303)产生的偏振耦合光(303b)经过检偏器输入尾纤(302a)注入检偏器(302)，再经检偏器尾纤(302b)输出，注入到光频域干涉透射测量模块(4)；偏振耦合光(303b)注入第三耦合器(401)分成两束，分别注入光频域干涉透射测量模块(4)的参考臂(401a)和带有延长光纤(405)的透射臂(401b)，最后两束光在第四耦合器(402)合束，注入第二平衡探测器(403)，由第二平衡探测器(403)差分探测干涉信号；采集卡(501)对光频域干涉反射测量模块(2)和光频域干涉透射测量模块(4)的干涉信号进行数据同步采集，然后通过快速傅里叶变换(502)，再将信号输入瑞利散射信息获取模块(503)和偏振串扰信息获取模块(504)，获得分布式瑞利散射谱(510)和分布式偏振串扰谱(511)，然后在透反射数据融合模块(505)中，通过算法算出对应瑞利散射光程差和偏振串扰光程差错位量Δx，通过偏振串扰光程差加上错位量Δx，对齐对应瑞利散射光程差和偏振串扰光程差，得到保偏待测器件的透射和反射特性信息。
2.根据权利要求1所述的基于光频域干涉的光纤器件分布式双向偏振测量装置，其特征在于，所述待测器件模块(3)中线性扫频连续光依次经起偏器输入尾纤(301a)、起偏器(301)、起偏器输出尾纤(301b)注入保偏待测器件(303)，其中产生的瑞利散射光(303a)经过起偏器输出尾纤(301b)注入起偏器(301)，再经起偏器输入尾纤(301a)输出；保偏待测器件(303)产生的偏振耦合光(303b)经过检偏器输入尾纤(302a)注入检偏器(302)，再经检偏器输出尾纤(302b)输出；起偏器输出尾纤(301b)，保偏待测器件(303)，检偏器输入尾纤(302a)对应的透射光程差为ΔSFUT，对应的反射总光程为SFUT。
3.根据权利要求1所述的基于光频域干涉的光纤器件分布式双向偏振测量装置，其特征在于，所述的待测器件模块(3)中，起偏器(301)的起偏角度为0°，起偏器输入尾纤(301a)是单模光纤，起偏器输出尾纤(301b)是保偏光纤；检偏器(302)的检偏角度为45°，检偏器输入尾纤(302a)是保偏光纤，检偏器输出尾纤(302b)是单模光纤。
4.根据权利要求1所述的基于光频域干涉的光纤器件分布式双向偏振测量装置，其特征在于，所述的光频域干涉透射测量模块(4)，参考臂(401a)和透射臂(401b)的光程差为S，其满足S＞ΔSFUT。
5.根据权利要求1所述的基于光频域干涉的光纤器件分布式双向偏振测量装置，其特征在于，所述的采集卡(501)，采集卡(501)的采样率fs，其满足fs≥2SFUTγf/c，γf是可调谐激光源扫频速度，c是光速。
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