CN113804412A - 一种基于环行光路结构的光纤器件微量色度色散测量装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种基于环行光路结构的光纤器件微量色度色散测量装置，主要针对色散系数小或长度短的光纤及器件的色散测量，属于光纤测量技术领域。装置包括宽谱光源、干涉仪、环路结构、探测模块和色散计算模块，其特征是：宽谱光源为干涉仪提供光源，环路结构接入干涉仪的测量臂，通过调整参考臂的光程，可以获得带有色散信息的干涉信号，最后利用色散计算模块提取干涉信号中的色散信息。其中，环路结构具有光环行功能，能使在其中环行的光信号累积多倍色散量，从而对色散量进行放大，特别适用于具有微量色散的光纤及器件。本发明可提高色散测量装置的测量精度，解决了现有技术难以高精度测量光纤及器件微量色散的问题。
Description
技术领域
本发明属于光纤测量技术领域，具体涉及到一种基于环行光路结构的光纤器件微量色度色散测量装置。
背景技术
光纤通信以其传输容量大、抗干扰能力强的特点，已成为通信系统中的重要部分。随着社会的发展，各种信息量越来越大，这就要求更高速的通信系统，而在高速光纤通信系统中，色散的存在会造成码间串扰，因此需要对光纤通信系统进行色散补偿。进行色散补偿，须先知道光纤通信系统的色散值，因此，色散测量成为必不可少的环节。常用的色散测量方法有时延法、相移法和干涉法等。
对于时延法，基本原理是将不同波长的光脉冲分别注入到待测光纤及器件中，由于色散的存在，使得不同波长的光脉冲到达另一端的时间不同，通过测量不同波长光脉冲的到达时间差可以计算出色散值。例如美国专利(20040169848)，又比如文献“Comparisonof single-mode fiber dispersion measurement techniques”(Lightwave Technol，vol.3，no.5，pp.958-966，1985)中提到时延法对色度色散的测量精度在1ps/nm左右，测量精度很低，原因在于难以准确地获得时延值。时延法测量色散要求待测光纤长度在km级别以累积足够的色散量，才能相对比较精确地分辨出不同脉冲间的到达时间差，因此不能用于测量短光纤的色散。
相移法是先对光进行正弦强度调制，每一调制信号具有一种主要的频率成分，将此调制光信号注入到待测光纤及器件中，由于色散效应，出来的光信号会有延迟，不同频率成分的光调制信号具有不同的延迟，因此可以据此计算出色散值。例如美国FrancoisBabin等人提出一种测量强度调制光信号相位差的装置及方法(US6429929)又比如BRUNOCOSTA等人在文献“Phase Shift Technique for the Measurement of ChromaticDispersion in Optical Fibers Using LED′s”(IEEE Transactions on MicrowaveTheory and Techniques，vol.30，no.10，pp.1497-1503，1982)中使用基于LED光源的相移法测量了光纤的色度色散，精度为1ps/nm。此方法的最小测量长度在几十米，仍然无法准确测量短光纤(小于1m)的色散。
时域干涉法的基本原理为固定光源波长，改变两臂间的光程差，从而获得关于时间的干涉信号，对该时域干涉信号进行傅里叶变换，获得相位信息，再对相位求导得到色散值，测量精度可达0.0015ps/nm。Carlos Palavicini等人在文献“Phase-sensitiveoptical low-coherence reflectometry technique applied to the characterizationof photonic crystal fiber properties(Opt Lett，vol.30，no.4，p.361，2005)”中使用光低相干干涉仪测量了81.4cm长的光子晶体光纤的色散。虽然一般的时域干涉法可以测量短光纤(小于1m)的色散，但对于一些色散系数极小的光纤，其测量精度会迅速下降。
谱域干涉法是固定干涉仪两臂的长度，改变光源的波长，从而获得干涉谱。由于色散的存在，不同波长的光通过干涉仪后的光程差不同(两臂长度固定，波长不同会有不同的折射率)，从而在干涉谱上显示为不同波长对应不同强度。MITSUHIRO TATEDA等人在文献“Interferometric Method for Chromatic Dispersion Measurement in a Single-ModeOptical Fiber，”(Journal of Quantum Electronics，Vol.17，pp.404-4071981)中测量了小于1m的单模光纤的色散。又比如美国专利(US20100134787)利用谱域干涉法测量了11.9cm长的光纤的色散。这种方法可以测量小于1m的光纤，对于非平衡式谱域干涉法，其色度色散的测量精度达0.0001ps/nm，而对于平衡式谱域干涉法，可达0.00007ps/nm。但对于微量色散系数光纤(例如空心光纤)，由于色散量太小，谱域干涉法的测量精度就会大幅降低，仍然无法准确测量色散系数小且长度短的光纤及器件的色散。
时延法、相移法均不能对短长度的光纤进行高精度色散测量，一般的时域干涉法与谱域干涉法虽然可以测量短光纤，但对于一些色散系数很小的光纤，其测量精度会大幅降低，因此提出一种可对微量色散的光纤及器件进行色散测量的装置显得极为重要。带有环路结构的色散测量装置可以完美地解决上述方法所不能测量色散系数小且长度短的光纤及器件的问题。本方法中的环路结构，可对待测光纤及器件的色散量进行放大，从而可实现对色散系数小且长度短的光纤及器件的高精度色散测量。
发明内容：
本发明的目的在于提供一种基于环行光路结构的光纤器件微量色度色散测量装置，解决了背景技术中难以精确测量色散系数小且长度短的光纤及器件色散的问题。
一种基于环行光路结构的光纤器件微量色度色散测量装置，其特征在于：宽谱光源10、干涉仪20、环路结构30、探测模块60和色散计算模块80组成本装置，其中：
1)宽谱光源10与干涉仪20相连，环路结构30与干涉仪20相连，干涉仪20与探测模块60相连，探测模块60与色散计算模块80相连；
2)在环路结构30中，光从第二耦合器第一输入端311注入到第二耦合器31，分成两路，一路从第二耦合器第一输出端313输出，另一路经第二耦合器第二输出端314、第二光纤连接器322、待测光纤及器件32、第一光纤连接器321和第二耦合器第二输入端312返回到第二耦合器31，又再次分光并重复前述路径，如此反复地循环；
3)色散计算模块80中，数据采集卡81采集来自探测模块60的干涉信号，再经干涉峰截取单元82截取得到第四干涉峰884和第五干涉峰885，第五干涉峰885进入到第一色散系数提取单元83进行色散系数的提取，第四干涉峰884进入到第二色散系数提取单元84进行色散系数的提取，最后将由第一色散系数提取单元83、第二色散系数提取单元84得到的两个色散系数输入到色散差分单元85中进行差分运算，其结果再除以第五干涉峰885与第四干涉峰884的环行次数差即为待测光纤及器件32的色散系数。
所述的干涉仪20，其特征是：光从第一耦合器第一输入端211注入到第一耦合器21，分成两路，一路经第一耦合器第二输出端214、环路结构30和第三耦合器第二输入端262进入到第三耦合器26，其中，在环路结构30环行m次输出第m波包251，环行m+1次输出第m+1波包252，环行m+2次输出第m+2波包253；另一路经第一耦合器第一输出端213、参考光纤22、光程相关器23和第三耦合器第一输入端261进入到第三耦合器26。
所述的干涉仪20，其特征是：第一耦合器第二输出端214的长度为L214、折射率为n，第三耦合器第二输入端262的长度为L262、折射率为n，第一耦合器第一输出端213的长度为L213、折射率为n，第三耦合器第一输入端261的长度为L261、折射率为n。
所述的环路结构30，其特征是：第二耦合器第一输入端311的长度为L311、折射率为n，第二耦合器第二输入端312的长度为L312、折射率为n，第二耦合器第一输出端313的长度为L313、折射率为n，第二耦合器第一输出端314的长度为L314、折射率为n，待测光纤及器件32的长度为L32、折射率为n32。
所述的光程相关器23，其特征是：光可从第一准直透镜231进入并依次经过第一反射镜233、第二反射镜234、第二准直透镜232；光亦可从第二准直透镜232进入并依次经过第二反射镜234、第一反射镜233、第一准直透镜231；移动第一反射镜233与第二反射镜234，可以改变光路光程，其最大光程为：L23(max)。
所述的参考光纤22，其特征是：参考光纤22的折射率为n、长度为L22，应满足：
其中，m为光在环路结构30中的环行次数。
所述的环路结构30，其特征是：第二耦合器31的分光比为a∶b，即第二耦合器第一输出端313的输出光功率与第二耦合器第二输出端314的输出光功率之比，则第二耦合器第一输出端313的输出功率为：
第二耦合器第一输出端(313)的输出光功率与第二耦合器第二输出端(314)的输出光功率之比的选择应使得Pout，m≥PBPD，其中，PBPD为探测模块60的最小可探测光功率。
所述的环路结构30，其特征是：第二耦合器第一输出端(313)的输出光功率与第二耦合器第二输出端(314)的输出光功率之比为a，满足
本发明提供了一种基于环行光路结构的光纤器件微量色度色散测量装置。通过引入环路结构，可放大光纤及器件的色散量，使得可以提升针对于微量色散的测量精度。具有精度高、可测量的色散量小、成本低等优点，可广泛用于色散系数小且长度短的光纤及器件的色散测量。
本发明是基于时域干涉法的一种基于环行光路结构的光纤器件微量色度色散测量装置。时域干涉法的基本原理是基于色散的定义出发，即单频光在介质中的相速度随频率的变化而变化。不同波长的单频光从色散介质的一端到达另一端，所要用的时间不同，即相互之间存在时延，产生的干涉信号相互之间也存在相位差，因此可以根据干涉信号的相位差来计算色散值。根据此原理，可以分别往时域干涉仪注入中心波长不同的窄带光，再分别记录相应的干涉图，利用各干涉信号间的时延差可以计算出色散值，此方法称为直接时域干涉法。直接时域干涉法对光源要求高且费时，所以可以一次性往时域干涉仪注入多种波长的光(即宽谱光)，得到一张由多种单波长干涉信号叠加而成的干涉图，然后对其进行傅里叶变换可将其分解成单波长干涉信号，从而可以从傅里叶变换得到的相位谱获取色散值，此方法称为基于傅里叶变换的时域干涉法，本发明的基本原理正是基于此。
本装置所产生的第一干涉峰881、第二干涉峰882、第三干涉峰883分别包含m倍、m+1倍、m+2倍的待测光纤及器件的实际色散量，选取两个干涉峰并将其色散系数作差，再除以两干涉峰的环行次数差，可得到待测光纤及器件实际的色散系数，一般取m次环行的干涉峰(m＞2)及其相邻的干涉峰用作待测光纤及器件的色散系数提取，m次环行干涉峰的色散量为待测光纤及器件实际色散量的m倍，相当于对待测光纤及器件的色散进行m倍放大，这样就将小色散量转换成大色散量，从而提高测量系统的灵敏度和信噪比，进而得到高精度的色散测量。
利用图1中的装置可以获得在环路结构30环行多次的光波包，通过参考光纤22的选取与光程相关器23的调节，可以获得特定环行次数的干涉峰，如图3所示。将第m-1和m次环行干涉峰截取出来，再对这两个干涉峰分别进行傅里叶变换，然后分别对其相位谱进行加权最小二乘法拟合，得到第m-1次环行干涉峰的相位谱φm-1(ω)、第m次环行干涉峰的相位谱φm(ω)，可得到相应的群时延：
先对群时延进行频率空间到波长空间的转换，得到τm(λ)与τm-1(λ)，对其求导可得群时延色散：
待测光纤及器件的群时延色散可由(5)、(6)相减得到：
DDUT(λ)＝Dm(λ)-Dm-1(λ) (7)
上述待测光纤及器件色散系数的获得过程中，一般取m次环行的干涉峰(m＞2)及其相邻的干涉峰用作待测光纤及器件的色散系数提取，m次环行干涉峰的色散量为待测光纤及器件实际色散量的m倍，相当于对待测光纤及器件的色散进行m倍放大，这样就将小色散转换成大色散(相当于放大作用)，从而提高测量系统的灵敏度，保证高精度的色散测量，非常适合用于微量色散光纤及器件的色散测量。
与现有技术相比，本发明的优点在于：
(1)本发明解决现有技术对微量色散不敏感的问题；
(2)本发明使用的是光纤型干涉仪，有较好的稳定性；
(3)本发明只需廉价的宽谱光源，无需昂贵的光谱仪，因此可实现低成本的色散测量；
(4)本发明可用于微量色散的高精度测量。
附图说明
图1是微量色散测量装置图；
图2为分光比与环路结构输出功率的关系图(环行六次)；
图3为特定循环次数的干涉峰。
具体实施方式
为清楚地说明本发明一种基于环行光路结构的光纤器件微量色度色散测量装置，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。
图1为本发明的装置图，其中主要的光电器件的选择及参数如下：
1)取宽谱光源10的中心波长为1550nm，谱宽50nm，出纤功率范围从0到10mW；
2)第一耦合器21、第二耦合器31、第三耦合器26均为单模耦合器，中心工作波长均在1550nm，其中第一耦合器21和第三耦合器26的分光比为50∶50，第二耦合器31的分光比为70∶30(第二耦合器第一输出端313输出的光功率比第二耦合器第二输出端314输出的光功率)；
3)光程相关器的光程扫描范围为从0到160cm；
4)待测光纤选用单模光纤，其余各连接光纤均为单模光纤，折射率均为1.456；
若要取环行六次的干涉峰，在环路结构30中，根据(2)式可以计算出第二耦合器31的最佳分光比，其分光比参数a与环路结构输出功率之间的关系如图2所示。这里取第二耦合器31的最佳分光比为70∶30，根据环路结构功率分配关系可以计算出环路结构输出环行六次的光波包强度：
Pout，6＝0.0216Pin (8)
若取输入光Pin＝1mW，则二十次环行后的输出功率还有0.0216mW，可被探测器探测到。
在所述的干涉仪20中，取L23(max)＝1.6、L214＝1、L311＝1、L313＝1、L262＝1、L314＝0.5、L312＝0.5、L32＝0.2、L213＝1、L261＝1，要获得六次环行的干涉峰，根据前面的分析，参考光纤22的长度选择范围应在8.1011≤L22≤9.2，单位为米，这里选9米；若要获得五次环行的干涉峰，参考光纤22的长度选择范围应在6.9011≤L22≤8，单位为米，这里选7米；再配合光程相关器23的扫描，可以获取到六次和五次环行的干涉峰，如图3所示。
将获取到的六次和五次环行干涉峰放到色散计算模块80进行色散系数的提取，最终得到待测光纤及器件32的色度色散为0.0034ps/nm。
Claims (8)
1.一种基于环行光路结构的光纤器件微量色度色散测量装置，其特征在于：宽谱光源(10)、干涉仪(20)、环路结构(30)、探测模块(60)和色散计算模块(80)组成本装置，其中：
1)宽谱光源(10)与干涉仪(20)相连，环路结构(30)与干涉仪(20)相连，干涉仪(20)与探测模块(60)相连，探测模块(60)与色散计算模块(80)相连；
2)在环路结构(30)中，光从第二耦合器第一输入端(311)注入到第二耦合器(31)，分成两路，一路从第二耦合器第一输出端(313)输出，另一路经第二耦合器第二输出端(314)、第二光纤连接器(322)、待测光纤及器件(32)、第一光纤连接器(321)和第二耦合器第二输入端(312)返回到第二耦合器(31)，又再次分光并重复前述路径，如此反复地循环；
3)在色散计算模块(80)中，数据采集卡(81)采集来自探测模块(60)的干涉信号，再经干涉峰截取单元(82)截取得到第四干涉峰(884)和第五干涉峰(885)，第五干涉峰(885)进入到第一色散系数提取单元(83)进行色散系数的提取，第四干涉峰(884)进入到第二色散系数提取单元(84)进行色散系数的提取，最后将由第一色散系数提取单元(83)、第二色散系数提取单元(84)得到的两个色散系数输入到色散差分单元(85)中进行差分运算，其结果再除以第五干涉峰(885)与第四干涉峰(884)的环行次数差即为待测光纤及器件(32)的色散系数。
2.由权利要求1所述的干涉仪(20)，其特征是：光从第一耦合器第一输入端(211)注入到第一耦合器(21)，分成两路，一路经第一耦合器第二输出端(214)、环路结构(30)和第三耦合器第二输入端(262)进入到第三耦合器(26)，其中，在环路结构(30)环行m次输出第m波包(251)，环行m+1次输出第m+1波包(252)，环行m+2次输出第m+2波包(253)；另一路经第一耦合器第一输出端(213)、参考光纤(22)、光程相关器(23)和第三耦合器第一输入端(261)进入到第三耦合器(26)。
3.由权利要求1所述的干涉仪(20)，其特征是：第一耦合器第二输出端(214)的长度为L214、折射率为n，第三耦合器第二输入端(262)的长度为L262、折射率为n，第一耦合器第一输出端(213)的长度为L213、折射率为n，第三耦合器第一输入端(261)的长度为L261、折射率为n。
4.由权利要求1所述的环路结构(30)，其特征是：第二耦合器第一输入端(311)的长度为L311、折射率为n，第二耦合器第二输入端(312)的长度为L312、折射率为n，第二耦合器第一输出端(313)的长度为L313、折射率为n，第二耦合器第一输出端(314)的长度为L314、折射率为n，待测光纤及器件(32)的长度为L32、折射率为n32。
5.由权利要求2所述的光程相关器(23)，其特征是：光可从第一准直透镜(231)进入并依次经过第一反射镜(233)、第二反射镜(234)、第二准直透镜(232)；光亦可从第二准直透镜(232)进入并依次经过第二反射镜(234)、第一反射镜(233)、第一准直透镜(231)；移动第一反射镜(233)与第二反射镜(234)，可以改变光路光程，其最大光程为：L23(max)。
6.由权利要求2所述的参考光纤(22)，其特征是：参考光纤(22)的折射率为n、长度为L22，应满足：
其中，m为光在环路结构(30)中的环行次数。
7.由权利要求1所述的环路结构(30)，其特征是：第二耦合器第一输出端(313)的输出光功率与第二耦合器第二输出端(314)的输出光功率之比为a，则第二耦合器第一输出端(313)的输出功率为：
第二耦合器第一输出端(313)的输出光功率与第二耦合器第二输出端(314)的输出光功率之比的选择应使得Pout，m≥PBPD，其中，PBPD为探测模块(60)的最小可探测光功率。
8.由权利要求1所述的环路结构(30)，其特征是：第二耦合器第一输出端(313)的输出光功率与第二耦合器第二输出端(314)的输出光功率之比为a，满足
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