CN115655656B - 一种光纤受激布里渊散射频移系数测试系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种光纤受激布里渊散射频移系数测试系统及方法，系统包括：单频激光器、分束器、温度应力控制装置、正向监测高精度功率计及反向监测高精度功率计；所述单频激光器用于输出单横模或单纵模模式的激光；所述分束器由金属膜或介质膜构成，用于将一束激光分为多束激光，所述单频激光器的输出端与所述分束器的高比例输出端相连，所述分束器的输入端与待测光纤的第一端相连，所述待测光纤的第二端与所述正向监测高精度功率计的输入端相连，所述反向监测高精度功率计的输入端与所述分束器的低比例输出端相连。本发明根据待测光纤的测试要求，精确控制温度应力控制装置内的温度及应力分布，从而计算获得其测试温度频移系数。

Description

一种光纤受激布里渊散射频移系数测试系统及方法

技术领域

本发明属于激光测试技术领域，更具体地，涉及一种光纤受激布里渊散射频移系数测试系统及方法。

背景技术

受激布里渊散射（SBS）是入射光场同介质中的声波场相互作用产生的一种散射现象，为光纤系统中常见的非线性效应之一，已经被广泛地应用于信号放大、光谱滤波等领域。受激布里渊散射的增益谱特性，比如通过施加温度/应力可以改变布里渊散射增益谱的中心频率，进而决定信号放大以及光谱滤波的中心频率。因此，确定受激布里渊散射增益谱中心频率随温度/应力的变化，即频移系数，具有重要的应用价值。

为了解决上述问题，专利文献CN103674084A公开了一种分布式温度与应变同时测量方法，针对光纤布里渊增益谱频移量的测量，其利用多种器件搭建了光纤布里渊光时域反射系统，通过光谱测量获得光谱的频移量；专利文献CN112801306则引入随机扫频和机器学习获得光纤布里渊频移，流程较为繁琐。但由于SBS增益谱较窄，现有的绝大多数光谱测试仪器远不能满足SBS增益谱的测试要求，并需要对数据进行拟合处理，通过测试不同温度或应力下的SBS增益谱来确定频移系数的方法具有设备复杂，处理流程繁琐等问题。

发明内容

本发明实施例的目的在于提供一种光纤受激布里渊散射频移系数测试系统及方法，所述待测光纤置于温度应力控制装置内，根据待测光纤的测试要求，精确控制温度应力控制装置内的温度及应力分布，从而计算获得其测试温度频移系数。

为了实现上述目的，按照本发明的第一方面，提供一种光纤受激布里渊散射频移系数测试系统，包括：单频激光器、分束器、温度应力控制装置、正向监测高精度功率计及反向监测高精度功率计；

所述单频激光器包括谐振腔，其内部设有单一纵模进行震荡，用于输出单横模或单纵模模式的激光；

所述分束器由金属膜或介质膜构成，用于将一束激光分为多束激光，所述单频激光器的输出端与所述分束器的高比例输出端相连，所述分束器的输入端与待测光纤的第一端相连，所述待测光纤的第二端与所述正向监测高精度功率计的输入端相连，所述反向监测高精度功率计的输入端与所述分束器的低比例输出端相连；

所述待测光纤置于温度应力控制装置内，根据待测光纤的测试要求，精确控制温度应力控制装置内的温度及应力分布，从而计算获得其测试温度频移系数。

进一步地，所述温度应力控制装置用于调整所述待测光纤的温度至预设温度：

调整至第一预设温度，记录正向监测高精度功率计的第一数值和反向监测高精度功率计的第二数值；

调整至第二预设温度，记录正向监测高精度功率计的第三数值和反向监测高精度功率计的第四数值。

进一步地，所述反向监测高精度功率计用于在所述目标激光的受激布里渊散射达到预设阈值时，记录反向检测功率。

进一步地，所述正向监测高精度功率计用于当待测光纤的温度调整至所述预设温度时，并在所述目标激光的受激布里渊散射达到预设阈值时，记录正向检测功率。

进一步地，所述反向监测高精度功率计用于当待测光纤的温度调整至所述预设温度时，并在所述目标激光的受激布里渊散射达到预设阈值时，记录反向检测功率。

按照本发明的第二方面，提供给一种光纤受激布里渊散射频移系数测试方法，应用光纤受激布里渊散射频移系数测试系统实现，系统包括单频激光器、分束器、温度应力控制装置、正向监测高精度功率计及反向监测高精度功率计：

将温度控制装置调整至第一预设温度，记录正向监测高精度功率计的第一数值和反向监测高精度功率计的第二数值；

将所述温度控制装置调整至第二预设温度，记录正向监测高精度功率计的第三数值和反向监测高精度功率计的第四数值；

根据所述第一数值、所述第二数值、所述第三数值和所述第四数值，通过预设算法计算得到温度频移系数。

进一步地，将所述温度控制装置调整至第二预设温度，记录正向监测高精度功率计的第三数值和反向监测高精度功率计的第四数值，包括：

将所述温度控制装置调整至所述多个目标温度，记录正向监测高精度功率计的第三数值和反向监测高精度功率计的多个目标数值；

根据所述第一数值、所述第二数值、所述第三数值和所述多个目标数值，通过预设公式计算得到温度频移系数。

进一步地，所述预设算法包括：

光纤中的SBS增益谱可以表示为洛伦兹形状：

（1）

g为增益系数，g_p为布里渊的峰值增益系数；

为增益谱的半高全宽，可以通过其它方案测得；v₀为布里渊增益谱的中心频率；v为SBS光波频率；c是为简化公式表述引入的系数，其数值表示SBS光波频率v处与增益谱中心频率v₀处的增益系数的比值。

进一步地，所述预设算法包括：

第一预设温度等于第二预设温度，即v=v₀，因此c=1，g=g_p，反向监测功率计处测到的SBS功率P_sbs为：

（2）

P_sbs,L为SBS的种子功率，L₂为待测部分光纤长度，L₃为剩余部分光纤长度，P₀为温度为T₀时的正向监测功率计的数值。

进一步地，所述预设算法包括：

第一预设温度不等于第二预设温度，反向监测功率计处测到的SBS功率P_sbs为：

（3）

其中，P_sbs,L为SBS的种子功率，P₁为第二预设温度T₁时的正向监测功率计的数值，L₂为待测部分光纤长度，L₃为剩余部分光纤长度。

本发明实施例有益效果：

1.本发明的系统包括单频激光器、分束器、正向监测高精度功率计、反向监测高精度功率计；所述单频激光器的输出端与所述分束器的高比例输出端相连，所述分束器的输入端与待测光纤的第一端相连，所述待测光纤的第二端与所述正向监测高精度功率计的输入端相连，所述反向监测高精度功率计的输入端与所述分束器的低比例输出端相连。所述待测光纤置于温度应力控制装置内，根据待测光纤的测试要求，精确控制温度应力控制装置内的温度及应力分布，从而计算获得其测试温度频移系数。

2.本发明的方法，将温度控制装置调整至第一预设温度，记录正向监测高精度功率计的第一数值和反向监测高精度功率计的第二数值；将所述温度控制装置调整至第二预设温度，记录正向监测高精度功率计的第三数值和反向监测高精度功率计的第四数值；根据所述第一数值、所述第二数值、所述第三数值和所述第四数值，通过预设算法计算得到温度频移系数。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，还可以根据这些附图获得其他的实施例。

图1为本发明实施例光纤受激布里渊散射频移系数测试系统的原理结构示意图；

图2为本发明实施例的光纤受激布里渊散射频移系数测试系统的具体结构示意图；

图3为本发明实施例提供的光纤受激布里渊散射频移系数测试方法的流程示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员基于本发明所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

参见图1，本发明实施例的第一方面，首先，提供了一种光纤受激布里渊散射频移系数测试系统，包括：单频激光器101、分束器102、正向监测高精度功率计103、反向监测高精度功率计104。所述单频激光器101包括谐振腔，所述单频激光器内部有单一纵模进行震荡，所述单频激光器101用于输出单横模或单纵模模式的激光；所述分束器102由金属膜或介质膜构成，所述分束器102用于将一束激光分为多束激光；所述单频激光器101的输出端与所述分束器102的高比例输出端相连，所述分束器102的输入端与待测光纤的第一端相连，所述待测光纤的第二端与所述正向监测高精度功率计103的输入端相连，所述反向监测高精度功率计104的输入端与所述分束器的低比例输出端相连。通过本发明实施例的方案可以通过本发明实施例的光纤受激布里渊散射频移系数测试系统进行温度频移系数的测量。

参见图2，一个例子中，光纤受激布里渊散射频移系数测试系统包括：单频激光器1-1，分束器1-2，温度/应力控制装置1-3，待测光纤1-4，正向监测高精度功率计1-5，反向监测高精度功率计1-6；其中，单频激光器1-1的输出端与分束器1-2的高比例输出端连接；分束器1-2的输入端与待测光纤1-4的一端连接；待测光纤1-4的另一端作为前向激光的输出端口，入射正向监测功率计1-5；分束器1-2的低比例输出端作为后向SBS的输出端口，入射反向监测功率计1-6。

在一种可能的实施方式中，所述单频激光器1-1，用于生成目标波长和目标线宽的目标激光，所述目标激光经过所述分束器进入所述待测光纤。

在一种可能的实施方式中，所述正向监测高精度功率计1-5，用于在所述目标激光的受激布里渊散射达到预设阈值时，记录正向检测功率。

在一种可能的实施方式中，所述反向监测高精度功率计1-6，用于在所述目标激光的受激布里渊散射达到预设阈值时，记录反向检测功率。

在一种可能的实施方式中，所述待测光纤为双包层光纤。

在一种可能的实施方式中，所述装置还包括温度控制装置；

所述温度控制装置，用于调整所述待测光纤的温度至预设温度。

在一种可能的实施方式中，所述正向监测高精度功率计，用于当待测光纤的温度调整至所述预设温度时，并在所述目标激光的受激布里渊散射达到预设阈值时，记录正向检测功率。

在一种可能的实施方式中，所述反向监测高精度功率计，用于当待测光纤的温度调整至所述预设温度时，并在所述目标激光的受激布里渊散射达到预设阈值时，记录反向检测功率。

参见图2，一个例子中，所有连接均是通过光纤熔接机完成。单频激光器1-1根据待测光纤可选波长1微米、1.5微米、2微米等波段，可为光纤激光器、半导体激光器等类型。

如图3所示，进一步地，基于上述装置，测量方法如下（温度频移系数和应力频移系数的测量原理是相同的，此处以温度频移系数的测量为例）：

（1）将长度为L₁的光纤1-4通过熔接方式接入装置，没有熔接的另一端切斜角，直接输出激光至正向监测功率计1-4；

（2）从熔接点之后，将待测光纤部分（长度为L₂，L₂<L₁）放入温度控制装置1-3，剩余长度部分（L₃= L₁- L₂）悬空放置，L₁为光纤总长度，L₂为待测部分光纤长度，L₃为剩余部分光纤长度。

（3）将温控装置设置为室温T₀，增加单频激光器1-1出射功率，观察正向监测功率计1-5和反向监测功率计1-6的数值，直到系统达到受激布里渊散射散射阈值，记录此时正向监测功率计的数值P₀与反向监测功率计的数值P_b。

（4）将温度控制装置的温度设为T₁，增加单频激光器1-1出射功率，观察正向监测功率计1-5和反向监测功率计1-6的数值，当反向监测功率计的数值达到P_b时，记录此时正向监测功率计的数值P₁。

（5）更改温度控制装置的温度，重复步骤（4）。

（6）根据测试数据计算温度频移系数。

一个例子中，为了说明本发明实施例的方案以下对本发明实施例的原理进行说明，原理分析如下：

光纤中的SBS增益谱可以表示为洛伦兹形状：

（1）

g为增益系数，g_p为布里渊的峰值增益系数；

为增益谱的半高全宽，可以通过其它方案测得；v₀为布里渊增益谱的中心频率；v为SBS光波频率；c是为简化公式表述引入的符号，其数值表示SBS光波频率v处与增益谱中心频率v₀处的增益系数的比值。

当控温装置为室温T₀时，由于激光器为单频信号，因而只有一个频率的SBS，所以可以只考虑SBS增益谱中心频率对应的SBS功率，即v=v₀，因此c=1，g=g_p。另，由于光纤损耗较小，可以假定光纤中的激光功率近似不变。因此在反向监测功率计1-6处测到的SBS功率P_sbs为：

（2）

P_sbs,L为SBS的种子功率，p_s为注入的单频激光器功率，L₁为光纤总长度，L₂为待测部分光纤长度，L₃为剩余部分光纤长度，P₀为温度为T₀时的正向监测功率计的数值。

当温控装置为温度T₁≠T₀时，由于存在两个温度，因此两段光纤SBS增益谱的中心频率存在一定的差异，需要考虑两个SBS光波频率的放大过程。基于此，两个频率的SBS光波在两段光纤中的增益系数如下表所示：

光纤部位	SBS光波频率1	SBS光波频率2
			温度控制装置1-3中的光纤	cg<sub>p</sub>	g<sub>p</sub>
悬空的光纤	g<sub>p</sub>	cg<sub>p</sub>

因而在反向监测功率计1-6处测到的SBS功率为：

（3）

令公式（2）与公式（3）相等，则：

（4）

整理后，得到：

（5）

通过求解非线性公式（5），可以求得待计算参数c，其中，P_sbs,L为SBS的种子功率，P₀为正向监测功率计的数值，P₀为温度为T₀时的正向监测功率计的数值，P₁为温度为T₁时的正向监测功率计的数值，T₁和T₀表示不同的设备温度，g_p为布里渊的峰值增益系数，P_sb为反向监测功率计测到的SBS功率_s。

将参数c带入公式（1），可以获得温度改变引起的频率变化，再结合温度控制器的温度，即可以获得温度频移系数。

由上述测试方法和原理分析可以看到，在计算受激布里渊频移系数的过程中没有涉及到对增益谱的具体测量，因此减弱了对测试仪器的要求和数据处理时间，提高了计算速度

本发明实施例的第二方面，提供了一种光纤受激布里渊散射频移系数测试方法，参见图3，所述方法包括：

步骤S31，将所述温度控制装置调整至第一预设温度，记录正向监测高精度功率计的第一数值和反向监测高精度功率计的第二数值；

步骤S32，将所述温度控制装置调整至第二预设温度，记录正向监测高精度功率计的第三数值和反向监测高精度功率计的第四数值；

步骤S33，根据所述第一数值、所述第二数值、所述第三数值和所述第四数值，通过预设公式计算得到温度频移系数。

在一种可能的实施方式中，所述第二预设温度包括多个目标温度，所述将所述温度控制装置调整至第二预设温度，记录正向监测高精度功率计的第三数值和反向监测高精度功率计的第四数值，包括：

将所述温度控制装置调整至所述多个目标温度，记录正向监测高精度功率计的第三数值和反向监测高精度功率计的多个目标数值；

所述根据所述第一数值、所述第二数值、所述第三数值和所述第四数值，通过预设公式计算得到温度频移系数，包括：

根据所述第一数值、所述第二数值、所述第三数值和所述多个目标数值，通过预设公式计算得到温度频移系数。

通过本发明实施例的方案可以通过本发明实施例的光纤受激布里渊散射频移系数测试系统进行温度频移系数的测量。

在上述实施例中，可以全部或部分地通过软件、硬件、固件或者其任意组合来实现。当使用软件实现时，可以全部或部分地以计算机程序产品的形式实现。所述计算机程序产品包括一个或多个计算机指令。在计算机上加载和执行所述计算机程序指令时，全部或部分地产生按照本发明实施例所述的流程或功能。所述计算机可以是通用计算机、专用计算机、计算机网络、或者其他可编程装置。所述计算机指令可以存储在计算机可读存储介质中，或者从一个计算机可读存储介质向另一个计算机可读存储介质传输，例如，所述计算机指令可以从一个网站站点、计算机、服务器或数据中心通过有线（例如同轴电缆、光纤、数字用户线（DSL））或无线（例如红外、无线、微波等）方式向另一个网站站点、计算机、服务器或数据中心进行传输。所述计算机可读存储介质可以是计算机能够存取的任何可用介质或者是包含一个或多个可用介质集成的服务器、数据中心等数据存储设备。所述可用介质可以是磁性介质，(例如，软盘、硬盘、磁带)、光介质(例如，DVD)、或者半导体介质（例如固态硬盘Solid State Disk (SSD)）等。

需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

本说明书中的各个实施例均采用相关的方式描述，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处。尤其，对于方法实施例而言，由于其基本相似于方法实施例，所以描述的比较简单，相关之处参见方法实施例的部分说明即可。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均包含在本发明的保护范围内。

Claims (10)

1.一种光纤受激布里渊散射频移系数测试系统，其特征在于，包括：单频激光器、分束器、温度应力控制装置、正向监测高精度功率计及反向监测高精度功率计；

所述单频激光器包括谐振腔，其内部设有单一纵模进行震荡，用于输出单横模或单纵模模式的激光；

所述分束器由金属膜或介质膜构成，用于将一束激光分为多束激光，所述单频激光器的输出端与所述分束器的高比例输出端相连，所述分束器的输入端与待测光纤的第一端相连，所述待测光纤的第二端与所述正向监测高精度功率计的输入端相连，所述反向监测高精度功率计的输入端与所述分束器的低比例输出端相连；

所述待测光纤置于温度应力控制装置内，根据待测光纤的测试要求，精确控制温度应力控制装置内的温度及应力分布，从而计算获得其测试温度频移系数。

2.根据权利要求1所述的光纤受激布里渊散射频移系数测试系统，其特征在于，所述温度应力控制装置用于调整所述待测光纤的温度至预设温度：

调整至第一预设温度，记录正向监测高精度功率计的第一数值和反向监测高精度功率计的第二数值；

调整至第二预设温度，记录正向监测高精度功率计的第三数值和反向监测高精度功率计的第四数值。

3.根据权利要求2所述的光纤受激布里渊散射频移系数测试系统，其特征在于，所述反向监测高精度功率计用于在目标激光的受激布里渊散射达到预设阈值时，记录反向检测功率。

4.根据权利要求3所述的光纤受激布里渊散射频移系数测试系统，其特征在于，所述正向监测高精度功率计用于当待测光纤的温度调整至所述预设温度时，并在所述目标激光的受激布里渊散射达到预设阈值时，记录正向检测功率。

5.根据权利要求3或4所述的光纤受激布里渊散射频移系数测试系统，其特征在于，所述反向监测高精度功率计用于当待测光纤的温度调整至所述预设温度时，并在所述目标激光的受激布里渊散射达到预设阈值时，记录反向检测功率。

6.一种光纤受激布里渊散射频移系数测试方法，其特征在于，应用如权利要求1-5中任一项所述的光纤受激布里渊散射频移系数测试系统实现，系统包括单频激光器、分束器、温度应力控制装置、正向监测高精度功率计及反向监测高精度功率计：

将温度控制装置调整至第一预设温度，记录正向监测高精度功率计的第一数值和反向监测高精度功率计的第二数值；

将所述温度控制装置调整至第二预设温度，记录正向监测高精度功率计的第三数值和反向监测高精度功率计的第四数值；

根据所述第一数值、所述第二数值、所述第三数值和所述第四数值，通过预设算法计算得到温度频移系数。

7.根据权利要求6所述的光纤受激布里渊散射频移系数测试方法，其特征在于，将所述温度控制装置调整至第二预设温度，记录正向监测高精度功率计的第三数值和反向监测高精度功率计的第四数值，包括：

将所述温度控制装置调整至多个目标温度，记录正向监测高精度功率计的第三数值和反向监测高精度功率计的多个目标数值；

根据所述第一数值、所述第二数值、所述第三数值和所述多个目标数值，通过预设公式计算得到温度频移系数。

8.根据权利要求7所述的光纤受激布里渊散射频移系数测试方法，其特征在于，所述预设算法包括：

光纤中的SBS增益谱表示为洛伦兹形状：

（1）

g为增益系数，g_p为布里渊的峰值增益系数；

为增益谱的半高全宽，通过其它方案测得；v₀为布里渊增益谱的中心频率；v为SBS光波频率；c是为简化公式表述引入的系数，其数值表示SBS光波频率v处与增益谱中心频率v₀处的增益系数的比值。

9.根据权利要求8所述的光纤受激布里渊散射频移系数测试方法，其特征在于，所述预设算法包括：

第一预设温度等于第二预设温度，即v=v₀，因此c=1，g=g_p，反向监测功率计处测到的SBS功率P_sbs为：

（2）

P_sbs,L为SBS的种子功率，L₂为待测部分光纤长度，L₃为剩余部分光纤长度，P₀为温度为T₀时的正向监测功率计的数值。

10.根据权利要求8所述的光纤受激布里渊散射频移系数测试方法，其特征在于，所述预设算法包括：

第一预设温度不等于第二预设温度，反向监测功率计处测到的SBS功率P_sbs为：

（3）

其中，P_sbs,L为SBS的种子功率，P₁为第二预设温度T₁时的正向监测功率计的数值，L₂为待测部分光纤长度，L₃为剩余部分光纤长度。

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