CN117191349A - 一种基于交叉相位调制的光纤非线性系数测量装置和方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及光纤测量技术领域，特别是涉及一种基于交叉相位调制的光纤非线性系数测量装置和方法。装置包括：信号产生模块、待测光纤和数据采集与分析模块，所述待测光纤为单模光纤，其中信号产生模块主要包含马赫曾德尔调制器和掺铒光纤放大器，数据采集与分析模块为高分辨率的光谱分析仪，本发明通过使用马赫曾德尔调制器对测量所用的连续的光信号进行调制，获得泵浦光，并对泵浦光和探测光的功率进行限制，以激起待测光纤的交叉相位调制的非线性效应，避免了自相位调制的非线性效应，再对非线性效应所呈现出的光谱进行记录并计算，提高了测量精度，并且，本发明通过增加模式转换模块，可实现少模光纤的非线性系数测量。
Description
技术领域
本发明涉及光纤测量技术领域，特别是涉及一种基于交叉相位调制的光纤非线性系数测量装置和方法。
背景技术
随着物联网、云计算、云存储、人工智能等技术的快速发展，全球数据流量和全球互联网用户人数急剧增加，导致光纤通信系统的传输容量需求快速增长。为了提高单模光纤（Single-Mode Fiber，SMF）通信系统的传输容量，不同的光信号复用技术相继提出：包括时分复用、波分复用、偏振复用和正交幅度调制技术，虽然这些扩容技术得到了充分挖掘，并使得单模光纤通信系统的传输容量逼近单模光纤的非线性香农极限，但仍然无法满足日益增长的通信容量需求，因此，基于少模光纤（Few-Mode Fiber，FMF）的模分复用（ModeDivision Multiplexing，MDM）技术受到了人们的关注。模分复用技术利用少模光纤内有限个相互正交的空间模式传输的信道进行信息的并行传输，从而可以显著提高光纤通信系统的传输容量，但随着模式数量的增加，少模光纤内部的非线性效应也显著增加，非线性效应越强，光纤系统的性能越低，因此，为了保证模分复用系统的传输性能，对少模光纤模内以及模间非线性系数的精确测量显得尤为重要，现有技术测量单模光纤的非线性系数往往不准确且无法测量少模光纤的非线性系数。
现有技术公开了一种光纤非线性系数和非线性折射率系数原位测量装置及方法。所述装置包括可调激光器模块，用于输出功率、调幅和调频调制深度可调的激光；分光片，用于将激光分成两路，其中一路激光到达功率计，另一路激光到达光谱仪；处理器，用于接收测量结果，并在可调激光器模块将激光光谱压缩至最窄时，获取光纤的非线性系数和非线性折射率系数测量值。所述方法包括：仪器校准，以获取光谱被压缩至最窄时的调频调制深度；测量：接入待测光纤，调
节可调激光器模块至光谱被压缩至最窄，并根据测量的参数计算非线性系数和非线性折射率系数。这种测量光纤非线性系数的装置和方法未对测量的所用的激光做处理，无法激起光纤模内非线性效应，非线性系数的测量精确度不高，且无法测量少模光纤的非线性系数。
发明内容
本发明的目的是解决现有技术中存在的对单模光纤的非线性系数测量精度不高和无法测量少模光纤的非线性系数的问题，提供一种基于交叉相位调制的光纤非线性系数测量装置和方法。
为实现上述目的，本发明提供一种基于交叉相位调制的光纤非线性系数测量装置，包括：信号产生模块、待测光纤和数据采集与分析模块，所述信号产生模块、所述待测光纤和所述数据采集与分析模块依次连接，
所述信号产生模块，用于产生可激起所述待测光纤交叉相位调制的非线性效应的光信号；
所述待测光纤为单模光纤，所述光信号经过所述单模光纤会激起所述单模光纤的交叉相位调制的非线性效应；
所述数据采集与分析模块，用于获取所述光信号经过所述单模光纤时的输出光谱，所述输出光谱由所述交叉相位调制的非线性效应所呈现出的第0级和第一级谐波边带确定，计算所述第0级和所述第1级谐波边带的功率比获得非线性系数。
优选地，若所述待测光纤为少模光纤，所述装置进一步包括：模式转换模块，所述模式转换模块包括第一模式转换模块和第二模式转换模块，
所述第一模式转换模块的输入与所述信号产生模块的输出相连，所述第一模式转换模块的输出与所述少模光纤的输入相连，所述第一模式转换模式用于将所述光信号从基模转换为高阶模式，高阶模式的光信号经过所述少模光纤可激起所述少模光纤的交叉相位调制的非线性效应；
所述第二模式转换模块的输入与所述少模光纤的输出相连，所述第二模式转换模块的输出与所述数据采集与分析模块的输入相连，所述第二模式转换模块用于将光信号的高阶模式转换为基模。
优选地，所述信号产生模块包括：第一支路、第二支路和耦合器，所述第一支路用于产生所述泵浦光，所述第二支路用于产生所述探测光，所述耦合器用于耦合所述泵浦光和所述探测光并获得所述光信号。
优选地，所述第一支路包括：半导体激光器、马赫曾德尔调制器、偏振控制器、掺铒光纤放大器和滤波器，所述半导体激光器、马赫曾德尔调制器、偏振控制器、掺铒光纤放大器和滤波器依次连接，
所述半导体激光器，用于产生连续的光信号，并将所述连续的光信号传输至所述马赫曾德尔调制器；
所述马赫曾德尔调制器，用于调制所述连续的光信号并获得强度调制泵浦光，并将所述强度调制泵浦光传输至所述偏振控制器；
所述偏振控制器，用于调节所述强度调制泵浦光的偏振态，使所述强度调制泵浦光处于线偏振，并将处于线偏振的强度调制泵浦光传输至所述掺铒光纤放大器；
所述掺铒光纤放大器，用于增强所述强度调制泵浦光的功率；
所述滤波器，用于滤除所述掺铒光纤放大器在增强所述强度调制泵浦光的功率过程中产生的噪声，获得泵浦光，并将所述泵浦光传输至所述耦合器。
优选地，所述第一支路进一步包括：任意波形发生器、电放大器和偏置点控制器，所述任意波形发生器、所述电放大器和所述马赫曾德尔调制器依次连接，所述偏置点控制器与所述马赫曾德尔调制器连接，
所述任意波形发生器，用于产生正弦驱动信号，并将所述正弦驱动信号传输至所述电放大器；
所述电放大器，用于放大所述正弦驱动信号，并将所述放大后的正弦驱动信号传输至所述马赫曾德尔调制器，所述放大后的正弦驱动信号用于调制所述连续的光信号获得所述强度调制泵浦光；
所述偏置点控制器，用于控制所述马赫曾德尔调制器的偏置点，使得所述马赫曾德尔调制器可以实现强度调制。
优选地，所述第二支路包括：半导体激光器和偏振控制器，所述半导体激光器和偏振控制器依次连接，
所述半导体激光器，用于产生连续的光信号并将所述连续的光信号传输至所述偏振控制器；
所述偏振控制器，用于调节所述连续的光信号的偏振态，使所述连续的光信号处于线偏振，处于线偏振的连续光信号即为所述探测光，并将所述探测光传输至所述耦合器，所述耦合器将所述泵浦光和所述探测光进行耦合获得所述光信号。
优选地，所述数据采集与分析模块为高分辨率光谱仪。
优选地，所述模式转换模块为光子灯笼。
另外，本发明还提供一种基于交叉相位调制的光纤非线性系数测量方法，包括：
信号产生模块产生两路信号，一路信号为泵浦光，一路信号为探测光，所述泵浦光的功率为24dBm，所述探测光的功率为1dBm，使用耦合器将所述泵浦光和所述探测光进行耦合，获得所述光信号；
将所述光信号输入至待测光纤，所述待测光纤为单模光纤，所述光信号激起所述单模光纤的交叉相位调制的非线性效应；
获取所述光信号经过所述单模光纤时的输出光谱，所述输出光谱由所述交叉相位调制的非线性效应所呈现出的第0级和第1级谐波边带确定，计算所述第0级和所述第1级谐波边带的功率比获得非线性系数。
优选地，若所述待测光纤为少模光纤，则所述方法进一步包括：模式转换模块，所述模式转换模块包括第一模式转换模块和第二模式转换模块，
所述第一模式转换模式用于将所述光信号从基模转换为高阶模式，高阶模式的光信号经过所述少模光纤可激起所述少模光纤的交叉相位调制的非线性效应；
所述第二模式转换模块用于将光信号的高阶模式转换为基模。
本发明与现有技术相比，其有益效果在于：
本发明通过使用马赫曾德尔调制器对测量所用的连续的光信号进行调制，获得泵浦光，并对泵浦光和探测光的功率进行限制，以激起待测光纤的交叉相位调制的非线性效应，避免了自相位调制的非线性效应，再对非线性效应所呈现出的光谱进行记录并计算，提高了测量精度，并且，本发明通过增加模式转换模块，可实现少模光纤的非线性系数测量。
附图说明
图1是本发明实施例的基于交叉相位调制的单模光纤非线性系数测量装置；
图2是本发明实施例的基于交叉相位调制的少模光纤非线性系数测量装置；
图3是本发明实施例的获得光纤模式相关传输常数装置的具体结构图；
图4是本发明实施例的所用待测光纤的传输常数；
图5是本发明实施例的标准单模光纤测量结果准确性在不同波长差下随调制频率变化的关系图；
图6是本发明实施例的测量结果图；
图7是本发明实施例的注入LP01模式中的探测光入纤前的光谱图；
图8是本发明实施例的注入LP01模式中的探测光入纤后的光谱图；
图9是本发明实施例的基于交叉相位调制的单模光纤非线性系数测量方法流程图。
图中标号说明：方框1、信号发射模块；方框2、模式转换模块；方框3、待测光纤；方框4、数据采集与分析模块；111、半导体激光器；112、任意波形发生器；113、电放大器；114、马赫曾德尔调制器；115、偏置点控制器；116、偏振控制器；117、掺铒光纤放大器；118、滤波器；121、光子灯笼；141、高分辨率光谱仪；119、耦合器；211、光电探测器；212、示波器。
具体实施方式
下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。
实施例一：
请参阅图1-2，本发明优选实施例的一种基于交叉相位调制的光纤非线性系数测量装置，包括：信号产生模块1、待测光纤3和数据采集与分析模块4，信号产生模块1、待测光纤3和数据采集与分析模块4依次连接，
信号产生模块1，用于产生可激起待测光纤3交叉相位调制的非线性效应的光信号；
待测光纤3为单模光纤，光信号经过单模光纤会激起单模光纤的交叉相位调制的非线性效应；
数据采集与分析模块4，用于获取光信号经过单模光纤时的输出光谱，输出光谱由交叉相位调制的非线性效应所呈现出的第0级和第1级谐波边带确定，计算第0级和第1级谐波边带的功率比并记为，根据功率比/>计算可获得非线性系数/>，计算公式如下：
若泵浦光在信号产生模块内采用载波抑制-双边带调制，则功率比 ；
若泵浦光在信号产生模块内采用载波双边带调制，则功率比 ；
其中，为i阶第一类贝塞尔函数；/>为交叉相位调制效应产生的非线性相移；/>为待测光纤的非线性系数，/>为幅度调制系数，/>为待测光纤的有效作用长度，为交叉相位调制效率，所述/>取决于待测光纤的色散相关特性，若待测光纤3为少模光纤，装置进一步包括：模式转换模块2，模式转换模块2包括第一模式转换模块和第二模式转换模块，
第一模式转换模块的输入与信号产生模块1的输出相连，第一模式转换模块的输出与少模光纤的输入相连，第一模式转换模式用于将光信号从基模转换为高阶模式，光信号的高阶模式经过少模光纤可激起少模光纤的交叉相位调制的非线性效应；
第二模式转换模块的输入与少模光纤的输出相连，第二模式转换模块的输出与数据采集与分析模块4的输入相连，第二模式转换模块用于将光信号的高阶模式转换为基模。本发明通过使用马赫曾德尔调制器对测量所用的连续的光信号进行调制，获得泵浦光，并对泵浦光和探测光的功率进行限制，以激起待测光纤的交叉相位调制的非线性效应，避免了自相位调制的非线性效应，再对非线性效应所呈现出的光谱进行记录并计算，提高了测量精度，并且，本发明通过增加模式转换模块，可实现少模光纤的非线性系数测量。
实施例二
请参阅图1-8，本实施例提供测量光纤的非线性系数的过程，包括：少模光纤的模内非线性系数与单模光纤的非线性系数，两者的区别在于，少模光纤经过光子灯笼复用后，两路光耦合后射入光纤的同一模式，这里的模式，可以是光纤中的任意模式，而单模光纤中的模式，只有基模，这里选定探测光波长为1550nm，泵浦光波长为1550.2nm，根据图5，选定合适调制频率，这里选定调制频率为500MHz。最后，接入一段非线性系数约为1.2/km/W 的2km标准单模光纤，分别调整泵浦光和泵浦光光至-1dBm和24dBm，以测量其非线性系数。区别于传统CW-SPM法，基于交叉相位调制的测量方法表现在探测光在受到调制后的泵浦光影响下，以一个调制频率相关的周期产生边带，具体请参阅图6。对于少模光纤模间非线性系数测量。请参阅图3，通过分别向各个模式发生一个脉冲信号，利用飞行时间法，在示波器上观察经过待测光纤传输后的延迟时间，利用下式计算得到各个模式相关传输常数。
其中，c为真空中光速，为模式a的有效折射率，/>为模式a的群速度，/>为模式a经过长度L的光纤传输后的群时延，/>为模式a的色度色散系数。
待测量光纤群时延特性曲线请参阅图4，选择两个特定波长，使得探测光和泵浦光在该条件下具有相同的传输常数。这里选定探测光波长为1545nm，泵浦光波长为1548nm。然后，按图2所示装置图搭建测量系统，将探测光射入LP01而调制后的泵浦光射入LP11模式，泵浦光经过信号发射模块调制后，泵浦光产生各阶谐波边带。最后，接入一段模间非线性系数约为3/km/W 的500m待测两模光纤，用于测量其模间非线性系数，分别调整泵浦光和泵浦光光至-1dBm和24dBm，在光谱仪上观察到探测光输出因感应非线性相位调制而生成如图8所示边带，记录主峰和边峰的功率比，依据公式下式求解相对应的非线性相移，
其中，为i阶第一类贝塞尔函数；
最后代入下式计算与/>之间的非线性系数为3/km/W，
其中，为所产生的非线性相移，/>为待测非线性系数，/>为感应交叉相位调制效应的泵浦功率，/>为待测光纤有效作用长度。
实施例三：
请参阅图9，本发明实施例还提供一种基于交叉相位调制的单模光纤非线性系数测量方法，包括：
信号产生模块产生两路信号，一路信号为泵浦光，一路信号为探测光，所述泵浦光的功率为24dBm，所述探测光的功率为1dBm，使用耦合器将所述泵浦光和所述探测光进行耦合，获得所述光信号；
将所述光信号输入至待测光纤，所述待测光纤为单模光纤，所述光信号激起所述单模光纤的交叉相位调制的非线性效应；
获取所述光信号经过所述单模光纤时的输出光谱，所述输出光谱由所述交叉相位调制的非线性效应所呈现出的第0级和第1级谐波边带确定，计算所述第0级和所述第1级谐波边带的功率比获得非线性系数。本发明通过使用马赫曾德尔调制器对测量所用的连续的光信号进行调制，获得泵浦光，并对泵浦光和探测光的功率进行限制，以激起待测光纤的交叉相位调制的非线性效应，避免了自相位调制的非线性效应，再对非线性效应所呈现出的光谱进行记录并计算，提高了测量精度，并且，本发明通过增加模式转换模块，可实现少模光纤的非线性系数测量。
综上，本发明提供一种一种基于交叉相位调制的光纤非线性系数测量装置和方法，通过使用马赫曾德尔调制器对测量所用的连续的光信号进行调制，获得泵浦光，并对泵浦光和探测光的功率进行限制，以激起待测光纤的交叉相位调制的非线性效应，避免了自相位调制的非线性效应，再对非线性效应所呈现出的光谱进行记录并计算，提高了测量精度，并且，本发明通过增加模式转换模块，可实现少模光纤的非线性系数测量。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和替换，这些改进和替换也应视为本发明的保护范围。
Claims (10)
1.一种基于交叉相位调制的光纤非线性系数测量装置，其特征在于，包括：信号产生模块（1）、待测光纤（3）和数据采集与分析模块（4），所述信号产生模块（1）、所述待测光纤（3）和所述数据采集与分析模块（4）依次连接，
所述信号产生模块（1），用于产生可激起所述待测光纤（3）交叉相位调制的非线性效应的光信号；
所述待测光纤（3）为单模光纤，所述光信号经过所述单模光纤会激起所述单模光纤的交叉相位调制的非线性效应；
所述数据采集与分析模块（4），用于获取所述光信号经过所述单模光纤时的输出光谱，所述输出光谱由所述交叉相位调制的非线性效应所呈现出的第0级和第1级谐波边带确定，计算所述第0级和所述第1级谐波边带的功率比获得非线性系数。
2.根据权利要求1所述的一种基于交叉相位调制的光纤非线性系数测量装置，其特征在于，若所述待测光纤（3）为少模光纤，所述装置进一步包括：模式转换模块（2），所述模式转换模块（2）包括第一模式转换模块和第二模式转换模块，
所述第一模式转换模块的输入与所述信号产生模块（1）的输出相连，所述第
一模式转换模块的输出与所述少模光纤的输入相连，所述第一模式转换模式用于将所述光信号从基模转换为高阶模式，高阶模式的光信号经过所述少模光纤可激起所述少模光纤的交叉相位调制的非线性效应；
所述第二模式转换模块的输入与所述少模光纤的输出相连，所述第二模式转换模块的输出与所述数据采集与分析模块（4）的输入相连，所述第二模式转换模块用于将光信号的高阶模式转换为基模。
3.根据权利要求1所述的一种基于交叉相位调制的光纤非线性系数测量装置，其特征在于，所述信号产生模块（1）包括：第一支路、第二支路和耦合器（119），所述第一支路用于产生所述泵浦光，所述第二支路用于产生所述探测光，所述耦合器（119）用于耦合所述泵浦光和所述探测光并获得所述光信号。
4.根据权利要求3所述的一种基于交叉相位调制的光纤非线性系数测量装置，其特征在于，所述第一支路包括：半导体激光器（111）、马赫曾德尔调制器（114）、偏振控制器（116）、掺铒光纤放大器（117）和滤波器（118），所述半导体激光器（111）、马赫曾德尔调制器（114）、偏振控制器（116）、掺铒光纤放大器（117）和滤波器（118）依次连接，
所述半导体激光器（111），用于产生连续的光信号，并将所述连续的光信号传输至所述马赫曾德尔调制器（114）；
所述马赫曾德尔调制器（114），用于调制所述连续的光信号并获得强度调制泵浦光，并将所述强度调制泵浦光传输至所述偏振控制器（116）；
所述偏振控制器（116），用于调节所述强度调制泵浦光的偏振态，使所述强度调制泵浦光处于线偏振，并将处于线偏振的强度调制泵浦光传输至所述掺铒光纤放大器；
所述掺铒光纤放大器（117），用于增强所述强度调制泵浦光的功率；
所述滤波器（118），用于滤除所述掺铒光纤放大器（117）在增强所述强度调制泵浦光的功率过程中产生的噪声，获得泵浦光，并将所述泵浦光传输至所述耦合器（119）。
5.根据权利要求4所述的一种基于交叉相位调制的光纤非线性系数测量装置，其特征在于，所述第一支路进一步包括：任意波形发生器（112）、电放大器（113）和偏置点控制器（115），所述任意波形发生器（112）、所述电放大器和所述马赫曾德尔调制器（114）依次连接，所述偏置点控制器（115）与所述马赫曾德尔调制器（114）连接，
所述任意波形发生器（112），用于产生正弦驱动信号，并将所述正弦驱动信号传输至所述电放大器（113）；
所述电放大器（113），用于放大所述正弦驱动信号，并将所述放大后的正弦驱动信号传输至所述马赫曾德尔调制器（114），所述放大后的正弦驱动信号用于调制所述连续的光信号获得所述强度调制泵浦光；
所述偏置点控制器（115），用于控制所述马赫曾德尔调制器（114）的偏置点，使得所述马赫曾德尔调制器（114）可以实现强度调制。
6.根据权利要求5所述的一种基于交叉相位调制的光纤非线性系数测量装置，其特征在于，所述第二支路包括：半导体激光器（111）和偏振控制器（116），所述半导体激光器（111）和偏振控制器（116）依次连接，
所述半导体激光器（111），用于产生连续的光信号并将所述连续的光信号传输至所述偏振控制器（116）；
所述偏振控制器（116），用于调节所述连续的光信号的偏振态，使所述连续的光信号处于线偏振，处于线偏振的连续光信号即为所述探测光，并将所述探测光传输至所述耦合器（119），所述耦合器（119）将所述泵浦光和所述探测光进行耦合获得所述光信号。
7.根据权利要求6所述的一种基于交叉相位调制的光纤非线性系数测量装置，其特征在于，所述数据采集与分析模块（4）为高分辨率光谱仪（141）。
8.根据权利要求2所述的一种基于交叉相位调制的光纤非线性系数测量装置，其特征在于，所述模式转换模块（2）为光子灯笼（121）。
9.一种基于交叉相位调制的光纤非线性系数测量方法，其特征在于，包括：
信号产生模块产生两路信号，一路信号为泵浦光，一路信号为探测光，所述泵浦光的功率为24dBm，所述探测光的功率为1dBm，使用耦合器将所述泵浦光和所述探测光进行耦合，获得所述光信号；
将所述光信号输入至待测光纤，所述待测光纤为单模光纤，所述光信号激起所述单模光纤的交叉相位调制的非线性效应；
获取所述光信号经过所述单模光纤时的输出光谱，所述输出光谱由所述交叉相位调制的非线性效应所呈现出的第0级和第1级谐波边带确定，计算所述第0级和所述第1级谐波边带的功率比获得非线性系数。
10.根据权利要求9所述的一种基于交叉相位调制的光纤非线性系数测量方法，其特征在于，若所述待测光纤为少模光纤，则所述方法进一步包括：模式转换模块（2），所述模式转换模块（2）包括第一模式转换模块和第二模式转换模块，
所述第一模式转换模式用于将所述光信号从基模转换为高阶模式，高阶模式的光信号经过所述少模光纤可激起所述少模光纤的交叉相位调制的非线性效应；
所述第二模式转换模块用于将光信号的高阶模式转换为基模。
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