CN1330948C - 光纤光栅群时延谱的差动干涉测量装置及其测量方法 - Google Patents

Abstract

一种光纤光栅群时延谱的差动干涉测量装置及其测量方法，本发明光纤光栅的群时延谱的差动干涉测量装置，其特征在于包括一四端光纤耦合器，其第一端口经一光隔离器与一可调谐激光器的输出端相连，第二端口接待测光纤光栅，第三端口经光纤调相器接反射式可变延时器，第四端口接光信号接收器。利用本发明光纤光栅的群时延谱的差动干涉测量装置进行光纤光栅的群时延谱的差动干涉测量的方法具有简单方便，成本低廉，适用面较广等优点。

Description

光纤光栅群时延谱的差动干涉测量装置及其测量方法

技术领域：

本发明涉及光纤光栅，特别是一种光纤光栅群时延谱和群时延色散的差动干涉测量装置及其测量方法，主要应用于光纤通信中光纤光栅色散补偿器件的测试和其他有关光谱测量和调谐方面的应用。

背景技术

光纤通信技术中影响传输距离的主要因素，一是光信号的衰减，二是光信号脉冲的展宽。光纤色散是光脉冲展宽的主要原因之一。利用啁啾光纤光栅反射谱的群时延特性，可以补偿光纤的色散。它已成为一种主要的色散补偿器件。色散补偿啁啾光纤光栅的设计和制作，必须测量和控制它的群时延特性，包括群时延谱、群时延色散、群时延线性度等参数。为此需要对啁啾光纤光栅的群时延谱进行测量。其他种类的光纤光栅，如变迹(切趾)光纤光栅、相移光纤光栅、取样光纤光栅等等特殊结构的光纤光栅，也需要根据应用要求，测量它们的群时延谱特性。

对光纤光栅群时延谱的测量，已经有一些发表的技术。在先技术之一是调制相移法(Modulation Phase Shift Method)。见[“Novelchromatic dispersion measurement method over continuousgigahertz tuning range”，S.Ryu，Y.Horiuchi，and K.Mochizuki，Journal of Lightwave Technol.，1989，Vol.7(8)，pp1177-1180]。其基本原理是对光频作微波调制，测量二个边带的时延差。从而计算光纤光栅的色散时延。该方法已经被开发成测量仪器，其价格昂贵。同时还存在测试数据的稳定性问题。据实际使用，色散数据往往与选取的微波调制频率有关，需要根据经验判断。

在先技术之二是干涉测量法(Interferometery Method)。见[Optical equalization of fiber chromatic dispersion in a 5-Gb/stransmission system，Gnauck，L.Cimini，J.Stone，and L.Stulz，IEEE Photon.Technol.Lett，1990，Vol.2(8)，pp585-587]。其基本原理是将被测光纤光栅接入一个光纤马赫-曾德(Mach-Zehnder)干涉仪中，以一个可调谐激光器为光源，测量其输出的干涉信号，从而计算光纤光栅的色散时延。该方法在实际使用中也存在稳定性问题。这主要是由于该方法的干涉信号存在周期性重复的问题，因此要通过对数据进行繁复的处理才能够得到色散群时延的数值，而且干涉信号随外界因素影响又很大。因而带来结果数据的稳定性问题。

在先技术之三，“啁啾光纤光栅群时延的测量方法”，中国专利ZL00127957.2。这一方法将被测光纤光栅接入一个外腔激光器，测量激光器的调制度，然后进行计算。该方法需要操作人员具有较高的技术水准，不易推广应用。

在先技术之四，“Low coherence technique to characterizereflectivity and time delay as a function of wavelength withina long fibre grating”，M.Volanthen，H.Geiger，M.J.Cole，R.I.Laming and J.P.Dakin，Electron.Lett，1996，Vol.32(8)，pp757-758，采用低相干性光源，根据光相干反射方法测量。该方法具有时域分辨率高的优点，但是波长的分辨率较低。

光纤光栅时延谱的测量，不仅要求获得器件强度谱的特性，还要求取得相位谱的特性。因此，利用干涉效应进行测量是最常用的方法。但是，干涉效应是周期性产生的。对于光纤光栅，尤其是具有大长度的光纤光栅，涉及的周期数量巨大。严格来说，相位信息要从大量数据中解调出来，不仅费时费工，需要昂贵的仪器，而且引起测量稳定性的问题。测量延时光谱时，要对波长进行扫描。扫描的步长不可能无限小。因此会引入测量数据的不连续性，影响相位数据的计算和处理。上述在先技术，利用不同的原理，实现相位谱的测量。但是仍各有欠缺。

发明内容：

本发明要解决的技术问题是要克服上述在先技术测量方法的缺点，提供一种光纤光栅群时延谱的差动干涉测量装置及其测量方法，该方法应具有稳定可靠，成本较低的特点。

本发明光纤光栅群时延谱的差动干涉测量方法，是一种基于光纤迈克尔逊(Michelson)干涉仪，同时借助正弦相位调制和延时线器件，实现光纤光栅反射率谱和群时延谱的准确测量。

本发明技术解决方案如下：

一种光纤光栅的群时延谱的差动干涉测量装置，其特征在于包括一四端光纤耦合器，其第一端口经一光隔离器与一可调谐激光器的输出端相连，第二端口接待测光纤光栅，第三端口经光纤调相器接反射式可变延时器，第四端口接光信号接收器。

所述的光纤调相器是由一个精密绕在环形压电陶瓷圈上的光纤和一提供周期性电压的电压源组成；所述的光信号接收器经由锁相环滤波器与计算机的数据采集卡相连，该电压源与锁相环滤波器相连。

所述的光纤调相器是一段表面镀有金属微型加热器的光纤和一产生周期性电流的电流源串连构成的，所述的光信号接收器直接与计算机的数据采集卡相连，电流源与计算机相连。所述的光信号接收器可以是一光二极管探测器

所述的待测光纤光栅尾部端口还接有消反射器。

本发明测量方法的基本原理如下：本发明的光路是一个光纤迈克尔逊干涉仪，其基本参数如图2所示。可调谐单频激光束经光纤耦合器分为等幅度的二路。一路入射到被测的光纤光栅，经光纤光栅反射回到光纤耦合器，并从左下端口输出，进入光探测器。另外一路入射到由光纤调相器和可变延时器构成的干涉臂。并在延时器的反射镜上返回原光路，经光纤耦合器进入光探测器。二路返回光在光纤耦合器上发生干涉。在光探测器上转换为与光强成比例的光电流。

设光纤光栅复数光场反射率为 $r=\sqrt{R\left(\mathrm{\λ}\right)}\mathrm{expi\θ}\left(\mathrm{\λ}\right);$ 延时器的光场反射率为

。这样在干涉仪输出端的光波为：

$E_1\∝E_0\left\{\sqrt{R}\exp \right[i(\mathrm{\β}{L}_1+\mathrm{\θ})]+\sqrt{R_1}\exp [i(\mathrm{\β}{L}_2+\mathrm{\β\δ}{L}_2+{\mathrm{\β}}_{0}l)\left]\right\}---\left(1\right)$

式中，β₀＝2π/λ，β₀为真空波矢，β＝nβ₀。β为光纤中波矢，n为光纤的有效折射率。调相器产生的位相差，用一个等效的光程βδL₂表示。可变延时器引入了l＝l(t)的光程差。光探测器PD接收到的光强为：

$I\left(t\right)=I_0\left(\mathrm{\λ}\right)\{R+R_1+2\sqrt{R{R}_1}\cos [\mathrm{\β}(L_2+\mathrm{\δ}{L}_2-L_1)-\mathrm{\θ}+{\mathrm{\β}}_{0}l\left]\right\}---\left(2\right)$

记Φ＝β(L₂-L₁)+β₀l-θ；对调相器作余弦函数调制，即δL₂＝acos2πft，f为调相器的调制频率，a为调制幅度，(2)式可写为：

$I\left(t\right)=I_0\{R+R_1+2\sqrt{R{R}_1}\cos (\mathrm{\Φ}+\mathrm{\β}a\cos 2\mathrm{\πft})\}---\left(3\right)$

$=I_0\{R+R_1+2\sqrt{R{R}_1}[\cos \mathrm{\Φ}\cos \left(\mathrm{\β}a\cos 2\mathrm{\πft}\right)-\sin \mathrm{\Φ}\sin \left(\mathrm{\β}a\cos 2\mathrm{\πft}\right)\left]\right\}$

用贝塞尔函数展开上式可得：

$I\left(t\right)\≈I_0[R+R_1+2\sqrt{R{R}_1}{J}_0\left(\mathrm{\βa}\right)\cos \mathrm{\Φ}-4\sqrt{R{R}_1}{J}_1\left(\mathrm{\βa}\right)\sin \mathrm{\Φ}\cos 2\mathrm{\πft}$

$-4\sqrt{R{R}_1}{J}_2\left(\mathrm{\βa}\right)\cos \mathrm{\Φ}\cos 4\mathrm{\πft}+4\sqrt{R{R}_1}{J}_3\left(\mathrm{\βa}\right)\sin \mathrm{\Φ}\cos 6\mathrm{\πft}+4\sqrt{R{R}_1}{J}_4\left(\mathrm{\βa}\right)\cos \mathrm{\Φ}\cos 8\mathrm{\πft}]$

$=I_{00}+I_1\cos 2\mathrm{\πft}+I_2\cos 4\mathrm{\πft}+I_3\cos 6\mathrm{\πft}+I_4\cos 8\mathrm{\πft}$

对测量得到的光强作富利叶分析，可获得各次谐波的分量I₀₀，I₁，I₂，I₃，I₄等，并得到：

J₃(βa)/J₁(βa)＝I₃/I₁        (4)

tanΦ＝I₁J₂(βa)/I₂J₁(βa)    (5)

在一定的调相幅度范围内，可根据贝塞尔函数的性质由式(4)解出其幅度βa；然后由式(5)得到相位因子、Φ。

为了从Φ求出光纤光栅的相位因子θ，需要选择可变延时器延时速度和可调谐激光器波长扫描的速度。令可变延时器以恒定速度变化：l(t)＝l₀+vt；又令可调谐激光器的波长均速扫描：λ＝λ₀+ut。记ΔL＝L₂-L₁，相位因子Φ可改写为：

Φ＝2π(nΔL+l₀+vt)/(λ₀+ut)-θ(λ)    (6)

根据群时延的定义， $T_g=\frac{\∂\mathrm{\θ}}{\∂\mathrm{\ω}}=\frac{-{\mathrm{\λ}}^2}{2\mathrm{\πc}}\frac{\∂\mathrm{\θ}}{\∂\mathrm{\λ}};$ 群时延色散 $D=\frac{\∂T_g}{\∂\mathrm{\λ}}=\frac{2}{\mathrm{\λ}}{T}_g-\frac{{\mathrm{\λ}}^2}{2\mathrm{\πc}}\frac{{\∂}^2\mathrm{\θ}}{\∂{\mathrm{\λ}}^2},$ 由测量得到的干涉信号相位因子可以计算出：

$T_g=\frac{{\mathrm{\λ}}^2}{2\mathrm{\πcu}}\frac{\∂\mathrm{\Φ}}{\∂t}+\frac{\mathrm{n\ΔL}+l_0+\mathrm{vt}}{c}---\left(7\right)$

$D=\frac{{\mathrm{\λ}}^2}{2\mathrm{\πc}{u}^2}\frac{{\∂}^2\mathrm{\Φ}}{\∂t^2}+\frac{\mathrm{\λ}}{\mathrm{\πcu}}\frac{\∂\mathrm{\Φ}}{\∂t}---\left(8\right)$

上式中延时器扫描速度v和它的初始值l₀，以及波长扫描速度u，可以通过仪器设定。仔细选择和调整这些参量，使因子v-u(nΔL+l₀)/λ₀尽可能地减小，从而使相位因子Φ的变化减小，消除干涉信号周期性出现的多值问题，便于进行准确的测量。这就是本发明的差动干涉测量法的主要含义。上式中初始光程差(nΔL+l₀)也是一个需要测定的未知量，它可以通过选择二种以上扫描速率v和u的组合来消除。这样，就可以通过测量得到的干涉相位因子Φ的测量值，计算得到光纤光栅的群时延和群时延色散。

根据以上基本原理，利用上述光纤光栅群时延谱的差动干涉测量装置测量光纤光栅群时延谱的方法，其特征在于该测量方法的测试步骤如下：

①用常规光纤光谱仪测定待测光纤光栅的强度反射谱，得到反射谱的峰值波长λ₀和线宽Δλ，根据这二个参数，确定波长扫描范围，起始波长小于λ₀-Δλ/2，终止波长大于λ₀+Δλ/2；

②根据待测光纤光栅的长度L，确定可变延时器的扫描范围，即可调反射镜的移动距离应稍大于光纤光栅的几何长度L乘以光纤的折射率n，对于石英光纤折射率n大致为1.45；

③用光纤熔接机将待测光纤光栅的尾纤和光纤耦合器的尾纤直接熔接；在熔接前仔细测量计算干涉仪二臂的长度L₁，L₂，尽量减少二臂的光程差ΔL＝L₂-L₁；

④根据所采用的可调谐激光器、可变延时器的参数范围，选择可调谐激光器的扫描速率u、可变延时器扫描速率v和扫描起始位置l₀，使v-u(nΔL+l₀)/λ₀尽可能小，并选定光纤调相器的调制频率f和幅度a；

⑤进行群时延谱的测量，记录干涉信号光强，并用计算机数据采集卡采集信号光强的数据，采用快速富利叶变换方法，或者电子学滤波方法，就可以获得谐波幅度I₀₀，I₁，I₂，I₃，I₄，并获得这些谐波幅度随扫描时间的演变；

⑥由谐波幅度I₀₀，I₁，I₂，I₃，I₄和贝塞尔函数性质的数据库，根据下列公式：

J₃(βa)/J₁(βa)＝I₃/I₁

tanΦ＝I₁J₂(βa)/I₂J₁(βa)

解出干涉相位Φ及其随扫描时间的演变，从其时间演化规律，计算出干涉相位Φ对扫描时间的一次导数和二次导数；

⑦改变可调谐激光器的扫描速率u、可变延时器扫描速率v和扫描起始位置l₀，两次或两次以上重复上述步骤⑤⑥的测试步骤；

⑧再根据下列公式，消去未知参数(nΔL+l₀)，求得群时延谱和群时延色散：

$T_g=\frac{{\mathrm{\λ}}^2}{2\mathrm{\πcu}}\frac{\∂\mathrm{\Φ}}{\∂t}+\frac{\mathrm{n\ΔL}+l_0+\mathrm{vt}}{c}$

$D=\frac{{\mathrm{\λ}}^2}{2\mathrm{\πc}{u}^2}\frac{{\∂}^2\mathrm{\Φ}}{\∂t^2}+\frac{\mathrm{\λ}}{\mathrm{\πcu}}\frac{\∂\mathrm{\Φ}}{\∂t}$

所述的待测光纤光栅的尾纤和光纤耦合器的尾纤的连接也可以根据实际器件接头类型，分别用低回波损耗的光纤连接器加以连接，如APC接头加以连接。

本发明具有以下的优点：

1、本发明测量装置采用的可变延时器、光纤调相器和其它光纤元件、电子元器件都已有商用产品，价格比较低廉。可调谐激光器是多种在先技术均需要采用的基本光源，已有产品。

2、本发明测量装置简单易行、使用方便、稳定可靠；数据处理方法常规，通用性好。

3、本发明可通过多个仪表的设定参数进行选择和调整，适合于性能参数变化较大的不同光纤光栅器件的测量。

附图说明：

图1是本发明光纤光栅群时延谱的差动干涉测量装置实施例1光路示意图；

图2是本发明原理示意图；

图3是本发明光纤光栅群时延谱的差动干涉测量装置实施例2光路示意图；

图4是本发明光纤光栅群时延谱的差动干涉测量装置实施例3光路示意图；

图5是未接入光纤光栅的本底信号时干涉信号随扫描时间的变化：

图6是接入光纤光栅后的测量曲线时干涉信号随扫描时间的变化。

具体实施方式：

本发明光纤光栅群时延谱的差动干涉测量装置实施例1光路示意图如图1所示。由图可见，本发明光纤光栅的群时延谱的差动干涉测量装置，包括一四端光纤耦合器4，其第一端口41经一光隔离器5与一可调谐激光器6的输出端相连，第二端口42接待测光纤光栅1，第三端口43经光纤调相器3接反射式可变延时器2，第四端口44接光信号接收器7。

图3是本发明光纤光栅群时延谱的差动干涉测量装置实施例2光路示意图。

其中光纤调相器3是一个精密绕在环形压电陶瓷圈上的光纤31，它在电压源32的周期性电压的作用下会发生伸缩，从而提供一个调制的相移。光信号接收器7获得的光电转换信号输入由锁相环组成的滤波器8。该滤波器8同时接收从电压源32发出的调制同步信号，作为锁相环的基准信号。由此得到的各阶谐波幅度由计算机9的数据采集卡采集。计算机9根据程序计算相位因子Φ及其对时间的一阶和二阶导数，并计算出被测光纤光栅的群时延谱和群时延色散。

图4是本发明光纤光栅群时延谱的差动干涉测量装置实施例3光路示意图。其中光纤调相器是一段表面镀有金属微型加热器的光纤33，它在电流源34的周期性电流的作用下会发生温度的周期性变化，从而提供一个调制的相移。干涉仪接收器7获得的光电转换信号直接输入计算机9的高速数据采集卡采集。计算机9同时采集从电流源34发出的调制同步信号；或者由计算机9发出调制信号，触发电流源34提供同步的加热电流。计算机9根据数据进行快速富利叶变换，求出各阶谐波幅度，和相位因子Φ及其对时间的一阶和二阶导数，从而计算出被测光纤光栅的群时延谱和群时延色散。

上述二个实施方法中，调相器或数据处理方法可以交换采用。即，实施例一可以采用热光调制调相，而采用电路滤波器做信号处理。实施例二可以采用压电调相器，而采用计算机直接采集光电信号数据进行数据处理。

在图3和图4中，为了防止光纤光栅的光纤端面引起的反射影响测量精度，在图中光纤光栅尾部的端口上接有消反射器10。

图5和图6为一个测试数据的实际例子。被测光纤光栅1反射谱的线宽(-20dB)为0.8nm；其几何长度为10cm，相当于14.5cm光程。可调谐激光器6的扫描步长取为1pm，扫描1nm，共计记录1000个数据。可变延时器2扫描步长160微米，同期扫描160mm。图5是未接入光纤光栅1时测量系统的本底信号；图6是接入光纤光栅1后的测量曲线。该曲线是未采用光纤调相器3的测试结果，因此可以根据反余弦函数求得干涉相位Φ。然后可以计算Φ的一次和二次时间导数，计算得到群时延谱。可以看到，由于光谱和时延同时扫描的差动效应，使干涉信号曲线的变化周期大大增加，从而可以精细记录，并便于进行数据处理。

Claims (6)

1、一种光纤光栅的群时廷谱的差动干涉测量装置，其特征在于包括一四端光纤耦合器(4)，其第一端口(41)经一光隔离器(5)与一可调谐激光器(6)的输出端相连，第二端口(42)接待测光纤光栅(1)，第三端口(4 3)经光纤调相器(3)接反射式可变延时器(2)，第四端口(44)接光信号接收器(7)。

2、根据权利要求1所述的光纤光栅的群时延谱的差动干涉测量装置，其特征在于所述的光纤调相器(3)是由一个精密绕在环形压电陶瓷圈上的光纤(31)和一提供周期性电压的电压源(32)组成；所述的光信号接收器(7)经由锁相环滤波器(8)与计算机(9)的数据采集卡相连，电压源(32)与锁相环滤波器(8)相连。

3、根据权利要求1所述的光纤光栅的群时延谱的差动干涉测量装置，其特征在于所述的光纤调相器(3)是一段表面镀有金属微型加热器的光纤(33)和一产生周期性电流的电流源(34)串连构成的，所述的光信号接收器(7)直接与计算机(9)的数据采集卡相连，电流源(34)与计算机(9)相连。

4、根据权利要求1所述的光纤光栅的群时延谱的差动干涉测量装置，其特征在于所述的待测光纤光栅(1)尾部端口还接有消反射器(10)。

5、利用权利要求2或3所述的光纤光栅的群时延谱的差动干涉测量装置的测量光纤光栅的群时延谱的方法，其特征在于该测量方法的测试步骤如下：

①用常规光纤光谱仪测定待测光纤光栅(1)的强度反射谱，得到反射谱的峰值波长λ₀和线宽Δλ，根据这二个参数，确定波长扫描范围，起始波长小于λ₀-Δλ/2，终止波长大于λ₀+Δλ/2；

②根据待测光纤光栅(1)的长度L，确定可变延时器(2)的扫描范围，即可调反射镜的移动距离应稍大于光纤光栅(1)的几何长度L乘以光纤的折射率n，对于石英光纤折射率n大致为1.45；

③用光纤熔接机将待测光纤光栅(1)的尾纤和光纤耦合器(4)的尾纤直接熔接；在熔接或连接前仔细测量计算干涉仪二臂的长度L₁和L₂，尽量减少二臂的光程差ΔL＝L₂-L₁；

④根据所采用的可调谐激光器(6)、可变延时器(2)的参数范围，选择可调谐激光器(6)的扫描速率u、可变延时器(2)扫描速率v和扫描起始位置l₀，使v-u(nΔL+l₀)/λ₀尽可能小，并选定光纤调相器(3)的调制频率f和幅度a；

⑤进行群时延谱的测量，记录干涉信号光强，并用计算机(9)数据采集卡采集信号光强的数据，采用快速富利叶变换方法，或者电子学滤波方法，就可以获得谐波幅度I₀₀，I₁，I₂，I₃，I₄，并获得这些谐波幅度随扫描时间的演变；

⑥由谐波幅度I₀₀，I₁，I₂，I₃，I₄和贝塞尔函数性质的数据库，根据下列公式：

J₃(βα)/J₁(βα)＝I₃/I₁

tanΦ＝I₁J₂(βα)/I₂J₁(βα)

式中β＝nβ₀为光纤中的波矢，α为调制幅度，解出干涉相位Φ及其随扫描时间的演变，从其时间演化规律，计算出干涉相位Φ对扫描时间的一次导数和二次导数；

⑦改变可调谐激光器(6)的扫描速率u、可变延时器(2)扫描速率v和扫描起始位置l₀，两次或两次以上重复上述步骤⑤⑥的测试步骤；

⑧再根据下列公式，消去未知参数(nΔL+l₀)，求得群时延谱：

$T_g=\frac{{\mathrm{\λ}}^2}{2\mathrm{\πcu}}\frac{\∂\mathrm{\Φ}}{\∂t}+\frac{\mathrm{n\ΔL}+l_0+\mathrm{vt}}{c}$

和群时延色散：

$D=\frac{{\mathrm{\λ}}^2}{{2\mathrm{\πcu}}^2}\frac{{\∂}^2\mathrm{\Φ}}{\∂t^2}+\frac{\mathrm{\λ}}{\mathrm{\πcu}}\frac{\∂\mathrm{\Φ}}{\∂t}.$

6、根据权利要求5所述的测量光纤光栅的群时延谱的方法，其特征在于所述的待测光纤光栅(1)的尾纤和光纤耦合器(4)的尾纤的连接采用低回波损耗的光纤连接器连接。

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