光纖光柵群時延譜的差動幹涉測量裝置及其測量方法

2023-05-29 10:08:11

專利名稱：光纖光柵群時延譜的差動幹涉測量裝置及其測量方法
技術領域：
本發明涉及光纖光柵，特別是一種光纖光柵群時延譜和群時延色散的差動幹涉測量裝置及其測量方法，主要應用於光纖通信中光纖光柵色散補償器件的測試和其他有關光譜測量和調諧方面的應用。
背景技術：
光纖通信技術中影響傳輸距離的主要因素，一是光信號的衰減，二是光信號脈衝的展寬。光纖色散是光脈衝展寬的主要原因之一。利用啁啾光纖光柵反射譜的群時延特性，可以補償光纖的色散。它已成為一種主要的色散補償器件。色散補償啁啾光纖光柵的設計和製作，必須測量和控制它的群時延特性，包括群時延譜、群時延色散、群時延線性度等參數。為此需要對啁啾光纖光柵的群時延譜進行測量。其他種類的光纖光柵，如變跡(切趾)光纖光柵、相移光纖光柵、取樣光纖光柵等等特殊結構的光纖光柵，也需要根據應用要求，測量它們的群時延譜特性。
對光纖光柵群時延譜的測量，已經有一些發表的技術。在先技術之一是調製相移法(Modulation Phase Shift Method)。見[「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]。其基本原理是對光頻作微波調製，測量二個邊帶的時延差。從而計算光纖光柵的色散時延。該方法已經被開發成測量儀器，其價格昂貴。同時還存在測試數據的穩定性問題。據實際使用，色散數據往往與選取的微波調製頻率有關，需要根據經驗判斷。
在先技術之二是幹涉測量法(Interferometery Method)。見[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]。其基本原理是將被測光纖光柵接入一個光纖馬赫-曾德(Mach-Zehnder)幹涉儀中，以一個可調諧雷射器為光源，測量其輸出的幹涉信號，從而計算光纖光柵的色散時延。該方法在實際使用中也存在穩定性問題。這主要是由於該方法的幹涉信號存在周期性重複的問題，因此要通過對數據進行繁複的處理才能夠得到色散群時延的數值，而且幹涉信號隨外界因素影響又很大。因而帶來結果數據的穩定性問題。
在先技術之三，「啁啾光纖光柵群時延的測量方法」，中國專利ZL00127957.2。這一方法將被測光纖光柵接入一個外腔雷射器，測量雷射器的調製度，然後進行計算。該方法需要操作人員具有較高的技術水準，不易推廣應用。
在先技術之四，「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，採用低相干性光源，根據光相干反射方法測量。該方法具有時域解析度高的優點，但是波長的解析度較低。
光纖光柵時延譜的測量，不僅要求獲得器件強度譜的特性，還要求取得相位譜的特性。因此，利用幹涉效應進行測量是最常用的方法。但是，幹涉效應是周期性產生的。對於光纖光柵，尤其是具有大長度的光纖光柵，涉及的周期數量巨大。嚴格來說，相位信息要從大量數據中解調出來，不僅費時費工，需要昂貴的儀器，而且引起測量穩定性的問題。測量延時光譜時，要對波長進行掃描。掃描的步長不可能無限小。因此會引入測量數據的不連續性，影響相位數據的計算和處理。上述在先技術，利用不同的原理，實現相位譜的測量。但是仍各有欠缺。

發明內容
本發明要解決的技術問題是要克服上述在先技術測量方法的缺點，提供一種光纖光柵群時延譜的差動幹涉測量裝置及其測量方法，該方法應具有穩定可靠，成本較低的特點。
本發明光纖光柵群時延譜的差動幹涉測量方法，是一種基於光纖麥可遜(Michelson)幹涉儀，同時藉助正弦相位調製和延時線器件，實現光纖光柵反射率譜和群時延譜的準確測量。
本發明技術解決方案如下一種光纖光柵的群時延譜的差動幹涉測量裝置，其特徵在於包括一四端光纖耦合器，其第一埠經一光隔離器與一可調諧雷射器的輸出端相連，第二埠接待測光纖光柵，第三埠經光纖調相器接反射式可變延時器，第四埠接光信號接收器。
所述的光纖調相器是由一個精密繞在環形壓電陶瓷圈上的光纖和一提供周期性電壓的電壓源組成；所述的光信號接收器經由鎖相環濾波器與計算機的數據採集卡相連，該電壓源與鎖相環濾波器相連。
所述的光纖調相器是一段表面鍍有金屬微型加熱器的光纖和一產生周期性電流的電流源串連構成的，所述的光信號接收器直接與計算機的數據採集卡相連，電流源與計算機相連。所述的光信號接收器可以是一光二極體探測器所述的待測光纖光柵尾部埠還接有消反射器。
本發明測量方法的基本原理如下本發明的光路是一個光纖麥可遜幹涉儀，其基本參數如圖2所示。可調諧單頻雷射束經光纖耦合器分為等幅度的二路。一路入射到被測的光纖光柵，經光纖光柵反射回到光纖耦合器，並從左下埠輸出，進入光探測器。另外一路入射到由光纖調相器和可變延時器構成的幹涉臂。並在延時器的反射鏡上返回原光路，經光纖耦合器進入光探測器。二路返回光在光纖耦合器上發生幹涉。在光探測器上轉換為與光強成比例的光電流。
設光纖光柵複數光場反射率為r=Rexpi;]]>延時器的光場反射率為 這樣在幹涉儀輸出端的光波為E1E0{Rexp[i(L1+)]+R1exp[i(L2+L2+0l)]}---(1)]]>式中，β0＝2π/λ，β＝nβ0。調相器產生的位相差，用一個等效的光程βδL2表示。可變延時器引入了l＝l(t)的光程差。光探測器PD接收到的光強為I(t)=I0{R+R1+2RR1cos[(L2+L2-L1)-+0l]}---(2)]]>記Φ＝β(L2-L1)+β0l-θ；對調相器作餘弦函數調製，即δL2＝acos2πft，f為調相器的調製頻率，(2)式可寫為I(t)=I0{R+R1+2RR1cos(+acos2ft)}]]>=I0{R+R1+2RR1[coscos(acos2ft)-sinsin(acos2ft)]}---(3)]]>用貝塞爾函數展開上式可得
I(t)I0[R+R1+2RR1J0(a)cos-4RR1J1(a)sincos2ft]]>-4RR1J2(a)coscos4ft+4RR1J3(a)sincos6ft+4RR1J4(a)coscos8ft]]]>=I00+I1cos2ft+I2cos4ft+I3cos6ft+I4cos8ft]]>對測量得到的光強作富利葉分析，可獲得各次諧波的分量I00，I1，I2，I3，I4等，並得到J3(βa)/J1(βa)＝I3/I1(4)tanΦ＝I1J1(βa)/I2J1(βa) (5)在一定的調相幅度範圍內，可根據貝塞爾函數的性質由式(4)解出其幅度βa；然後由式(5)得到相位因子Φ。
為了從Φ求出光纖光柵的相位因子θ，需要選擇可變延時器延時速度和可調諧雷射器波長掃描的速度。令可變延時器以恆定速度變化l(t)＝l0+vt；又令可調諧雷射器的波長均速掃描λ＝λ0+ut。記ΔL＝L2-L1，相位因子Φ可改寫為Φ＝2π(nΔL+l0+vt)/(λ0+ut)-θ(λ) (6)根據群時延的定義，Tg==-22c;]]>群時延色散D=Tg=2Tg-22c22,]]>由測量得到的幹涉信號相位因子可以計算出Tg=22cut+nL+l0+vtc---(7)]]>D=22cu22t2+cut---(8)]]>上式中延時器掃描速度v和它的初始值l0，以及波長掃描速度u，可以通過儀器設定。仔細選擇和調整這些參量，使因子v-u(nΔL+l0)/λ0儘可能地減小，從而使相位因子Φ的變化減小，消除幹涉信號周期性出現的多值問題，便於進行準確的測量。這就是本發明的差動幹涉測量法的主要含義。上式中初始光程差(nΔL+l0)也是一個需要測定的未知量，它可以通過選擇二種以上掃描速率v和u的組合來消除。這樣，就可以通過測量得到的幹涉相位因子Φ的測量值，計算得到光纖光柵的群時延和群時延色散。
根據以上基本原理，利用上述光纖光柵群時延譜的差動幹涉測量裝置測量光纖光柵群時延譜的方法，其特徵在於該測量方法的測試步驟如下①用常規光纖光譜儀測定待測光纖光柵的強度反射譜，得到反射譜的峰值波長λ0和線寬Δλ，根據這二個參數，確定波長掃描範圍，起始波長小於λ0-Δλ/2，終止波長大於λ0+Δλ/2；②根據待測光纖光柵的長度L，確定可變延時器的掃描範圍，即可調反射鏡的移動距離應稍大於光纖光柵的幾何長度L乘以光纖的折射率n，對於石英光纖折射率n大致為1.45；③用光纖熔接機將待測光纖光柵的尾纖和光纖耦合器的尾纖直接熔接；在熔接前仔細測量計算幹涉儀二臂的長度，儘量減少二臂的光程差，即上面公式中的ΔL＝L2-L1；④根據所採用的可調諧雷射器、可變延時器的參數範圍，選擇掃描速率u和v，使v-u(nΔL+l0)/λ0儘可能小，並選定光纖調相器的調製頻率和幅度；⑤進行群時延譜的測量，記錄幹涉信號光強，並用計算機數據採集卡採集信號光強的數據，採用快速富利葉變換方法，或者電子學濾波方法，就可以獲得諧波幅度I00，I1，I2，I3，I4，並獲得這些諧波幅度隨掃描時間的演變；⑥由諧波幅度I00，I1，I2，I3，I4和貝塞爾函數性質的資料庫，根據下列公式J3(βa)/J1(βa)＝I3/I1
tanΦ＝I1J2(βa)/I2J1(βa)解出幹涉相位Φ及其隨掃描時間的演變，從其時間演化規律，計算出幹涉相位Φ對掃描時間的一次導數和二次導數；⑦改變可調諧雷射器的掃描速率u、可變延時器掃描速率v和掃描起始位置l0，兩次或兩次以上重複上述步驟⑤⑥的測試步驟；⑧再根據下列公式，消去未知參數(nΔL+l0)，求得群時延譜和群時延色散Tg=22cut+nL+l0+vtc]]>D=22cu22t2+cut]]>所述的待測光纖光柵的尾纖和光纖耦合器的尾纖的連接也可以根據實際器件接頭類型，分別用低回波損耗的光纖連接器加以連接，如APC接頭加以連接。
本發明具有以下的優點1、本發明測量裝置採用的可變延時器、光纖調相器和其它光纖元件、電子元器件都已有商用產品，價格比較低廉。可調諧雷射器是多種在先技術均需要採用的基本光源，已有產品。
2、本發明測量裝置簡單易行、使用方便、穩定可靠；數據處理方法常規，通用性好。
3、本發明可通過多個儀表的設定參數進行選擇和調整，適合於性能參數變化較大的不同光纖光柵器件的測量。


圖1是本發明光纖光柵群時延譜的差動幹涉測量裝置實施例1光路示意圖；圖2是本發明原理示意圖；圖3是本發明光纖光柵群時延譜的差動幹涉測量裝置實施例2光路示意圖；
圖4是本發明光纖光柵群時延譜的差動幹涉測量裝置實施例3光路示意圖；圖5是未接入光纖光柵的本底信號時幹涉信號隨掃描時間的變化圖6是接入光纖光柵後的測量曲線時幹涉信號隨掃描時間的變化。
具體實施例方式本發明光纖光柵群時延譜的差動幹涉測量裝置實施例1光路示意圖如圖1所示。由圖可見，本發明光纖光柵的群時延譜的差動幹涉測量裝置，包括一四端光纖耦合器4，其第一埠41經一光隔離器5與一可調諧雷射器6的輸出端相連，第二埠42接待測光纖光柵1，第三埠43經光纖調相器3接反射式可變延時器2，第四埠44接光信號接收器7。
圖3是本發明光纖光柵群時延譜的差動幹涉測量裝置實施例2光路示意圖。
其中光纖調相器3是一個精密繞在環形壓電陶瓷圈上的光纖31，它在電壓源32的周期性電壓的作用下會發生伸縮，從而提供一個調製的相移。光信號接收器7獲得的光電轉換信號輸入由鎖相環組成的濾波器8。該濾波器8同時接收從電壓源32發出的調製同步信號，作為鎖相環的基準信號。由此得到的各階諧波幅度由計算機9的數據採集卡採集。計算機9根據程序計算相位因子Φ及其對時間的一階和二階導數，並計算出被測光纖光柵的群時延譜和群時延色散。
圖4是本發明光纖光柵群時延譜的差動幹涉測量裝置實施例3光路示意圖。其中光纖調相器是一段表面鍍有金屬微型加熱器的光纖33，它在電流源34的周期性電流的作用下會發生溫度的周期性變化，從而提供一個調製的相移。幹涉儀接收器7獲得的光電轉換信號直接輸入計算機9的高速數據採集卡採集。計算機9同時採集從電流源34發出的調製同步信號；或者由計算機9發出調製信號，觸發電流源34提供同步的加熱電流。計算機9根據數據進行快速富利葉變換，求出各階諧波幅度，和相位因子Φ及其對時間的一階和二階導數，從而計算出被測光纖光柵的群時延譜和群時延色散。
上述二個實施方法中，調相器或數據處理方法可以交換採用。即，實施例一可以採用熱光調製調相，而採用電路濾波器做信號處理。實施例二可以採用壓電調相器，而採用計算機直接採集光電信號數據進行數據處理。
在圖3和圖4中，為了防止光纖光柵的光纖端面引起的反射影響測量精度，在圖中光纖光柵尾部的埠上接有消反射器10。
圖5和圖6為一個測試數據的實際例子。被測光纖光柵1反射譜的線寬(-20dB)為0.8nm；其幾何長度為10cm，相當於14.5cm光程。可調諧雷射器6的掃描步長取為1pm，掃描1nm，共計記錄1000個數據。可變延時器2掃描步長160微米，同期掃描160mm。圖5是未接入光纖光柵1時測量系統的本底信號；圖6是接入光纖光柵1後的測量曲線。該曲線是未採用光纖調相器3的測試結果，因此可以根據反餘弦函數求得幹涉相位Φ。然後可以計算Φ的一次和二次時間導數，計算得到群時延譜。可以看到，由於光譜和時延同時掃描的差動效應，使幹涉信號曲線的變化周期大大增加，從而可以精細記錄，並便於進行數據處理。
權利要求
1.一種光纖光柵的群時延譜的差動幹涉測量裝置，其特徵在於包括一四端光纖耦合器(4)，其第一埠(41)經一光隔離器(5)與一可調諧雷射器(6)的輸出端相連，第二埠(42)接待測光纖光柵(1)，第三埠(43)經光纖調相器(3)接反射式可變延時器(2)，第四埠(44)接光信號接收器(7)。
2.根據權利要求1所述的光纖光柵的群時延譜的差動幹涉測量裝置，其特徵在於所述的光纖調相器(3)是由一個精密繞在環形壓電陶瓷圈上的光纖(31)和一提供周期性電壓的電壓源(32)組成；所述的光信號接收器(7)經由鎖相環濾波器(8)與計算機(9)的數據採集卡相連，電壓源(32)與鎖相環濾波器(8)相連。
3.根據權利要求1所述的光纖光柵的群時延譜的差動幹涉測量裝置，其特徵在於所述的光纖調相器(3)是一段表面鍍有金屬微型加熱器的光纖(33)和一產生周期性電流的電流源(34)串連構成的，所述的光信號接收器(7)直接與計算機(9)的數據採集卡相連，電流源(34)與計算機(9)相連。
4.根據權利要求1所述的光纖光柵的群時延譜的差動幹涉測量裝置，其特徵在於所述的待測光纖光柵(1)尾部埠還接有消反射器(10)。
5.利用權利要求2或3所述的光纖光柵的群時延譜的差動幹涉測量裝置的測量光纖光柵的群時延譜的方法，其特徵在於該測量方法的測試步驟如下①用常規光纖光譜儀測定待測光纖光柵(1)的強度反射譜，得到反射譜的峰值波長λ0和線寬Δλ，根據這二個參數，確定波長掃描範圍，起始波長小於λ0-Δλ/2，終止波長大於λ0+Δλ/2；②根據待測光纖光柵(1)的長度L，確定可變延時器(2)的掃描範圍，即可調反射鏡的移動距離應稍大於光纖光柵(1)的幾何長度L乘以光纖的折射率n，對於石英光纖折射率n大致為1.45；③用光纖熔接機將待測光纖光柵(1)的尾纖和光纖耦合器(4)的尾纖直接熔接；在熔接或連接前仔細測量計算幹涉儀二臂的長度，儘量減少二臂的光程差，即上面公式中的ΔL＝L2-L1；④根據所採用的可調諧雷射器(6)、可變延時器(2)的參數範圍，選擇掃描速率u和v，使v-u(nΔL+l0)/λ0儘可能小，並選定光纖調相器(3)的調製頻率和幅度；⑤進行群時延譜的測量，記錄幹涉信號光強，並用計算機(9)數據採集卡採集信號光強的數據，採用快速富利葉變換方法，或者電子學濾波方法，就可以獲得諧波幅度I00，I1，I2，I3，I4，並獲得這些諧波幅度隨掃描時間的演變；⑥由諧波幅度I00，I1，I2，I3，I4和貝塞爾函數性質的資料庫，根據下列公式J3(βα)/J1(βα)＝I3/I1tanΦ＝I1J2(βα)/I2J1(βα)解出幹涉相位Φ及其隨掃描時間的演變，從其時間演化規律，計算出幹涉相位Φ對掃描時間的一次導數和二次導數；⑦改變可調諧雷射器(6)的掃描速率u、可變延時器(2)掃描速率v和掃描起始位置l0，兩次或兩次以上重複上述步驟⑤⑥的測試步驟；⑧再根據下列公式，消去未知參數(nΔL+l0)，求得群時延譜Tg=22cut+nL+l0+vtc]]>和群時延色散D=22cu22t2+cut]]>
6.根據權利要求5所述的光纖光柵的群時延譜的差動幹涉測量方法，其特徵在於所述的待測光纖光柵(1)的尾纖和光纖耦合器(4)的尾纖的連接也可以採用低回波損耗的光纖連接器加以連接，如APC接頭加以連接。
全文摘要
一種光纖光柵群時延譜的差動幹涉測量裝置及其測量方法，本發明光纖光柵的群時延譜的差動幹涉測量裝置，其特徵在於包括一四端光纖耦合器，其第一埠經一光隔離器與一可調諧雷射器的輸出端相連，第二埠接待測光纖光柵，第三埠經光纖調相器接反射式可變延時器，第四埠接光信號接收器。利用本發明光纖光柵的群時延譜的差動幹涉測量裝置進行光纖光柵的群時延譜的差動幹涉測量的方法具有簡單方便，成本低廉，適用面較廣等優點。
文檔編號G01J9/00GK1546962SQ200310109410
公開日2004年11月17日 申請日期2003年12月15日 優先權日2003年12月15日
發明者方祖捷, 瞿榮輝, 蔡海文, 李琳 申請人:中國科學院上海光學精密機械研究所