CN101706360B - 采用f-p标准具进行可调谐光滤波器非线性测试的方法及装置 - Google Patents

Abstract

一种用F-P标准具进行可调谐光滤波器非线性测试的方法及装置。该装置包括可调谐激光器与光功率模块、基于可调谐光滤波器的测试模块、F-P标准具模块以及中央处理模块四部分。F-P标准具可在较大范围内提供多个参考波长，利用多项式拟合法对可调谐光滤波器的波长-电压关系进行拟合，可以刻画可调谐光滤波器的波长响应特性，实现了对可调谐光滤波器中PZT驱动电压和光滤波器透射带之间非线性关系的研究。与现有测试方法相比，本发明提出的方法提供了多个参考波长，大大提高了***的检测灵敏度。将此方法应用于光纤通信等领域时，利用波长-电压之间的多项式拟合系数检测其他位置的波长值，可实现较大范围内的高精度波长定位。

Description

采用F-P标准具进行可调谐光滤波器非线性测试的方法及装置

【技术领域】：本发明属于传感及检测技术领域。

【背景技术】：可调谐光滤波器是一种波长(频率)选择器件，它的功能是从许多不同波长的输入光信号中，根据需要选择出特定波长的光信号。伴随着波分复用技术的飞速发展，可调谐光滤波器的技术也在不断发展、完善。目前，可调谐光滤波器已被广泛应用于光纤通信、光纤传感以及光谱分析等诸多领域。

当一束单色光入射到由两块具有理想光学表面的平行透明板和端面相互平行的间隔圈组成的腔体时，光束在端面上将发生多次反射，两个端面的透射光分别形成等倾干涉条纹，使得满足一定相位关系的透射光很强，其它透射光的强度都非常小，从而实现光滤波功能。使用压电陶瓷驱动其中一个端面运动，可以改变两个反射端面之间的距离，从而实现了不同波长光信号的选择。当两个反射端面之间的距离连续改变时，透射光信号的波长值也相应的连续变化，也就是实现了可调谐光滤波器。由于压电陶瓷(PZT)驱动电压和微位移之间的关系是非线性的，从而导致了驱动电压和可调谐光滤波器透射波长之间的关系必然也是非线性的。

已有研究成果已经证明，提供参考波长会比不提供参考波长大大降低由PZT驱动电压和微位移之间的非线性关系造成的***误差。F-P标准具可以在宽带光源照射下产生梳状透射谱，这种梳状谱可以为可调谐光滤波器非线性测试提供多个参考波长。将此方法应用于***中，可明显降低***的波长定位误差。

因此，采用F-P标准具进行可调谐光滤波器非线性测试的方法对于提高***性能，降低***误差具有十分重要的意义。

【发明内容】：本发明目的是解决驱动电压和可调谐光滤波器透射波长之间的非线性问题，提供一种采用F-P标准具进行可调谐光滤波器非线性测试的方法及装置。

本发明应用F-P标准具提供的多个参考波长进行可调谐光滤波器非线性测试，采用多项式拟合法描述PZT驱动电压和微位移之间的非线性关系，从而在较大范围内降低可调谐光滤波器的波长定位误差。

本发明原理

F-P标准具原理示意图如图1所示。若有一束平行白光垂直正入射到一块两面反射率都很高的F-P标准具上时，cosθ′≈1。当波长满足

${\mathrm{\λ}}_0={{\mathrm{\λ}}_0}^{\left(m\right)}=\frac{2n^{\′}h}{m},m=\mathrm{1,2},\·\·\·---\left(1\right)$

时，透射光的强度达到极大；而且在各极大两边的波长处，透射光的强度急剧下降到很低。公式(1)中，m为多光束干涉级次，n′为F-P标准具两平行平板间的介质折射率，h为两平行平板间的距离，λ₀ ^(m)为m级干涉条纹对应的波长。从而在F-P标准具的透射方向上就形成了透射梳状谱，如图2所示。

定义波长上相邻两个透射带的波长差FSR为

$\mathrm{\Δ}{{\mathrm{\λ}}_0}^{\left(m\right)}\≡{{\mathrm{\λ}}_0}^{\left(m\right)}-{{\mathrm{\λ}}_0}^{(m+1)}\≈\frac{2n^{\′}h}{m^2}=\frac{{{\mathrm{\λ}}_0}^{\left(m\right)}}{m}---\left(2\right)$

由(1)、(2)两式可知，F-P标准具在两个端面距离h和端面之间介质折射率n′固定时，透射的一系列波长和FSR是固定的。

基于以上F-P标准具的原理，本发明提出了一种利用F-P标准具为可调谐光滤波器提供多个参考波长的非线性测试方法及测试装置。

本发明提供的采用F-P标准具进行可调谐光滤波器非线性测试的装置包括，可调谐激光器与光功率模块、基于可调谐光滤波器的测试模块、F-P标准具模块以及中央处理模块四部分，其中：

第一部分，可调谐激光器与光功率模块组成包括：可调谐激光器模块，可调谐激光器模块的输出与第一光环形器的端子①连接，第一光环形器的端子②与第三部分中的光开关进行连接，第一光环形器的端子③与光功率模块连接，可调谐激光器与光功率模块由控制主机进行操作并通过USB-GPIB转换卡与中央处理模块进行双相连接；

第二部分、基于可调谐光滤波器的测试模块组成包括：宽带光源，宽带光源与第二光环形器的端子①连接，第二光环形器的端子②与第三部分中的光开关进行连接，第二光环形器的端子③依次连接可调谐光滤波器和光电探测模块，光电探测模块将采集到的信号通过多功能数据采集卡送入中央处理模块中，另外，多功能数据采集卡输出电压，此电压通过窄带放大器后用于驱动可调谐滤波器；

第三部分、F-P标准具模块组成包括：光开关的输入端①与输出端③接通时，F-P标准具模块与可调谐激光器与光功率模块接通；光开关的输入端②与输出端③接通时，F-P标准具模块与基于可调谐光滤波器的测试模块接通；光开关的输出端③通过光耦合器与F-P标准具连接，F-P标准具的输出端经过光隔离器再次返回光耦合器；

第四部分、中央处理模块组成包括：计算机，该计算机通过USB-GPIB转换卡连接可调谐激光器与光功率模块，并通过多功能数据采集卡与基于可调谐光滤波器的测试模块相连。

本发明提供的采用以上所述装置进行可调谐光滤波器非线性的测试方法的步骤如下：

第一、将可调谐激光器模块、光功率模块分别通过环形器与F-P标准具连接，采用波长步进扫描方式同步工作，扫描一个周期可测得F-P标准具在这一波长范围内的透射波长，这些波长值通过USB-GPIB转换卡送入计算机中记录下来作为参考波长；

第二、将F-P标准具与基于可调谐光滤波器的测试模块连接，宽带光源1发出的光通过光环形器、光开关以及光耦合器后射入F-P标准具，经F-P标准具后形成了梳状透射谱，透射信号返回并进入可调谐光滤波器，并由光电探测器检测光强大小；同时，计算机通过多功能数据采集卡输出三角波或锯齿波电压，经窄带放大器后用于驱动可调谐滤波器；多功能数据采集卡上模拟输出与模拟输入端口的同步实现保证了F-P标准具梳状透射谱采集的准确、有效，记录F-P标准具透射谱对应的驱动电压值；

第三、通过以上两步，分别记录上升沿和下降沿中与参考波长相匹配的、可调谐滤波器的所有透射波长值以及这些波长对应的驱动电压值，再利用公式(3)进行多项式拟合，便可绘制可调谐光滤波器的透射波长-驱动电压曲线，用于研究可调谐光滤波器的非线性特性，

${\mathrm{\λ}}_k=\underset{i=0}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{a}_i{v}_k^i,k=\mathrm{1,2},\·\·\·---\left(3\right)$

其中，λ_k为透射波长，v_k为对应的驱动电压，{a_i}为采用最小二乘法由实验数据计算得到的多项式拟合系数，N为拟合误差达到最小时对应的拟合次数。

本发明的优点和积极效果：

本发明提出了一种新型可调谐光滤波器非线性测试方法，测试***中，利用F-P标准具提供的多个透射参考波长，刻画可调谐光滤波器的波长-电压关系，从而实现了对可调谐光滤波器中PZT驱动电压和光滤波器透射带非线性关系的研究。

较现有测试方法，本发明提出的方法提供了多个参考波长，从而大大提高了***的检测灵敏度。将此方法应用于光纤通信、光纤传感以及光谱分析***时，利用波长-电压之间的多项式拟合系数检测其他位置的波长值，可实现较大范围内的高精度波长定位。因此，本发明具有巨大的经济效益和科研价值。

【附图说明】：

图1是F-P标准具原理图；

图2是F-P标准具梳状透射谱；

图3是基于F-P标准具的可调谐光滤波器非线性测试装置原理框图；

图中，1是宽带光源、2为第二光环形器、3是光开关、4是F-P标准具、5是光隔离器、6为第一光环形器、7是可调谐激光器模块、8是光功率模块、9是控制主机、10是USB-GPIB转换卡、11是计算机、12多功能数据采集卡、13是窄带放大器、14是可调谐光滤波器、15是光电探测模块、16是光耦合器。

图4是光开关3的第一种状态；

图5是光开关3的第二种状态。

图6是可调谐光滤波器透射波长与驱动电压之间的关系

图7是可调谐光滤波器透射波长与驱动电压拟合的标准差

【具体实施方式】：

实施例1：采用F-P标准具进行可调谐光滤波器非线性测试的装置

如图3所示，***主要包括可调谐激光器与光功率模块、基于可调谐光滤波器的测试模块、F-P标准具以及中央处理模块四部分构成，其中：

第一部分，可调谐激光器与光功率模块组成包括：可调谐激光器模块7，可调谐激光器模块的输出与第一光环形器6的端子①连接，第一光环形器的端子②与第三部分中的光开关3进行连接，第一光环形器的端子③与光功率模块8连接，可调谐激光器与光功率模块由控制主机9进行操作并通过USB-GPIB转换卡10与中央处理模块进行双相连接；

第二部分、基于可调谐光滤波器的测试模块组成包括：宽带光源1，宽带光源与第二光环形器2的端子①连接，第二光环形器的端子②与第三部分中的光开关3进行连接，第二光环形器的端子③依次连接可调谐光滤波器14和光电探测模块15，光电探测模块将采集到的信号通过多功能数据采集卡12送入中央处理模块中，另外，多功能数据采集卡输出电压，此电压通过窄带放大器13后用于驱动可调谐滤波器；

第三部分、F-P标准具模块组成包括：光开关3的输入端①与输出端③接通时，F-P标准具模块与可调谐激光器与光功率模块接通；光开关的输入端②与输出端③接通时，F-P标准具模块与基于可调谐光滤波器的测试模块接通；光开关3的输出端③通过光耦合器16与F-P标准具4连接，F-P标准具4的输出端经过光隔离器5再次返回光耦合器16；

第四部分、中央处理模块组成包括：计算机11，该计算机通过USB-GPIB转换卡10连接可调谐激光器与光功率模块，并通过多功能数据采集卡12与基于可调谐光滤波器的测试模块相连。

可调谐激光器与探测器模块用于检测F-P标准具的透射波长，基于可调谐光滤波器的测试模块用于检测F-P标准具透射波长对应的PZT驱动电压值，F-P标准具为***提供了多个固定的参考波长。

当光开关3如图4所示处于状态一时，可调谐激光器模块7、光功率模块8通过第一环形器6与F-P标准具4连接时，采用波长步进扫描方式同步工作，可测得F-P标准具在这一波长范围内的透射波长，这一系列波长作为参考波长。

而当光开关3如图5所示处于状态二时，基于可调谐光滤波器的测试模块通过第二光环形器2与F-P标准具4连接时，可调谐光滤波器14在三角波(或锯齿波)电压驱动下连续扫描，在上升沿(或下降沿)可采集得到F-P标准具的透射光谱。由于可调谐光滤波器的透射波长和驱动电压之间一一对应的关系，采用波长-电压曲线可以刻画可调谐光滤波器的波长响应特性，利用多项式拟合法分析可调谐光滤波器的波长-电压关系如公式(3)所示

${\mathrm{\λ}}_k=\underset{i=0}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{a}_i{v}_k^i,k=\mathrm{1,2},\·\·\·---\left(3\right)$

其中，λ_k为透射波长，v_k为对应的驱动电压，{a_i}为采用最小二乘法由实验数据计算得到的多项式拟合系数，N为拟合误差达到最小时对应的拟合次数。由于F-P标准具提供了多个参考波长，这就极大地提高了多项式拟合系数{a_i}的拟合精确度。

实施例2：多项式拟合法分析可调谐光滤波器的波长-电压关系的最佳实施方案

由于F-P可调谐光滤波器的透射波长和驱动电压之间是一一对应关系，采用波长-电压曲线刻画可调谐光滤波器的波长非线性。采用多项式拟合法分析F-P可调谐光滤波器的波长-电压关系，即

${\mathrm{\λ}}_k=\underset{i=0}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{a}_i{v}_k^i,k=\mathrm{1,2},\·\·\·---\left(3\right)$

其中，λ_k为透射波长，v_k为对应的驱动电压，{a_i}为采用最小二乘法由实验数据计算得到的多项式拟合系数，N为拟合误差达到最小时对应的拟合次数。

采用本发明的装置，当窄带放大器13输出的驱动电压在0V～18V范围内变化时，可调谐光滤波器的透射波长随驱动电压的变化关系如图6所示。由图可知，随着驱动电压增加，透射波长向短波长方向移动，且两者之间的关系是非线性的。

采用(3)式对图6中实验数据进行多项式拟合，不同拟合次数下拟合标准差如图7所示。由图可知，线性拟合时标准差较大为1.534nm，平均线性误差为1.48％；随着拟合次数增加，标准差逐渐降低，且拟合次数在2至6次时标准差相当，拟合次数在8至12次时标准差相当；当拟合次数为12时，标准差达到最小为0.183nm；当拟合次数大于12时，标准差急剧增大，这是因为拟合次数太高使拟合曲线上出现拐点所致。

从以上实验数据可知，在一定范围内增加拟合次数，可以较大地减小拟合标准差，从而提高曲线拟合精确度。F-P标准具可以为(3)式提供多个参考波长，从而提高了拟合次数，相应地提高了拟合系数{a_i}的拟合精确度。

利用波长-电压之间的多项式拟合系数检测其他位置的波长值，可实现较大范围内的高精度波长定位。

Claims (2)

1.一种采用F-P标准具进行可调谐光滤波器非线性测试的装置，其特征在于该装置包括可调谐激光器与光功率模块、基于可调谐光滤波器的测试模块、F-P标准具模块以及中央处理模块四部分，其中：

第一部分、可调谐激光器与光功率模块组成包括：可调谐激光器模块，可调谐激光器模块的输出与第一光环形器的端子①连接，第一光环形器的端子②与第三部分中的光开关进行连接，第一光环形器的端子③与光功率模块连接，可调谐激光器与光功率模块由控制主机进行操作并通过USB-GPIB转换卡与中央处理模块进行双相连接；

第二部分、基于可调谐光滤波器的测试模块组成包括：宽带光源，宽带光源与第二光环形器的端子①连接，第二光环形器的端子②与第三部分中的光开关进行连接，第二光环形器的端子③依次连接可调谐光滤波器和光电探测模块，光电探测模块将采集到的信号通过多功能数据采集卡送入中央处理模块中，另外，多功能数据采集卡输出电压，此电压通过窄带放大器后用于驱动可调谐滤波器；

第三部分、F-P标准具模块组成包括：光开关的输入端①与输出端③接通时，F-P标准具模块与可调谐激光器与光功率模块接通；光开关的输入端②与输出端③接通时，F-P标准具模块与基于可调谐光滤波器的测试模块接通；光开关的输出端③通过光耦合器与F-P标准具连接，F-P标准具的输出端经过光隔离器再次返回光耦合器；

第四部分、中央处理模块组成包括：计算机，该计算机通过USB-GPIB转换卡连接可调谐激光器与光功率模块，并通过多功能数据采集卡与基于可调谐光滤波器的测试模块相连。

2.一种采用权利要求1所述装置进行可调谐光滤波器非线性的测试方法，其特征在于该方法的步骤如下：

第一、将可调谐激光器模块、光功率模块分别通过环形器与F-P标准具连接，采用波长步进扫描方式同步工作，扫描一个周期可测得F-P标准具在这一波长范围内的透射波长，这些波长值通过USB-GPIB转换卡送入计算机中记录下来作为参考波长；

第二、将F-P标准具与基于可调谐光滤波器的测试模块连接，宽带光源发出的光通过光环形器、光开关以及光耦合器后射入F-P标准具，经F-P标准具后形成了梳状透射谱，透射信号返回并进入可调谐光滤波器，并由光电探测器检测光强大小；同时，计算机通过多功能数据采集卡输出三角波或锯齿波电压，经窄带放大器后用于驱动可调谐滤波器；多功能数据采集卡上模拟输出与模拟输入端口的同步实现保证了F-P标准具梳状透射谱采集的准确、有效，记录F-P标准具透射谱对应的驱动电压值；

第三、通过以上两步，分别记录上升沿和下降沿中与参考波长相匹配的、可调谐滤波器的所有透射波长值以及这些波长对应的驱动电压值，再利用公式(3)进行多项式拟合，便可绘制可调谐光滤波器的透射波长-驱动电压曲线，用于研究可调谐光滤波器的非线性特性，

${\mathrm{\λ}}_k=\underset{i=0}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{a}_i{v}_k^i,k=\mathrm{1,2},\·\·\·---\left(3\right)$

其中，λ_k为透射波长，v_k为对应的驱动电压，a_i为采用最小二乘法由实验数据计算得到的多项式拟合系数，N为拟合误差达到最小时对应的拟合次数。

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