CN113804405A - 一种基于双耦合器环行光路结构的微量光纤色散测量装置 - Google Patents

一种基于双耦合器环行光路结构的微量光纤色散测量装置 Download PDF

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喻张俊
薛志锋
汪燚
杨军
徐鹏柏
温坤华
王云才
秦玉文
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Abstract

本发明公开一种基于双耦合器环行光路结构的微量光纤色散测量装置，可用于色散系数小或长度短的光纤及器件的高精度色散测量，属于光纤测量技术领域。装置包括宽谱光源、干涉仪、双耦合器环路结构、探测模块和色散计算模块，其特征是：宽谱光源为干涉仪提供光源，双耦合器环路结构接入干涉仪的测量臂，通过调整参考臂的光程，可以获得带有色散信息的干涉信号，最后利用色散计算模块提取干涉信号中的色散信息。双耦合器环路结构一方面额外提供一个可以调节的功率耦合比例参数，另一方面在相同***动态范围的情况下，该结构能够支持光波列更多的环行次数，进而提高色散测量精度。本发明解决了现有技术难以高精度测量光纤及其器件微量色散的问题。

Description

一种基于双耦合器环行光路结构的微量光纤色散测量装置
技术领域
本发明属于光纤测量技术领域，具体涉及到一种基于环行光路结构的光纤器件微量色度色散测量装置。
背景技术
光纤通信以其传输容量大、抗干扰能力强的特点，已成为通信***中的重要部分。随着社会的发展，各种信息量越来越大，这就要求更高速的通信***，而在高速光纤通信***中，色散的存在会造成码间串扰，因此需要对光纤通信***进行色散补偿。进行色散补偿，须先知道光纤通信***的色散值，因此，色散测量成为必不可少的环节。常用的色散测量方法有时延法、相移法和干涉法等。
对于时延法，基本原理是将不同波长的光脉冲分别注入到待测光纤及器件中，由于色散的存在，使得不同波长的光脉冲到达另一端的时间不同，通过测量不同波长光脉冲的到达时间差可以计算出色散值。例如美国专利(20040169848)，又比如文献“Comparisonof single-mode fiber dispersion measurement techniques”(Lightwave Technol，vol.3，no.5，pp.958-966，1985)中提到时延法对色度色散的测量精度在1ps/nm左右，测量精度很低，原因在于难以准确地获得时延值。时延法测量色散要求待测光纤长度在km级别以累积足够的色散量，才能相对比较精确地分辨出不同脉冲间的到达时间差，因此不能用于测量短光纤的色散。
相移法是先对光进行正弦强度调制，再将此调制光信号注入到待测光纤及器件中，由于色散效应，出来的光信号会有延迟，不同频率成分的光调制信号具有不同的延迟，因此可以从不同频率光信号间的延迟量计算出色散值。相移法已经有相当充分的研究，例如，美国Francois Babin等人提出一种测量强度调制光信号相位差的装置及方法(US6429929)，又比如BRUNO COSTA等人在文献“Phase Shift Technique for theMeasurement of Chromatic Dispersion in Optical Fibers Using LED′s”(IEEETransactions on Microwave Theory and Techniques，vol.30，no.10，pp.1497-1503，1982)中使用基于LED光源的相移法测量了光纤的色度色散，精度为1ps/nm。纵观各种相移法和改良的相移法，可知相移法的最小测量长度在几十米，仍然无法准确测量短光纤(小于1m)的色散。
时域干涉法的基本原理为固定光源波长，改变两臂间的光程差，从而获得关于时间的干涉信号，对该时域干涉信号进行傅里叶变换，获得相位信息，再对相位求导得到色散值，测量精度可达0.0015ps/nm。Carlos Palavicini等人在文献“Phase-sensitiveoptical low-coherence reflectometry technique applied to the characterizationof photonic crystal fiber properties(Opt Lett，vol.30，no.4，p.361，2005)”中使用光学低相干干涉仪测量了81.4cm长的光子晶体光纤的色散。虽然一般的时域干涉法可以测量短光纤(小于1m)的色散，但对于一些色散系数极小的光纤，其测量精度会迅速下降。对于中国专利(202110827979.X)，提出一种基于环行光路结构的色散测量装置，可以对色散系数小且长度短的光纤及器件进行色散测量，但其环路结构只使用一个耦合器，并且其直通臂直接与干涉仪相连，造成无用的光信号直接进入到探测器，降低干涉信号的信噪比，从而降低色散测量的精度。
谱域干涉法是固定干涉仪两臂的长度，改变光源的波长，从而获得干涉谱。由于色散的存在，不同波长的光通过干涉仪后的光程差不同(两臂长度固定，波长不同会有不同的折射率)，从而在干涉谱上显示为不同波长对应不同强度。MITSUHIRO TATEDA等人在文献“Interferometric Method for Chromatic Dispersion Measurement in a Single-ModeOptical Fiber，”(Journal of Quantum Electronics，Vol.17，pp.404-4071981)中测量了小于1m的单模光纤的色散。又比如美国专利(US20100134787)利用谱域干涉法测量了11.9cm长的光纤的色散。这种方法可以测量小于1m的光纤，对于非平衡式谱域干涉法，其色度色散的测量精度达0.0001ps/nm，而对于平衡式谱域干涉法，可达0.00007ps/nm。但对于微量色散系数光纤(例如空心光纤)，由于色散量太小，谱域干涉法的测量精度就会大幅降低，仍然无法准确测量色散系数小且长度短的光纤及器件的色散。
时延法、相移法均不能对短长度的光纤进行高精度色散测量，一般的时域干涉法与谱域干涉法虽然可以测量短光纤，但对于一些色散系数很小的光纤，其测量精度会大幅降低，因此提出一种可对微量色散的光纤及器件进行色散测量的装置显得极为重要。基于光纤谐振腔型的单耦合器环路结构由于耦合器直通臂的无用光信号直接进入到探测器，会在采集到的干涉信号中引入较大的噪声，降低信噪比，从而劣化色散测量精度，因此需要一种可消除耦合器直通臂无用光信号影响的环路结构。针对以上问题，本发明提到的基于双耦合器的环路结构，一方面可以通过光环行来放大色散量以提高测量精度，另一方面又可以消除耦合器直通臂的噪声影响以提高信噪比，从而进一步提高色散测量的精度。所以，带有基于双耦合器环路结构的色散测量装置可以完美地解决上述方法所不能测量色散系数小且长度短的光纤及器件的问题，同时也能在相同***动态范围的情况下，支持光波列更多的环行次数，进一步提高色散测量精度。
发明内容
本发明的目的在于一种基于双耦合器环行光路结构的微量光纤色散测量装置，解决了背景技术中难以精确测量色散系数小且长度短的光纤及器件色散的问题，同时，基于双耦合器环行光路结构能够在相同***动态范围的情况下，支持更多环行次数的光波列，进而进一步提高色散测量精度。
一种基于双耦合器环行光路结构的微量光纤色散测量装置，其特征在于：宽谱光源10、干涉仪20、双耦合器环路结构30、探测模块60和色散计算模块80组成本装置，其中：
1)宽谱光源10发出的光注入到干涉仪20中，双耦合器环路结构30接入到干涉仪20，干涉仪20的输出光由探测模块60来探测，探测模块60探测到的干涉信号送到色散计算模块80中；
2)在双耦合器环路结构30中，光从第二耦合器第一输入端311注入到第二耦合器31中，分光后，一路从第二耦合器第二输出端314输出，另一路从第二耦合器第一输出端313输出，经待测光纤及器件33、第三耦合器第一输入端321注入到第三耦合器32，分光后一路从第三耦合器第二输出端324输出，另一路从第三耦合器第一输出端323输出并经第二耦合器第二输入端312注入到第二耦合器31，完成一次环行，再次环行按前述路径进行；
3)在色散计算模块80中，数据采集卡81采集来自探测模块60中的干涉信号，再经干涉峰截取单元82截取两个干涉峰，其中，第一干涉峰885输入到第一色散系数提取单元83进行色散系数提取，第二干涉峰884输入到第二色散系数提取单元84进行色散系数提取，两个干涉峰的色散系数输入到色散差分单元85进行差分运算，得到待测光纤及器件33的色散系数。
所述的干涉仪20，其特征在于：光从第一耦合器第一输入端211注入到第一耦合器21，分成两路，一路经第一耦合器第二输出端214、双耦合器环路结构30和第四耦合器第二输入端262进入到第四耦合器26，其中，在双耦合器环路结构30中环行m次输出第m波包251，环行m+1次输出第m+1波包252，环行m+2次输出第m+2波包253；另一路经第一耦合器第一输出端213、参考光纤22、光程相关器23和第四耦合器第一输入端261进入到第四耦合器26；两路光在第四耦合器26合束。
所述的干涉仪20，其特征是：第一耦合器第二输出端214的长度为L214、折射率为n，第四耦合器第二输入端262的长度为L262、折射率为n，第一耦合器第一输出端213的长度为L213，折射率为n，第四耦合器第一输入端261的长度为L261、折射率为n，参考光纤22的长度为L22、折射率为n，光程相关器23的最大延迟长度为ΔL23(max)。
所述的双耦合器环路结构30，其特征是：第二耦合器第一输入端311的长度为L311、折射率为n，第二耦合器第二输入端312的长度为L312、折射率为n，第二耦合器第一输出端313的长度为L313、折射率为n，第三耦合器第一输入端321的长度为L321、折射率为n，第三耦合器第一输出端323的长度为L323、折射率为n，第三耦合器第二输出端324的长度为L324、折射率为n，待测光纤及器件33的长度为L33、折射率为n33。
所述的光程相关器23，其特征是：光可从第一准直透镜231进入并依次经过第一反射镜233、第二反射镜234、第二准直透镜232；光亦可从第二准直透镜232进入并依次经过第二反射镜234、第一反射镜233、第一准直透镜231；移动第一反射镜233与第二反射镜234，可以改变光路光程，其最大光程为：ΔL23(max)。
所述的参考光纤22，其特征是：参考光纤22的折射率为n、长度为L22，应满足：
Figure BSA0000250248010000031
其中，m为光在双耦合器环路结构30中的环行次数。
所述的双耦合器环路结构30，其特征是：若以第二耦合器第一输入端311作为光输入端时，第二耦合器第一输出端313的输出光功率与第二耦合器第二输出端314的输出光功率之比为a；若以第二耦合器第二输入端312作为光输入端时，第二耦合器第一输出端313的输出光功率与第二耦合器第二输出端314的输出光功率之比为
Figure BSA0000250248010000032
若以第三耦合器第一输入端321作为光输入端时，第三耦合器第一输出端323的输出光功率与第三耦合器第二输出端324的输出光功率之比为b；若以第三耦合器第二输入端322作为光输入端时，第三耦合器第一输出端323的输出光功率与第三耦合器第二输出端324的输出光功率之比为
Figure BSA0000250248010000041
则第三耦合器第二输出端324的输出功率有：
Figure BSA0000250248010000042
a与b的选取应满足Pout，m≥PBPD，其中，PBPD表示探测模块60的最小可探测光功率。
所述的双耦合器环路结构30，其特征是：第二耦合器31的分光比参数a、第三耦合器32的分光比参数b应满足
Figure BSA0000250248010000043
所述的双耦合器环路结构30，其特征是：第二耦合器第一输入端311与第二耦合器第一输出端313不构成直通臂。
在双耦合器环路结构30中，第二耦合器第一输入端311与第二耦合器第二输出端314构成直通臂，在第二耦合器第二输出端314输出的光波列属于无用光信号，为了将其排除在干涉仪之外，本发明将第二耦合器第二输出端314做悬空处理，增加第三耦合器32作为环路结构的光波列输出端，使该结构能够在相同***动态范围的情况下，支持更多环行次数的光波列，进而提高色散测量精度。
本发明提供了一种基于双耦合器环行光路结构的微量光纤色散测量装置。通过引入基于双耦合器的环路结构，可以放大光纤及器件的色散量，同时又可以消除耦合器直通臂中光噪声影响，从而可以大幅提升色散测量精度。本发明具有精度高、可测量的色散量小、成本低等优点，可广泛用于色散系数小且长度短的光纤及器件的色散测量。
本发明是基于时域干涉法的一种基于双耦合器环行光路结构的微量光纤色散测量装置。时域干涉法的基本原理是基于不同频率的光场在介质中传播时，会有不同的相速度，当宽谱光传输一定时间后，不同频率光场的等相面会处于不同的位置，从而造成整个波包的展宽，波包的展宽程度与色散量一一对应。根据此原理，可以分别往时域干涉仪注入中心波长不同的窄带光，再分别记录相应的干涉图，利用各干涉图间的时延差可以计算出色散值，此方法称为直接时域干涉法。直接时域干涉法对光源要求高且费时，所以可以一次性往时域干涉仪注入多种波长的光(即宽谱光)，得到一张由多种单波长干涉信号叠加而成的干涉图，然后对其进行傅里叶变换可将其分解成单波长干涉信号，从而可以从傅里叶变换得到的相位谱中获取色散值，此方法称为基于傅里叶变换的时域干涉法，本发明利用了此原理。
本装置所产生的第一干涉峰881、第二干涉峰882、第三干涉峰883分别包含m倍、m+1倍、m+2倍的待测光纤及器件的实际色散量，选取两个干涉峰并分别计算其色散量，再将两者的色散量作差，最后除以两干涉峰的环行次数差，即可得到待测光纤及器件实际的色散量。一般取m次环行的干涉峰(m＞2)及其相邻的干涉峰用作待测光纤及器件的色散量提取，m次环行干涉峰的色散量为待测光纤及器件实际色散量的m倍，相当于对待测光纤及器件的色散量进行m倍放大，这样就将小色散量转换成大色散量，从而提高测量***的测量精度。另外，基于双耦合器的环路结构可以有效地消除耦合器直通臂的光噪声影响，使得干涉峰的信噪比提高，从而进一步提高色散测量精度。
利用图1中的装置可以获得在双耦合器环路结构30中环行多次的光波包，通过换用相应长度的参考光纤22与调节光程相关器23的光程，使参考光与测试光的光程实现匹配，可以获得特定环行次数的干涉峰，如图3所示。将第m-1和m次环行干涉峰截取出来，再分别对这两个干涉峰进行傅里叶变换，然后根据幅度谱分别对其相位谱进行加权最小二乘法拟合，得到第m-1次环行干涉峰的相位谱φm-1(ω)、第m次环行干涉峰的相位谱φm(ω)，对其求导可得到相应的群时延：
Figure BSA0000250248010000051
Figure BSA0000250248010000052
先对群时延进行频率空间到波长空间的转换，得到τm(λ)与τm-1(λ)，对其求导可得群时延色散：
Figure BSA0000250248010000053
Figure BSA0000250248010000054
待测光纤及器件的群时延色散可由(5)、(6)相减得到：
DDUT(λ)＝Dm(λ)-Dm-1(λ) (7)
上述待测光纤及器件色散量的获得过程中，一般取m次环行的干涉峰(m＞2)及其相邻的干涉峰用作待测光纤及器件的色散系数提取，m次环行干涉峰的色散量为待测光纤及器件实际色散量的m倍，相当于对待测光纤及器件的色散量进行m倍放大，这样就将小色散转换成大色散(相当于放大作用)，从而提高测量***的灵敏度，保证高精度的色散测量，非常适合用于微量色散光纤及器件的色散测量。
与现有技术相比，本发明的优点在于：
(1)本发明的双耦合器环路结构可以消除耦合器直通臂的光噪声影响，使得装置的信噪比提高，从而进一步提高色散测量精度；
(2)本发明解决现有技术难以对色散系数小且长度短的光纤及其器件进行高精度色散测量的问题；
(3)本发明使用的是光纤型干涉仪，有较好的稳定性；
(4)本发明只需廉价的宽谱光源，无需昂贵的光谱仪等，因此可实现低成本的色散测量；
(5)本发明可用于微量色散的高精度测量。
附图说明
图1为基于双耦合器环路结构的微量色散测量装置图；
图2为分光比与环路结构输出功率的关系图(环行六次)；
图3为5、6次环行干涉峰。
具体实施方式
为清楚地说明本发明一种基于双耦合器环行光路结构的微量光纤色散测量装置，结合实施例和附图对本发明作进一步说明，但不应以此限制本发明的保护范围。
图1为本发明的装置图，其中主要的光电器件的选择及参数如下：
1)取宽谱光源10的中心波长为1550nm，谱宽50nm，出纤功率范围从0到10mW；
2)第一耦合器21、第二耦合器31、第三耦合器32、第四耦合器26均为单模耦合器，中心工作波长均在1550nm；
3)光程相关器的光程扫描范围为从0到160cm；
4)待测光纤选用单模光纤，其余各连接光纤均为单模光纤，折射率均为1.456；
若要取环行六次的干涉峰，在双耦合器环路结构30中，根据(2)式可以计算出第二耦合器31和第三耦合器32的最佳分光比，其分光比参数a、b与环路结构输出功率之间的关系如图2所示。这里取第二耦合器31的最佳分光比为85∶15、第三耦合器31的最佳分光比为85∶15，根据环路结构功率分配关系可以计算出环路结构输出环行六次的光波包强度：
Pout，6＝0.0032Pin (8)
若取输入光Pin＝1mW，则二十次环行后的输出功率还有0.0032mW，可被探测器探测到。
在所述的干涉仪20中，取ΔL23(max)＝1.6、L213＝1、L261＝1、L214＝1、L311＝1、L324＝1、L262＝1、L313＝0.1、L33＝0.13、L321＝0.1、L323＝0.1、L312＝0.1，单位均为米，除了待测光纤33外，其余所有光纤均为单模光纤，折射率为均为n。要获得六次环行的干涉峰，根据前面的分析，参考光纤22的长度选择范围应在3.88≤L22≤4.98，单位为米；若要获得五次环行的干涉峰，参考光纤22的长度选择范围应在3.35≤L22≤4.45，单位为米，由此分析可知，参考光纤长度取3.9米可以保证光程相关器扫描得到两个干涉峰，如图3所示。
在选取好参考光纤后，启动装置，获取干涉峰，将获取到的六次和五次环行干涉峰放到色散计算模块80进行色散系数的提取，最终得到待测光纤及器件33的色度色散为0.00495ps/nm。

Claims (9)

1.一种基于双耦合器环行光路结构的微量光纤色散测量装置，其特征在于：宽谱光源(10)、干涉仪(20)、双耦合器环路结构(30)、探测模块(60)和色散计算模块(80)组成本装置，其中：
1)宽谱光源(10)发出的光注入到干涉仪(20)中，双耦合器环路结构(30)接入到干涉仪(20)，干涉仪(20)的输出光由探测模块(60)来探测，探测模块(60)探测到的干涉信号送到色散计算模块(80)中；
2)在双耦合器环路结构(30)中，光从第二耦合器第一输入端(311)注入到第二耦合器(31)中，分光后，一路从第二耦合器第二输出端(314)输出，另一路从第二耦合器第一输出端(313)输出，经待测光纤及器件(33)、第三耦合器第一输入端(321)注入到第三耦合器(32)，分光后一路从第三耦合器第二输出端(324)输出，另一路从第三耦合器第一输出端(323)输出并经第二耦合器第二输入端(312)注入到第二耦合器(31)，完成一次环行，再次环行按前述路径进行；
3)在色散计算模块(80)中，数据采集卡(81)采集来自探测模块(60)中的干涉信号，采集到的干涉信号经干涉峰截取单元(82)截取两个干涉峰，其中，第一干涉峰(885)输入到第一色散系数提取单元(83)进行色散系数提取，第二干涉峰(884)输入到第二色散系数提取单元(84)进行色散系数提取，两个干涉峰的色散系数输入到色散差分单元(85)进行差分运算，得到待测光纤及器件(33)的色散系数。
2.由权利要求1中所述的干涉仪(20)，其特征在于：光从第一耦合器第一输入端(211)注入到第一耦合器(21)，分成两路，一路经第一耦合器第二输出端(214)、双耦合器环路结构(30)和第四耦合器第二输入端(262)进入到第四耦合器(26)，其中，在双耦合器环路结构(30)中环行m次输出第m波包(251)，环行m+1次输出第m+1波包(252)，环行m+2次输出第m+2波包(253)；另一路经第一耦合器第一输出端(213)、参考光纤(22)、光程相关器(23)和第四耦合器第一输入端(261)进入到第四耦合器(26)；两路光在第四耦合器(26)合束。
3.由权利要求1所述的干涉仪(20)，其特征是：第一耦合器第二输出端(214)的长度为L214、折射率为n，第四耦合器第二输入端(262)的长度为L262、折射率为n，第一耦合器第一输出端(213)的长度为L213，折射率为n，第四耦合器第一输入端(261)的长度为L261、折射率为n，参考光纤(22)的长度为L22、折射率为n，光程相关器(23)的最大延迟长度为ΔL23(max)。
4.由权利要求1所述的双耦合器环路结构(30)，其特征是：第二耦合器第一输入端(311)的长度为L311、折射率为n，第二耦合器第二输入端(312)的长度为L312、折射率为n，第二耦合器第一输出端(313)的长度为L313、折射率为n，第三耦合器第一输入端(321)的长度为L321、折射率为n，第三耦合器第一输出端(323)的长度为L323、折射率为n，第三耦合器第二输出端(324)的长度为L324、折射率为n，待测光纤及器件(33)的长度为L33、折射率为n33。
5.由权利要求2所述的光程相关器(23)，其特征是：光可从第一准直透镜(231)进入并依次经过第一反射镜(233)、第二反射镜(234)、第二准直透镜(232)；光亦可从第二准直透镜(232)进入并依次经过第二反射镜(234)、第一反射镜(233)、第一准直透镜(231)；同时移动第一反射镜(233)与第二反射镜(234)，可以改变光路光程，其最大光程为：ΔL23(max)。
6.由权利要求2所述的参考光纤(22)，其特征是：参考光纤(22)的折射率为n、长度为L22，应满足：
Figure FSA0000249937000000021
其中，m为光在双耦合器环路结构(30)中的环行次数。
7.由权利要求1所述的双耦合器环路结构(30)，其特征是：若以第二耦合器第一输入端(311)作为光输入端时，第二耦合器第一输出端(313)的输出光功率与第二耦合器第二输出端(314)的输出光功率之比为a；若以第二耦合器第二输入端(312)作为光输入端时，第二耦合器第一输出端(313)的输出光功率与第二耦合器第二输出端(314)的输出光功率之比为
Figure FSA0000249937000000022
若以第三耦合器第一输入端(321)作为光输入端时，第三耦合器第一输出端(323)的输出光功率与第三耦合器第二输出端(324)的输出光功率之比为b；若以第三耦合器第二输入端(322)作为光输入端时，第三耦合器第一输出端(323)的输出光功率与第三耦合器第二输出端(324)的输出光功率之比为
Figure FSA0000249937000000023
则第三耦合器第二输出端(324)的输出功率有：
Figure FSA0000249937000000024
a与b的选取应满足Pout，m≥PBPD，其中，PBPD表示探测模块(60)的最小可探测光功率。
8.由权利要求7所述的双耦合器环路结构(30)，其特征是：第二耦合器(31)的分光比参数a、第三耦合器(32)的分光比参数b应满足
Figure FSA0000249937000000025
9.由权利要求1所述的双耦合器环路结构(30)，其特征是：第二耦合器第一输入端(311)与第二耦合器第一输出端(313)不构成直通臂。
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