專利名稱：光纖光柵群時延譜的差動干涉測量裝置的制作方法
技術領域：
本實用新型涉及光纖光柵，特別是一種光纖光柵群時延譜和群時延色散的差動干涉測量裝置，主要應用于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，二是光信號脈沖的展寬。光纖色散是光脈沖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制作，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(shù)。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(jù)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(jīng)有一些發(fā)表的技術。在先技術之一是調制相移法(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制，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(jīng)被開發(fā)成測量儀器，其價格昂貴。同時還存在測試數(shù)據(jù)的穩(wěn)定性問題。據(jù)實際使用，色散數(shù)據(jù)往往與選取的微波調制頻率有關，需要根據(jù)經(jīng)驗判斷。
在先技術之二是干涉測量法(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)干涉儀中，以一個可調諧激光器為光源，測量其輸出的干涉信號，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(wěn)定性問題。這主要是由于該方法的干涉信號存在周期性重復的問題，因此要通過對數(shù)據(jù)進行繁復的處理才能夠得到色散群時延的數(shù)值，而且干涉信號隨外界因素影響又很大。因而帶來結果數(shù)據(jù)的穩(wěn)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激光器，測量激光器的調制度，然后進行計算。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，采用低相干性光源，根據(jù)光相干反射方法測量。該方法具有時域分辨率高的優(yōu)點，但是波長的分辨率較低。
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，利用干涉效應進行測量是最常用的方法。但是，干涉效應是周期性產(chǎn)生的。對于光纖光柵，尤其是具有大長度的光纖光柵，涉及的周期數(shù)量巨大。嚴格來說，相位信息要從大量數(shù)據(jù)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(wěn)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(shù)據(jù)的不連續(xù)性，影響相位數(shù)據(jù)的計算和處理。上述在先技術，利用不同的原理，實現(xiàn)相位譜的測量。但是仍各有欠缺。

發(fā)明內容
本實用新型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干涉測量裝置，該裝置具有穩(wěn)定可靠，成本較低的特點。
本實用新型技術解決方案如下一種光纖光柵的群時延譜的差動干涉測量裝置，其特征在于包括一四端光纖耦合器，其第一端口經(jīng)一光隔離器與一可調諧激光器的輸出端相連，第二端口接待測光纖光柵，第三端口經(jīng)光纖調相器接反射式可變延時器，第四端口接光信號接收器。
所述的光纖調相器是由一個精密繞在環(huán)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(jīng)由鎖相環(huán)濾波器與計算機的數(shù)據(jù)采集卡相連，該電壓源與鎖相環(huán)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(chǎn)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(shù)據(jù)采集卡相連，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管探測器所述的待測光纖光柵尾部端口還接有消反射器。
利用本實用新型進行測量的基本原理如下本實用新型的光路是一個光纖邁克爾遜干涉儀，其基本參數(shù)如圖2所示?？烧{諧單頻激光束經(jīng)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(jīng)光纖光柵反射回到光纖耦合器，并從左下端口輸出，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干涉臂。并在延時器的反射鏡上返回原光路，經(jīng)光纖耦合器進入光探測器。二路返回光在光纖耦合器上發(fā)生干涉。在光探測器上轉換為與光強成比例的光電流。
設光纖光柵復數(shù)光場反射率為r=R(λ)expiθ(λ);]]>延時器的光場反射率為 這樣在干涉儀輸出端的光波為E1∝E0{Rexp[i(βL1+θ)]+R1exp[i(βL2+βδL2+β0l)]}---(1)]]>式中，β0＝2π/λ，β＝nβ0。調相器產(chǎn)生的位相差，用一個等效的光程βδL2表示?？勺冄訒r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(λ){R+R1+2RR1cos[β(L2+δL2-L1)-θ+β0l]}---(2)]]>記Φ＝β(L2-L1)+β0l-θ；對調相器作余弦函數(shù)調制，即δL2＝acos2πft，f為調相器的調制頻率，(2)式可寫為I(t)=I0{R+R1+2RR1cos(Φ+βacos2πft)}]]>=I0{R+R1+2RR1[cosΦcos(βacos2πft)-sinΦsin(βacos2πft)}---(3)]]>用貝塞爾函數(shù)展開上式可得I(t)≈I0[R+R1+2RR1J0(βa)cosΦ-4RR1J1(βa)sinΦcos2πft]]>-4RR1J2(βa)cosΦcos4πft+4RR1J3(βa)sinΦcos6πft+4RR1J4(βa)cosΦcos8πft]]]>=I00+I1cos2πft+I2cos4πft+I3cos6πft+I4cos8πft]]>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，并得到J3(βa)/J1(βa)＝I3/I1(4)tanΦ＝I1J2(βa)/I2J1(βa)(5)
在一定的調相幅度范圍內，可根據(jù)貝塞爾函數(shù)的性質由式(4)解出其幅度βa；然后由式(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激光器波長掃描的速度。令可變延時器以恒定速度變化l(t)＝l0+vt；又令可調諧激光器的波長均速掃描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(jù)群時延的定義，Tg=∂θ∂ω=-λ22πc∂θ∂λ;]]>群時延色散D=∂Tg∂λ=2λTg-λ22πc∂2θ∂λ2,]]>由測量得到的干涉信號相位因子可以計算出Tg=λ22πcu∂Φ∂t+nΔL+l0+vtc----(7)]]>D=λ22πcu2∂2Φt2+λπcu∂Φ∂t---(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盡可能地減小，從而使相位因子Φ的變化減小，消除干涉信號周期性出現(xiàn)的多值問題，便于進行準確的測量。這就是本實用新型的差動干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干涉相位因子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(jù)以上基本原理，利用上述光纖光柵群時延譜的差動干涉測量裝置測量光纖光柵群時延譜的方法，其特征在于該測量方法的測試步驟如下
①用常規(guī)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(jù)這二個參數(shù)，確定波長掃描范圍，起始波長小于λ0-Δλ/2，終止波長大于λ0+Δλ/2；②根據(jù)待測光纖光柵的長度L，確定可變延時器的掃描范圍，即可調反射鏡的移動距離應稍大于光纖光柵的幾何長度L乘以光纖的折射率n，對于石英光纖折射率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干涉儀二臂的長度，盡量減少二臂的光程差，即上面公式中的ΔL＝L2-L1；④根據(jù)所采用的可調諧激光器、可變延時器的參數(shù)范圍，選擇掃描速率u和v，使v-u(nΔL+l0)/λ0盡可能小，并選定光纖調相器的調制頻率和幅度；⑤進行群時延譜的測量，記錄干涉信號光強，并用計算機數(shù)據(jù)采集卡采集信號光強的數(shù)據(jù)，采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，并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(shù)性質的數(shù)據(jù)庫，根據(jù)下列公式J3(βa)/J1(βa)＝I3/I1tanΦ＝I1J2(βa)/I2J1(βa)解出干涉相位Φ及其隨掃描時間的演變，從其時間演化規(guī)律，計算出干涉相位Φ對掃描時間的一次導數(shù)和二次導數(shù)；⑦改變可調諧激光器的掃描速率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復上述步驟⑤⑥的測試步驟；⑧再根據(jù)下列公式，消去未知參數(shù)(nΔL+l0)，求得群時延譜和群時延色散Tg=λ22πcu∂Φ∂t+nΔL+l0+vtc]]>D=λ22πcu2∂2Φ∂t2+λπcu∂Φ∂t]]>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(jù)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。
本實用新型具有以下的優(yōu)點1、本實用新型測量裝置采用的可變延時器、光纖調相器和其它光纖元件、電子元器件都已有商用產(chǎn)品，價格比較低廉?？烧{諧激光器是多種在先技術均需要采用的基本光源，已有產(chǎn)品。
2、本實用新型測量裝置簡單易行、使用方便、穩(wěn)定可靠；數(shù)據(jù)處理方法常規(guī)，通用性好。
3、本實用新型可通過多個儀表的設定參數(shù)進行選擇和調整，適合于性能參數(shù)變化較大的不同光纖光柵器件的測量。


圖1是本實用新型光纖光柵群時延譜的差動干涉測量裝置實施例1光路示意圖；圖2是本實用新型原理示意圖；圖3是本實用新型光纖光柵群時延譜的差動干涉測量裝置實施例2光路示意圖；圖4是本實用新型光纖光柵群時延譜的差動干涉測量裝置實施例3光路示意圖；圖5是未接入光纖光柵的本底信號時干涉信號隨掃描時間的變化圖6是接入光纖光柵后的測量曲線時干涉信號隨掃描時間的變化。
具體實施方式
本實用新型光纖光柵群時延譜的差動干涉測量裝置實施例1光路示意圖如圖1所示。由圖可見，本實用新型光纖光柵的群時延譜的差動干涉測量裝置，包括一四端光纖耦合器4，其第一端口41經(jīng)一光隔離器5與一可調諧激光器6的輸出端相連，第二端口42接待測光纖光柵1，第三端口43經(jīng)光纖調相器3接反射式可變延時器2，第四端口44接光信號接收器7。
圖3是本實用新型光纖光柵群時延譜的差動干涉測量裝置實施例2光路示意圖。
其中光纖調相器3是一個精密繞在環(huán)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(fā)生伸縮，從而提供一個調制的相移。光信號接收器7獲得的光電轉換信號輸入由鎖相環(huán)組成的濾波器8。該濾波器8同時接收從電壓源32發(fā)出的調制同步信號，作為鎖相環(huán)的基準信號。由此得到的各階諧波幅度由計算機9的數(shù)據(jù)采集卡采集。計算機9根據(jù)程序計算相位因子Φ及其對時間的一階和二階導數(shù)，并計算出被測光纖光柵的群時延譜和群時延色散。
圖4是本實用新型光纖光柵群時延譜的差動干涉測量裝置實施例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(fā)生溫度的周期性變化，從而提供一個調制的相移。干涉儀接收器7獲得的光電轉換信號直接輸入計算機9的高速數(shù)據(jù)采集卡采集。計算機9同時采集從電流源34發(fā)出的調制同步信號；或者由計算機9發(fā)出調制信號，觸發(fā)電流源34提供同步的加熱電流。計算機9根據(jù)數(shù)據(jù)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(shù)，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(shù)據(jù)處理方法可以交換采用。即，實施例一可以采用熱光調制調相，而采用電路濾波器做信號處理。實施例二可以采用壓電調相器，而采用計算機直接采集光電信號數(shù)據(jù)進行數(shù)據(jù)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端口上接有消反射器10。
圖5和圖6為一個測試數(shù)據(jù)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，相當于14.5cm光程?？烧{諧激光器6的掃描步長取為1pm，掃描1nm，共計記錄1000個數(shù)據(jù)?？勺冄訒r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(tǒng)的本底信號；圖6是接入光纖光柵1后的測量曲線。該曲線是未采用光纖調相器3的測試結果，因此可以根據(jù)反余弦函數(shù)求得干涉相位Φ。然后可以計算Φ的一次和二次時間導數(shù)，計算得到群時延譜?？梢钥吹?，由于光譜和時延同時掃描的差動效應，使干涉信號曲線的變化周期大大增加，從而可以精細記錄，并便于進行數(shù)據(jù)處理。
權利要求1.一種光纖光柵的群時延譜的差動干涉測量裝置，其特征在于包括一四端光纖耦合器(4)，其第一端口(41)經(jīng)一光隔離器(5)與一可調諧激光器(6)的輸出端相連，第二端口(42)接待測光纖光柵(1)，第三端口(43)經(jīng)光纖調相器(3)接反射式可變延時器(2)，第四端口(44)接光信號接收器(7)。
2.根據(jù)權利要求1所述的光纖光柵的群時延譜的差動干涉測量裝置，其特征在于所述的光纖調相器(3)是由一個精密繞在環(huán)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(jīng)由鎖相環(huán)濾波器(8)與計算機(9)的數(shù)據(jù)采集卡相連，電壓源(32)與鎖相環(huán)濾波器(8)相連。
3.根據(jù)權利要求1所述的光纖光柵的群時延譜的差動干涉測量裝置，其特征在于所述的光纖調相器(3)是一段表面鍍有金屬微型加熱器的光纖(33)和一產(chǎn)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(shù)據(jù)采集卡相連，電流源(34)與計算機(9)相連。
4.根據(jù)權利要求1所述的光纖光柵的群時延譜的差動干涉測量裝置，其特征在于所述的待測光纖光柵(1)尾部端口還接有消反射器(10)。
專利摘要一種光纖光柵群時延譜的差動干涉測量裝置，本實用新型光纖光柵的群時延譜的差動干涉測量裝置，其特征在于包括一四端光纖耦合器，其第一端口經(jīng)一光隔離器與一可調諧激光器的輸出端相連，第二端口接待測光纖光柵，第三端口經(jīng)光纖調相器接反射式可變延時器，第四端口接光信號接收器。利用本實用新型光纖光柵的群時延譜的差動干涉測量裝置進行光纖光柵的群時延譜的差動干涉測量的方法具有簡單方便，成本低廉，適用面較廣等優(yōu)點。
文檔編號G01J9/02GK2674418SQ20032012243
公開日2005年1月26日 申請日期2003年12月15日 優(yōu)先權日2003年12月15日
發(fā)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