一種基于調(diào)頻連續(xù)波的光子帶隙光纖群折射率測量裝置及方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種基于調(diào)頻連續(xù)波的光子帶隙光纖群折射率測量裝置及方法，光源的輸出尾纖經(jīng)過準直透鏡耦合到半透半反鏡中，半透半反鏡將光束分為兩路，一路經(jīng)過第一耦合透鏡耦合到待測光纖，待測光纖的出射光經(jīng)準直透鏡準直，經(jīng)反射鏡反射后入射到半透半反鏡；另一路光經(jīng)反射鏡后入射到半透半反鏡；兩束光在半透半反鏡干涉，其中一路干涉光入射到光功率計，光功率計觀測兩路光功率，保持兩路光功率接近，另一路經(jīng)過第二耦合透鏡入射到探測器轉(zhuǎn)化成電信號，由頻譜儀檢測輸出信號；通過頻譜儀檢測輸出信號與信號發(fā)生器產(chǎn)生的調(diào)制信號，獲取待測光纖在特定波長下的群折射率。本發(fā)明采用空間光路，易于和光子帶隙光纖耦合，抗環(huán)境因素干擾。
【專利說明】
一種基于調(diào)頻連續(xù)波的光子帶隙光纖群折射率測量裝置及方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種基于調(diào)頻連續(xù)波的光子帶隙光纖群折射率測量裝置及方法，屬于光纖測量【技術(shù)領(lǐng)域】。

【背景技術(shù)】
[0002]光纖是光導(dǎo)纖維的簡稱。它是工作在光波波段的一種介質(zhì)波導(dǎo)，把以光的形式出現(xiàn)的電磁波能量約束在其界面內(nèi)，并引導(dǎo)光波沿著光纖軸線的方向前進。光子晶體光纖是基于光子晶體技術(shù)發(fā)展起來的新一代石英光纖，是一種由中心存在缺陷態(tài)的二維光子晶體結(jié)構(gòu)制成的光波導(dǎo)。光子晶體光纖可分為實芯光子晶體光纖和光子帶隙光纖。前者的導(dǎo)光纖芯是實心石英或摻雜，利用與傳統(tǒng)光纖類似的全反射機理導(dǎo)光；而后者的導(dǎo)光纖芯是空氣，利用光子帶隙效應(yīng)導(dǎo)光。在光子帶隙光纖中，光波主要在空氣中傳輸。和石英材料相比，空氣對溫度、輻射等效應(yīng)不敏感，因此帶隙光子晶體光纖具有極低的溫度和輻射敏感性，非常適合空間應(yīng)用和大溫變條件下的航空應(yīng)用，從而可以從根本上解決光纖陀螺的空間環(huán)境適應(yīng)性問題；光在空氣中的傳播速度遠大于在二氧化硅材料中的傳播速度，采用光子帶隙光纖作為通信用光纖，可以提高光纖的傳光效率，在光通信行業(yè)有廣闊的發(fā)展前景。
[0003]在光子帶隙光纖中，群折射率是重要參數(shù)之一。群折射率越大，光波在光纖中的傳播速度越慢。在光纖中，對于不同的波長，群折射率也不同，這會導(dǎo)致具有一定譜寬的脈沖波形在通過光纖后發(fā)生展寬，在光纖通信中會嚴重影響帶寬和傳輸距離；光纖陀螺中通常采用寬譜光源，而群折射率的變化會影響寬譜光源的相干性，會使干涉光的對比度下降，進而降低光纖陀螺的靈敏度，使光纖陀螺性能劣化。因此，精確測量群折射率對于光纖應(yīng)用意義重大。目前測量光纖群折射率的方法主要有時延法、相移法、模場直徑法和干涉法。時延法的使用需要待測光纖長度很長，一般須超過0.5km，不適合光子帶隙光纖；模場直徑法只適用于普通階躍型光纖，不能用來測量光子帶隙光纖。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明的目的是為了解決上述問題，提出一種基于調(diào)頻連續(xù)波的光子帶隙光纖群折射率測量裝置及方法。
[0005]一種基于調(diào)頻連續(xù)波的光子帶隙光纖群折射率測量裝置，包括光源、信號發(fā)生器、準直透鏡、半透半反鏡、反射鏡、耦合透鏡、待測光纖、準直透鏡、反射鏡、半透半反鏡、光功率計、頻譜儀、探測器、第二耦合透鏡；
[0006]光源的輸出尾纖經(jīng)過準直透鏡耦合到半透半反鏡中，半透半反鏡將光束分為兩路，一路經(jīng)過第一耦合透鏡耦合到待測光纖，待測光纖的出射光經(jīng)準直透鏡準直，經(jīng)反射鏡反射后入射到半透半反鏡；另一路光經(jīng)反射鏡后入射到半透半反鏡；兩束光在半透半反鏡干涉，其中一路干涉光入射到光功率計，光功率計觀測兩路光功率，保持兩路光功率接近，另一路經(jīng)過第二耦合透鏡入射到探測器轉(zhuǎn)化成電信號，由頻譜儀檢測輸出信號；信號發(fā)生器產(chǎn)生光源的調(diào)制信號，通過頻譜儀檢測輸出信號與信號發(fā)生器產(chǎn)生的調(diào)制信號，獲取待測光纖在特定波長下的群折射率。
[0007]所述裝置的一種基于調(diào)頻連續(xù)波的光子帶隙光纖群折射率測量方法，如下所述:
[0008]待測光纖的長度L為已知，獲取待測光纖在特定波長的群折射率N:
X , C.C0.
[0009]N=----
λπ.a.L
[0010]其中:C為光速，COb為拍信號角頻率，α為光源調(diào)頻速度，L為待測光纖的長度。
[0011]本發(fā)明的優(yōu)點在于:
[0012](I)提出了基于調(diào)頻連續(xù)波的光纖群折射率測量方法；
[0013](2)采用空間光路，易于和光子帶隙光纖耦合，抗環(huán)境因素干擾；
[0014](3)能測量長度較短的光纖；
[0015](4)測量方法簡單，精度高。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0016]圖1是基于調(diào)頻連續(xù)波的光纖群折射率測量系統(tǒng)的原理框圖；
[0017]圖2是光源鋸齒波調(diào)制示意圖；
[0018]圖3是光波所受頻率調(diào)制及拍信號頻率示意圖。
[0019]圖中:
[0020]1-光源2-信號發(fā)生器3-準直透鏡
[0021]4-半透半反鏡 5-反射鏡6-第一耦合透鏡
[0022]7-待測光纖 8-準直透鏡9-反射鏡
[0023]10-半透半反鏡 11-光功率計12-頻譜儀
[0024]13-探測器14-第二耦合透鏡

【具體實施方式】
[0025]下面將結(jié)合附圖和實施例對本發(fā)明作進一步的詳細說明。
[0026]本發(fā)明是一種采用調(diào)頻連續(xù)波方案的光纖群折射率測量裝置，其原理框圖如圖1所示，包括光源1、信號發(fā)生器2、準直透鏡3、半透半反鏡4、反射鏡5、耦合透鏡6、待測光纖7、準直透鏡8、反射鏡9、半透半反鏡10、光功率計11、頻譜儀12、探測器13、第二耦合透鏡14 ；
[0027]光源I的輸出尾纖經(jīng)過準直透鏡3耦合到半透半反鏡4中，半透半反鏡4將光束分為兩路，一路經(jīng)過第一耦合透鏡6耦合到待測光纖7，待測光纖7的出射光經(jīng)準直透鏡8準直，經(jīng)反射鏡9反射后入射到半透半反鏡10 ;另一路光經(jīng)反射鏡5后入射到半透半反鏡10。兩束光在半透半反鏡10干涉，其中一路干涉光入射到光功率計11，光功率計11觀測兩路光功率，保持兩路光功率接近，另一路經(jīng)過第二耦合透鏡14入射到探測器13轉(zhuǎn)化成電信號，由頻譜儀12檢測輸出信號。
[0028]信號發(fā)生器2產(chǎn)生光源I的調(diào)制信號，通過頻譜儀12檢測輸出信號與信號發(fā)生器2產(chǎn)生的調(diào)制信號，獲取群折射率。
[0029]在本發(fā)明中，光源I選用NKT公司生產(chǎn)的Ε15可調(diào)諧激光光源；信號發(fā)生器2選用泰克公司的AFG3102 ;頻譜儀12選用安捷倫公司的4396B ;光功率計11選用Thorlabs公司制造的PM122D ;探測器13為武漢電信器件有限公司的PFTM901-001型光電探測器。
[0030]本發(fā)明的一種基于調(diào)頻連續(xù)波的光子帶隙光纖群折射率測量方法，如下所述:
[0031]光源I輸出光由信號發(fā)生器2調(diào)制，光源中心頻率呈鋸齒波變化，如圖2所示。在半透半反鏡4處分為幅值相等、垂直出射的兩束光A、B。波列A經(jīng)由第一耦合透鏡6，通過待測光纖7，由準直透鏡8準直，經(jīng)準直的光束由反射鏡9反射后入射到半透半反鏡10 ;波列B經(jīng)由反射鏡5反射后直接入射到半透半反鏡10。A、B光波的光程差為待測光纖7的長度，當光源采用鋸齒波調(diào)制時，在A、B光的干涉信號中會存在固有的頻率差，如圖3所示。
[0032]同一時刻發(fā)生干涉的兩束光波的時間差如下式所示:
OPD NL
[0033]T =--=(I)
CC
[0034]其中OPD為兩光路的光程差，N為光纖的群折射率，L為待測光纖7的長度，c為光速。設(shè)對光源進行以^為調(diào)制周期的鋸齒波調(diào)制，則光源輸出光波的角頻率O1如下式所示:
[0035]ω j (t) = at+ω。(2)
[0036]其中，a為光源調(diào)頻速度，Coci為光源的基準頻率。兩束光波在輸出端發(fā)生干涉，得到的干涉信號強度表達式為:
[0037]/(,[I + K cos(ar/ + ω?τ--)](3)
[0038]式中=Itl為A、B兩路光的直流光強之和，V為干涉光對比度，a為光源調(diào)頻速度，Otl為光源的基準頻率，τ為兩路光的時間差。
[0039]從上式可以看出，拍信號的頻率和相位均和光程差OPD有關(guān)，只要OPD改變，拍信號的頻率和相位就都會發(fā)生改變。
[0040]在本發(fā)明中，利用頻譜儀觀測拍信號的頻率fb，根據(jù)以下公式可以求出兩路光的時間差τ:

CO,
[0041]T=-^-⑷
2π.α
[0042]式中:cob為拍信號角頻率，a為光源調(diào)頻速度。
[0043]由于待測光纖的長度L已知，可利用以上條件求的待測光纖在相應(yīng)波長的群折射率，群折射率N的計算公式如下

C-OJh
[0044]N=----(5)
Ιπ-α-L
[0045]頻譜儀能探測到最小的頻率為2Hz，即可觀測的拍信號頻率ob/2 Ji最小為2Hz。以測量長度為I米的光纖為例，求得光纖群折射率的檢測精度最高可達10_4數(shù)量級。
[0046]通過這種方式，可以精確測量光子帶隙光纖群折射率，從而為光纖陀螺及光通信領(lǐng)域的應(yīng)用奠定基礎(chǔ)。
【權(quán)利要求】
1.一種基于調(diào)頻連續(xù)波的光子帶隙光纖群折射率測量裝置，包括光源、信號發(fā)生器、準直透鏡、半透半反鏡、反射鏡、耦合透鏡、待測光纖、準直透鏡、反射鏡、半透半反鏡、光功率計、頻譜儀、探測器、第二耦合透鏡； 光源的輸出尾纖經(jīng)過準直透鏡耦合到半透半反鏡中，半透半反鏡將光束分為兩路，一路經(jīng)過第一耦合透鏡耦合到待測光纖，待測光纖的出射光經(jīng)準直透鏡準直，經(jīng)反射鏡反射后入射到半透半反鏡；另一路光經(jīng)反射鏡后入射到半透半反鏡；兩束光在半透半反鏡干涉，其中一路干涉光入射到光功率計，光功率計觀測兩路光功率，保持兩路光功率接近，另一路經(jīng)過第二耦合透鏡入射到探測器轉(zhuǎn)化成電信號，由頻譜儀檢測輸出信號；信號發(fā)生器產(chǎn)生光源的調(diào)制信號，通過頻譜儀檢測輸出信號與信號發(fā)生器產(chǎn)生的調(diào)制信號，獲取待測光纖在特定波長下的群折射率。
2.基于權(quán)利要求1所述裝置的一種基于調(diào)頻連續(xù)波的光子帶隙光纖群折射率測量方法，如下所述: 待測光纖的長度L為已知，獲取待測光纖在特定波長的群折射率N: N=
Ιπ-α-L 其中:c為光速，為拍信號角頻率，α為光源調(diào)頻速度，L為待測光纖的長度。
【文檔編號】G01N21/41GK104198435SQ201410472164
【公開日】2014年12月10日 申請日期:2014年9月16日 優(yōu)先權(quán)日:2014年9月16日
【發(fā)明者】金靖, 宋鏡明, 張智昊, 宋凝芳, 徐小斌, 張春熹 申請人:北京航空航天大學