CN107402118B - 一种稀土掺杂光纤折射率的测量系统 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种稀土掺杂光纤折射率的测量系统，主要解决现有测量系统测量速度慢，测量精度低，抗环境干扰性能较差的问题。本发明通过采用一种稀土掺杂光纤折射率测量系统，包括窄线宽DFB激光器、保偏光纤耦合器、光电探测器一、强度型光调制器、调制器驱动器、单模光纤耦合器、光电探测器二、待测稀土掺杂光纤、光电探测器三、信号源、功分器、IQ混频器、低通滤波器、数据采集和信号处理及显示模块的技术方案，较好地解决了该问题，可用于稀土掺杂光纤的测量。
Description
技术领域
本发明涉及一种稀土掺杂光纤的折射率的测量系统。
背景技术
稀土掺杂光纤的折射率是影响稀土掺杂光纤性能的重要指标。光纤折射率系数的测量是光纤参数测量技术的重要研究方向，传统测量手段都是通过脉冲延迟法、相移法、模场直径法和白光干涉等方法来实现，这些测量方法系统成本高，精度存在较大波动，抗环境干扰性能较差，会影响测量结果的准确性。
又如中国专利文献CN 105044030 A本发明公开了一种光纤纤间倏逝场耦合折射率计及其检测方法，包括光源、光纤传感器探针、光纤耦合器/环形器、第一光电探测器、第二光电探测器和数据采集及处理模块；光纤传感器探针包括平行布置且紧密相贴的刻有倾斜光纤光栅的光纤和D型光纤，光源通过光纤耦合器/环形器与刻有倾斜光纤光栅的光纤一端连接，刻有倾斜光纤光栅的光纤通过光纤耦合器/环形器与第二光电探测器输入端连接，D型光纤的一端通过单模光纤连接第一光电探测器的输入端，刻有倾斜光纤光栅的光纤和光纤耦合器/ 环形器连接的一端与D型光纤和第一光电探测器连接的一端在同一侧；第一光电探测器和第二光电探测器分别连接数据采集及处理模块。虽然该装置具有折射率测量精度更高的优点，但是抗环境干扰性能较差，影响检测结果。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是现有测量系统测量速度慢，测量精度低，抗环境干扰性能较差的问题，提供一种新的稀土掺杂光纤折射率测量系统及其测量方法。使用该稀土掺杂光纤折射率测量系统具备测量速度快，测量精度高，并且不受环境因素的影响等优点。
一种稀土掺杂光纤折射率测量方法，包括以下步骤：
步骤一：选取一段长度为1m左右的稀土掺杂光纤并对其长度进行精确测量。系统上电后；
步骤二：将信号源打开，将信号源频率设置为f(例如为20MHz),首先不将待测光纤108 接入到测量系统中，通过测试系统测量射频信号从信号源到达IQ混频器203射频输入端时的相位值该值为测试系统的固有相位值，该步骤的目的是为了得到测试系统在没有待测稀土掺杂光纤时，中信号源端到IQ混频器射频输入端之间的固有相位值，以便在后续数据处理中将该系统固有相位值消除；
步骤三：将待测光纤108接入到单模光纤耦合器106和光电探测器109之间，由于光纤长度的增加，射频信号从信号源到达光电探测器时其相位将发生变化，再次通过测试系统测量射频信号的相位值该相位值包含了测试系统的固有相位值因此由待测稀土掺杂光纤引起的相位变化量为
步骤四：通过计算并根据式(8)便可得待测稀土光纤的折射率。
测量的工作原理如下：
射频信号在光纤中传输，射频信号到达光电探测器的相位会随着光纤长度和折射率的变化而变化。当不将待测光纤接入到上述光载射频传输链路中，测量射频信号到达光电探测器的相位然后将待测光纤接入到上述光载射频传输链路中，再次测量射频信号到达光电探测器的相位根据相位差和待测光纤的长度就可以得到待测光纤的折射率。假设信号源输出信号的频率为f，该信号经功分器后得到两个相同的微波信号，其中一路作为本振信号直接进入IQ混频器的本振输入端，该信号可表示为：
Vo为信号幅值，为信号的初相位。功分器输出的另一路信号经过强度型光调制器后得到光载射频信号，当一长度为L，折射率为n的待测稀土掺杂光纤接入到测试系统的光纤链路中，将引起该光载射频信号相位的变化，相位的变化量为：
式中c为光速，由此导致光电探测器109输出的射频信号可表示为：
该射频信号进入IQ混频器后，混频器将该信号分为两路，一路信号作为I路输入射频信号与本振信号进行混频，另一路信号经过90度相移后作为Q路输入射频信号也与本振信号进行混频，则I路输出信号可表示为：
Q路输出信号可表示为：
将混频器输出的两路直流信号相除可得：
由此，可得待测稀土掺杂光纤的折射率为：
由于测试系统中的光纤器件都是普通单模光纤，并且含有射频电缆，因此测量时需要将这些器件引入的相位值扣除。因此，测量时，首先不将待测稀土掺杂光纤接入到系统中，根据混频器得到测试系统的固有相位值为将待测光纤108接入到测试系统中后，再次通过测试系统测量射频信号的相位值则由待测稀土掺杂光纤引起的相位变化量为即由此，可得待测稀土掺杂光纤的折射率为：
一种稀土掺杂光纤折射率测量系统，包括窄线宽DFB激光器、保偏光纤耦合器、光电探测器一、强度型光调制器、调制器驱动器、单模光纤耦合器、光电探测器二、待测稀土掺杂光纤、光电探测器三、信号源、功分器、IQ混频器、低通滤波器、数据采集和信号处理及显示模块，所述窄线宽DFB激光器、保偏光纤耦合器、光电探测器一、强度型光调制器、调制器驱动器、单模光纤耦合器、光电探测器二、待测稀土掺杂光纤、光电探测器三构成一条光载射频传输链路，所述窄线宽DFB激光器输出的偏振光经过保偏光纤耦合器，保偏光纤耦合器大功率输出的端口的输出光经过强度型光调制器后进入单模光纤耦合器中，单模光纤耦合器大功率输出端口的输出光经过待测稀土掺杂光纤后入射到光电探测器上，所述保偏光纤耦合器和单模光纤耦合器小信号输出端口输出的光信号分别进入光电探测器一和光电探测器二中，这两个光电探测器将光信号转变成电信号并通过调制器驱动器来使得强度型光调制器的工作点始终处于线性调制范围内；所述信号源输出的射频信号经功分器后分为两路射频信号，一路射频信号加载到强度型光调制器上，将该射频信号调制到光波上而输出一光载射频信号。该光载射频信号经过待测光纤后入射到光电探测器三上，光电探测器将光信号转换成射频信号并进入混频器的射频输入端，功分器的另一路射频信号进入混频器的本振输入端，混频器的输出为一直流电压信号，该直流电压信号经过低通滤波器滤波后进入数据采集和信号处理及显示模块进行数据采集、处理并将待测光纤的折射率通过显控系统显示。
优选地，所述保偏光纤耦合器的耦合比为1:99。
优选地，所述单模光纤耦合器的耦合比为1:99。
本发明采用IQ混频器，IQ混频器的相位测量精度可达0.05°，当射频信号频率为20MHz，待测稀土掺杂光纤的长度为1m时，本发明的折射率测量灵敏度可达0.002。射频信号的频率越高，可以使待测光纤的长度变短以提高待测光纤长度测量的准确性；本发明根据IQ混频器输出的两个直流电压值就可以得到当前待测光纤的折射率。这种方法的测量结果与进入IQ混频器的两路信号的幅度抖动不敏感，这极大地降低了光信号抖动及环境因素的影响对光纤折射率测量结果的影响。
附图说明
图1为本发明一种稀土掺杂光纤折射率测量系统示意框图。
附图中：
101、窄线宽DFB激光器 102、保偏光纤耦合器 103、光电探测器一
104、强度型光调制器 105、调制器驱动器 106、单模光纤耦合器
107、光电探测器二 108、待测稀土掺杂光纤 109、光电探测器三
201、信号源 202、功分器 203、IQ混频器
204、低通滤波器 205、数据采集和信号处理及显示模块
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式，进一步阐明本发明，应理解下述具体实施方式仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。
如图1所示，一种稀土掺杂光纤折射率测量系统，包括窄线宽DFB激光器101、保偏光纤耦合器102、光电探测器一103、强度型光调制器104、调制器驱动器105、单模光纤耦合器106、光电探测器二107、待测稀土掺杂光纤108、光电探测器三109、信号源201、功分器202、IQ混频器203、低通滤波器204、数据采集和信号处理及显示模块205，所述窄线宽 DFB激光器101、保偏光纤耦合器102、光电探测器一103、强度型光调制器104、调制器驱动器105、单模光纤耦合器106、光电探测器二107、待测稀土掺杂光纤108、光电探测器三 109构成一条光载射频传输链路，所述窄线宽DFB激光器101输出的偏振光经过保偏光纤耦合器102，保偏光纤耦合器102大功率输出的端口的输出光经过强度型光调制器104后进入单模光纤耦合器106中，单模光纤耦合器106大功率输出端口的输出光经过待测稀土掺杂光纤108后入射到光电探测器109上，所述保偏光纤耦合器102和单模光纤耦合器106小信号输出端口输出的光信号分别进入光电探测器一103和光电探测器二107中，这两个光电探测器将光信号转变成电信号并通过调制器驱动器105来使得强度型光调制器104的工作点始终处于线性调制范围内；所述信号源201输出的射频信号经功分器202后分为两路射频信号，一路射频信号加载到强度型光调制器104上，将该射频信号调制到光波上而输出一光载射频信号。该光载射频信号经过待测光纤108后入射到光电探测器三109上。光电探测器109将光信号转换成射频信号并进入混频器203的射频输入端，功分器202的另一路射频信号进入混频器203的本振输入端，混频器203的输出为一直流电压信号，该直流电压信号经过低通滤波器204滤波后进入数据采集和信号处理及显示模块205进行数据采集、处理并将待测光纤的折射率通过显控系统显示。所述保偏光纤耦合器102的耦合比为1:99，所述单模光纤耦合器106的耦合比为1:99。本发明的稀土掺杂光纤折射率测量的原理如下所示：
射频信号在光纤中传输，射频信号到达光电探测器109的相位会随着光纤长度和折射率的变化而变化。当不将待测光纤接入到上述光载射频传输链路中，测量射频信号到达光电探测器109的相位然后将待测光纤接入到上述光载射频传输链路中，再次测量射频信号到达光电探测器109的相位根据相位差和待测光纤的长度就可以得到待测光纤的折射率。
假设信号源输出信号的频率为f，该信号经功分器202后得到两个相同的微波信号，其中一路作为本振信号直接进入IQ混频器203的本振输入端，该信号可表示为：
Vo为信号幅值，为信号的初相位。功分器输出的另一路信号经过强度型光调制器104
后得到光载射频信号，当一长度为L，折射率为n的待测稀土掺杂光纤108接入到测试系
统的光纤链路中，将引起该光载射频信号相位的变化，相位的变化量为：
式中c为光速，由此导致光电探测器109输出的射频信号可表示为：
该射频信号进入IQ混频器后，混频器将该信号分为两路，一路信号作为I路输入射频信
号与本振信号进行混频，另一路信号经过90度相移后作为Q路输入射频信号也与本振信
号进行混频，则I路输出信号可表示为：
Q路输出信号可表示为：
将混频器输出的两路直流信号相除可得：
由此，可得待测稀土掺杂光纤的折射率为：
由于测试系统中的光纤器件都是普通单模光纤，并且含有射频电缆，因此测量时需要将这些器件引入的相位值扣除。因此，测量时，首先不将待测稀土掺杂光纤接入到系统中，根据混频器得到测试系统的固有相位值为将待测光纤108接入到测试系统中后，再次通过测试系统测量射频信号的相位值则由待测稀土掺杂光纤引起的相位变化量为即由此，可得待测稀土掺杂光纤的折射率为：
由上式可知，根据IQ混频器输出的两个直流电压值就可以得到当前待测光纤的折射率。这种方法的测量结果与进入IQ混频器的两路信号的幅度抖动不敏感，这极大地降低了光信号抖动及环境因素的影响对光纤折射率测量结果的影响。IQ混频器的相位测量精度可达 0.05°，当射频信号频率为20MHz，待测稀土掺杂光纤的长度为1m时，本发明提出的折射率测量灵敏度可达0.002。由式(7)可知，提高射频信号的频率一个数量级就可以将折射率的测量灵敏度提高一个数量级。从式(7)还可以看到，射频信号的频率越高，可以使待测光纤的长度变短以提高待测光纤长度测量的准确性。由于用很短的光纤就可以测量其折射率，采用这种方法还可以测量光纤折射率的温度系数，即光纤的折射率随温度的变化情况。
本发明的稀土掺杂光纤折射率测量系统的测量方法，包括以下步骤：
步骤一：选取一段长度为1m左右的稀土掺杂光纤并对其长度进行精确测量。系统上电后；
步骤二：将信号源打开，将信号源频率设置为f(例如为20MHz),首先不将待测光纤108 接入到测量系统中，通过测试系统测量射频信号从信号源到达IQ混频器203射频输入端时的相位值该值为测试系统的固有相位值，该步骤的目的是为了得到测试系统在没有待测稀土掺杂光纤时，中信号源端到IQ混频器射频输入端之间的固有相位值，以便在后续数据处理中将该系统固有相位值消除；
步骤三：将待测光纤108接入到单模光纤耦合器106和光电探测器109之间，由于光纤长度的增加，射频信号从信号源到达光电探测器时其相位将发生变化，再次通过测试系统测量射频信号的相位值该相位值包含了测试系统的固有相位值因此由待测稀土掺杂光纤引起的相位变化量为
步骤四：通过计算并根据式(8)便可得待测稀土光纤的折射率。
尽管上面对本发明说明性的具体实施方式进行了描述，以便于本技术领域的技术人员能够理解本发明，但是本发明不仅限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员而言，只要各种变化只要在所附的权利要求限定和确定的本发明精神和范围内，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。
Claims (3)
1.一种稀土掺杂光纤的折射率测量系统，其特征在于：包括窄线宽DFB激光器(101)、保偏光纤耦合器(102)、光电探测器一(103)、强度型光调制器(104)、调制器驱动器(105)、单模光纤耦合器(106)、光电探测器二(107)、待测稀土掺杂光纤(108)、光电探测器三(109)、信号源(201)、功分器(202)、IQ混频器(203)、低通滤波器(204)、数据采集和信号处理及显示模块(205)，所述窄线宽DFB激光器(101)、保偏光纤耦合器(102)、光电探测器一(103)、强度型光调制器(104)、调制器驱动器(105)、单模光纤耦合器(106)、光电探测器二(107)、待测稀土掺杂光纤(108)、光电探测器三(109)构成一条光载射频传输链路，所述窄线宽DFB激光器(101)输出的偏振光经过保偏光纤耦合器(102)，保偏光纤耦合器(102)大功率输出的端口的输出光经过强度型光调制器(104)后进入单模光纤耦合器(106)中，单模光纤耦合器(106)大功率输出端口的输出光经过待测稀土掺杂光纤(108)后入射到光电探测器三(109)上，所述保偏光纤耦合器(102)和单模光纤耦合器(106)小信号输出端口输出的光信号分别进入光电探测器一(103)和光电探测器二(107)中，这两个光电探测器将光信号转变成电信号并通过调制器驱动器(105)来使得强度型光调制器(104)的工作点始终处于线性调制范围内；所述信号源(201)输出的射频信号经功分器(202)后分为两路射频信号，一路射频信号加载到强度型光调制器(104)上，将该射频信号调制到光波上而输出一光载射频信号；该光载射频信号经过待测光纤(108)后入射到光电探测器三(109)上；光电探测器三(109)将光信号转换成射频信号并进入混频器(203)的射频输入端，功分器(202)的另一路射频信号进入混频器(203)的本振输入端，混频器(203)的输出为一直流电压信号，该直流电压信号经过低通滤波器(204)滤波后进入数据采集和信号处理及显示模块(205)进行数据采集、处理并将待测光纤的折射率通过显控系统显示；
假设信号源输出信号的频率为f，该信号经功分器(202)后得到两个相同的微波信号，其中一路作为本振信号直接进入IQ混频器(203)的本振输入端，该信号可表示为：
Vo为信号幅值，为信号的初相位；功分器输出的另一路信号经过强度型光调制器(104)后得到光载射频信号，当一长度为L，折射率为n的待测稀土掺杂光纤(108)接入到测试系统的光纤链路中，将引起该光载射频信号相位的变化，相位的变化量为：
式中c为光速，由此导致光电探测器三(109)输出的射频信号可表示为：
该射频信号进入IQ混频器后，混频器将该信号分为两路，一路信号作为I路输入射频信号与本振信号进行混频，另一路信号经过90度相移后作为Q路输入射频信号也与本振信号进行混频，则I路输出信号可表示为：
Q路输出信号可表示为：
将混频器输出的两路直流信号相除可得：
由此，可得待测稀土掺杂光纤的折射率为：
由于测试系统中的光纤器件都是普通单模光纤，并且含有射频电缆，因此测量时需要将这些器件引入的相位值扣除；因此，测量时，首先不将待测稀土掺杂光纤接入到系统中，根据混频器得到测试系统的固有相位值为将待测光纤（ 108） 接入到测试系统中后，再次通过测试系统测量射频信号的相位值则由待测稀土掺杂光纤引起的相位变化量为即， 由此，可得待测稀土掺杂光纤的折射率为：
2.根据权利要求1所述的一种稀土掺杂光纤折射率测量系统，其特征在于所述保偏光纤耦合器(102)的耦合比为1:99。
3.根据权利要求1所述的一种稀土掺杂光纤折射率测量系统，其特征在于所述单模光纤耦合器(106)的耦合比为1:99。
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