一種光纖特征參數測量儀器的制作方法

本發明屬于光纖特征參數測量技術領域，更具體地，涉及一種基于旋轉多普勒效應的光纖特征參數測量技術。

背景技術：

光纖已經廣泛的應用于各個方面，比如光通信、傳感、光學器件等。因此分析光纖的特征參數是一項很重要的基本需求。隨著大容量光纖通信技術的發展，光纖媒介已經從傳統的單模光纖傳輸逐步發展為基于模式復用的少模光纖等新型光纖載體。一般情況下分析少模光纖的特征參數就是要分析光纖所支持的本征模的各種性能參數，比如損耗，色散等等。傳統的分析光纖特征參數的方法主要是通過輸入某個單一模式脈沖，再根據輸出端的功率和延時量來測量損耗和色散，或者通過設計高階模和基模的拍頻效應來測量延時量，傳統的方法需要逐個模式的測量，在待測模式比較多的情況下，操作比較繁瑣、耗時。考慮到光纖的廣泛應用，發展一種簡單、系統、省時的光纖特征參數測量儀器是很必要的。

技術實現要素：

針對現有技術的以上缺陷或改進需求，本發明提供了一種基于旋轉多普勒效應的光纖特征參數測量儀器，可以一次性地測量出待測光纖在某個波長所支持的各種本征模的傳播常數和損耗，克服現有技術存在的操作繁瑣、功能單一、耗時較長等問題。

本發明提出的一種光纖特征參數測量儀器，包括激光器，第一、第二單模光纖，第一、第二光纖準直器，第一、第二分束器，第一、第二相位板，第一、第二光纖耦合器，旋轉多普勒效應發生器和光電探測器；其中：

所述的第一單模光纖、第一光纖準直器和第一分束器依次設置在激光器的輸出光路上，第一單模光纖用于將激光器產生的激光輸出，經第一光纖準直器準直后耦合到自由空間，第一分束器用于將接收到的第一光纖準直器輸出的準直光分成兩路；

所述的第一相位板設置在第一分束器的其中一條輸出光路上，用于給輸入的光束加載上一個空間相位調制，將該路光束調制成某個指定的模式，要求該模式在待測光纖的本征模式范圍之外，作為參考光；

所述的第二相位板設置在第一分束器的另外一條輸出光路上，用于將該路光束調制成待測光纖本征模的疊加態，使其可以有效地激勵出待測光纖中的各種本征模；

所述的第一光纖耦合器與待測光纖和第二光纖準直器依次設置在第一相位板的輸出光路上，第一光纖耦合器的作用是將第二相位板的輸出光耦合到待測光纖中，用于激發待測光纖中的各種本征模；第二光纖準直器用于將待測光纖的輸出光向第二分束器耦合；

所述的第二分束器的兩個輸入端分別設置在第一相位板和第二光纖準直器的輸出光路上，用于將這兩路光束合成一路光束；

所述的旋轉多普勒效應發起器設置在第二分束器的輸出光路上，用于使不同的入射光模式轉換成基模，并且發生相應的頻移；不同的入射模式，產生的頻移不同；

所述的第二光纖耦合器、單模光纖、光電探測器依次設置在旋轉多普勒效應發起器的輸出光路上，第二光纖耦合器用于將旋轉多普勒效應發起器的輸出光耦合到第二單模光纖中，第二單模光纖用于將旋轉多普勒效應發起器的輸出光中的基模篩選出來；

光電探測器用于檢測單模光纖的輸出光；通過分析光電探測器檢測到的光能量曲線，能分析出待測光纖的模式傳輸常數和損耗；通過改變激光器輸出的波長，能進一步分析待測光纖包括各個波長的模式傳播常數，各個波長的模式損耗，各個波長的導模數目、帶寬、模間色散和材料色散在內的其它光纖特征參數。

進一步的，所述旋轉多普勒效應發生器為一個反光面及與其固連的電機，反光面表面粗糙，以利于產生旋轉多普勒效應；反光面其中心與電機轉軸固連，在電機帶動下勻速轉動；反光面用于將待測光纖所支持的本征模轉換成基模。

進一步的，所述旋轉多普勒效應發生器為設置在所述分束器的輸出光路的空間光調制器件，該器件加載有勻速旋轉的相位圖。

進一步的，所述分束器是平板光分束器、立方體光分束器或薄膜分光器。

進一步的，所述相位版是可以產生參考光模式和待測光纖本征模式的二維空間相位版，或包括空間光調制器和全息圖在內的其他相位元件。

總體而言，通過本發明所構思的以上技術方案與現有技術相比，具有以下有益效果：利用空間相位板有效地激勵出待測光纖的本征模式，經過待測光纖的損耗和色散后，再利用旋轉多普勒效應發生器將每個入射的模式以一定的效率轉換成基模，將這些基模濾出后用光電探測器測量其能量，通過分析其能量曲線既能測量出光纖各個模式的傳播常數和損耗，且可一次性測量出在某個波長時各個本征模的傳播常數和損耗，方法簡單，易于實現。而傳統的方法需要逐個模式測量，操作相對繁瑣。掃描波長可進一步可以分析光纖的其它特征參數，可測量的光纖特征參數包括：各個波長的模式傳播常數、各個波長的模式損耗、各個波長的導模數目、帶寬、模間色散、材料色散。相比其他方案，具有易操作，分析全面等優點。

附圖說明

圖1是本發明實施例的光纖特征參數測量儀器的結構示意圖；

圖2是光纖中的本征模式與頻率的轉換示意圖；

其中圖(a)依次表示模式指數為2，1，0，-1，-2的光纖本征模式的三維等相位面分布，圖(b)依次表示模式指數為2，1，0，-1，-2的光纖本征模式的橫截面相位分布，圖(c)依次表示模式指數為2，1，0，-1，-2的光纖本征模式的光強度分布，圖(d)依次表示模式指數為2，1，0，-1，-2的光纖本征模式映射到各個頻率的分布；

在所有附圖中，相同的附圖標記用來表示相同的元件或結構，其中：1-激光器，2-第一單模光纖，3-第一光纖準直器，4-第一分束器，5-第一相位板，6-第二相位板，7-第一光纖耦合器，8-第二光纖準直器，9-第二分束器，10-旋轉多普勒效應發生器，11-第二光纖耦合器，12-第二單模光纖，13-光電探測器。

具體實施方式

為了使本發明的目的、技術方案及優點更加清楚明白，以下結合簡單的理論推導及演示例，對本發明進行進一步詳細說明。應當理解，此處所描述的演示例僅僅用以解釋本發明，并不用于限定本發明。此外，下面所描述的本發明各個實施方式中所涉及到的技術特征只要彼此之間未構成沖突就可以相互組合。

如圖1所示，本發明實施例的基于旋轉多普勒效應的光纖特征參數測量儀器包括：激光器1，第一單模光纖2，第一光纖準直器3，第一分束器4，第一相位板5，第二相位板6，第一光纖耦合器7，第二光纖準直器8，第二分束器9，旋轉多普勒效應發生器10，第二光纖耦合器11，第二單模光纖12，光電探測器13。旋轉多普勒效應發生器10為一個反光面及與其固連的電機或者為加載有勻速旋轉的相位圖的空間光調制器件。激光器1產生所需波長的激光，由第一單模光纖2輸出，再由第一光纖準直器3耦合到自由空間，輸出準直光，隨后該準直光被第一分束器4分成兩路，其中第一路被第一相位板5調制成一個特定的模式，作為參考光，假設參考光表達為：

E_r＝B_r exp(-i2πft)exp(il_rθ) (1)其中B_r表征該參考光的復振幅，f是光波的頻率，t是時間參數，θ是方位角，l_r表示模式指數，另外一路被第二相位板6調制成一組特定的模式，并且通過第一光纖耦合器7以一定的效率耦合到待測光纖中，激勵的待測光纖的本征模分布可以表示為：

E_f＝∑_{s＝1,2,…,N}B_s exp(-i2πft)exp(il_sθ) (2)

l_s表征不同的模式指數，假設待測光纖有M段，每段的長度為L_n,n＝1,2,...,M，那么第n段光纖激發的模式分布可以表述為：

E_f,n＝η_n∑_{s＝1,2,…,N}B_s exp(-i2πft)exp(il_sθ) (3)

其中η_n與第n段光纖的耦合效率相關，假設模式損耗因子是α_s，模式傳播常數是β_s，那么激勵的光場經過色散和損耗后，待測光纖輸出端的光場變為：

E_{f_out,n}＝η_n∑_{s＝1,2,…,N}B_s exp(-i2πft)exp(il_sθ)exp(-a_sL_n)exp(iβ_sL_n) (4)

該光束經過待第二光纖準直器8耦合到自由空間，之后第二分束器9再將該光束和參考光合束成路光，合成的光束表達為：

E_c,n＝E_{f_out,n}+E_r (5)

合成的光束在入射到旋轉多普勒效應發生器10上，旋轉多普勒效應發生器10的調制函數可以表述為：

其中Ω為旋轉多普勒效應發生器10的旋轉速度，m取任意整數。可以看出旋轉多普勒效應發生器10可以將模式指數為l的入射模式以比例系數A_-l轉換成基模(模式指數為0的模式)，并且發生頻移，頻移量為-lΩ。該基模經過第二光纖耦合器11耦合到第二單模光纖12后被濾出，該基模可以表示為：

E_0,n＝C_r,n exp(-i2πft)exp(il_rΩt)+∑_{s＝1,2,…,N}C_s,n exp(-i2πft)exp(il_sΩt) (7)

其中從公式(7)我們可以看出，不同的模式被轉換成基模，并且發生相應的頻移量。該第二單模光纖12輸出的基模的能量被光電探測器13收集，光電探測器13收集的能量可以表達為：

一般來說，所要測量的光纖所支持的模式數量不會很多，因此我們可以選取在待測光纖本征模式范圍之外的參考模式使得公式(8)中的頻率(l_h-l_s)Ω跟(l_r-l_s)Ω不會有重疊項，那么通過傅里葉分析，我們就可以得到這些頻率的系數由于是不變的，因此得到了C_s,n的分布。假設得到了任意兩組系數C_s,n,C_s,m，那么相除可得到：

其中△L_n,m＝L_n-L_m，可以看出

其中p為一個整數。可以看出通過兩次不同長度的測量就可以得到唯一的模式損耗因子是α_s，和多值的傳播常數β_s。可以根據以下三種方法唯一確認傳播常數β_s：1)如果事先或者根據經驗知道傳播常數在哪個量級，那么可以唯一確認β_s；2)經過第三次長度測量也可以唯一確定β_s；3)經過三組或者三組以上的不同長度光纖測量后，再根據公式C_n,s/η_n＝ξ_s exp(-a_sL_n)exp(iβ_sL_n)，去擬合α_s，β_s，ξ_s，可以唯一確認該系數。確定了α_s，β_s，就知道了光纖各個模式的損耗和傳播常數，掃描波長可進一步可以分析光纖的其它特征參數，可測量的光纖特征參數包括：各個波長的模式傳播常數、各個波長的模式損耗、各個波長的導模數目、帶寬、模間色散和材料色散。

圖2舉例說明了光纖本征模式跟頻率的映射關系。在這里我們選取參考光的模式指數為-8，并且假設待測光纖只支持模式指數為2，1，0，-1，-2的本征模。圖2(a)依次表示模式指數為2，1，0，-1，-2的光纖本征模式的三維等相位面分布，圖2(b)依次表示模式指數為2，1，0，-1，-2的光纖本征模式的橫截面相位分布，圖2(c)依次表示模式指數為2，1，0，-1，-2的光纖本征模式的光強度分布。我們可以看出，我們所選取的模式正交基其相位呈l倍螺旋結構分布，其中l表示本征模的模式指數，其橫截面相位分布的相位沿著方位角由0變化到2πl，其強度分布一般為環狀，且模式指數越大，環半徑越大，基模是光圓斑分布。根據前面分析，我們知道每個入射模式，包括參考光，都會被轉換成基模，并且發生頻移，頻移量跟模式指數成正比。這些不同頻率的基模會相互之間拍頻，即出現公式(8)中的各種頻率項。由于所選取的參考光的模式指數(-8)遠大于光纖模本征指數(2，1，0，-1，-2)，因此參考光與光纖本征模式的拍頻頻率不會跟參考光內部的拍頻頻率重疊，因此，如圖2(d)所示，參考光和模式指數為-2的本征模式拍出一個頻率為6Ω的信號，該本征模的相位和幅度信息也會轉移到該拍頻信號上。其它的本征模(模式指數為2，1，0，-1)類似的，會分別與參考光拍出一個頻率為10Ω，9Ω，8Ω，7Ω的信號，其相位和幅度信息會轉移到相應的拍頻信號上。這些拍頻信號可以被光電探測器(13)接收，通過頻譜分析就可以得到相應本征模的分布，通過后續分析可以得到光纖的特征參數，如傳播常數，損耗和色散等。

對于用其他類型的正交模式，比如說線性偏振模(LP模)，一般情況下光纖所支持的模式只考慮徑向指數最小的模式，比如說LP₀₁，LP_11a，LP_11b，LP_21a和LP_21b模式，其中a和b分別表示偶模和奇模。可以看出LP模是在三角函數系下的正交模式，而我們上述的分析是在復指數函數系下的正交模式，兩者是可以轉換的，因此只要分析出復指數函數型的模式特征參數，就可以將之轉換成其他類型模式的特征參數。

本發明可一次性地測量出待測光纖在某個波長所支持的各種本征模的傳播常數和損耗，進一步的通過掃描激光輸入波長可以得到各個波長的模式傳播常數、各個波長的模式損耗、各個波長的導模數目、帶寬、模間色散和材料色散。現有技術無法同時測量待測光纖的傳播常數和損耗這兩個參數，測量得到的光纖特征參數單一，需要多次測量確定所有特征參數。本發明克服了現有技術存在的操作繁瑣、功能單一、耗時較長等問題。

本領域的技術人員容易理解，以上所述僅為本發明的較佳實施例而已，并不用以限制本發明，凡在本發明的精神和原則之內所作的任何修改、等同替換和改進等，均應包含在本發明的保護范圍之內。