基于光开关激光拍频系统测量光纤色散的方法与流程

本发明属于光纤色散的测量
技术领域：
，具体涉及一种基于光开关激光拍频系统测量光纤色散的方法。
背景技术：
：光纤通信系统的色散问题一直是人们关注的热点，随着系统传输速率的不断提高，各种不同类型的色散所引起的码间串扰成为光通信系统容量的主要限制因素之一，人们采取了许多技术手段来补偿色散。而对于DWDM系统却需要一定量的色散，以降低非线性效应所导致的四波混频。因此系统在投入使用前应当对各种色散进行测量，以确定所需采用的色散管理方案。光纤色散测量的实质就是测量不同频率的光脉冲在光纤中传输相同距离所用的时延或者测量不同频率的光脉冲对应频域上的相位。测量光纤色散的方法有很多，主要有三种，即时延法、干涉法和相移法，其中时延法测量精度主要受限于光脉冲宽度、光电探测器的带宽和激光光源及电子器件的稳定性；相移法使用较为广泛，商用色散测量仪器基本都采用相移法，但相移法测量通常需要一个非常稳定的可调谐激光器，甚至还需要结合矢量网络分析仪实现扫频，导致测量成本大大增加；干涉法测量是近年来人们研究最多的一种方法，其测量精度高，结构相对简单，能够测量短光纤，适合于价格昂贵的特种光纤，如光子晶体光纤等色散测量。上述方法普遍存在结构复杂、操作不够方便和测量成本较高的缺陷，因此，有必要设计一种基于光开关激光拍频系统测量光纤色散的方法。技术实现要素：本发明解决的技术问题是提供了一种基于光开关激光拍频系统测量光纤色散的方法，该方法采用光纤激光器结构，将待测光纤置于激光谐振腔内，利用多纵模拍频信号来测量光纤色散，故不受系统损耗和光源波动的影响，成功实现了对待测光纤色散的测量，不仅稳定性较好、测量系统结构简单和成本低廉，而且将光信号测量转化为电信号测量，方便进行数据处理。本发明为解决上述技术问题采用如下技术方案，基于光开关激光拍频系统测量光纤色散的方法，其特征在于测量系统主要由光纤环镜、第一耦合器、饱和吸收体、波分复用器、第二耦合器、980泵浦光源、掺铒光纤、光电探测器、频谱分析仪、待测光纤、光开关和多组光纤光栅构成，其中多组光纤光栅与光纤环镜构成激光谐振腔，980泵浦光源发出波长为980nm泵浦光，该980nm泵浦光经波分复用器进入激光谐振腔中，由于掺铒光纤增益作用，光波在激光谐振腔里振荡放大，最终形成激光输出，波分复用器的一端通过光纤依次与饱和吸收体、第一耦合器和光线环镜相连，波分复用器的另一端通过光纤依次与第二耦合器、掺铒光纤、待测光纤、光开关以及多组光纤光栅相连，第二耦合器的另一条光支路依次与光电探测器和频谱分析仪相连；该测量系统的具体测量过程为：980nm泵浦光经过波分复用器后，经过饱和吸收体进入光纤环镜经由光纤环镜反射的光继续在光路中传播，依次通过第二耦合器、掺铒光纤和待测光纤，再通过光开关控制的光纤光栅反射后返回，光纤环镜与多组光纤光栅构成光纤反射腔镜，通过调节光开关选择中心波长不同的光纤光栅，实现激光谐振腔中拍频频率的变化，利用频谱分析仪分别测得光路中加入待测光纤前后激光拍频的变化，将光路中加入待测光纤前后激光拍频的变化量与对应的待测光纤的色散量建立其联系，从而使把不同波长下待测光纤色散量的测量转化为激光拍频频率变化的测量，经过数据处理实现对待测光纤色散的测量。本发明通过光路的合理配置稳定拍频信号，测量系统以一段未泵浦的掺铒光纤作为饱和吸收体，光波在激光谐振腔内振荡，当通过饱和吸收体时，大大减少激光谐振腔中激光模式的数量，致使拍频更加稳定。本发明的技术核心是将时延的测量转变为极易测量的拍频频率，这种方法采用光纤激光器结构，将待测光纤置于谐振腔内，利用多纵模拍频信号来测量色散，所以不受系统损耗和光源波动的影响，成功实现了对色散的测量，无需借助网络分析仪等昂贵的仪器，即可实现对色散的测量，稳定性好，测量系统不仅结构简单、成本低廉和测量速度较快，而且把光信号测量转化为电信号测量，方便进行数据处理。本发明与现有技术相比具有以下有益效果：1、简化了色散测量系统，因此大大降低系统成本；2、测量系统结构简单、不受周围环境的影响，稳定性好；3、运用光开关使得测量过程简化，方便迅速，利用拍频和腔内时延的直接关系进行色散测量。附图说明图1是本发明的光路连接图；图2是拟合得到的待测光纤时延随波长的变化曲线。图面说明：1、光纤环镜，2、第一耦合器，3、饱和吸收体，4、波分复用器，5、第二耦合器，6、掺铒光纤，7、待测光纤，8、光开关，9、光纤光栅，10、光电探测器，11、频谱分析仪，12、980泵浦光源。具体实施方式以下通过实施例对本发明的上述内容做进一步详细说明，但不应该将此理解为本发明上述主题的范围仅限于以下的实施例，凡基于本发明上述内容实现的技术均属于本发明的范围。如图1所示，基于光开关激光拍频系统测量光纤色散的方法，测量系统主要由光纤环镜1、第一耦合器2、饱和吸收体3、波分复用器4、第二耦合器5、980泵浦光源12、掺铒光纤6、光电探测器10、频谱分析仪11、待测光纤7、光开关8和多组光纤光栅9构成，其中多组光纤光栅9与光纤环镜构成激光谐振腔，980泵浦光源12发出波长为980nm泵浦光，该980nm泵浦光经波分复用器4进入激光谐振腔中，由于掺铒光纤6增益作用，光波在激光谐振腔里振荡放大，最终形成激光输出，波分复用器4的一端通过光纤依次与饱和吸收体3、第一耦合器2和光线环镜1相连，波分复用器4的另一端通过光纤依次与第二耦合器5、掺铒光纤6、待测光纤7、光开关8以及多组光纤光栅9相连，第二耦合器5的另一条光支路依次与光电探测器10和频谱分析仪11相连；该测量系统的具体测量过程为：980nm泵浦光经过波分复用器4后，经过饱和吸收体3进入光纤环镜1经由光纤环镜1反射的光继续在光路中传播，依次通过第二耦合器5、掺铒光纤6和待测光纤7，再通过光开关8控制的光纤光栅9反射后返回，光纤环镜1与多组光纤光栅9构成光纤反射腔镜，通过调节光开关8选择中心波长不同的光纤光栅9，实现激光谐振腔中拍频频率的变化，利用频谱分析仪分别测得光路中加入待测光纤7前后激光拍频的变化，将光路中加入待测光纤7前后激光拍频的变化量与对应的待测光纤7的色散量建立其联系，从而使把不同波长下待测光纤7色散量的测量转化为激光拍频频率变化的测量，经过数据处理实现对待测光纤7色散的测量。本发明的原理是光纤环镜与光纤光栅作为激光器反射腔镜，泵浦光经过波分复用器后，进入激光谐振腔，经过饱和吸收体，进入光纤环镜，经由光纤环镜反射的光继续在光路中传播，依次通过掺铒光纤放大、待测光纤，再通过光开关控制的光纤光栅反射后返回。由于谐振腔中存在偏振和空间烧孔，形成非均匀加宽，各光纤激光器产生多纵模输出，这些激光器中的各纵模在光电探测器上分别形成拍频，拍频频率为：式中q为纵模的阶次，c为光在真空中的传播速度，n为介质的折射率，L为激光谐振腔腔长。由(1)式可得相邻纵模的频率间隔为：已知拍频频率，利用公式：可求时间，进而可得待测光纤的时延。当光纤激光器中未加待测光纤时，通过激光拍频频率的测量分别得到激光器中光波循环一周的时间为τλ1，τλ2，τλ3…τλn；加入待测光纤后，每个激光器中光波循环一周的时间分别为τλ1+△τλ1，τλ2+△τλ2，τλ3+△τλ3…τλn+△τλn。两次时间值相减所得到时延差△τλ1，△τλ2△τλ3，…△τλn即为待测光纤在各波长下的时延。根据测量的数据可以得到时延随波长变化的曲线图，经线性拟合可得到时延与波长的函数关系，由下式可求得待测光纤的色散系数：其中，L为待测光纤长度，△τ为待测光纤在相邻波长下的时延差，△λ为各激光器的波长间隔，在只考虑一阶色散情况下，色散系数D为常量。实验结果：测量系统中选用了8个光纤光栅和光纤环镜分别构成8个独立的光纤激光器。8个光纤光栅的中心波长分别是1541nm、1543nm、1545nm、1547nm、1549nm、1551nm、1553nm、1555nm，光纤光栅的反射率为60％，3dB带宽小于0.08nm，激光谐振腔中设有增益的掺铒光纤，长度为6m，整个激光谐振腔长度约19m。所用的待测光纤是色散补偿光纤，长度是500m，其在1545nm处色散率为：-131.507ps/nm/km。频谱分析仪是安泰信AT6030DM，分辨率是2.5KHz。在未加待测光纤的情况下，可测8个光纤光栅分别接入光路时拍频的原始频率，增加：实验测量采用拍频较稳定的48倍频处的数据，并对数据进行处理和归一化后得到相应的时延。具体数据如表1所示：表1在系统中掺铒光纤和光开关之间加入色散补偿光纤，通过光开关依次选择不同中心波长的光纤光栅，分别测量每一个工作波长处的拍频频率，记录下相应拍频频率，进一步计算得到时延。为提高测量精度，选取较稳定的1000倍频为测试频率，具体数据如表二所示：表2波长(nm)千倍频(MHZ)时延(ps)1541195.1187505125084.0831543195.1375005124591.6341545195.1875005123278.8981547195.1412505124493.1561549195.1837505123377.331551195.1837505123377.331553195.2312505122130.8061555195.3325005119475.766加入色散补偿光纤后系统得到的时延和未加色散补偿光纤时的系统时延相减所得到时延差即为色散补偿光纤在各波长下的时延。经线性拟合可得到色散补偿光纤的色散系数。如图2所示，通过图2的实际测量我们可以看到，测量得到色散补偿光纤的色散系数为-130.80615ps/nm·km，线性拟合相关系数为99.8％。实验结果不仅证实了本方法的可行性，也验证了该系统的合理性和准确性。如果使用更多的光纤光栅，即相邻两个光纤光栅的中心波长间隔更小，那么测量结果的精度将会进一步提高。本发明使用光纤环镜、掺铒光纤、光开关和光纤光栅构成的激光器实现拍频，加入了一段饱和吸收体进行稳频，待测光纤接入在掺铒光纤和光开关之间，通过光开关控制把不同的光纤光栅接入光路，光纤激光器中不同工作波长下待测光纤的时延量发生变化，产生的拍频频率也相应变化。通过利用光开关选择接入不同的光纤光栅实现对工作波长的选择，观测频谱仪上对应拍频的变化，实现在不同波长条件下对待测光纤色散量的准确测量。该装置设计简单，方式新颖，简便快速，具有可操作性高、实用性好等特点，可望在光纤色散测量领域得到实际应用。以上实施例描述了本发明的基本原理、主要特征及优点，本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明原理的范围下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进均落入本发明保护的范围内。当前第1页1 2 3