专利名称：一种光平均波长的测量方法及装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种光平均波长的测量方法及装置，属于光纤传感和光纤通讯领域。
背景技术：
目前现有技术采用测量平均波长的波长计主要基于干涉原理，按测量原理分主要有 斐索干涉型(Fizeau)、法布里-玻罗型(Fabry-Perot)和迈克尔逊型(Mechelson)。
(1) 斐索干涉型(Fizeau) Fizeau波长计可以测量脉冲或连续激光器的输出波长，包括两个形成干涉仪的未镀
膜表面、 一个输入光场以及两个分别从未镀膜表面反射的光场，这两束反射光在CCD探测 器上形成正弦干涉条纹。CCD输出模拟信号，再由取样放大器和模数转换器转换成数字信 号，读入计算机中进行计算，最后确定光源的波长值。其特点是不需要内置参考光源， 测量精度低，必须放入恒温箱。
(2) 法布里-玻罗型(Fabry-Perot) 法布里-珀罗干涉型波长计是利用光束通过两块镀以高反射率间距一定的玻璃板时产
生多光束干涉的现象测量待测激光波长。这种波长计可用来测量脉冲或连续激光器的输 出波长，系统可采用多个不同厚度的标准具。F-P波长计通过波长已知的参考激光和待测 激光产生的干涉条纹进行比对，测量待测激光的波长。
(3) 迈克尔逊型(Mechelson) 迈克尔逊波长计适合测量连续激光波长。迈克尔逊波长计的测量精度可达lppm最高
可达O. lppm高于另外两种波长计，当可动反射镜沿轴线平移时，同时记录参考激光与被 测激光两组不同的干涉条纹，根据两组条纹数比值与参考激光的真空波长值的乘积及空 气折射率，可直接求得被测激光波长值。
以上三种波长计不能测量宽谱光的波长，只能测量窄谱光(激光)，由于这些波长 计均是基于干涉原理，而宽谱光的相干性较差，导致两束宽频光干涉后的条纹不清晰， 采用传统干涉原理对干涉条纹进行分析的波长计难以准确地测量宽谱光的波长。另外还有一种基于马赫-泽德型(March-Zhnder)的波长计，通过光电探测器接收波导调制器输 出的干涉光，并将干涉光的光信号转变为电信号，再通过监测电路的计算得出光的平均 波长，马赫-泽德型(March-Zhnder)的波长计需要形成两个光纤臂，而两个光纤臂的稳 定性成为影响系统探测精度的主要因素稳定工作点很难调整，理论精度有限，难以提高 检测精度。而目前对于宽谱光的测量普遍采用光谱仪，光谱仪是分析光信号频谱分布的 仪器，它利用了干涉分光装置将光信号进行分光，分别测量每束光的波长，然后通过加 权积分运算得出光信号的平均波长。光谱仪虽然能够测量宽谱光的波长，但根据光谱仪 的结构特点，测量波长只是光谱仪最简单的应用，其精度也难以满足高精度光纤陀螺光 波长测量精度的要求。
因此，在现有测量平均波长的技术中，存在不能测量宽谱光的波长、测量精度较 低、测量误差较大以及稳定工作点较难调的问题。其中马赫-泽德型(March-Zhnder)的 波长计需要形成两个光纤臂，而两个光纤臂的稳定性成为影响系统探测精度的主要因 素。
发明内容
本发明提供了一种光平均波长的测量方法及装置，以解决在现有测量平均波长的技 术中，存在不能测量宽谱光的波长、测量精度较低、测量误差较大以及稳定工作点较难 调的问题。
一种光平均波长的测量方法，包括
将输入的光信号通过相位调制得到两路光，并使经过光纤环传输的两路光产生干
涉；
接收干涉的光信号并将所述光信号转换成电信号，通过对电信号解调获得所述输入 的光信号的平均波长。
一种光平均波长的测量装置，包括
光学调制单元，用于将输入的光信号进行相位调制得到两路光，并使经过光纤环传 输的两路光产生干涉；
光电探测单元，用于接收干涉的光信号并将所述光信号转换成电信号，通过对电信 号解调获得所述输入的光信号的平均波长。
本发明通过将接收的干涉光信号转化为电信号，并通过对电信号的解调得到输入的 光信号的平均波长，具有测量精度较高、测量误差较小以及容易测量的特点，可以用于测量光纤传感和光纤通讯领域宽谱光信号的平均波长，也可以用于测量窄谱光信号的平 均波长，特别适用于高精度宽谱光波长的测量。使用该种波长计对宽谱光平均波长的测 量精度优于lppm。具有很好的光学互易性，可以大大减少由偏振、背向散射背向反射引 入的误差，提高测量精度。
图l是本发明的具体实施方式
提供的一种光平均波长的测量方法的流程示意图;
图2是本发明的具体实施方式
提供的Sagnac干涉仪示意图3是本发明的具体实施方式
提供的相位调制信号示意图4是本发明的具体实施方式
提供的信号调制解调示意图5是本发明的具体实施方式
提供的信号检测电路原理图6是本发明的具体实施方式
提供的一种光平均波长的测量装置的结构示意图。
具体实施例方式
在本发明的具体实施方式
提供的一种光平均波长的测量方法的技术方案中，首先将 输入的光信号通过相位调制得到两路光，并使经过光纤环传输的两路光产生干涉；然后 接收干涉的光信号并将光信号转换成电信号，通过对电信号解调获得输入的光信号的平 均波长。
进一步地，经过光纤环传输包括将两路光分别通过对称绕制且入射方向相反的两个 光纤环传输。输入的光信号的平均波长根据以下公式计算获得-
义 d ;
其中^为光信号在Y波导中正反两方向传播的相位差，/为波导的长度，J为波导的厚
度，A为光源平均波长，u为调制电压，r为电场与光场的重叠因子，"e为非寻常光折射
率，w为介电常数。
为了更清楚的说明本发明的具体实施方式
提供的一种光平均波长的测量方法，现结
合说明书附图对该方法进行详细说明，如图1所示，具体可以包括
步骤ll，将输入的光信号通过相位调制得到两路光，并使经过光纤环传输的两路光 产生干涉。
本实施方式提供的方法基于Sagnac干涉仪，如图2所示。首先，光源发出的光信号经 过耦合器进入Y波导光学调制单元，然后经Y波导光学调制单元调制得到两束光，再将两束光分别通过对称绕制且入射方向相反的两个光纤环传输，经过光纤环传输的两路光经 过Y波导光学调制器后产生干涉。
步骤12，接收干涉的光信号并将光信号转换成电信号，通过对电信号解调获得输入 的光信号的平均波长。
对于未加调制的光信号，干涉输出是Pockels相移的余弦函数，如果对其进行直接解 调，需要进行反余弦运算，运算量将很大，并且灵敏度不高，测量误差大。为了提高检 测精度，容易想到的是把余弦信号转变为正弦信号，因为正弦信号在小信号时敏感，变 化率最大，并且在被测量^p正负变化时能够表征出来。要把余弦响应转化为正弦响应，
需要在发生干涉的两束光之间引入一个^^2或i^3/2的相移，这样通过在Y波导光学调 制单元上加合适的电压可以实现。通过电压信号加在Y波导上的调制相位信号为
;z72 A:774^"772
^ = 1,2,3..
;z72 3A:774^^r
其中，如图4a所示，T为一个调制信号周期，取周期T二4T， T为光在光纤中的渡越时 间。如图4b所示，调制后的光在光纤中传输后将会延迟时间T。如图4c所示，在Y波导上 加入调制信号后，Y波导中正反两方向传播短的光的相位差为
_;r/2 0^^774 3H74^"T
A: = l,2，3..
两束光在Y波导处发生干涉后输出，由光电探测器探测到的信号为
尸(—尸o[l + cos(A^ + A，)]
其中A^为光纤环旋转引起的Sagnac相位差，当光路静止时，A^=0 (可忽略地球自 转等因素的影响)。此时
/>(0 =尸0[1 + —^))]
当光源的平均波长不发生改变时，P") = PC;
(2)当光源的平均波长变长A义时，A-减小A，则探测器探测到的功率为/t774^"772
0^^774
k = 1，2，3...
(3)当光源的平均波长变短A2时，A-增大^，
则探测器探测到的功率为:
P(,)^o[l + cos(A《(0 + A)卜
尸o十尸oSin^ 尸。-户X
尸o +尸o sin ^
yt774《/^r/2
k = 1，2，3...
通过检测光电探测器的输出电压信号就可以检测到相位信号^。
如图5所示，对探测到的信号进行解调后，根据Pockels效应，有以下公式成立:
其中-为光信号在Y波导中正反两方向传播的相位差，/为波导的长度，J为波导的厚 度，义为光源平均波长，u为调制电压，r为电场与光场的重叠因子，"e为非寻常光折射 率，力3为介电常数。该式中除电压U和波长义其它均为常量，可将其等效为常数K，得到
上式可简化为
当其它因素不变，光源波长发生波动时，会产生Pockels相移，这个相移信号经过干
涉转换成光强信号，并转换成电信号被检测到，从而可以计算出光源的平均波长。
本发明的具体实施方式
可以用于测量光纤传感和光纤通讯领域宽谱光信号的平均波
长，也可以用于测量窄谱光信号的平均波长，特别是对高精度宽谱光波长的测量。对于 研究宽谱光源平均波长稳定性，研制平均波长高稳定光源，以及对光纤陀螺中光的平均 波长进行测量控制，对由平均波长引起的光纤陀螺标度因数变化进行补偿都有重要意 义，从而解决高精度光纤陀螺的标度因数稳定性问题。由于采用由Y分支集成的光学调制 器和光纤环组成的Sagnac干涉仪进行光波长测量，测得的光波长即是光纤陀螺标度因数 中的光波长A，避免了其他仪器对光纤陀螺标度因数中波长义定义不同而带来的测量误差； 选用由Y波导和光纤环构成的Sagnac干涉仪，具有很好的光学互易性，可以大大减少由偏 振、背向散射背向反射引入的误差，提高测量精度；光纤绕环采用对称绕制且入射方向 相反的构成，可以抵消由法拉第电磁效应引入的误差，提高测量精度。
少二T'了T""》3:本发明的具体实施方式
还提供了一种光平均波长的测量装置，在本发明的实施方式 中，实施测量方法的装置可以包括光路系统和电路系统，光路系统可以包括光源、耦合 器、Y波导光学调制单元和光纤环，光源发出的光信号经过耦合器进入Y波导光学调制单 元，然后经Y波导光学调制单元调制得到两束光，再将两束光分别通过对称绕制且入射方 向相反的两个光纤环传输，经过光纤环传输的两路光经过Y波导光学调制器后产生干涉； 电路系统如图5所示，可以包括前置放大电路、A/D转换器、微处理器、D/A转换器、后置 滤波器和电源电路组成。前置放大电路对模拟电压信号^进行低噪声的放大并由A/D转换 器将放大后的模拟电压信号转换成数字电压信号t/z)，微处理器对数字电压信号C/o进行运 算处理后输出一个数字电压信号t/z)'，再由A/D转换器转换成模拟电压信号仏'，模拟电压 信号"/经过后置滤波器平滑滤波后加在Y波导集成光学调制器上，形成闭环系统。下面结 合说明书附图以及各器件在装置中的作用对本实施方式进行说明，如图6所示，具体可以 包括
光学调制单元61，用于将输入的光信号进行相位调制得到两路光，并使经过光纤环 传输的两路光产生干涉；
光电探测单元62，用于接收干涉的光信号并将光信号转换成电信号，通过对电信号 解调获得输入的光信号的平均波长。
首先通过光学调制单元61将输入的光信号进行相位调制得到两路光，并使经过光纤 环传输的两路光产生干涉；然后通过光电探测单元62接收干涉的光信号并将光信号转换 成电信号，通过对电信号解调获得输入的光信号的平均波长。
进一步地，经过光纤环传输包括将两路光分别通过对称绕制且入射方向相反的两个 光纤环传输。输入的光信号的平均波长根据以下公式计算获得
其中^为光信号在Y波导中正反两方向传播的相位差，/为波导的长度，"为波导的厚
度，义为光源平均波长，u为调制电压，r为电场与光场的重叠因子，^为非寻常光折射
率，乃3为介电常数。
上述系统中包含的各单元的处理功能的具体实现方式在之前的方法实施例中已经描 述，在此不再重复描述。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式
，但本发明的保护范围并不局限于此， 任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替 换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的 保护范围为准。
权利要求
1、一种光平均波长的测量方法，其特征在于，包括将输入的光信号通过相位调制得到两路光，并使经过光纤环传输的两路光产生干涉；接收干涉的光信号并将所述光信号转换成电信号，通过对电信号解调获得所述输入的光信号的平均波长。
2、 根据权利要求l所述的方法，其特征在于，所述经过光纤环传输包括将所述两 路光分别通过对称绕制且入射方向相反的两个光纤环传输。
3、 根据权利要求l所述的方法，其特征在于，所述输入的光信号的平均波长根据以下公式计算获得其中0为光信号在Y波导中正反两方向传播的相位差，/为波导的长度，"为波导的厚度，义为光源平均波长，u为调制电压，r为电场与光场的重叠因子，"e为非寻常光折射率，加为介电常数。
4、 一种光平均波长的测量装置，其特征在于，包括光学调制单元，用于将输入的光信号进行相位调制得到两路光，并使经过光纤环传输的两路光产生干涉；光电探测单元，用于接收干涉的光信号并将所述光信号转换成电信号，通过对电信 号解调获得所述输入的光信号的平均波长。
5、 根据权利要求4所述的装置，其特征在于，所述经过光纤环传输包括将所述两 路光分别通过对称绕制且入射方向相反的两个光纤环传输。
6、 根据权利要求4所述的装置，其特征在于，所述输入的光信号的平均波长根据以 下公式计算获得义d 6 33;其中^为光信号在Y波导中正反两方向传播的相位差，/为波导的长度，d为波导的厚度，义为光源平均波长，u为调制电压，r为电场与光场的重叠因子，^为非寻常光折射率，加为介电常数。
全文摘要
一种光平均波长的测量方法及装置，以解决在现有测量平均波长的技术中，存在不能测量宽谱光的波长、测量精度较低、测量误差较大以及稳定工作点较难调的问题。本发明包括将输入的光信号通过相位调制得到两路光，并使经过光纤环传输的两路光产生干涉；接收干涉的光信号并将所述光信号转换成电信号，通过对电信号解调获得所述输入的光信号的平均波长。本发明通过将接收的干涉光信号转化为电信号，并通过对电信号的解调得到输入的光信号的平均波长，具有测量精度较高、测量误差较小以及容易测量的特点，可以用于测量光纤传感和光纤通讯领域宽谱光信号的平均波长，也可以用于测量窄谱光信号的平均波长，特别适用于高精度宽谱光平均波长的测量。
文档编号G02B6/24GK101592526SQ200910085890
公开日2009年12月2日 申请日期2009年6月3日 优先权日2009年6月3日
发明者刘海锋, 宋凝芳, 张忠钢, 张春熹, 徐宏杰, 郭耀仪 申请人:北京航空航天大学