一种光纤器件的透射和反射性能测试装置及方法与流程

本发明涉及的是一种光纤器件的性能测试装置。本发明还涉及一种光纤器件的性能测试方法。

背景技术：

分布式光纤传感技术由于具有同时获取器件的空间上被测量分布信息的能力，白光干涉测量原理与技术的一个重要应用即表现在对光学波导与光纤器件的高精度测试与评估方面，一经出现就得到飞速的发展，其中光学相干域偏振测量技术(OCDP)和光学低相干域反射技术(OLCR)是分别针对器件的透射特性和反射特性进行测量的高精度分布式测量技术。

光学低相干域反射技术(OLCR)是基于光的背向散射进行传感探测的一种分布式测量技术，也使用宽谱光源驱动干涉仪，适用于光学器件与波导内部的微弱反射信息定量化的测量。

光学相干域偏振测量技术(OCDP)基于宽谱光干涉原理，通过扫描式光学干涉仪进行光程补偿，实现不同偏振模式间的干涉，可对偏振串扰的空间位置、偏振耦合信号强度进行高精度的测量与分析，进而获得光学偏振器件的消光比、拍长等重要参数。

分布式光纤传感技术，可真实描述信号光在光纤光路中的透射和反射行为，特别适合于对光纤器件、组件，以及高精度、超高精度干涉型光纤传感光路进行测试和评估。其具有结构简单、空间分辨率高、测量范围大、测量灵敏度高等优点，如：意大利Melloni A等人发展的偏振敏感PS-OLCR，即在传统透射式的OLCR的基础上增加了偏振选择性的光学低相干域反射计；美国通用光电公司(General Photonics Corporation)的姚晓天等人公开的一种用于保偏光纤和光学双折射材料中分布式偏振串扰测量的全光纤测量系统(US20110277552，Measuring Distributed Polarization Crosstalk in Polarization Maintaining Fiber and Optical Birefringent Material)。

在对器件的测试，单独使用OLCR或OCDP时只能得到光束在器件中的反射或透射特性，为得到器件更为详细的信息，需要同时研究其反射和透射特性。另外，为削弱外界干扰对测试的影响，对器件反射和透射特性的同步测量就更为关键。搭建一个可同时测量器件反射和透射特性的分布式装置，对器件全面特性的测试而言具有重要意义。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种精度高、稳定可靠、测量全面的光纤器件的透射和反射性能测试装置。本发明的目的还在于提供一种光纤器件的透射和反射性能测试方法。

本发明的光纤器件的透射和反射性能测试装置包括宽谱光源501、光学相干域偏振测量技术(OCDP)的透射性能测试结构530、光学低相干反射技术(OLCR)的反射性能测试结构540、检测与信号记录装置550、待测器件部分560，宽谱光源501将光束注入待测器件部分560中，待测器件部分560中的待测器件511分别产生透射光束560a和反射光束560b，透射光束560a注入光学相干域偏振测量技术的透射性能测试结构530中、将反射光束560b注入到光学低相干反射技术的反射性能测试结构540中，使用共用延迟部件519进行同时扫描，对两结构中的干涉光信号进行测量，最后同时得到待测光纤器件的透射和反射特征。

本发明的光纤器件的透射和反射性能测试装置还可以包括：

1、所述光学相干域偏振测量技术的透射性能测试结构530包括：透射光束560a经过第1检偏器515检偏后，由第1耦合器516分成两束，分别注入光学相干域偏振测量技术的透射性能测试结构的扫描臂524与透射臂525中，所述扫描臂经过第1环行器517与第1准直透镜518连接，经过共用延迟部件519扫描反射，最后两束光在第2耦合器521发生干涉，经过第一探测器522、第二探测器523接收干涉信号。

2、所述光学低相干反射技术的反射性能测试结构540包括：宽谱光源501经过第3耦合器502分成两束，一束在低相干反射技术的反射性能测试结构的透射臂503传输由第2环行器509进入待测器件511，反射光束560b依次经由第2环行器509、第2检偏器510继续在低相干反射技术的反射性能测试结构的透射臂503传播；另一束作为参考光在低相干反射技术的反射性能测试结构的扫描臂508传输，扫描臂经过第3环行器507与第2准直透镜506连接；最后两束光在第4耦合器512发生干涉，通过第三探测器513、第四探测器514接收干涉信号。

3、检测与信号记录装置550由信号处理单元551和电脑终端552构成。

基于本发明的光纤器件的透射和反射性能测试装置的测试方法包括：

(1)对待测器件511的长度l_W进行测量，计算待测器件511的最大反射光程差S_W1，S_W1＝l_W×n_W，n_W为待测器件511的折射率；

(2)在不计算延迟线扫描光程S的前提下，测量光学低相干反射技术的反射性能测试结构540中扫描臂508与透射臂503的各自总光程L_c-r和L_c-m；

(3)对共用延迟部件519引入的扫描光程范围S是否满足S>S_W1和S>L_c-m-L_c-r进行判断，如果满足，略过步骤(4)进行步骤(5)的测量；

(4)如果不满足条件，则重新截取光学低相干反射技术的反射性能测试结构540的两臂光纤长度，使其满足步骤(3)中所需条件；

(5)对待测器件511前保偏光纤s3、后保偏光纤s4的长度分别进行测试，记为l_W-i、l_W-o，计算由保偏光纤的快慢轴引入的光程差S_L，S_L＝(l_W-i+l_W-o)×Δn_L，Δn_L为待测器件511的线性双折射；

(6)在不计算可共用延迟部件519扫描光程范围S的前提下，测量光学相干域偏振测量技术的透射性能测试结构530中扫描臂524与透射臂525的总光程L_t-r和L_t-m，计算快慢轴之间光波的光程差S_W2，S_W2＝l_W×Δn_W，Δn_W为光纤器件的线性双折射；

(7)对可共用延迟部件519引入的扫描光程范围S是否满足S>L_t-m-L_t-r和S>S_W2+S_L进行判断，如果满足，略过步骤(8)进行步骤(9)的测量；

(8)如果不满足条件，则重新截取光学相干域偏振测量技术的透射性能测试结构530的两臂光纤长度，使其满足步骤(7)中所需条件；

(9)对光纤器件的透射和反射性能测试装置进行连接，开启宽谱光源501，对光纤器件的性能进行测试；

(10)利用光学相干域偏振测量技术的透射性能测试结构530中各段光纤的长度关系，获得光纤器件的偏振串扰峰的信息；

(11)利用光学低相干反射技术的反射性能测试结构540中各段光纤的长度关系，获得光纤器件的反射图谱；

(12)通过对串扰峰和反射峰的综合分析，得到偏振性能、色散特性、损耗特性、相干光谱特性等信息，完成器件测试。

本发明提供了一种光纤器件的透射和反射性能测试装置及方法。通过联合使用OLCR和OCDP技术，全面得到光纤器件的偏振性能、色散特性、损耗特性、相干光谱特性等。本发明具有搭建简单、可同时测量光纤器件的透射和反射性能等优点，可广泛用于高精度光学器件性能测量仪器中。

本发明是基于白光干涉原理的一种光纤器件的透射和反射性能测试装置。结合使用OCDP和OLCR两种测试技术，同时对光纤器件的透射光束和反射光束特性进行测试。具有精度高、稳定可靠、测量全面的特点，可用于高精度光学器件性能的测量。

1.为简单起见，OCDP的工作原理如附图1所示，以保偏光纤的性能测试为例：由宽谱光源发出的高稳定宽谱偏振光101注入到一定长度的保偏光纤120的慢轴(注入到快轴时，原理类似)。由于在偏振器件中并非所有的光都是严格按照保偏轴传输的，会存在非理想的缺陷点或者连接。信号光沿慢轴传输时，当信号光传输到缺陷点111时，慢轴中的一部分光能量就会耦合到正交的快轴中，形成耦合光束103，剩余的传输光束102依旧沿着慢轴传输。光纤存在线性双折射Δn(以5×10^-4为例)，使慢轴的折射率大于快轴折射率，当光纤的另外一端输出时(传输距离为l)，则传输在慢轴的传输光102和传输在快轴的耦合光103之间将产生一个光程差Δnl。

上述光束通过焊接点或者旋转连接头112、检偏器113，进入光程相关器130中。在光程相关器130中，偏振分束镜131、法拉第旋镜133、移动反射镜136组成一个Michelson干涉仪。光束102和103经过偏振分束镜131后分别进入固定臂132和扫描臂134。固定臂132中传输的光经过法拉第旋镜133进行反射；扫描臂中传输的光经过准直透镜135，由移动反射镜136的反射，两部分光在偏振分束镜131形成白光干涉信号，经过光电探测器114后将光信号转换为电信号。此信号到达检测与信号记录装置140，经过信号解调电路141处理后，送入计算机142中；计算机142还负责控制移动反射镜136实现光程扫描。

在计算机142的控制下，Michelson干涉仪的移动反射镜136使干涉仪两臂的光程差从-Δnl经过零，扫描至+Δnl，如附图2所示：

(1)当光程差等于-Δnl时，扫描臂中光204与固定臂中光201发生匹配，则产生白光干涉信号，其峰值221幅度为它与缺陷点的耦合幅度因子和光源强度成正比。

(2)当光程差等于0时，扫描臂与固定臂中，光205与光201、光206与光202发生匹配，则产生白光干涉信号，其峰值222幅度为I_coupling∝I₀，它与光源强度与正比。

(3)当光程差等于+Δnl时，扫描臂中光207与固定臂中光202发生匹配，则产生白光干涉信号，其峰值223幅度为它与缺陷点的耦合幅度因子和光源强度成正比。

对干涉信号进行处理，归一化后换算成dB值，通过对干涉峰的以此幅度和距离的检测，即可得到保偏光纤缺点的位置和消光比等重要信息。

2.OLCR的工作原理如附图3所示：从宽谱光源301发出的低相干光经过隔离器302，在耦合器303处将光束分为参考光和测量光分别进入干涉仪300的参考臂306和测量臂304；参考臂306经过准直镜307出射，经过参考反射镜308返回的参考光和从被测器件305内部反射(散射)的测量光再次汇合到耦合器303发生干涉，二者的相干信号被光电探测器309所接收，经过信号处理电路和计算机数据采集系统310后，获得待测器件的性能信息。此信号经过信号解调电路312处理后，送入测量计算机311中；测量计算机311另外还要负责控制移动反射镜308实现光程扫描。

振幅敏感型的OLCR技术，测量的白光干涉包络峰值幅度与待测反射率成正比，其包络峰值的扫描位置与被测器件305反射产生的位置相对应。若待测器件中不仅包含单一反射面，而是由一系列在空间上独立的反射面形成时，测量结果如附图4示意所示。附图4中3个干涉峰R₁、R₂和R₃分别表示被测器件305中3个不同位置发生了较大散射情况。

与现有技术相比，本发明的优点在于：

(1)联合使用OLCR测量技术和OCDP测量技术，同时对光纤器件的反射和透射性能进行测量，如光纤器件的偏振性能、色散特性、损耗特性、相干光谱特性等，全面对光纤器件整体性能进行测试评估。

(2)采用同一宽谱光源，提高光源出射光束的利用率，避免透射(反射)光束的损失；采用共用扫描机构，实现透射和反射性能的同时测量的同时，简化装置。

(3)采用同时测量的结构，可避免使用不同测量仪器测量时外界环境变化对测量结果的影响。

附图说明

图1是光学相干域偏振测量技术(OCDP)对单一缺陷点测量的光学原理示意图；

图2是光学相干域偏振测量技术(OCDP)对单一偏振串扰测量形成的干涉信号峰与传输光衰减倍数的对应关系示意图；

图3是光学低相干域反射测量(OLCR)技术的光学原理示意图；

图4是光学低相干域反射测量(OLCR)技术的测量结果示意图；

图5是光纤器件的透射和反射性能测试装置I结构图；

图6是光纤器件的透射和反射性能测试装置II结构图；

图7是光纤器件的透射和反射性能测试方法流程图。

具体实施方式

为清楚地说明本发明光纤器件的透射和反射性能测试装置，结合实施例和附图对本发明作进一步说明，但不应以此限制本发明的保护范围。

图5和图6是本发明的光纤器件的透射和反射性能测试装置的两种结构。其中主要光电器件的选择及其参数如下：

(1)可调宽谱光源501、601的中心波长1550nm、半谱宽度大于45nm，出纤功率范围0～2mW，消光比大于6dB；

(2)单模耦合器502、512、516、521、613、617工作波长为1550nm，消光比大于20dB，插入损耗小于0.5dB，分光比为50/50；

(3)保偏耦合器603、605、609工作波长为1550nm，消光比为40dB，插入损耗小于0.5dB，分光比为50/50；

(4)偏振器504、510、515、602、612的工作波长为1550nm，消光比为30dB，插入损耗小于1dB；

(5)偏振态控制器505、520、616、620的工作波长为1550nm，插入损耗为0.5dB；

(6)三端口环形器507、509、517、606、614的工作波长为1550nm，插入损耗为0.8dB，隔离度大于50dB；

(7)自聚焦准直透镜506、518、607、615的工作波长为1550nm，它与共用延迟部件519、608中的双面反射镜(反射率为92％以上)之间的光程扫描距离大约在0～400mm之间变化，平均插入损耗为3.0dB；

(8)探测器513、514、522、523、610、611、618、619的光敏材料均为InGaAs，光探测范围为1100～1700nm，如采用New Focus公司的Nirvana^TM系列2017型平衡探测器。

结合图5，本发明的光纤器件的透射和反射性能测试装置的第一种实施方式为：包括宽谱光源501、光学相干域偏振测量技术(OCDP)的透射性能测试结构530、光学低相干反射技术(OLCR)的反射性能测试结构540、检测与信号记录装置550、待测器件部分560，其特征是：宽谱光源501将光束注入待测器件部分560中，其中的待测器件511分别产生透射光束560a和反射光束560b，将透射光束560a注入OCDP透射性能测试结构430、将反射光束560b注入到OLCR反射性能测试结构540中，使用共用延迟部件519进行同时扫描，对两结构中的干涉光信号进行测量，最后同时得到待测光纤器件的透射和反射特征。

所述的OCDP透射性能测试结构530，将透射光束560a经过第1检偏器515检偏后，由第1耦合器516分成两束，分别注入干涉仪的OCDP扫描臂524与OCDP透射臂525中，参考扫描臂经过第1环行器517与第1准直透镜518连接，经过共用延迟部件519扫描反射，最后两束光在第2耦合器521发生干涉，经过探测器522、523接收干涉信号。

l_W为待测器件511的长度，则快慢轴之间光波的光程差S_W2(S_W2＝l_W×Δn_W，Δn_W为待测器件511的线性双折射)；由待测器件511前后保偏光纤s3、s4快慢轴引入的光程差为S_L。对于由共用延迟部件519引入的扫描光程范围S，以上参数需满足：

S>S_W2+S_L (1)

在不计算共用延迟部件519扫描光程范围S的前提下，在OCDP透射性能测试结构530中，OCDP扫描臂524与OCDP透射臂525的总光程分别是L_t-r和L_t-m，以上参数需满足：

S>L_t-m-L_t-r (2)

条件(1)(2)使光程扫描范围S覆盖光纤器件的整个范围，以获得完全的透射性能干涉图谱。

所述的OLCR反射性能测试结构540，由宽谱光源501经过第3耦合器502分成两束：其中一束在OLCR透射臂503传输由第2环行器509进入待测器件511，反射光束560b依次经由第2环行器509、第2检偏器510继续在OLCR透射臂503传播；另一束作为参考光在OLCR扫描臂508传输，参考扫描臂经过第3环行器507与第2准直透镜506连接；最后两束光在第4耦合器512发生干涉，通过探测器513、514接收干涉信号。

待测器件511产生的最大反射光程差为S_W1(S_W1＝l_W×n_W，n_W为待测器件511的折射率)。对于由共用延迟部件519引入的扫描光程范围S须满足：

S>S_W1 (3)

在不计算共用延迟部件519扫描光程范围S的前提下，在OLCR反射性能测试结构540中，OLCR扫描臂508与OLCR透射臂503的各自总光程L_c-r和L_c-m，需满足：

S>L_c-m-L_c-r (4)

条件(3)(4)使光程扫描范围S覆盖光纤器件的整个范围，以获得完全的反射性能干涉图谱。

所述的检测与信号记录装置550，由信号处理单元551和电脑终端552构成。

所述的待测器件部分560，测试光束利用了OLCR反射性能测试结构540的透射臂503部分：由宽谱光源501发出的宽谱光依次经过第2耦合器503、起偏器504、第2环行器509到达待测器件511。

结合图7，基于光纤器件的透射和反射性能测试装置的测量方法如下：

(1)对待测光纤器件511的长度l_W进行测量，计算光纤器件的最大反射光程差S_W1(S_W1＝l_W×n_W，n_W光纤器件的折射率)。

(2)在不计算延迟线扫描光程S的前提下，测量OLCR反射性能测试结构中参考扫描臂与透射测量臂的各自总光程L_c-r和L_c-m。

(3)对共用延迟部件519引入的扫描光程范围S是否满足S>S_W1和S>L_c-m-L_c-r进行判断，如果满足测进行下一步测量；如果不满足条件，则需要重新截取OLCR反射性能测试结构的两臂光纤长度，使其满足需要条件。

(4)对光纤器件511输入、输出尾纤s3、s4的长度分别进行测试l_W-i、l_W-o，测试第2环行器509的输出光纤长度l_L9-o及起偏器515的输入光纤s7长度l_L15-i，并计算由保偏光纤快慢轴引入的光程差S_L(S_L＝(l_W-i+l_W-o+l_W+l_L9-o+l_L15-i)×Δn_L，Δn_L保偏光纤的线性双折射)。

(5)在不计算可移动双面反射镜扫描光程范围S的前提下，测量OCDP透射性能测试结构中参考扫描臂与透射测量臂的总光程L_t-r和L_t-m，计算快慢轴之间光波的光程差S_W2(S_W2＝l_W×Δn_W，Δn_W光纤器件的线性双折射)。

(6)对共用延迟部件519引入的扫描光程范围S是否满足S>L_t-m-L_t-r和S>S_W2+S_L进行判断，如果满足测进行下一步测量；如果不满足条件，则需要重新截取OCDP透射性能测试结构的两臂光纤长度，使其满足需要条件。

(7)对光纤器件的透射和反射性能测试装置进行连接，开启宽谱光源501，对光纤器件的性能进行测试。

(8)利用l_L9-o、l_W-i、l_W、l_W-o、l_L15-i的长度，获得光纤器件的偏振串扰峰的信息。

(9)利用l_L9-o、l_W-i、l_W的长度，获得光纤器件的反射峰信息，通过对串扰峰和反射峰的综合分析，得到偏振性能、色散特性、损耗特性、相干光谱特性等信息，完成器件测试。

结合6，本发明的光纤器件的透射和反射性能测试装置的第二种实施方式为：宽谱光源601经过依次经过45起偏器602、1×2保偏耦合器603，将光束注入待测器件604中；由待测器件604分别产生透射光束660a和反射光束660b，将透射光束660a注入OCDP透射性能测试结构630、将反射光束660b注入到OLCR反射性能测试结构640中，使用共用延迟部件608进行同时扫描；对两结构中的干涉光信号进行测量，分别在探测器618、619得到待测光纤器件的透射信息，在探测器610、611得到待测光纤器件的反射信息，最后在检测与信号记录装置650处进行分析。

其测量方法如下：

(1)对待测光纤器件604的长度l_W进行测量，计算光纤器件的最大反射光程差S_W1(S_W1＝l_W×n_W，n_W光纤器件的折射率)。

(2)在不计算延迟线扫描光程S的前提下，OLCR反射性能测试结构的反射测量臂包含1×2耦合器603的a1端与a3端、待测光纤器件的a2端、三端口环形器606的3段尾纤、自聚焦透镜607、共用延迟部件608中的可移动双面反射镜、偏振态控制器620、2×2耦合器609的a6端；OLCR反射性能测试结构的参考臂包含1×2耦合器603的a1端与a3端、待测光纤器件的a2端与a7端、1×2耦合器605的a8端与a9端、2×2耦合器609的a10端。测量OLCR反射性能测试结构中参考臂与反射测量臂的各自总光程为L_c-r和L_c-m，两路干涉光经过2×2耦合器609形成干涉信号，由探测器610和611实现探测。

(3)对共用延迟部件608中的可移动双面反射镜引入的扫描光程范围S是否满足S>S_W1和S>L_c-m-L_c-r进行判断，如果满足测进行下一步测量；如果不满足条件，则需要重新截取OLCR反射性能测试结构的两臂光纤长度，使其满足需要条件。

(4)对光纤器件604输入、输出尾纤a2、a7的长度分别进行测试l_W-i、l_W-o，测试1×2偏振耦合器605的输出光纤长度l_L5-o及起偏器612的输入光纤a11长度l_L12-i，并计算由保偏光纤快慢轴引入的光程差S_L(S_L＝(l_W-i+l_W-o+l_W+l_L5-o+l_L12-i)×Δn_L，Δn_L保偏光纤的线性双折射)。

(5)在不计算可移动双面反射镜扫描光程范围S的前提下，OCDP透射性能测试结构由1×2偏振耦合器613、三端口环形器614、自聚焦透镜615、共用延迟部件608中的可移动双面反射镜、偏振态控制器616、2×2耦合器617构成。测量OCDP透射性能测试结构中参考扫描臂与透射测量臂的总光程L_t-r和L_t-m，计算快慢轴之间光波的光程差S_W2(S_W2＝l_W×Δn_W，Δn_W光纤器件的线性双折射)。

(6)对共用延迟部件608中的可移动双面反射镜引入的扫描光程范围S是否满足S>L_t-m-L_t-r和S>S_W2+S_L进行判断，如果满足测进行下一步测量；如果不满足条件，则需要重新截取OCDP透射性能测试结构的两臂光纤长度，使其满足需要条件。

(7)对光纤器件的透射和反射性能测试装置进行连接，开启宽谱光源601，对光纤器件的性能进行测试。

(8)利用l_L9-o、l_W-i、l_W、l_W-o、l_L15-i的长度，获得光纤器件的偏振串扰峰的信息。

(9)利用l_L9-o、l_W-i、l_W的长度，获得光纤器件的反射峰信息，通过对串扰峰和反射峰的综合分析，得到偏振性能、色散特性、损耗特性、相干光谱特性等信息，完成器件测试。