一种基于双波长锁模脉冲光纤激光器的光纤色散测量方法与流程

本发明属于光纤测量领域，具体涉及一种基于双波长锁模脉冲光纤激光器的光纤色散测量方法。

背景技术：

据统计，因特网的流量正以每12个月增长一倍的速度快速增加，而且并无减缓的趋势。因此必须发展高速光纤通信，才能满足日益增长的带宽需求。在扩大高速光纤通信系统的传输容量方面，目前主要采用的手段是复用技术，比如光时分复用技术(otdm)、密集波分复用技术(owdm)等。其中，otdm的一项关键技术就是超短光脉冲的产生。被动锁模光纤激光器因其能直接输出超短光脉冲，且具有结构简单、体积小、成本低等特点，被认为是一种十分有前景的otdm光源。超短光脉冲在光纤中传输时，需要考虑光纤损耗和色散两个重要参量。目前，通过不断改进制备工艺，光纤损耗已经十分接近理论极限值，因而色散成为主要的影响因素。在高速光纤通信系统中，光纤色散将导致脉冲展宽，使得相邻脉冲相互重叠，引起误码率增加，不利于超高速和长距离传输。通常采用色散补偿和管理技术来限制脉冲展宽，进而提高传输系统的性能。因此，对光纤色散值实施精确测量是十分必要的。

目前采用的光纤色散测量方法主要有时延法、相移法和干涉法等。

时延法是直接测量光纤中同时发出的不同波长脉冲到达接收点的相对延迟量，通过拟合得到色散值。这种方法要求脉冲到达时间的计时极其准确，且测量精度受到脉冲形状的影响。

相移法是测量不同波长下同一正弦调制信号的相移得出群时延与波长的关系，从而确定色散特性。该方法与时延法比较测量精度大大提高。但要求采用高信噪比、高调节精度的可调谐光源，造成测量装置成本太高。

干涉法是基于马赫-曾德尔干涉仪或迈克尔逊干涉仪结构，通过测量干涉光谱，从中提取相位信息进而得到色散值。该方法测量系统结构简单，但由于参考臂或待测臂易受外界环境(如温度、震动等)扰动，使得在两束光的相干过程中引入误差，造成测量精度难以保障。

技术实现要素：

本发明的目的是为了解决背景技术中现有色散测量精度低、测量装置成本高、测量过程繁琐的问题，提出了一种基于双波长锁模脉冲光纤激光器的光纤色散测量方法。

本发明的技术方案为：一种基于双波长锁模脉冲光纤激光器的光纤色散测量方法，包括泵浦源、偏振相关集成光学器件、偏振控制器、待测光纤以及掺铒增益光纤；偏振相关集成光学器件、偏振控制器、待测光纤、掺铒增益光纤依次通过标准单模光纤闭环连接，泵浦源与偏振相关集成光学器件的输入端连接，偏振相关集成光学器件的输出端输出双波长锁模脉冲。

优选地，泵浦源为半导体激光器或者光纤激光器，输出泵浦光的中心波长λ为：980nm。

优选地，掺铒增益光纤的长度为2.5m，在1550nm附近具有正色散。

优选地，标准单模光纤的长度为10.7m，在1550nm附近具有负色散。

优选地，偏振相关集成光学器件集成了波分复用器、输出耦合器和偏振相关光隔离器的功能。

优选地，偏振相关集成光学器件公共端的尾纤长度为0.4m，在1550nm附近具有负色散。

优选地，偏振相关集成光学器件输出端的输出耦合比为10％。

优选地，偏振相关集成光学器件的使用保证了谐振腔内激光的单向传输，同时将经过的光波变成线偏振光，结合偏振控制器共同构成了非线性偏振旋转锁模技术。

优选地，待测光纤为任意单模光纤。

本发明提出了一种基于双波长锁模脉冲光纤激光器的光纤色散测量方法，包括以下步骤：

s1、将长度为δl的待测光纤加载到激光腔内，当泵浦源的功率超过锁模阈值后，调节腔内偏振控制器的偏振状态，实现稳定的自启动锁模；

s2、继续增加泵浦功率，并适当调节偏振控制器状态，获得一组双波长锁模脉冲，经由偏振相关集成光学器件的输出端输出；

s3、使用光谱分析仪测量输出双波长锁模脉冲的中心波长间隔δλc；

s4、使用rf频谱仪测量输出双波长锁模脉冲的频率间隔δf；

s5、由测量所得的中心波长间隔δλc与频率间隔δf，利用公式(5)计算得到腔内平均色散davg,1；

s6、将待测光纤移出激光腔内，适当调节泵浦功率及偏振控制器，使激光器工作在另一组双波长锁模状态下，重复步骤s3-s5，从而计算得到腔内平均色散值davg,2。通过简单的算术计算即可得到待测光纤的色散值为d＝[ldavg,1-(l-δl)davg,2]/δl。

本发明的有益效果是：

(1)本发明所用器件均为普通光纤激光器所用的普通器件，都已经商用化，这使得本发明的方法成本低廉。

(2)本发明使用的偏振相关集成光学器件集成了波分复用器、输出耦合器和偏振相关光隔离器的功能，这极大地简化了腔结构，使实验调节变得简单，同时也增强了抗环境扰动的能力。

(3)本发明采用全光纤结构，适用于各种单模光纤的色散测量，且只需要很短的待测光纤即可满足测量要求。

(4)本发明的方法操作方便快捷，计算方法简单，测量精度较高。

附图说明

图1为本发明提供的光纤色散测量系统结构示意图。

图2为本发明提供的偏振相关集成光学器件的结构示意图。

图3为本发明实施例的一组双波长锁模脉冲的光谱图。

图4为本发明实施例的一组双波长锁模脉冲的rf频谱图。

附图标记说明：1—泵浦源、2—偏振相关集成光学器件、3—偏振控制器、4—待测光纤、5—标准单模光纤、6—掺铒增益光纤。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的实施例作进一步的说明。

本发明提供了一种基于双波长锁模脉冲光纤激光器的光纤色散测量方法，其系统结构如图1所示，包括泵浦源1、偏振相关集成光学器件2、偏振控制器3、待测光纤4以及掺铒增益光纤6。偏振相关集成光学器件2、偏振控制器3、待测光纤4以及掺铒增益光纤6依次通过标准单模光纤5闭环连接。泵浦源1与偏振相关集成光学器件2的输入端连接，偏振相关集成光学器件2的输出端输出双波长锁模脉冲。

其中，泵浦源1为半导体激光器或者光纤激光器，本发明实施例中，泵浦源1采用980nm/500mw的单模半导体激光器。

掺铒增益光纤6采用加拿大coractive公司生产的增益光纤(型号edf-l900)，其长度为2.5m，在1550nm处其色散系数d为-15ps/nm/km。

标准单模光纤5采用美国康宁公司生产的单模光纤(型号smf-28e)，其总长度为10.7m，在1550nm处其色散系数d为18ps/nm/km。

为验证该测量方法的可行性，本实施例中待测光纤4采用与标准单模光纤5同种型号的光纤，从而方便将实验测量值与单模光纤(型号smf-28e)的已知色散值作比较。

偏振相关集成光学器件2集成了波分复用器、输出耦合器和偏振相关光隔离器的功能。其结构示意图如图2所示。

偏振相关集成光学器件2公共端的尾纤类型为美国康宁公司生产的单模光纤(型号hi1060f)，长度为0.4m，在1550nm处的色散系数d为7.5ps/nm/km。其输出端的输出耦合比为10％。

偏振控制器3为本领域常用标准器件。

偏振相关集成光学器件2的使用保证了谐振腔内激光的单向传输，同时将经过的光波变成线偏振光，结合偏振控制器3共同构成了非线性偏振旋转锁模技术。

本发明中涉及的光纤色散测量方法的工作原理具体如下：

从物理意义上讲，光脉冲在光纤中以群速度移动，由于群速度色散效应，不同中心波长的光脉冲在光纤中以不同的速度传输。当中心波长间隔为δλc的两个光脉冲在长度为l、平均色散为davg的谐振腔内传输一周时，它们之间的时间差可以表示为：

δt＝ldavgδλc(1)

中心波长为λc和λc+δλc的两个光脉冲在腔内循环一周的时间周期t1和t2可以分别表示为：

t2＝t1+δt(3)

式中c是真空中光速，n为光纤的折射率。

因此，两个光脉冲的频率间隔δf可以表示为：

将式(1)、(2)与(3)代入式(4)后，频率间隔δf与中心波长间隔δλc之间的关系可以表示为：

δf＝c²δλcdavg/[n²(l+ldavgδλcc/n)](5)

由公式(5)可以发现，当本发明提供的光纤色散测量系统工作在双波长锁模脉冲状态下时，可以通过分别测量加载待测光纤4前后两组双波长锁模脉冲的rf频谱间隔δf和中心波长间隔δλc来反算出腔内待测光纤4的色散值。

本发明提供了一种基于双波长锁模脉冲光纤激光器的光纤色散测量方法，包括以下步骤：

s1、将长度δl等于0.5m的待测光纤4加载到激光腔内，当泵浦源1的功率超过锁模阈值后，调节腔内偏振控制器3的偏振状态，实现稳定的自启动锁模。

s2、继续增加泵浦功率，并适当调节偏振控制器3状态，获得一组双波长锁模脉冲，经由偏振相关集成光学器件2的输出端输出。

s3、使用光谱分析仪(yokogawa，aq6370c)测量输出双波长锁模脉冲的中心波长间隔δλc。

s4、使用rf频谱仪(advantest，r3267)测量输出双波长锁模脉冲的频率间隔δf。

s5、由测量所得的中心波长间隔δλc与频率间隔δf，利用公式(5)计算得到腔内平均色散davg,1。

s6、将待测光纤4移出激光腔内，适当调节泵浦功率及偏振控制器3，使激光器工作在另一组双波长锁模状态下，重复步骤s3-s5，从而计算得到腔内平均色散值davg,2。通过简单的算术计算即可得到待测光纤4的色散值为d＝[ldavg,1-(l-δl)davg,2]/δl。

对本发明提供的一种基于双波长锁模脉冲光纤激光器的光纤色散测量方法进行了可行性验证，其实验结果如下：

在腔内加载了长度为0.5m的待测光纤4的情况下，适当增加泵浦功率并调节偏振控制器3，获得了如图3和图4所示的一组实验结果，其测得的中心波长间隔δλc与频率间隔δf分别为27.6nm和978hz。将其代入公式(5)并取实验参数c＝3×10⁸m/s，n＝1.46，l＝14.1m，计算得到腔内平均色散davg,1为11.83ps/nm/km。随后，将待测光纤4移出激光腔内，重新调节偏振控制器3和泵浦功率大小，获得了另一组双波长锁模脉冲输出，此时实验测得的中心波长间隔δλc与频率间隔δf分别为26.1nm和942hz。同样根据公式(5)计算得到腔内平均色散值davg,2为11.62ps/nm/km。通过简单的算术计算得到待测光纤4的色散实验测量值为17.52ps/nm/km。该数值与单模光纤(型号smf-28e)已知的色散值18ps/nm/km相比，偏差率为2.7％。因此，本发明提供的一种基于双波长锁模脉冲光纤激光器的光纤色散测量方法是简单有效且测量精度较高。

本领域的普通技术人员将会意识到，这里所述的实施例是为了帮助读者理解本发明的原理，应被理解为本发明的保护范围并不局限于这样的特别陈述和实施例。本领域的普通技术人员可以根据本发明公开的这些技术启示做出各种不脱离本发明实质的其它各种具体变形和组合，这些变形和组合仍然在本发明的保护范围内。