一种光纤的损耗吸收测量系统及方法与流程

本发明属于光纤多参数测量仪器技术领域，更具体地，涉及一种光纤的损耗吸收测量系统及方法。

背景技术：

目前光纤激光器已被广泛应用于国防、军事、工业、医疗等各个领域。随着光纤激光器输出功率的不断攀升，量子亏损和光纤损耗在光纤中引起热沉积，产生热透镜效应、模式不稳定现象等，限制光纤激光器功率进一步提升。在光纤激光器及放大器中，一般采用双包层光纤作为增益介质，采用包层泵浦方式，泵浦光从包层注入，信号光在纤芯得到增益。泵浦光和信号光分别在包层和纤芯中传输，由于杂质的存在，引起损耗，产生热量；泵浦光穿越纤芯，被增益粒子吸收，发射信号光，产生量子亏损。对于固定泵浦光波长和信号光波长，量子亏损是固定的，想要进一步提升光纤激光器输出功率，降低光纤中的损耗是必要的。因此，对于双包层光纤而言，纤芯及包层中吸收以及损耗的测量显得尤为重要。

一般光纤测量系统采用空间耦合方法将光耦合进入光纤，这种方法在光纤端面得到的聚焦光斑尺寸远大于纤芯尺寸，且光斑形状固定。这对于无源单模光纤损耗测量并无影响，但是对于双包层有源稀土掺杂光纤而言，由于不能控制光，使其仅从纤芯注入或仅从包层注入，因此无法测量双包层有源稀土掺杂光纤的纤芯和包层的损耗及吸收系数。此外，空间耦合方式效率低，光路调节困难，模块化程度低，不便于系统维护。

技术实现要素：

针对现有技术的缺陷，本发明的目的在于提供一种光纤的损耗吸收测量系统及方法，旨在解决现有技术中无法分别测量双包层有源稀土掺杂光纤的纤芯和包层的损耗及吸收系数的问题。

本发明提供了一种光纤的损耗吸收测量系统，包括：宽带光源，光开关，第一控制器，光纤合束器，多模光纤和光谱仪；所述光开关的输入端连接至所述宽带光源的输出端，所述光纤合束器的信号端p3连接至所述光开关的第一输出端，所述光纤合束器的泵浦端p4连接至所述光开关的第二输出端，所述多模光纤的一端连接至待测光纤的一端，所述多模光纤的另一端连接所述光谱仪；所述待测光纤的另一端用于连接至所述光纤合束器的输出端；所述第一控制器连接至所述光开关的控制端；所述宽带光源输出的信号光经过所述光开关后由所述第一控制器选择从所述光开关的第一输出端输出后注入所述光纤合束器的信号端p3，或从所述光开关的第二输出端输出后注入所述光纤合束器的泵浦端p4，光信号经过光纤合束器后注入待测光纤，光信号经由多模光纤由光谱仪接收。

更进一步地，所述损耗及吸收测量系统还包括：光纤模场适配器，连接在所述待测光纤与所述多模光纤之间，当有效模场面积失配超过1.5倍时，所述光纤模场适配器用于减少不同模场直径和数值孔径的光纤相熔接时的损耗。

更进一步地，光纤模场适配器的输入端与所述待测光纤熔接，所述光纤模场适配器的输出端与所述多模光纤熔接。

更进一步地，损耗及吸收测量系统还包括：恒温箱和第二控制器；所述恒温箱用于放置待测光纤以及提供稳定的测量环境，且温度可控制，可对光纤进行加热或冷却，测量不同温度下光纤的吸收和损耗；第二控制器用于控制所述恒温箱的温度。

更进一步地，宽带光源为超连续谱光源，功率大于1w，波长范围覆盖600纳米～1600纳米，输出光稳定性优于1％。

更进一步地，光开关可以为1×2光开关，所述光纤合束器可以为(n+1)×1合束器，n大于等于1。

本发明还提供了一种基于上述的损耗吸收测量系统的方法，方法包括下述步骤：s1包层损耗与吸收测量步骤以及s2纤芯损耗与吸收测量步骤；

所述包层损耗与吸收测量步骤具体为：

s11通过第一控制器控制光开关与光纤合束器泵浦端p4连通，并将第一待测光纤两端分别与光纤合束器输出端和所述多模光纤熔接；

s12启动测量系统得到第一传输光谱，并将第一待测光纤截短后与所述多模光纤熔接，再次启动测量系统得到第二传输光谱，根据所述第一传输光谱和所述第二传输光谱获得所述待测光纤的包层损耗谱；

s13将第二待测光纤替换所述第一待测光纤，并将第二待测光纤两端分别与光纤合束器输出端和所述多模光纤熔接；

s14启动测量系统得到第三传输光谱，并将第二待测光纤截短后与所述多模光纤熔接，再次启动测量系统得到第四传输光谱，根据所述第三传输光谱和所述第四传输光谱获得所述待测光纤的包层吸收谱；

其中，所述第一待测光纤的长度大于所述第二待测光纤的长度。

更进一步地，所述纤芯损耗与吸收测量步骤具体为：

s21通过第一控制器控制光开关与光纤合束器信号端p3连通，并将第一待测光纤两端分别与光纤合束器输出端和所述多模光纤熔接；

s22启动测量系统得到第一传输光谱，并将第一待测光纤截短后与所述多模光纤熔接，再次启动测量系统得到第二传输光谱，根据所述第一传输光谱和所述第二传输光谱获得所述待测光纤的纤芯损耗谱；

s23将第二待测光纤替换所述第一待测光纤，并将第二待测光纤两端分别与光纤合束器输出端和所述多模光纤熔接；

s24启动测量系统得到第三传输光谱，并将第二待测光纤截短后与所述多模光纤熔接，再次启动测量系统得到第四传输光谱，根据所述第三传输光谱和所述第四传输光谱获得所述待测光纤的纤芯吸收谱；

其中，所述第一待测光纤的长度大于所述第二待测光纤的长度。

更进一步地，还包括：通过第二控制器来控制恒温箱的温度，且温度范围设置为0℃～50℃。

通过本发明所构思的以上技术方案，与现有技术相比，具有如下技术优点：

(1)光从光开关输入端注入后，由于光开关的选择输出特性，通过调节光开关的电压，可使光从不同输出端口输出。将输出端口分别与光纤合束器的信号端和泵浦端连接，可选择光在光纤合束器的纤芯或包层传输。当光纤合束器与待测光纤熔接时，可分别实现光纤的包层和纤芯的吸收和损耗测量。

(2)超连续谱光源由三部分组成：类噪声锁模短脉冲种子源，用于提供稳定短脉冲；脉冲放大系统，用于放大短脉冲功率；高非线性光子晶体光纤，用于超连续谱光的产生。可实现被测波长范围内600nm～1600nm稳定输出，输出光稳定性优于1％，总输出功率大于1w。

(3)由于测量光纤吸收和损耗均使用截断法，将截断前后光谱做差后，除以截去的长度，得到吸收谱和损耗谱，因此必须保持光源输出稳定，才能使测量精确。

附图说明

图1是本发明第一实施例提供的光纤的损耗及吸收测量系统结构示意图；

图2是本发明第二实施例提供的光纤的损耗及吸收测量系统结构示意图；

图3是本发明实施例提供的有源光纤包层损耗谱图；

图4是本发明实施例提供的有源光纤纤芯吸收谱图；

其中，1为宽带光源，2为光开关，p1、p2为光开关的两个输出端，p1与合束器信号端连接，p2与合束器泵浦端连接，3为光纤合束器，p3为合束器信号端，p4为合束器泵浦端，4为待测光纤，5为光纤模场适配器，6为多模光纤，7为光谱仪，8为第一控制器，9为恒温箱；10为第二控制器。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

本发明提供的全光纤化的光纤损耗及吸收测量系统，尤其适用于有源光纤的纤芯损耗、包层损耗、纤芯吸收以及包层吸收的测量；可以解决现有测量系统的无法准确测量双包层光纤纤芯及包层的损耗及吸收的问题。

如图1所示，本发明第一实施例提供的光纤的损耗及吸收测量系统包括：宽带光源1，光开关2，第一控制器8，光纤合束器3，多模光纤6和光谱仪7；光开关2的输入端连接至宽带光源1的输出端，光纤合束器3的第一输入端连接至光开关2的第一输出端，光纤合束器3的第二输入端连接至光开关2的第二输出端，多模光纤6的一端连接至待测光纤4的一端，多模光纤6的另一端连接光谱仪7；待测光纤4的另一端用于连接至光纤合束器3的输出端；第一控制器8连接至光开关2的控制端；宽带光源1输出信号光，经过光开关2，由第一控制器8选择从光开关2的第一输出端输出后注入光纤合束器3的第一输入端，或从光开关2的第二输出端输出后注入光纤合束器3的第二输入端，光信号经过光纤合束器3输出后，注入待测光纤4后，光信号经由多模光纤6，由光谱仪7接收。

作为本发明的一个实施例，损耗及吸收测量系统还包括：光纤模场适配器5，光纤模场适配器5用于不同尺寸光纤测量中，当有效模场面积失配超过1.5倍时，光纤模场适配器5可以用于减少不同模场直径和数值孔径的光纤相熔接时的损耗；光纤模场适配器输入端与待测双包层光纤熔接，输出端与多模光纤熔接。

在本发明实施例中，宽带光源1作为测试所用的信号光源，其输出尾纤与光开关2的输入端熔接，宽带光源1产生的光信号注入光开关2。光开关2具有两个输出端，分别与光纤合束器3的信号端和泵浦端熔接，光信号经过光纤合束器3注入待测双包层光纤，选择在待测光纤的纤芯或包层传输。多模光纤6用于连接待测双包层(有源)光纤与光谱仪，光信号经过待测光纤后由多模光纤收集，输入到光谱仪。第一控制器8用于控制光开关，发出电信号控制光开关加载电压用以选择光开关输出端；第二控制器用于控制样品室的温度。读取光谱仪的数据，并将截断前后光谱做差，并除以截去的长度，得到光纤的吸收谱和损耗谱。

作为本发明的一个实施例，宽带光源1可以为超连续谱光源，功率大于1w，波长范围覆盖600纳米～1600纳米，输出光稳定性优于1％。

作为本发明的一个实施例，光开关2可以为1×n光开关，n大于等于2，具体可以为mems1×2光开关，损耗低且具有波长兼容性。

作为本发明的一个实施例，光纤合束器3可以为(n+1)×1合束器，n大于等于1，具体可以由熔融拉锥的方法实现，可将多束光高效地耦合到一根光纤中，且器件的性能稳定。

本发明适用于有源光纤的纤芯损耗、包层损耗、纤芯吸收以及包层吸收的测量；测试精度高，误差小于5％，稳定测试时间大于10h，抗干扰能力强。本测量系统能对有源光纤及无源光纤进行测试，能对单包层光纤和双包层光纤进行测试，能对不同尺寸的光纤，包括但不限于10/125μm，20/250μm，以及40/400μm光纤进行测试。本测量系统可测试光纤的四种参数：纤芯损耗，纤芯吸收，包层损耗以及包层吸收，测试波长范围为600nm～1600nm，可测试损耗与吸收谱，亦可测试单波长损耗与吸收系数，测试内容全面。测量系统稳定性高，重复性好。此外，全光纤结构系统耦合效率高，模块化程度高，易于维护。

在本发明实施例中，由于光纤在不同温度下的吸收谱和损耗谱会发生变化，因此，当需要精确测量某温度下光纤的吸收与损耗时，可用恒温箱调节温度。如图2所示，本发明第二实施例提供的光纤的损耗吸收测量系统与第一实施例提供的光纤的损耗吸收测量系统相比，增加了恒温箱9和第二控制器10；其中，恒温箱9用于放置待测光纤以及提供稳定的测量环境，且温度可控制，可对光纤进行加热或冷却，测量不同温度下光纤的吸收和损耗；第二控制器10用于控制恒温箱的温度。

本发明还提供了一种基于上述光纤的损耗及吸收测量系统的测量方法，包括包层损耗与吸收测量步骤和纤芯损耗与吸收测量步骤：

其中，(1)包层损耗与吸收测量步骤具体为：

(11)设置第一控制器参数，将光开关加载电压设置为0.8v，使光开关置于一端，与合束器泵浦端连通；具体地，将光开关加载电压设置为0.8v，温度设置为25℃。

(12)损耗测量：取待测长光纤，进行去除涂覆和清洁处理，然后将待测光纤两端分别与光纤合束器输出端和所述多模光纤熔接；

(13)启动测量系统得到第一传输光谱，将待测光纤截短(截断长度并不固定，需要视情况而定)，再将截短的光纤输出端与所述多模光纤熔接，启动测量系统，得到第二传输光谱，经过数据处理后得到待测光纤的损耗谱；

(14)吸收测量：取待测短光纤，方法与包层损耗测量方法相同；

其中，(2)纤芯损耗与吸收测量步骤具体为：

(21)设置第一控制器，将光开关加载电压设置为5v，使光开关置于一端，与合束器信号端连通；

(22)重复步骤(11)-(14)；

在本发明实施例中，步骤(1)和步骤(20的先后顺序可以互换。

在本发明实施例中，测量波长范围为600nm～1600nm。

当采用第二实施例提供的光纤的损耗吸收测量系统进行测量时，在步骤(11)和(21)中，通过设置第二控制器参数来控制恒温箱的温度，温度范围可以设置为0℃～50℃。

为了更进一步的说明本发明实施例提供的有源光纤的损耗及吸收测量系统及测量方法，现结合附图以及具体实例详述如下：

如图2所示，本发明第二实施例提供的测量系统包括：宽带光源1，光开关2，第一控制器8，光纤合束器3，光纤模场适配器5，多模光纤6，光谱仪7，恒温箱9和第二控制器10。

宽带光源1作为测试所用的信号光，其输出尾纤与光开关2的输入端熔接，宽带光源1产生输出的光信号注入光开关，经过光开关2后，选择在光纤合束器3的泵浦端或者信号端中传输。

光开关2采用1×2光开关，两个输出端分别与光纤合束器信号端和泵浦端熔接，控制光开关上不同引脚之间加载的电压，可对光信号进行切换，以选择光信号是在待测光纤的纤芯中传输或者是在待测光纤的包层中传输。信号光输入合束器泵浦端后，传输到待测光纤内包层中；信号光输入合束器信号端，则在待测光纤纤芯传输。

光纤合束器3为(1+1)×1合束器，信号光从信号端输入使光在待测光纤纤芯中传输，从泵浦端输入则使信号光在待测光纤包层中传输。

多模光纤6用于连接待测双包层光纤4与光谱仪7，纤芯直径为105μm，包层直径为125μm，数值孔径为0.22。

恒温箱9用于放置光纤及提供稳定的测试环境，可以采用黄铜板作为底版，恒温箱9内温度可由控制模块进行控制，对光纤进行加热或冷却，测试不同温度下光纤的损耗和吸收。

光纤模场适配器5用于不同尺寸光纤测试中，当有效模场面积失配超过1.5倍时使用，用于减少不同模场直径和数值孔径的光纤进行熔接时的损耗，使基模光场在熔点处得到最大透过率。

第一控制器控制光开关的加载电压，调节光开关的切换，光开关中有驱动电路，在mems光开关中，通过控制电压，产生静电力或电磁力，使可以活动的微镜产生升降、移动或旋转，从而改变光路传播方向，实现光路的选通；第二控制器通过对温度控制模块进行控制，调节恒温箱的温度进行控制，实现不同温度下光纤损耗及吸收的测量。

本发明的测量系统和方法同样适用于g.652光纤。

本发明提供的一种有源光纤的吸收和损耗测量系统工作方式如下：

光源1为超连续谱光源，输出总功率为1w，波长范围覆盖600-1600nm，输出光稳定性优于1％。待测光纤4为双包层光纤，尺寸为10/125μm。

包层损耗及吸收测量方法具体为：设置第一控制器8，将光开关2加载电压设置为0.8v，使光开关2端口p1与合束器3泵浦端p3的之间光路连通，设置第二控制器10使恒温箱温度内保持在25℃。取待测光纤20m，用光纤热剥钳及光纤切割刀将待测光纤4一端与合束器3的输出端切成垂直平面备用，均切割成0度角。用熔接机将待测光纤4与合束器3输出端熔接。同样对待测光纤4另一端与多模光纤6进行处理，用熔接机将待测光纤4与多模光纤6熔接，多模光纤6接入光谱仪7。设备启动后，光源1产生的超连续光谱信号接入合束器3信号端，合束器3输出端与待测光纤4相连，光信号在待测光纤包层传输，被光谱仪7接收后，得到第一传输光谱。在待测光纤4输入端2m处截断，再将2m待测光纤4输出端与多模光纤6熔接，启动设备，得到第二传输光谱。数据处理后，得到光纤的包层损耗谱，测试结果如图2所示。吸收测量方法与损耗测试方法相同，取待测光纤5m，截断长度为1m，测量截断前后的光谱，进行数据处理后得到吸收谱。包层中，1200nm处背景损耗为0.049db/m，在915nm吸收系数为0.375db/m。

纤芯损耗及吸收测量方法具体为：设置第一控制器8，将光开关2加载电压设置为5v，使光开关2端口p2与合束器3信号端p4之间的光路连通，设置第二控制器10控制恒温箱温度内保持在25℃。取待测光纤20m，用光纤热剥钳及光纤切割刀将待测光纤4一端与合束器3的输出端切成垂直平面备用，均切割成0度角。用熔接机将待测光纤4与合束器3输出端熔接。同样对待测光纤4另一端与多模光纤6进行处理，用熔接机将待测光纤4与多模光纤6熔接，多模光纤6接入光谱仪7。设备启动后，光源1产生的超连续光谱信号接入合束器3信号端，合束器3输出端与待测光纤4相连，光信号在待测光纤纤芯传输，被光谱仪7接收后，得到第三传输光谱。在待测光纤输入端2m处截断，再将2m光纤输出端与多模光纤8熔接，启动设备，得到第四传输光谱。数据处理后，得到光纤的纤芯损耗谱，测试结果如图3所示。吸收测量方法与损耗测试方法相同，取待测光纤0.1m，截断长度为0.02m，测量截断前后的光谱，进行数据处理后得到吸收谱。纤芯中1200nm处背景损耗为17db/m，在915nm处吸收系数为62db/m。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。