專利名稱：一種高精度大范圍測量光纖長度的方法和設(shè)備的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于光纖光學(xué)技術(shù)領(lǐng)域，涉及光纖長度測量技術(shù)，特別是適用 于光纖通信、光纖傳感等需要快速的高精度大范圍測量光纖長度的應(yīng)用領(lǐng) 域，具體涉及了一種利用聲光調(diào)制器改變光波頻率引起干涉儀結(jié)構(gòu)不對稱 的效應(yīng)來檢測光纖長度的方法以及實現(xiàn)該方法的設(shè)備。
背景技術(shù)：
在光纖光學(xué)領(lǐng)域，特別是光纖通訊方面，發(fā)展快速的高精度大范圍測 量光纖長度的方法和低成本設(shè)備具有十分重大的意義。
傳統(tǒng)的光纖長度測量儀器都是基于光纖反射計的，包括光學(xué)時域反射
計(0TDR)、光學(xué)頻域反射計(0FDR)、光學(xué)相干反射計(0CDR)，這些方法或 者需要極短的脈沖激光光源和極高速的光電探頭，成本較高；或者不能同 時達(dá)到高精度和大測量范圍的要求，較難實用。
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的就是針對現(xiàn)有技術(shù)的不足，利用聲光調(diào)制器光頻變換技 術(shù)和薩尼亞克(Sagnac)結(jié)構(gòu)，提出了一種新型光纖長度快速測量方法， 使用低成本的連續(xù)半導(dǎo)體激光器和低速光電二極管，達(dá)到高精度和大范圍 的測量要求，同時提供了實現(xiàn)該方法的設(shè)備。
本發(fā)明的方法包括以下步驟
1、 中心波長在通訊波段的連續(xù)半導(dǎo)體激光器發(fā)出的激光通過光纖隔離 器和四端口 3-dB光纖耦合器后，進(jìn)入薩尼亞克(Sagnac)環(huán)中。
2、 激光進(jìn)入Sagnac環(huán)后分為兩路，其中一路進(jìn)入長度已知的測量段 單模光纖，再通過測量段單模光纖中插入的三端口 3-dB光纖耦合器入射到 待測段單模光纖；入射光在待測段單模光纖的自由端發(fā)生端面反射，反射 光通過三端口 3-dB光纖耦合器回到測量段單模光纖，然后通過聲光調(diào)制器 產(chǎn)生變頻，所述的聲光調(diào)制器由頻率受調(diào)制的正弦信號發(fā)生器驅(qū)動；變頻 后的激光經(jīng)過長度已知的連接段單模光纖，最后回到四端口 3-dB光纖耦合 器；回到四端口 3-dB光纖耦合器的激光的相位增加量A《為
c c
其中v為半導(dǎo)體激光器的中心頻率，w為單模光纖在光頻為v時的折射率，C 為光速，Ai/為聲光調(diào)制器的驅(qū)動頻率，丄為待測段單模光纖的長度，^為
測量段單模光纖的長度，￡2為連接段單模光纖的長度。
另一路激光首先經(jīng)過長度已知的連接段單模光纖，然后通過聲光調(diào)制器產(chǎn)生變頻，變頻后的激光進(jìn)入長度已知的測量段單模光纖；激光通過測
量段單模光纖中插入的三端口 3-dB光纖耦合器入射到待測段單模光纖；入
射光在待測段單模光纖的自由端發(fā)生端面反射，反射光通過三端口 3-dB光 纖耦合器回到測量段單模光纖，再回到四端口 3-dB光纖耦合器；回到四端
口 3-dB光纖耦合器時的激光的相位增加量A《為
<formula>formula see original document page 5</formula>
(2)
3、 回到四端口 3-dB光纖耦合器的兩路激光在四端口 3-dB光纖耦合器 中發(fā)生干涉，透射的激光的相位A^為
A^二2，V^-Z2Av+;r (3)
聲光調(diào)制器的驅(qū)動頻率Av按照&^作線性變化，通過線性掃描，透射的激 光光強按cosC/^變化
// = 2;^+1—丄2^1 (4) C
其中/為光強變化的頻率。
4、 干涉后的激光由四端口 3-dB光纖耦合器輸出，通過光電二極管探 測激光的強度，同時光強信號轉(zhuǎn)化為電信號，由數(shù)據(jù)釆集卡進(jìn)行采集，并 進(jìn)行快速傅立葉變換(FFT)，得到光強變化的頻率/，通過光強變化的頻率
/得到待測單模光纖長度Z 。
丄=1-丄1+丄2 (5)
實現(xiàn)上述方法的設(shè)備為半導(dǎo)體激光器通過光纖隔離器與四端口 3-dB
光纖耦合器的輸入端口光連接，四端口 3-dB光纖耦合器的輸出端口與光電 二極管的輸入端光連接，光電二極管的輸出端與數(shù)據(jù)采集卡的輸入端電連 接，數(shù)據(jù)采集卡的輸出端與快速傅立葉變換分析儀電連接。四端口3-dB光 纖耦合器的另外兩個端口通過單模光纖連接，單模光纖通過聲光調(diào)制器分 為兩段，分別為測量段單模光纖和連接段單模光纖，長度分別為A和Z^， A》A。聲光調(diào)制器的電驅(qū)動信號口與正弦信號發(fā)生器電連接。測量段單 模光纖中插入三端口 3-dB光纖耦合器，三端口 3-dB光纖耦合器的輸入端 的兩端口分別與測量段單模光纖連接，另一個端口與待測單模光纖光連接。 本發(fā)明中，聲光調(diào)制器利用多普勒效應(yīng)，可以在一定范圍內(nèi)精確改變 經(jīng)過調(diào)制器的光波的頻率，是業(yè)內(nèi)常用的一種光頻變換器件。同時，Sagnac 環(huán)對外界溫度變化、機械振動等干擾不敏感。本發(fā)明適用于光纖長度快速 測量，與傳統(tǒng)的光纖長度測量方案相比，克服了不能同時滿足高精度大范 圍測量的要求；并且由于不需要窄帶寬的單模激光光源和高速光電二極管， 因此相對成本較低。由于待測光纖連入Sagnac環(huán)中，設(shè)備抗外界溫度波動
5以及機械擾動性能強。
圖1為本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實施例方式
如圖1所示，半導(dǎo)體激光器1通過光纖隔離器2與四端口 3-dB光纖耦 合器3的輸入端口光連接，四端口 3-dB光纖耦合器3的輸出端口與光電二 極管4的輸入端光連接，光電二極管4的輸出端與數(shù)據(jù)采集卡5的輸入端 電連接，數(shù)據(jù)采集卡5的輸出端與FFT分析儀6電連接。四端口 3-dB光纖 耦合器3的另外兩個端口通過單模光纖連接，單模光纖由聲光調(diào)制器8分 為兩段，分別為測量段單模光纖11和連接段單模光纖7，長度分別為^和 丄2， A》A。聲光調(diào)制器8的電驅(qū)動信號口與正弦信號發(fā)生器9電連接。 測量段單模光纖11中插入三端口 3-dB光纖耦合器10，三端口 3-dB光纖 耦合器10的輸入端的兩端口分別與測量段單模光纖11連接，另一個端口 與待測段單模光纖12連接。 具體的檢測方法包括以下步驟
中心波長在通訊波段的連續(xù)半導(dǎo)體激光器發(fā)出的激光通過光纖隔離器 和四端口 3-dB光纖耦合器后，進(jìn)入薩尼亞克(Sagnac)環(huán)中。
激光進(jìn)入薩尼亞克(Sagnac)后分為兩路，其中一路進(jìn)入長度已知的 測量段單模光纖，再通過測量段單模光纖中插入的三端口 3-dB光纖耦合器 入射到待測段單模光纖；入射光在待測段單模光纖的自由端發(fā)生端面反射， 反射光通過三端口 3-dB光纖耦合器回到測量段單模光纖，然后通過聲光調(diào) 制器產(chǎn)生變頻，所述的聲光調(diào)制器由頻率受調(diào)制的正弦信號發(fā)生器驅(qū)動； 變頻后的激光經(jīng)過長度已知的連接段單模光纖，最后回到四端口 3-dB光纖 耦合器；回到四端口 3-dB光纖耦合器的激光的相位增加量A《為
<formula>formula see original document page 6</formula>
(1)
其中V為半導(dǎo)體激光器的中心頻率，W為單模光纖在光頻為V時的折射率，C
為光速，Av為聲光調(diào)制器的驅(qū)動頻率，丄為待測段單模光纖的長度，A為 測量段單模光纖的長度，丄2為連接段單模光纖的長度。
另一路激光首先經(jīng)過長度己知的連接段單模光纖，然后通過聲光調(diào)制 器產(chǎn)生變頻，變頻后的激光進(jìn)入長度已知的測量段單模光纖；激光通過測 量段單模光纖中插入的三端口 3-dB光纖耦合器入射到待測段單模光纖；入 射光在待測段單模光纖的自由端發(fā)生端面反射，反射光通過三端口 3-dB光 纖耦合器回到測量段單模光纖，再回到四端口 3-dB光纖耦合器；回到四端 口 3-dB光纖耦合器時的激光的相位增加量A^為<formula>formula see original document page 6</formula>
(2)回到四端口 3-dB光纖耦合器的兩路激光在四端口 3-dB光纖耦合器中 發(fā)生干涉，透射的激光的相位A^為
<formula>formula see original document page 7</formula> (3)
聲光調(diào)制器的驅(qū)動頻率Av按照6^作線性變化，通過線性掃描，透射的激 光光強按cosC/ )變化
<formula>formula see original document page 7</formula> (4) C
其中/為光強變化的頻率。
干涉后的激光由四端口 3-dB光纖耦合器輸出，通過光電二極管探測激 光的強度，同時光強信號轉(zhuǎn)化為電信號，由數(shù)據(jù)采集卡進(jìn)行采集，并進(jìn)行 快速傅立葉變換(FFT)，得到光強變化的頻率/，通過光強變化的頻率/得
到待測單模光纖長度Z 。<formula>formula see original document page 7</formula> (5)
權(quán)利要求
1、一種高精度大范圍測量光纖長度的方法，其特征在于該方法的具體步驟是a.中心波長在通訊波段的連續(xù)半導(dǎo)體激光器發(fā)出的激光通過光纖隔離器和四端口3-dB光纖耦合器后，進(jìn)入薩尼亞克環(huán)中；b.激光進(jìn)入薩尼亞克環(huán)后分為兩路，其中一路進(jìn)入長度已知的測量段單模光纖，再通過測量段單模光纖中插入的三端口3-dB光纖耦合器入射到待測段單模光纖；入射光在待測段單模光纖的自由端發(fā)生端面反射，反射光通過三端口3-dB光纖耦合器回到測量段單模光纖，然后通過聲光調(diào)制器產(chǎn)生變頻，所述的聲光調(diào)制器由頻率受調(diào)制的正弦信號發(fā)生器驅(qū)動；變頻后的激光經(jīng)過長度已知的連接段單模光纖，最后回到四端口3-dB光纖耦合器；回到四端口3-dB光纖耦合器的激光的相位增加量Δφ1為<maths id="math0001" num="0001" ><math><![CDATA[ <mrow><msub> <mi>Δφ</mi> <mn>1</mn></msub><mo>=</mo><mn>2</mn><mi>πn</mi><mo>[</mo><mfrac> <mrow><msub> <mi>L</mi> <mn>1</mn></msub><mo>+</mo><mi>L</mi> </mrow> <mi>C</mi></mfrac><mi>v</mi><mo>+</mo><mfrac> <msub><mi>L</mi><mn>2</mn> </msub> <mi>C</mi></mfrac><mrow> <mo>(</mo> <mi>v</mi> <mo>+</mo> <mi>Δv</mi> <mo>)</mo></mrow><mo>]</mo><mo>-</mo><mo>-</mo><mo>-</mo><mrow> <mo>(</mo> <mn>1</mn> <mo>)</mo></mrow> </mrow>]]></math></maths>其中v為半導(dǎo)體激光器的中心頻率，n為單模光纖在光頻為v時的折射率，C為光速，Δv為聲光調(diào)制器的驅(qū)動頻率，L為待測段單模光纖的長度，L1為測量段單模光纖的長度，L2為連接段單模光纖的長度；另一路激光首先經(jīng)過長度已知的連接段單模光纖，然后通過聲光調(diào)制器產(chǎn)生變頻，變頻后的激光進(jìn)入長度已知的測量段單模光纖；激光通過測量段單模光纖中插入的三端口3-dB光纖耦合器入射到待測段單模光纖；入射光在待測段單模光纖的自由端發(fā)生端面反射，反射光通過三端口3-dB光纖耦合器回到測量段單模光纖，再回到四端口3-dB光纖耦合器；回到四端口3-dB光纖耦合器時的激光的相位增加量Δφ2為<maths id="math0002" num="0002" ><math><![CDATA[ <mrow><msub> <mi>Δφ</mi> <mn>2</mn></msub><mo>=</mo><mn>2</mn><mi>πn</mi><mo>[</mo><mfrac> <msub><mi>L</mi><mn>2</mn> </msub> <mi>C</mi></mfrac><mi>v</mi><mo>+</mo><mfrac> <mrow><msub> <mi>L</mi> <mn>1</mn></msub><mo>+</mo><mi>L</mi> </mrow> <mi>C</mi></mfrac><mrow> <mo>(</mo> <mi>v</mi> <mo>+</mo> <mi>Δv</mi> <mo>)</mo></mrow><mo>]</mo><mo>+</mo><mi>π</mi><mo>-</mo><mo>-</mo><mo>-</mo><mrow> <mo>(</mo> <mn>2</mn> <mo>)</mo></mrow> </mrow>]]></math></maths>c.回到四端口3-dB光纖耦合器的兩路激光在四端口3-dB光纖耦合器中發(fā)生干涉，透射的激光的相位ΔφT為<maths id="math0003" num="0003" ><math><![CDATA[ <mrow><msub> <mi>Δφ</mi> <mi>T</mi></msub><mo>=</mo><mn>2</mn><mi>πn</mi><mfrac> <mrow><msub> <mi>L</mi> <mn>1</mn></msub><mo>+</mo><mi>L</mi><mo>-</mo><msub> <mi>L</mi> <mn>2</mn></msub> </mrow> <mi>C</mi></mfrac><mi>Δv</mi><mo>+</mo><mi>π</mi><mo>-</mo><mo>-</mo><mo>-</mo><mrow> <mo>(</mo> <mn>3</mn> <mo>)</mo></mrow> </mrow>]]></math></maths>聲光調(diào)制器的驅(qū)動頻率Δv按照ωt作線性變化，通過線性掃描，透射的激光光強按cos(ft)變化<maths id="math0004" num="0004" ><math><![CDATA[ <mrow><mi>ft</mi><mo>=</mo><mn>2</mn><mi>πn</mi><mfrac> <mrow><msub> <mi>L</mi> <mn>1</mn></msub><mo>+</mo><mi>L</mi><mo>-</mo><msub> <mi>L</mi> <mn>2</mn></msub> </mrow> <mi>C</mi></mfrac><mi>ωt</mi><mo>-</mo><mo>-</mo><mo>-</mo><mrow> <mo>(</mo> <mn>4</mn> <mo>)</mo></mrow> </mrow>]]></math></maths>其中f為光強變化的頻率；d.干涉后的激光由四端口3-dB光纖耦合器輸出，通過光電二極管探測激光的強度，同時光強信號轉(zhuǎn)化為電信號，由數(shù)據(jù)采集卡進(jìn)行采集，并進(jìn)行快速傅立葉變換(FFT)，得到光強變化的頻率f，通過光強變化的頻率f得到待測單模光纖長度L。<maths id="math0005" num="0005" ><math><![CDATA[ <mrow><mi>L</mi><mo>=</mo><mfrac> <mi>fC</mi> <mrow><mn>2</mn><mi>πnω</mi> </mrow></mfrac><mo>-</mo><msub> <mi>L</mi> <mn>1</mn></msub><mo>+</mo><msub> <mi>L</mi> <mn>2</mn></msub><mo>-</mo><mo>-</mo><mo>-</mo><mrow> <mo>(</mo> <mn>5</mn> <mo>)</mo></mrow> </mrow>]]></math></maths>
2、如權(quán)利要求1所述測量方法所使用的設(shè)備，其特征在于半導(dǎo)體激光器通過光纖隔離器與四端口 3-dB光纖耦合器的輸入端口光連接，四 端口 3-dB光纖耦合器的輸出端口與光電二極管的輸入端光連接，光電二極管的輸出端與數(shù)據(jù)采集卡的輸入端電連接，數(shù)據(jù)采集卡的輸出端與快速 傅立葉變換分析儀電連接；四端口 3-dB光纖耦合器的另外兩個端口通過單模光纖連接，單模光纖通過聲光調(diào)制器分為兩段，分別為測量段單模光 纖和連接段單模光纖，長度分別為A和^， A》^;聲光調(diào)制器的電驅(qū)動 信號口與正弦信號發(fā)生器電連接；測量段單模光纖中插入三端口 3-dB光 纖耦合器，三端口 3-dB光纖耦合器的輸入端的兩端口分別與測量段單模 光纖連接，另一個端口與待測單模光纖光連接。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種高精度大范圍測量光纖長度的方法和設(shè)備。聲光調(diào)制器接入薩尼亞克環(huán)中，聲光調(diào)制器在薩尼亞克環(huán)中是不對稱放置的；待測長度光纖的一端通過一個三端口3-dB光纖耦合器與薩尼亞克環(huán)連接，另一端為自由端，可以發(fā)生端面反射；聲光調(diào)制器由頻率可變的射頻信號驅(qū)動；射頻信號頻率改變時，薩尼亞克環(huán)的透射率改變，透射率的變化與待測段光纖的長度有關(guān)；由光電二極管檢測透射率變化，光電二極管的輸出端與數(shù)據(jù)采集卡連接，采集卡采集到的數(shù)據(jù)傳到計算機。通過快速傅立葉變換以及相關(guān)運算得到待測段光纖的長度。本發(fā)明克服了不能同時滿足高精度大范圍測量的要求，并且相對成本較低。由于待測光纖連入薩尼亞克環(huán)中，設(shè)備抗外界溫度波動以及機械擾動性能強。
文檔編號G02F2/02GK101319878SQ20081012002
公開日2008年12月10日 申請日期2008年7月15日 優(yōu)先權(quán)日2008年7月15日
發(fā)明者何賽靈, 斌 周, 夏天豪, 管祖光 申請人:浙江大學(xué)