一種后向散射隨機匹配相干噪聲測試儀的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明屬于光纖技術領域，具體涉及的是一種提高性能指標的后向散射隨機匹配相干噪聲測試儀。本發(fā)明由窄帶光源1，寬帶光源2，第一波分復用器3，光纖隔離器4，第一光纖耦合器5，第二波分復用器6，光電探測器7，信號處理單元8，三端口光纖環(huán)形器9，第一光電探測器10，第二光電探測器11，差分器12，信號處理單元13，第二光纖耦合器14，可調(diào)衰減器15，標定參考器件16，光程掃描器17，光纖連接器18，待測光纖器件19組成。本發(fā)明能夠完成后向散射隨機匹配相干噪聲特性的測試與分析，以達到提高光學系統(tǒng)性能指標、發(fā)現(xiàn)其本身所存在的缺陷的目的。
【專利說明】
一種后向散射隨機匹配相干噪聲測試儀
技術領域
[0001]本發(fā)明屬于光纖技術領域，具體涉及的是一種可用于測試光纖器件及光纖系統(tǒng)中隨機分布的微小缺陷帶來的隨機匹配相干噪聲，能夠實現(xiàn)對光纖、Y型波導器件、光纖耦合器、光纖陀螺環(huán)以及光纖陀螺系統(tǒng)等光纖器件及光纖系統(tǒng)進行隨機匹配相干噪聲分析以提高其性能指標的后向散射隨機匹配相干噪聲測試儀。
【背景技術】
[0002]光纖白光干涉技術與方法是光纖技術領域中獨具特色的一種測量方法和傳感技術。該項專門技術在寬譜光干涉特性研究，絕對形變光纖傳感測量，光波導器件的結構及其對光波反射特性參量的檢測，光纖陀螺環(huán)中光偏振態(tài)橫向耦合測量與評估，尤其是在醫(yī)學臨床診斷的組織結構形態(tài)的光學層析技術等方面，都具有廣泛的應用。
[0003]高精度光纖陀螺通常是由光源、光纖耦合器、Y波導器件、保偏光纖環(huán)和探測器等主要部件搭建成光纖干涉儀而構成的。要實現(xiàn)系統(tǒng)的高精度運行，必須保證上述主要光學元器件的性能指標滿足陀螺高精度測量的需求。為此，需要對其使用的保偏光纖、光纖耦合器以及光纖陀螺環(huán)的性能進行測試，以此評估相關器件的穩(wěn)定性和噪聲譜特性及其對測量結果的影響。
[0004]為了實現(xiàn)對光波導器件的特性測試，1994年美國海軍實驗室的MatthewN.McLandrich ,Donald J.Albares ,和Stephen A.Pappert 公開了一種基于 Miche I son 干涉儀結構的后向反射式測量系統(tǒng)(美國專利:專利號5341205)。1995年美國H-P公司W(wǎng)ayneV.Sorin和Douglas M.Baney公開了一種基于Michelson干涉儀結構的光程自相關器(美國專利:專利號5557400)。它基于非平衡Michelson干涉儀結構，利用光信號在Michelson干涉儀固定臂和可變掃描臂之間形成的光程差與光纖傳感器的前后兩個端面反射光信號的光程差之間的匹配實現(xiàn)光學自相關，獲得傳感器的白光干涉信號。該相關器由一個3dB光纖耦合器組成，入射光波注入后，該光波經(jīng)過2 X 2光纖耦合器后被分成兩路，一路經(jīng)過固定長度光纖后經(jīng)過其尾端反射器返回輸出；另一路經(jīng)過連接在光纖端的光學準直器后，被可移動的反射掃描鏡反射回來，形成光程可調(diào)的光波后到達輸出端。Michelson干涉儀型光纖光程相關器的優(yōu)點是構造簡單，使用的器件少。但缺點是有一半的光功率會返回光源，會造成光源的不穩(wěn)定。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明的目的在于提供一種光纖器件系統(tǒng)的后向散射隨機匹配相干噪聲測試儀。
[0006]本發(fā)明的目的是這樣實現(xiàn)的:
[0007]—種后向散射隨機匹配相干噪聲測試儀，由窄帶光源I，寬帶光源2，第一波分復用器3，光纖隔離器4，第一光纖耦合器5，第二波分復用器6，光電探測器7，信號處理單元8，三端口光纖環(huán)形器9，第一光電探測器10，第二光電探測器11，差分器12，信號處理單元13，第二光纖耦合器14，可調(diào)衰減器15，標定參考器件16，光程掃描器17，光纖連接器18，待測光纖器件19組成，窄帶光源與寬帶光源分別從第一波分復用器的兩個端口輸入，第一波分復用器的輸出端與光纖隔離器相連，光纖隔離器的輸出端連接到第一光纖耦合器的端口 i，第一光纖親合器的端口 j、端口 k連接一個光程掃描器，第一光纖親合器的端口m連接到第二波分復用器，第二波分復用器的輸出分別接到光電探測器和三端口光纖環(huán)形器的端口 a，光電探測器輸出接到信號處理單元，三端口環(huán)形器的端口 b與第二光纖耦合器的端口 e相連，第二光纖耦合器的端口 f與光纖連接器相連接，端口 g與標定參考器件相連，端口 h與可調(diào)衰減器相連，三端口光纖環(huán)形器的端口 c和可調(diào)衰減器分別與第一光電探測器、第二光電探測器相連，其輸出再經(jīng)過一個差分器后與信號處理單元相連，光纖連接器輸出與待測光纖器件相連接。
[0008]所述的窄帶光源、寬帶光源輸出光信號波長不同，窄帶光源I用于測定光程掃描器17中反射鏡位置，窄帶光源I輸出的光經(jīng)波分復用器3、光纖隔離器4、光纖耦合器5和光程掃描器17，再經(jīng)過光纖耦合器5和波分復用器6輸出到光電探測器7，經(jīng)過信號處理單元8處理后得到光程掃描器17的反射鏡位置;光源2為其余測試系統(tǒng)的光源，即第一光纖耦合器5、第二光纖耦合器14以及三端口環(huán)形器9的中心波長和光源2波長相同。
[0009]所采用的光程掃描器是Fizeau干涉儀結構。
[0010]所采用的光程掃描器是Michelson空間光程匹配掃描裝置。
[0011]所采用的光程掃描器是Mach-Zehnder空間光程掃描裝置。
[0012]所述的寬帶光源采用脈沖光的形式。
[0013]本發(fā)明的有益效果在于:
[0014]本發(fā)明所提供的測試儀能夠解決保偏光纖、光纖陀螺環(huán)、Y波導器件、光纖耦合器以及由他們組成的光學系統(tǒng)的后向散射匹配相干噪聲測試問題，特別是:(I)由于光纖環(huán)以及其他光學器件尾纖長度及其焊點對系統(tǒng)引入的匹配相干噪聲；(2)由于溫度變化導致光纖環(huán)中等效光程差的累積變化引入的后向散射光程匹配相干噪聲;這兩項通常是無法評估與測量的。本發(fā)明通過克服在先技術的不足，能夠完成上述后向散射隨機匹配相干噪聲特性的測試與分析，以達到提高光學系統(tǒng)性能指標、發(fā)現(xiàn)其本身所存在的缺陷的目的。其獨特性是其它光學測量系統(tǒng)所不能替代的。
【附圖說明】
[0015]圖1是光纖器件系統(tǒng)的后向散射隨機匹配相干噪聲測試儀的系統(tǒng)結構示意圖。
[0016]圖2是該測試系統(tǒng)的一種簡化形式的測量原理示意圖。
[0017]圖3是該測試系統(tǒng)中光程掃描器17采用Michelson空間光程匹配掃描方式組成測量原理示意圖。
[0018]圖4是該測試系統(tǒng)中光程掃描器17采用Mach-Zehnder空間光程匹配掃描方式組成的測量原理示意圖。
[0019]圖5是描述光纖中隨機分布的缺陷所形成的兩類隨機相關諧振腔，圖中(a)是Fizeau干涉儀構成的光學腔(C)在光纖中的等效形式，同理(b)是Fabry-Perot干涉儀構成的光學腔(d)在光纖中的等效形式。
[0020]圖6是使用該測試系統(tǒng)測試一個光纖陀螺環(huán)的測量原理示意圖。
[0021]圖7是對于長程光學系統(tǒng)獲得分布式后向散射隨機匹配相干噪聲測試結果示意圖。
[0022]圖8是使用該測試系統(tǒng)測試一段單模保偏光纖的測量原理示意圖。
[0023]圖9是使用該測試系統(tǒng)測試一個Y波導器件的測量原理示意圖。
[0024]圖10是使用該測試系統(tǒng)測試一個全光纖陀螺系統(tǒng)的測量原理示意圖。
【具體實施方式】
[0025]下面結合附圖實施舉例對本發(fā)明做更詳細地描述:
[0026]圖1中測量裝置是由窄帶光源I;寬帶光源2(與光源I的波長不同)；波分復用器3;光纖隔離器4;光纖耦合器5;波分復用器6;光電探測器7;信號處理單元8;三端口光纖環(huán)形器9;光電探測器10;光電探測器11;差分器12;信號處理單元13;光纖耦合器14;可調(diào)衰減器15;標定參考器件16;光程掃描器17;光纖連接器18;待測光纖器件19等部分組成。
[0027]本發(fā)明公開了一種光纖器件系統(tǒng)的后向散射隨機匹配相干噪聲測試儀，其主要特征是:該測量裝置是由窄帶光源I;寬帶光源2(與光源I的波長不同)；波分復用器3;光纖隔離器4;光纖耦合器5;波分復用器6;光電探測器7 ;信號處理單元8;三端口光纖環(huán)形器9;光電探測器10;光電探測器11;差分器12;信號處理單元13;光纖耦合器14;可調(diào)衰減器15;標定參考器件16;光程掃描器17;光纖連接器18;待測光纖器件19等部分組成。本發(fā)明所給出的測量裝置能夠實現(xiàn)測量光纖器件或者光纖系統(tǒng)中由于材料不均勻以及生產(chǎn)過程中的隨機因素導致的微小缺陷對光學系統(tǒng)產(chǎn)生的相干噪聲，對其進行評估?？捎糜诠饫w陀螺研制和生產(chǎn)過程中進行測試與分析，也可用于對全光纖陀螺系統(tǒng)中的光纖耦合器、光纖以及光纖陀螺環(huán)的噪聲特性進行測試與分析。
[0028]本發(fā)明可用于測試光纖器件及光纖系統(tǒng)中隨機分布的微小缺陷帶來的后向散射隨機匹配相干噪聲的測量與評估，這種微小缺陷是光纖器件和光纖系統(tǒng)的光路內(nèi)部由于材料的不均勻性、光纖的焊接以及生產(chǎn)過程中的隨機因素造成的。本發(fā)明即可用于光纖陀螺系統(tǒng)研制和生產(chǎn)過程中進行測試與分析其后向散射隨機匹配相干噪聲特性，也可用于對光纖陀螺系統(tǒng)中的光纖、光纖耦合器、Y波導器件、以及光纖陀螺環(huán)器件的后向散射隨機匹配相干噪聲特性的測試。
[0029]任何光器件內(nèi)部都會存在隨機分布的缺陷，例如:光纖在制造過程中由于材料的不均勻而導致的隨機分布缺陷，而這些隨機分布的缺陷點除了會產(chǎn)生瑞利散射噪聲外，還會導致相關噪聲。這種隨機缺陷散射相關噪聲產(chǎn)生的機理是:光器件內(nèi)部任意散射點為中心，可與其緊鄰的散射點構成兩類隨機相關諧振腔，所形成的光學腔主要是Fizeau干涉腔或光纖Fabry-Perot干涉腔，如圖5所示。事實上，F(xiàn) i zeau干涉是Fabry-Perot干涉的一階近似，對于微小缺陷導致的后向散射相干噪聲，由于等效反射系數(shù)一般都非常小，因而噪聲貢獻主要來自于一階Fizeau干涉光程匹配相干。
[0030]本發(fā)明的目的是這樣實現(xiàn)的:該測試儀是由窄帶光源I;寬帶光源2(與光源I的波長不同)；波分復用器3;光纖隔離器4;光纖耦合器5;波分復用器6;光電探測器7;信號處理單元8;三端口光纖環(huán)形器9;光電探測器10;光電探測器11;差分器12;信號處理單元13;光纖耦合器14;可調(diào)衰減器15;標定參考器件16;光程掃描器17;光纖連接器18;待測光纖器件19等部分組成。窄帶光源I與寬帶光源2分別從波分復用器3的兩個端口輸入，波分復用器3的輸出端與光纖隔離器4相連;光纖隔離器4的輸出端連接到光纖耦合器5的端口 i，光纖耦合器5的端口 j、端口 k連接一個光程掃描器17，光纖親合器5的端口 m連接到波分復用器6，波分復用器6的輸出分別接到光電探測器7和三端口光纖環(huán)形器9的端口 a，光電探測器7輸出接到信號處理單元8;三端口環(huán)形器9的端口 b與光纖耦合器14的端口 e相連，光纖耦合器14的端口 f與光纖連接器18相連接，端口 g與標定參考器件16相連，端口h與可調(diào)衰減器15相連;三端口光纖環(huán)形器9的端口 c和可調(diào)衰減器15分別與光電探測器10、11相連，其輸出再經(jīng)過一個差分器12后與信號處理單元13相連;光纖連接器18輸出與待測光纖器件19相連接。
[0031]在測試過程中，為了消除瑞利散射的累計信號對測試結果的影響，系統(tǒng)采用了差動探測光路的結構，一方面消除了瑞利散射作為直流非相干強度噪聲的影響，另一方面，也實現(xiàn)了匹配干涉信號的倍增。
[0032]當光路中的有關光纖器件都采用保偏光器件時，可構成全偏振測試系統(tǒng)，這有利于實現(xiàn)對保偏式光纖陀螺系統(tǒng)的測試。
[0033]基于光時域反射測量技術(OTDR)可實現(xiàn)長程光纖器件(包括光纖陀螺環(huán)以及全光纖陀螺系統(tǒng)等)測量，為此，當本發(fā)明中的寬帶光源2以脈沖形式工作時，通過對時序信號的分析與處理，可實現(xiàn)待測光學系統(tǒng)沿著傳輸光程的分布式后向散射匹配相干噪聲特性的測量。具體實現(xiàn)原理如圖6和圖7所示:圖中的光源2發(fā)射脈沖光，經(jīng)過波分復用器3、光纖隔離器4后進入光纖親合器5，分成兩個相干光脈沖，經(jīng)過光程掃描器17后形成光程差，兩個相干光脈沖再經(jīng)過波分復用器6、三端口環(huán)形器9進入光纖耦合器14，進入標定參考器件16和待測器件19中(二者內(nèi)部各有兩個脈沖光)，沿著向前傳輸?shù)膬蓚€脈沖光由于待測器件19(或標定參考器件16)內(nèi)部的不均勻分布會發(fā)生瑞利散射，這兩個脈沖光的后向瑞利散射光將沿著光纖傳回，經(jīng)過光纖耦合器14進入差分信號檢測裝置，得到光程補償?shù)膬蓚€后向散射光脈沖，在滿足相位匹配的條件下發(fā)生干涉。其中的一路經(jīng)過三端口光纖環(huán)形器9(損耗約IdB)的一臂后被光電探測器10所接收；另外一路經(jīng)過可調(diào)衰減器后被光電探測器11所接收，由于兩探測器所接收到的信號是由2X2光纖耦合器14兩個端口輸出，所以其相位恰好相反，通過可調(diào)衰減器15使兩路光信號大小達到平衡，這時經(jīng)過差分器12以及信號處理單元13處理后，與干涉測量無關的平均強度信號被抵消，而兩路干涉信號卻差動得到放大。通過調(diào)整光程掃描器17兩臂的光程差，即可掃描待測器件內(nèi)部的不同距離處的散射點，即材料分布不均勻處或者有缺陷的地方。最后在信號檢測單元13可得到測試結果，如圖7中所示，橫坐標為傳播距離，縱坐標為后向散射信號功率取對數(shù)，曲線上的尖峰即為待測器件中有缺陷的地方。
[0034]將需要測試的光學元器件或光學系統(tǒng)作為待測單元19連接到本測試系統(tǒng)的光路中的，從而實現(xiàn)對待測器件的測試與評估。
[0035]實施例一:為了對光纖陀螺環(huán)的特性實施測試，將其串聯(lián)到測試系統(tǒng)中的待測器件19的位置，如圖6、圖7所示，將該待測的光纖陀螺環(huán)的一端與光纖連接器18端□相連，就能實現(xiàn)該光纖陀螺環(huán)噪聲特性的測量。
[0036]實施例二:為了對單模保偏光纖的特性實施測試，我們將該單模光纖串聯(lián)到測試系統(tǒng)中的待測器件19位置，如圖8所示，將該待測光纖與光纖連接器18的端□相連，就能實現(xiàn)該光纖的后向散射匹配相干噪聲特性的測量。
[0037]實施例三:為了對Y波導器件的特性實施測試，將其串聯(lián)到測試系統(tǒng)中的待測器件19的位置，如圖9所示，將Y波導器件與光纖連接器18的端口相連，就能實現(xiàn)該Y波導器件的后向散射匹配相干噪聲特性的測量。
[0038]實施例四:為了對全光纖陀螺系統(tǒng)的特性實施測試，將其測試系統(tǒng)中的待測器件19的位置，如圖10所示，將該全光纖陀螺系統(tǒng)的一端與光纖連接器18的端口相連，就能實現(xiàn)該全光纖陀螺系統(tǒng)后向散射匹配相干噪聲特性的測量。
【主權項】
1.一種后向散射隨機匹配相干噪聲測試儀，由窄帶光源(I)，寬帶光源(2)，第一波分復用器(3)，光纖隔離器(4)，第一光纖耦合器(5)，第二波分復用器(6)，光電探測器(7)，信號處理單元(8)，三端口光纖環(huán)形器(9)，第一光電探測器(10)，第二光電探測器(11)，差分器(12)，信號處理單元(13)，第二光纖耦合器(14)，可調(diào)衰減器(15)，標定參考器件(16)，光程掃描器(17)，光纖連接器(18)，待測光纖器件(19)組成，其特征在于:窄帶光源與寬帶光源分別從第一波分復用器的兩個端口輸入，第一波分復用器的輸出端與光纖隔離器相連，光纖隔離器的輸出端連接到第一光纖耦合器的端口 i，第一光纖耦合器的端口 j、端口 k連接一個光程掃描器，第一光纖耦合器的端口 m連接到第二波分復用器，第二波分復用器的輸出分別接到光電探測器和三端口光纖環(huán)形器的端口 a，光電探測器輸出接到信號處理單元，三端口環(huán)形器的端口 b與第二光纖耦合器的端口 e相連，第二光纖耦合器的端口 f與光纖連接器相連接，端口 g與標定參考器件相連，端口 h與可調(diào)衰減器相連，三端口光纖環(huán)形器的端口 c和可調(diào)衰減器分別與第一光電探測器、第二光電探測器相連，其輸出再經(jīng)過一個差分器后與信號處理單元相連，光纖連接器輸出與待測光纖器件相連接。2.根據(jù)權利要求1所述的一種后向散射隨機匹配相干噪聲測試儀該測試系統(tǒng)，其特征在于:所述的窄帶光源、寬帶光源輸出光信號波長不同，窄帶光源I用于測定光程掃描器(17)中反射鏡位置，窄帶光源(I)輸出的光經(jīng)波分復用器(3)、光纖隔離器(4)、光纖耦合器(5)和光程掃描器(17)，再經(jīng)過光纖耦合器(5)和波分復用器(6)輸出到光電探測器(7)，經(jīng)過信號處理單元(8)處理后得到光程掃描器(17)的反射鏡位置;光源(2)為其余測試系統(tǒng)的光源，即第一光纖耦合器(5)、第二光纖耦合器(14)以及三端口環(huán)形器(9)的中心波長和光源(2)波長相同。3.根據(jù)權利要求1所述的一種后向散射隨機匹配相干噪聲測試儀該測試系統(tǒng)，其特征在于:所采用的光程掃描器是Fizeau干涉儀結構。4.根據(jù)權利要求1所述的一種后向散射隨機匹配相干噪聲測試儀該測試系統(tǒng)，其特征在于:所采用的光程掃描器是Michelson空間光程匹配掃描裝置。5.根據(jù)權利要求1所述的一種后向散射隨機匹配相干噪聲測試儀該測試系統(tǒng)，其特征在于:所采用的光程掃描器是Mach-Zehnder空間光程掃描裝置。6.根據(jù)權利要求1所述的一種后向散射隨機匹配相干噪聲測試儀該測試系統(tǒng)，其特征在于:所述的寬帶光源采用脈沖光的形式。
【文檔編號】G01M11/02GK105954004SQ201610201528
【公開日】2016年9月21日
【申請日】2016年4月1日
【發(fā)明人】苑立波, 李文超, 苑勇貴, 楊軍
【申請人】哈爾濱工程大學