本發(fā)明屬于光纖特征參數(shù)測(cè)量技術(shù)領(lǐng)域，更具體地，涉及一種基于旋轉(zhuǎn)多普勒效應(yīng)的光纖特征參數(shù)測(cè)量技術(shù)。

背景技術(shù)：

光纖已經(jīng)廣泛的應(yīng)用于各個(gè)方面，比如光通信、傳感、光學(xué)器件等。因此分析光纖的特征參數(shù)是一項(xiàng)很重要的基本需求。隨著大容量光纖通信技術(shù)的發(fā)展，光纖媒介已經(jīng)從傳統(tǒng)的單模光纖傳輸逐步發(fā)展為基于模式復(fù)用的少模光纖等新型光纖載體。一般情況下分析少模光纖的特征參數(shù)就是要分析光纖所支持的本征模的各種性能參數(shù)，比如損耗，色散等等。傳統(tǒng)的分析光纖特征參數(shù)的方法主要是通過(guò)輸入某個(gè)單一模式脈沖，再根據(jù)輸出端的功率和延時(shí)量來(lái)測(cè)量損耗和色散，或者通過(guò)設(shè)計(jì)高階模和基模的拍頻效應(yīng)來(lái)測(cè)量延時(shí)量，傳統(tǒng)的方法需要逐個(gè)模式的測(cè)量，在待測(cè)模式比較多的情況下，操作比較繁瑣、耗時(shí)?？紤]到光纖的廣泛應(yīng)用，發(fā)展一種簡(jiǎn)單、系統(tǒng)、省時(shí)的光纖特征參數(shù)測(cè)量?jī)x器是很必要的。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的以上缺陷或改進(jìn)需求，本發(fā)明提供了一種基于旋轉(zhuǎn)多普勒效應(yīng)的光纖特征參數(shù)測(cè)量?jī)x器，可以一次性地測(cè)量出待測(cè)光纖在某個(gè)波長(zhǎng)所支持的各種本征模的傳播常數(shù)和損耗，克服現(xiàn)有技術(shù)存在的操作繁瑣、功能單一、耗時(shí)較長(zhǎng)等問(wèn)題。

本發(fā)明提出的一種光纖特征參數(shù)測(cè)量?jī)x器，包括激光器，第一、第二單模光纖，第一、第二光纖準(zhǔn)直器，第一、第二分束器，第一、第二相位板，第一、第二光纖耦合器，旋轉(zhuǎn)多普勒效應(yīng)發(fā)生器和光電探測(cè)器；其中：

所述的第一單模光纖、第一光纖準(zhǔn)直器和第一分束器依次設(shè)置在激光器的輸出光路上，第一單模光纖用于將激光器產(chǎn)生的激光輸出，經(jīng)第一光纖準(zhǔn)直器準(zhǔn)直后耦合到自由空間，第一分束器用于將接收到的第一光纖準(zhǔn)直器輸出的準(zhǔn)直光分成兩路；

所述的第一相位板設(shè)置在第一分束器的其中一條輸出光路上，用于給輸入的光束加載上一個(gè)空間相位調(diào)制，將該路光束調(diào)制成某個(gè)指定的模式，要求該模式在待測(cè)光纖的本征模式范圍之外，作為參考光；

所述的第二相位板設(shè)置在第一分束器的另外一條輸出光路上，用于將該路光束調(diào)制成待測(cè)光纖本征模的疊加態(tài)，使其可以有效地激勵(lì)出待測(cè)光纖中的各種本征模；

所述的第一光纖耦合器與待測(cè)光纖和第二光纖準(zhǔn)直器依次設(shè)置在第一相位板的輸出光路上，第一光纖耦合器的作用是將第二相位板的輸出光耦合到待測(cè)光纖中，用于激發(fā)待測(cè)光纖中的各種本征模；第二光纖準(zhǔn)直器用于將待測(cè)光纖的輸出光向第二分束器耦合；

所述的第二分束器的兩個(gè)輸入端分別設(shè)置在第一相位板和第二光纖準(zhǔn)直器的輸出光路上，用于將這兩路光束合成一路光束；

所述的旋轉(zhuǎn)多普勒效應(yīng)發(fā)起器設(shè)置在第二分束器的輸出光路上，用于使不同的入射光模式轉(zhuǎn)換成基模，并且發(fā)生相應(yīng)的頻移；不同的入射模式，產(chǎn)生的頻移不同；

所述的第二光纖耦合器、單模光纖、光電探測(cè)器依次設(shè)置在旋轉(zhuǎn)多普勒效應(yīng)發(fā)起器的輸出光路上，第二光纖耦合器用于將旋轉(zhuǎn)多普勒效應(yīng)發(fā)起器的輸出光耦合到第二單模光纖中，第二單模光纖用于將旋轉(zhuǎn)多普勒效應(yīng)發(fā)起器的輸出光中的基模篩選出來(lái)；

光電探測(cè)器用于檢測(cè)單模光纖的輸出光；通過(guò)分析光電探測(cè)器檢測(cè)到的光能量曲線(xiàn)，能分析出待測(cè)光纖的模式傳輸常數(shù)和損耗；通過(guò)改變激光器輸出的波長(zhǎng)，能進(jìn)一步分析待測(cè)光纖包括各個(gè)波長(zhǎng)的模式傳播常數(shù)，各個(gè)波長(zhǎng)的模式損耗，各個(gè)波長(zhǎng)的導(dǎo)模數(shù)目、帶寬、模間色散和材料色散在內(nèi)的其它光纖特征參數(shù)。

進(jìn)一步的，所述旋轉(zhuǎn)多普勒效應(yīng)發(fā)生器為一個(gè)反光面及與其固連的電機(jī)，反光面表面粗糙，以利于產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)多普勒效應(yīng)；反光面其中心與電機(jī)轉(zhuǎn)軸固連，在電機(jī)帶動(dòng)下勻速轉(zhuǎn)動(dòng)；反光面用于將待測(cè)光纖所支持的本征模轉(zhuǎn)換成基模。

進(jìn)一步的，所述旋轉(zhuǎn)多普勒效應(yīng)發(fā)生器為設(shè)置在所述分束器的輸出光路的空間光調(diào)制器件，該器件加載有勻速旋轉(zhuǎn)的相位圖。

進(jìn)一步的，所述分束器是平板光分束器、立方體光分束器或薄膜分光器。

進(jìn)一步的，所述相位版是可以產(chǎn)生參考光模式和待測(cè)光纖本征模式的二維空間相位版，或包括空間光調(diào)制器和全息圖在內(nèi)的其他相位元件。

總體而言，通過(guò)本發(fā)明所構(gòu)思的以上技術(shù)方案與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有以下有益效果：利用空間相位板有效地激勵(lì)出待測(cè)光纖的本征模式，經(jīng)過(guò)待測(cè)光纖的損耗和色散后，再利用旋轉(zhuǎn)多普勒效應(yīng)發(fā)生器將每個(gè)入射的模式以一定的效率轉(zhuǎn)換成基模，將這些基模濾出后用光電探測(cè)器測(cè)量其能量，通過(guò)分析其能量曲線(xiàn)既能測(cè)量出光纖各個(gè)模式的傳播常數(shù)和損耗，且可一次性測(cè)量出在某個(gè)波長(zhǎng)時(shí)各個(gè)本征模的傳播常數(shù)和損耗，方法簡(jiǎn)單，易于實(shí)現(xiàn)。而傳統(tǒng)的方法需要逐個(gè)模式測(cè)量，操作相對(duì)繁瑣。掃描波長(zhǎng)可進(jìn)一步可以分析光纖的其它特征參數(shù)，可測(cè)量的光纖特征參數(shù)包括：各個(gè)波長(zhǎng)的模式傳播常數(shù)、各個(gè)波長(zhǎng)的模式損耗、各個(gè)波長(zhǎng)的導(dǎo)模數(shù)目、帶寬、模間色散、材料色散。相比其他方案，具有易操作，分析全面等優(yōu)點(diǎn)。

附圖說(shuō)明

圖1是本發(fā)明實(shí)施例的光纖特征參數(shù)測(cè)量?jī)x器的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2是光纖中的本征模式與頻率的轉(zhuǎn)換示意圖；

其中圖(a)依次表示模式指數(shù)為2，1，0，-1，-2的光纖本征模式的三維等相位面分布，圖(b)依次表示模式指數(shù)為2，1，0，-1，-2的光纖本征模式的橫截面相位分布，圖(c)依次表示模式指數(shù)為2，1，0，-1，-2的光纖本征模式的光強(qiáng)度分布，圖(d)依次表示模式指數(shù)為2，1，0，-1，-2的光纖本征模式映射到各個(gè)頻率的分布；

在所有附圖中，相同的附圖標(biāo)記用來(lái)表示相同的元件或結(jié)構(gòu)，其中：1-激光器，2-第一單模光纖，3-第一光纖準(zhǔn)直器，4-第一分束器，5-第一相位板，6-第二相位板，7-第一光纖耦合器，8-第二光纖準(zhǔn)直器，9-第二分束器，10-旋轉(zhuǎn)多普勒效應(yīng)發(fā)生器，11-第二光纖耦合器，12-第二單模光纖，13-光電探測(cè)器。

具體實(shí)施方式

為了使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案及優(yōu)點(diǎn)更加清楚明白，以下結(jié)合簡(jiǎn)單的理論推導(dǎo)及演示例，對(duì)本發(fā)明進(jìn)行進(jìn)一步詳細(xì)說(shuō)明。應(yīng)當(dāng)理解，此處所描述的演示例僅僅用以解釋本發(fā)明，并不用于限定本發(fā)明。此外，下面所描述的本發(fā)明各個(gè)實(shí)施方式中所涉及到的技術(shù)特征只要彼此之間未構(gòu)成沖突就可以相互組合。

如圖1所示，本發(fā)明實(shí)施例的基于旋轉(zhuǎn)多普勒效應(yīng)的光纖特征參數(shù)測(cè)量?jī)x器包括：激光器1，第一單模光纖2，第一光纖準(zhǔn)直器3，第一分束器4，第一相位板5，第二相位板6，第一光纖耦合器7，第二光纖準(zhǔn)直器8，第二分束器9，旋轉(zhuǎn)多普勒效應(yīng)發(fā)生器10，第二光纖耦合器11，第二單模光纖12，光電探測(cè)器13。旋轉(zhuǎn)多普勒效應(yīng)發(fā)生器10為一個(gè)反光面及與其固連的電機(jī)或者為加載有勻速旋轉(zhuǎn)的相位圖的空間光調(diào)制器件。激光器1產(chǎn)生所需波長(zhǎng)的激光，由第一單模光纖2輸出，再由第一光纖準(zhǔn)直器3耦合到自由空間，輸出準(zhǔn)直光，隨后該準(zhǔn)直光被第一分束器4分成兩路，其中第一路被第一相位板5調(diào)制成一個(gè)特定的模式，作為參考光，假設(shè)參考光表達(dá)為：

E_r＝B_r exp(-i2πft)exp(il_rθ) (1)其中B_r表征該參考光的復(fù)振幅，f是光波的頻率，t是時(shí)間參數(shù)，θ是方位角，l_r表示模式指數(shù)，另外一路被第二相位板6調(diào)制成一組特定的模式，并且通過(guò)第一光纖耦合器7以一定的效率耦合到待測(cè)光纖中，激勵(lì)的待測(cè)光纖的本征模分布可以表示為：

E_f＝∑_{s＝1,2,…,N}B_s exp(-i2πft)exp(il_sθ) (2)

l_s表征不同的模式指數(shù)，假設(shè)待測(cè)光纖有M段，每段的長(zhǎng)度為L(zhǎng)_n,n＝1,2,...,M，那么第n段光纖激發(fā)的模式分布可以表述為：

E_f,n＝η_n∑_{s＝1,2,…,N}B_s exp(-i2πft)exp(il_sθ) (3)

其中η_n與第n段光纖的耦合效率相關(guān)，假設(shè)模式損耗因子是α_s，模式傳播常數(shù)是β_s，那么激勵(lì)的光場(chǎng)經(jīng)過(guò)色散和損耗后，待測(cè)光纖輸出端的光場(chǎng)變?yōu)椋?/p>

E_{f_out,n}＝η_n∑_{s＝1,2,…,N}B_s exp(-i2πft)exp(il_sθ)exp(-a_sL_n)exp(iβ_sL_n) (4)

該光束經(jīng)過(guò)待第二光纖準(zhǔn)直器8耦合到自由空間，之后第二分束器9再將該光束和參考光合束成路光，合成的光束表達(dá)為：

E_c,n＝E_{f_out,n}+E_r (5)

合成的光束在入射到旋轉(zhuǎn)多普勒效應(yīng)發(fā)生器10上，旋轉(zhuǎn)多普勒效應(yīng)發(fā)生器10的調(diào)制函數(shù)可以表述為：

其中Ω為旋轉(zhuǎn)多普勒效應(yīng)發(fā)生器10的旋轉(zhuǎn)速度，m取任意整數(shù)。可以看出旋轉(zhuǎn)多普勒效應(yīng)發(fā)生器10可以將模式指數(shù)為l的入射模式以比例系數(shù)A_-l轉(zhuǎn)換成基模(模式指數(shù)為0的模式)，并且發(fā)生頻移，頻移量為-lΩ。該基模經(jīng)過(guò)第二光纖耦合器11耦合到第二單模光纖12后被濾出，該基?？梢员硎緸椋?/p>

E_0,n＝C_r,n exp(-i2πft)exp(il_rΩt)+∑_{s＝1,2,…,N}C_s,n exp(-i2πft)exp(il_sΩt) (7)

其中從公式(7)我們可以看出，不同的模式被轉(zhuǎn)換成基模，并且發(fā)生相應(yīng)的頻移量。該第二單模光纖12輸出的基模的能量被光電探測(cè)器13收集，光電探測(cè)器13收集的能量可以表達(dá)為：

一般來(lái)說(shuō)，所要測(cè)量的光纖所支持的模式數(shù)量不會(huì)很多，因此我們可以選取在待測(cè)光纖本征模式范圍之外的參考模式使得公式(8)中的頻率(l_h-l_s)Ω跟(l_r-l_s)Ω不會(huì)有重疊項(xiàng)，那么通過(guò)傅里葉分析，我們就可以得到這些頻率的系數(shù)由于是不變的，因此得到了C_s,n的分布。假設(shè)得到了任意兩組系數(shù)C_s,n,C_s,m，那么相除可得到：

其中△L_n,m＝L_n-L_m，可以看出

其中p為一個(gè)整數(shù)。可以看出通過(guò)兩次不同長(zhǎng)度的測(cè)量就可以得到唯一的模式損耗因子是α_s，和多值的傳播常數(shù)β_s?？梢愿鶕?jù)以下三種方法唯一確認(rèn)傳播常數(shù)β_s：1)如果事先或者根據(jù)經(jīng)驗(yàn)知道傳播常數(shù)在哪個(gè)量級(jí)，那么可以唯一確認(rèn)β_s；2)經(jīng)過(guò)第三次長(zhǎng)度測(cè)量也可以唯一確定β_s；3)經(jīng)過(guò)三組或者三組以上的不同長(zhǎng)度光纖測(cè)量后，再根據(jù)公式C_n,s/η_n＝ξ_s exp(-a_sL_n)exp(iβ_sL_n)，去擬合α_s，β_s，ξ_s，可以唯一確認(rèn)該系數(shù)。確定了α_s，β_s，就知道了光纖各個(gè)模式的損耗和傳播常數(shù)，掃描波長(zhǎng)可進(jìn)一步可以分析光纖的其它特征參數(shù)，可測(cè)量的光纖特征參數(shù)包括：各個(gè)波長(zhǎng)的模式傳播常數(shù)、各個(gè)波長(zhǎng)的模式損耗、各個(gè)波長(zhǎng)的導(dǎo)模數(shù)目、帶寬、模間色散和材料色散。

圖2舉例說(shuō)明了光纖本征模式跟頻率的映射關(guān)系。在這里我們選取參考光的模式指數(shù)為-8，并且假設(shè)待測(cè)光纖只支持模式指數(shù)為2，1，0，-1，-2的本征模。圖2(a)依次表示模式指數(shù)為2，1，0，-1，-2的光纖本征模式的三維等相位面分布，圖2(b)依次表示模式指數(shù)為2，1，0，-1，-2的光纖本征模式的橫截面相位分布，圖2(c)依次表示模式指數(shù)為2，1，0，-1，-2的光纖本征模式的光強(qiáng)度分布。我們可以看出，我們所選取的模式正交基其相位呈l倍螺旋結(jié)構(gòu)分布，其中l(wèi)表示本征模的模式指數(shù)，其橫截面相位分布的相位沿著方位角由0變化到2πl(wèi)，其強(qiáng)度分布一般為環(huán)狀，且模式指數(shù)越大，環(huán)半徑越大，基模是光圓斑分布。根據(jù)前面分析，我們知道每個(gè)入射模式，包括參考光，都會(huì)被轉(zhuǎn)換成基模，并且發(fā)生頻移，頻移量跟模式指數(shù)成正比。這些不同頻率的基模會(huì)相互之間拍頻，即出現(xiàn)公式(8)中的各種頻率項(xiàng)。由于所選取的參考光的模式指數(shù)(-8)遠(yuǎn)大于光纖模本征指數(shù)(2，1，0，-1，-2)，因此參考光與光纖本征模式的拍頻頻率不會(huì)跟參考光內(nèi)部的拍頻頻率重疊，因此，如圖2(d)所示，參考光和模式指數(shù)為-2的本征模式拍出一個(gè)頻率為6Ω的信號(hào)，該本征模的相位和幅度信息也會(huì)轉(zhuǎn)移到該拍頻信號(hào)上。其它的本征模(模式指數(shù)為2，1，0，-1)類(lèi)似的，會(huì)分別與參考光拍出一個(gè)頻率為10Ω，9Ω，8Ω，7Ω的信號(hào)，其相位和幅度信息會(huì)轉(zhuǎn)移到相應(yīng)的拍頻信號(hào)上。這些拍頻信號(hào)可以被光電探測(cè)器(13)接收，通過(guò)頻譜分析就可以得到相應(yīng)本征模的分布，通過(guò)后續(xù)分析可以得到光纖的特征參數(shù)，如傳播常數(shù)，損耗和色散等。

對(duì)于用其他類(lèi)型的正交模式，比如說(shuō)線(xiàn)性偏振模(LP模)，一般情況下光纖所支持的模式只考慮徑向指數(shù)最小的模式，比如說(shuō)LP₀₁，LP_11a，LP_11b，LP_21a和LP_21b模式，其中a和b分別表示偶模和奇模?？梢钥闯鯨P模是在三角函數(shù)系下的正交模式，而我們上述的分析是在復(fù)指數(shù)函數(shù)系下的正交模式，兩者是可以轉(zhuǎn)換的，因此只要分析出復(fù)指數(shù)函數(shù)型的模式特征參數(shù)，就可以將之轉(zhuǎn)換成其他類(lèi)型模式的特征參數(shù)。

本發(fā)明可一次性地測(cè)量出待測(cè)光纖在某個(gè)波長(zhǎng)所支持的各種本征模的傳播常數(shù)和損耗，進(jìn)一步的通過(guò)掃描激光輸入波長(zhǎng)可以得到各個(gè)波長(zhǎng)的模式傳播常數(shù)、各個(gè)波長(zhǎng)的模式損耗、各個(gè)波長(zhǎng)的導(dǎo)模數(shù)目、帶寬、模間色散和材料色散?，F(xiàn)有技術(shù)無(wú)法同時(shí)測(cè)量待測(cè)光纖的傳播常數(shù)和損耗這兩個(gè)參數(shù)，測(cè)量得到的光纖特征參數(shù)單一，需要多次測(cè)量確定所有特征參數(shù)。本發(fā)明克服了現(xiàn)有技術(shù)存在的操作繁瑣、功能單一、耗時(shí)較長(zhǎng)等問(wèn)題。

本領(lǐng)域的技術(shù)人員容易理解，以上所述僅為本發(fā)明的較佳實(shí)施例而已，并不用以限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)所作的任何修改、等同替換和改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。