专利名称：光纤本征布里渊线宽测量装置及测量方法
技术领域：
本发明涉及一种光纤本征布里渊线宽的测量装置及测量方法。
背景技术：
目前，针对光纤中本征布里渊线宽的测量主要利用扫谱技术实现。其利用微波信 号发生器产生的高频信号驱动强度调制器，使强度调制器的输出激光相对于输入激光产生 一定量的频移，频移量等于调节调制信号的频率。通过调节调制信号的频率，从而获得不同 频移的光信号输出，通过测量不同频移下的光信号在布里渊放大过程中的增益，得到频移 与增益关系的曲线。从该曲线中即可测得布里渊线宽。由于偏振失配的影响，此测量需要 在偏振失配最大情况和最小情况两种状态下进行测量，才可测得布里渊线宽。而最大失配 和最小失配两种状态要依靠人为观察确定，其准确性受激光器本身的漂动及人为因素影响 较大。而且，这种方法需要测量的数据较多，误差来源也较多。此外，这种方法对设备条件 的要求比较高。其中，微波信号发生器价格昂贵，使得一般的实验室不具备测量本征布里渊 线宽的条件。综上，现有的用于测量本征布里渊线宽的方法和设备中，不仅需要频率扫描设备， 而且对光纤激光偏振态敏感，需要考虑增益的偏振相关性问题。

发明内容
本发明的目的是解决现有的用于测量本征布里渊线宽的方法和设备中，存在的需 要频率扫描设备、对光纤激光偏振态敏感以及需要考虑增益的偏振相关性问题，提供了一 种光纤本征布里渊线宽的测量装置及测量方法。光纤本征布里渊线宽的测量装置，它由超窄线宽激光器、第一耦合器、EDFA、布里 渊环形腔、第一可调衰减器、第一偏振控制器、强度调制器、第二可调衰减器、第二耦合器、 单向隔离器、第二偏振控制器、第一环形器及示波器组成；超窄线宽激光器的光输出端通过光纤与第一耦合器的光输入端相连，第一耦合器 的第一光输出端通过光纤连接EDFA的光输入端，EDFA的光输出端通过光纤连接第一可调 衰减器的光输入端，第一可调衰减器的光输出端通过光纤连接第一环形器的光输入端，第 一环形器的光输入/输出端通过光纤与待测光纤的一端相连接，第一环形器的光输出端通 过光纤与光电探头的光输入端相连接，所述光电探头的电信号输出端连接示波器第一信号 输入端；第一耦合器的第二光输出端通过光纤连接布里渊环形腔的光输入端，布里渊环形 腔的光输出端通过光纤连接第一偏振控制器的光输入端，第一偏振控制器的光输出端通过 光纤连接强度调制器的光输入端，强度调制器的光输出端通过光纤连接第二可调衰减器的 光输入端，第二可调衰减器的光输出端通过光纤连接第二耦合器的光输入端；第二耦合器的第一光输出端通过光纤与光电探头的光输入端相连接，所述光电探 头的电信号输出端连接示波器的第二信号输入端，第二耦合器的第二光输出端通过光纤连接单向隔离器的光输入端，单向隔离器的光输出端通过光纤连接第二偏振控制器的光输入 端，第二偏振控制器的光输出端通过光纤与待测光纤的另一端相连接。光纤本征布里渊线宽的测量方法，它基于本征布里渊线宽的测量装置实现，所述 测量方法的具体过程为步骤一、调节第一可调衰减器，使透过第一可调衰减器的光信号的光功率Ip最低； 令Sl表示示波器的第一信号输入端接收到的光信号，S2表示示波器的第二信号输入端接 收到的光信号，然后利用示波器，获得光信号Sl的波形与光信号S2的波形；步骤二、获得光信号Sl的波形参数与光信号S2的波形参数，进而获得此时光信号 Sl和光信号S2的衰减Gtl和延时Ttl ；步骤三、在光信号Sl的波形不失真的条件下，调整第一可调衰减器，使透过第一 可调衰减器的光信号的光功率Ip升高至I1 ；步骤四、获得此时光信号Sl的波形与光信号S2的波形，进而获得光信号Sl的波 形参数和光信号S2的波形参数；然后经过计算，获得光信号Sl的增益G1及光信号Sl与S2 之间的实测延时T1,定义该步骤获得的数据为第1实验点的数据；步骤五、调节第一可调衰减器，使透过第一可调衰减器的光信号的光功率Ip依次 下降至12、13、…、IQ，其中，Q为大于等于5的正整数；同时，分别在所述光功率Ip为12、 13、…、Iq时，获得每种光功率条件下的光信号Sl的波形与光信号S2的波形；根据所述每 种光功率条件下的光信号Sl的波形与光信号S2的波形，获得每种光功率条件下的波形参 数，进而计算获得每种光功率条件下的光信号Sl的实测增益Gi以及光信号Sl与S2之间 的实测延时Ti, i = 2，3，4…Q，定义光功率分别为12、13、…、Iq条件下所获得的数据分别 为第2实验点的数据、第3实验点的数据、…、第Q实验点的数据；步骤六、根据光功率Ip分别等于IpI2、I3.....Iq时对应的实测延时Ti,光信号Sl
的实测增益Gi,以及Gtl和Ttl对布里渊线宽作最小二乘拟合，最终获得待测光纤12的布里渊 线宽值。本发明的积极效果本发明的光纤本征布里渊线宽的测量装置及测量方法，不需 要频率扫描设备，而且对光纤激光偏振态不敏感，无需考虑增益的偏振相关性问题，其仅测 量强度和时间两种物理量，测量简单易行。


图1为本发明的光纤本征布里渊线宽的测量装置的结构示意图；图2为本发明的 光纤本征布里渊线宽的测量方法的流程图。
具体实施例方式具体实施方式
一本实施方式的光纤本征布里渊线宽的测量装置，它由超窄线宽 激光器1、第一耦合器2、EDFA3、布里渊环形腔4、第一可调衰减器5、第一偏振控制器6、强 度调制器7、第二可调衰减器8、第二耦合器9、单向隔离器10、第二偏振控制器11、第一环形 器13及示波器14组成；超窄线宽激光器1的光输出端通过光纤与第一耦合器2的光输入端相连，第一耦 合器2的第一光输出端通过光纤连接EDFA3的光输入端，EDFA3的光输出端通过光纤连接第一可调衰减器5的光输入端，第一可调衰减器5的光输出端通过光纤连接第一环形器13 的光输入端13-1，第一环形器13的光输入/输出端13-2通过光纤与待测光纤12的一端相 连接，第一环形器13的光输出端13-3通过光纤与光电探头的光输入端相连接，所述光电探 头的电信号输出端连接示波器14第一信号输入端；第一耦合器2的第二光输出端通过光纤连接布里渊环形腔4的光输入端，布里渊 环形腔4的光输出端通过光纤连接第一偏振控制器6的光输入端，第一偏振控制器6的光 输出端通过光纤连接强度调制器7的光输入端，强度调制器7的光输出端通过光纤连接第 二可调衰减器8的光输入端，第二可调衰减器8的光输出端通过光纤连接第二耦合器9的 光输入端；第二耦合器9的第一光输出端通过光纤与光电探头的光输入端相连接，所述光电 探头的电信号输出端连接示波器14的第二信号输入端，第二耦合器9的第二光输出端通过 光纤连接单向隔离器10的光输入端，单向隔离器10的光输出端通过光纤连接第二偏振控 制器11的光输入端，第二偏振控制器11的光输出端通过光纤与待测光纤12的另一端相连接。该测量装置的工作原理如下超窄线宽激光器1输出的激光束经第一耦合器2后分为两束，其中一束注入到 EDFA3中，另一束注入到布里渊环形腔4中；EDFA3将接收到的光束放大后输出放大后的光束，放大后的光束再经第一可调衰 减器5衰减后入射至第一环形器13的光输入端13-1，再由第一环形器13的光输入/输出 端13-2输出后作为泵浦光入射至待测光纤12的右端；入射至布里渊环形腔4中的光束发生受激布里渊散射，产生的stokes光束由布里 渊环形腔4输出至第一偏振控制器6，经第一偏振控制器6调节至与强度调制器7相匹配 的偏振态后，从第一偏振控制器6中输出至强度调制器7，强度调制器7将接收到的stokes 光束调制成脉冲式stokes光束后输出至第二可调衰减器8，第二可调衰减器8对接收到的 光进行衰减后输出至第二耦合器9，第二耦合器9将接收到的光分为两束，其中一束输出作 为参考光由示波器14的一个信号端接收，另一束作为信号光经过单向隔离器10后输出至 第二偏振控制器11，第二偏振控制器11对接收到的信号光进行偏振调节，使所述信号光的 偏振态与泵浦光的偏振态相匹配，然后将信号光输出至待测光纤12的左端，使信号光与泵 浦光在待测光纤12内发生受激布里渊放大，产生慢光延时，放大后的信号光从待测光纤12 的右端输出至第一环形器13的光输入/输出端13-2，并从第一环形器13的光输出端13-3 输出，由示波器14的另一个信号端接收。本发明的本征布里渊线宽的测量装置，不需要频率扫描设备，即可对本征布里渊 线宽进行测量，而且对光纤激光偏振态不敏感，无需考虑增益的偏振相关性问题，其仅测量 强度和时间两种物理量，测量简单易行。
具体实施方式
二 本实施方式是对实施方式一的光纤本征布里渊线宽的测量装置 的进一步限定，所述超窄线宽激光器1的输出激光的波长为1550. 12nm、线宽小于100kHz。
具体实施方式
三本实施方式是对实施方式一或二的光纤本征布里渊线宽的测量 装置的进一步限定，第一耦合器2的输出分光比为50% 50%，第二耦合器9输出分光比 为90% 10%，且90%的输出端作为第二耦合器9的第二光输出端，10%的输出端作为第二耦合器9的第一光输出端。
具体实施方式
四本实施方式是对实施方式一、二或三的光纤本征布里渊线宽的 测量装置的进一步限定，所述布里渊环形腔4由第二环形器4-1、第三偏振控制器4-2、增益 介质光纤4-3以及第三耦合器4-4组成；所述第二环形器4-1的光输入端4-1-1作为布里渊环形腔4的光输入端，第二环 形器4-1的光输入/输出端4-1-2通过光纤与第三偏振控制器4-2的一个光输入/输出端， 第三偏振控制器4-2的另一个光输入/输出端通过光纤连接增益介质光纤4-3的一端，增 益介质光纤4-3的另一端通过光纤连接第三耦合器4-4的第一光输出端；所述第二环形器4-1的光输出端4-1-3通过光纤连接第三耦合器4-4的光输入 端，第三耦合器4-4的第二光输出端作为布里渊环形腔4的光输出端；第三耦合器4-4的输 出分光比为95% 5%，且5%的输出端作为第三耦合器4-4的第一输出端，95%的输出端 作为第三耦合器4-4的第二光输出端。
具体实施方式
五本实施方式的光纤本征布里渊线宽的测量方法，它基于光纤本 征布里渊线宽的测量装置实现，所述测量方法的具体过程为步骤一、调节第一可调衰减器5，使透过第一可调衰减器5的光信号的光功率Ip最 低；令Sl表示示波器14的第一信号输入端接收到的光信号，S2表示示波器14的第二信号 输入端接收到的光信号，然后利用示波器14，获得光信号Sl的波形与光信号S2的波形；步骤二、获得光信号Sl的波形参数与光信号S2的波形参数，进而获得此时光信号 Sl和光信号S2的衰减Gtl和延时Ttl ；步骤三、在光信号Sl的波形不失真的条件下，调整第一可调衰减器5，使透过第一 可调衰减器5的光信号的光功率Ip升高至I1 ；步骤四、获得此时光信号Sl的波形与光信号S2的波形，进而获得光信号Sl的波 形参数和光信号S2的波形参数；然后经过计算，获得光信号Sl的增益G1及光信号Sl与S2 之间的实测延时T1,定义该步骤获得的数据为第1实验点的数据；步骤五、调节第一可调衰减器5，使透过第一可调衰减器5的光信号的光功率Ip依 次下降至12、13、…、IQ，其中，Q为大于等于5的正整数；同时，分别在所述光功率Ip为12、 13、…、Iq时，获得每种光功率条件下的光信号Sl的波形与光信号S2的波形；根据所述每 种光功率条件下的光信号Sl的波形与光信号S2的波形，获得每种光功率条件下的波形参 数，进而计算获得每种光功率条件下的光信号Sl的实测增益Gi以及光信号Sl与S2之间 的实测延时Ti, i = 2，3，4…Q，定义光功率分别为12、13、…、Iq条件下所获得的数据分别 为第2实验点的数据、第3实验点的数据、…、第Q实验点的数据；步骤六、根据光功率Ip分别等于I1U2U3.....Iq时对应的实测延时Ti,光信号Sl
的实测增益Gi,以及Gtl和Ttl对布里渊线宽作最小二乘拟合，最终获得待测光纤12的布里渊 线宽值。本发明的本征布里渊线宽的测量方法，不需要频率扫描设备，而且对光纤激光偏 振态不敏感，无需考虑增益的偏振相关性问题，其仅测量强度和时间两种物理量，测量简单 易行。
具体实施方式
六本实施方式是对实施方式五的光纤本征布里渊线宽的测量方法 的进一步说明，步骤二、步骤四及步骤五中所述的波形参数是指波形的峰值、峰值时间、以及脉宽三个参数。
具体实施方式
七本实施方式是对实施方式五或六的光纤本征布里渊线宽的测量 方法的进一步说明，在步骤二中所述的光信号Sl和光信号S2的衰减
权利要求
1.光纤本征布里渊线宽的测量装置，其特征在于它由超窄线宽激光器(1)、第一耦合 器(2) ,EDFA(3)、布里渊环形腔(4)、第一可调衰减器(5)、第一偏振控制器(6)、强度调制器 (7)、第二可调衰减器(8)、第二耦合器(9)、单向隔离器(10)、第二偏振控制器(11)、第一环 形器(13)及示波器(14)组成；超窄线宽激光器(1)的光输出端通过光纤与第一耦合器(2)的光输入端相连，第一耦 合器(2)的第一光输出端通过光纤连接EDFA(3)的光输入端，EDFA(3)的光输出端通过光 纤连接第一可调衰减器(5)的光输入端，第一可调衰减器(5)的光输出端通过光纤连接第 一环形器(13)的光输入端(13-1)，第一环形器(13)的光输入/输出端(13-2)通过光纤与 待测光纤(12)的一端相连接，第一环形器(13)的光输出端(13-3)通过光纤与光电探头的 光输入端相连接，所述光电探头的电信号输出端连接示波器(14)第一信号输入端；第一耦合器(2)的第二光输出端通过光纤连接布里渊环形腔(4)的光输入端，布里渊 环形腔(4)的光输出端通过光纤连接第一偏振控制器(6)的光输入端，第一偏振控制器(6) 的光输出端通过光纤连接强度调制器(7)的光输入端，强度调制器(7)的光输出端通过光 纤连接第二可调衰减器(8)的光输入端，第二可调衰减器(8)的光输出端通过光纤连接第 二耦合器(9)的光输入端；第二耦合器(9)的第一光输出端通过光纤与光电探头的光输入端相连接，所述光电探 头的电信号输出端连接示波器(14)的第二信号输入端，第二耦合器(9)的第二光输出端通 过光纤连接单向隔离器(10)的光输入端，单向隔离器(10)的光输出端通过光纤连接第二 偏振控制器(11)的光输入端，第二偏振控制器(11)的光输出端通过光纤与待测光纤(12) 的另一端相连接。
2.根据权利要求1所述的光纤本征布里渊线宽的测量装置，其特征在于所述超窄线宽 激光器(1)的输出激光的波长为1550. 12nm、线宽小于IOOkHz。
3.根据权利要求1所述的光纤本征布里渊线宽的测量装置，其特征在于第一耦合器 ⑵的输出分光比为50% 50%，第二耦合器(9)输出分光比为90% 10%，且90%的输 出端作为第二耦合器(9)的第二光输出端，10%的输出端作为第二耦合器(9)的第一光输 出端。
4.根据权利要求1所述的光纤本征布里渊线宽的测量装置，其特征在于所述布里渊环 形腔⑷由第二环形器(4-1)、第三偏振控制器(4-2)、增益介质光纤(4-3)以及第三耦合 器(4-4)组成；所述第二环形器(4-1)的光输入端(4-1-1)作为布里渊环形腔(4)的光输入端，第二 环形器(4-1)的光输入/输出端(4-1-2)通过光纤与第三偏振控制器(4-2)的一个光输 入/输出端，第三偏振控制器(4-2)的另一个光输入/输出端通过光纤连接增益介质光纤 (4-3)的一端，增益介质光纤(4-3)的另一端通过光纤连接第三耦合器(4-4)的第一光输出 端；所述第二环形器(4-1)的光输出端(4-1-3)通过光纤连接第三耦合器(4-4)的光输 入端，第三耦合器(4-4)的第二光输出端作为布里渊环形腔(4)的光输出端；第三耦合器 (4-4)的输出分光比为95% 5%，且5%的输出端作为第三耦合器(4-4)的第一输出端， 95%的输出端作为第三耦合器(4-4)的第二光输出端。
5.本征布里渊线宽的光纤测量方法，它基于权利要求1所述的光纤本征布里渊线宽的测量装置实现，其特征在于所述测量方法的具体过程为步骤一、调节第一可调衰减器(5)，使透过第一可调衰减器(5)的光信号的光功率Ip最 低；令Sl表示示波器(14)的第一信号输入端接收到的光信号，S2表示示波器(14)的第二 信号输入端接收到的光信号，然后利用示波器(14)，获得光信号Sl的波形与光信号S2的波 形；步骤二、获得光信号Sl的波形参数与光信号S2的波形参数，进而获得此时光信号Sl 和光信号S2的衰减Gtl和延时Ttl ；步骤三、在光信号Sl的波形不失真的条件下，调整第一可调衰减器(5)，使透过第一可 调衰减器(5)的光信号的光功率Ip升高至I1 ；步骤四、获得此时光信号Sl的波形与光信号S2的波形，进而获得光信号Sl的波形参 数和光信号S2的波形参数；然后经过计算，获得光信号Sl的增益G1及光信号Sl与S2之 间的实测延时T1,定义该步骤获得的数据为第1实验点的数据；步骤五、调节第一可调衰减器(5)，使透过第一可调衰减器(5)的光信号的光功率Ip依 次下降至12、13、…、IQ，其中，Q为大于等于5的正整数；同时，分别在所述光功率Ip为12、 13、…、Iq时，获得每种光功率条件下的光信号Sl的波形与光信号S2的波形；根据所述每 种光功率条件下的光信号Sl的波形与光信号S2的波形，获得每种光功率条件下的波形参 数，进而计算获得每种光功率条件下的光信号Sl的实测增益Gi以及光信号Sl与S2之间 的实测延时Ti, i = 2，3，4…Q，定义光功率分别为12、13、…、Iq条件下所获得的数据分别 为第2实验点的数据、第3实验点的数据、…、第Q实验点的数据；步骤六、根据光功率Ip分别等于I” 12、I3.....Iq时对应的实测延时Ti,光信号Sl的实测增益Gi,以及Gtl和Ttl对布里渊线宽作最小二乘拟合，最终获得待测光纤12的布里渊线 宽值。
6.根据权利要求5所述的光纤本征布里渊线宽的测量方法，其特征在于步骤二、步骤 四及步骤五中所述的波形参数是指波形的峰值、峰值时间、以及脉宽三个参数。
7.根据权利要求5所述的光纤本征布里渊线宽的测量方法，其特征在于在步骤二中所述的光信号Sl和光信号S2的衰减GQ=l()log(#)，其中psi为光信号Si波形的峰值，Ps2为光信号S2波形的峰值；所述的延时Ttl，等于光信号Sl波形的峰值时间减去光信号S2波形的峰值时间的差值。
8.根据权利要求5所述的光纤本征布里渊线宽的测量方法，其特征在于步骤五中所述 的计算获得每种光功率条件下的光信号Sl的实测增益Gi以及光信号Sl与S2之间的实测 延时Ti的具体过程为在所述每种光功率条件下，获得光信号Sl和光信号S2的峰峰比值P(X)，其中X = I1, 12、13、…或Iq，则该种光功率条件下的光信号Sl的增益Gi = IOlog(P(X))-G0 ；同时，在所述每种光功率条件下，获得光信号Sl与S2的波形的峰值时间差T(X)，其中 X=Ii、I2、I3、…或Iq，即T (X)=光信号Sl波形的峰值时间-光信号S2波形的峰值时间； 此时光信号Sl与S2之间的实测延时Ti = T(X)-T0, T⑴为光功率为X时、光信号Sl 波形的峰值时间减去光信号S2波形的峰值时间的差值。
9.根据权利要求5所述的光纤本征布里渊线宽的测量方法，其特征在于步骤六所述内容的具体过程为步骤六一、生成线宽值序列1^(\=1，2，..}，所述线宽值序列由多个等间隔的线宽 值组成，即y(j+1)-Y(j) = Δ，其中Δ为固定值；步骤六二、根据所测得的光信号Sl的脉宽，利用快速傅里叶变换(FFT)，生成幅值归一 化的输入信号光电场强度频谱As (ω，0)，其中信号光脉宽由实验测量数据提供；步骤六三、对于线宽值序列中的每一个线宽值Y ω，计算理论延时与实验测量延时的累计误差=Za -Td1)2，其中Ti为实验测量得到的信号光慢光延时，Tdi为理论计算得 到的慢光延时，进而获得误差延时序列{伊，J= 1,2,...}；步骤六四、在所述误差延时序列J= 1,2, ...}中取最小的误差延时，则令该误差 延时对应的线宽值为待测光纤的布里渊线宽值。
10.根据权利要求9所述的光纤本征布里渊线宽的测量方法，其特征在于步骤六三所 述内容的具体过程为步骤六三一、对每一个线宽值r(T)，执行步骤六三二至步骤六三六，获得对应的累计误差；步聚六三二、选取第1实验点数据中的增益值为目标增益，设为Gaim ；令G = g0Ipz作为 未知变量，选取G的取值作为试探解Gtey ；其中go为光纤的增益系数，Ip为泵浦光强度，ζ为待测光纤长度； 步骤六三三、将Gtey代入下式 其中As(G)，ζ)为输出信号光的频域电场振幅，ω为信号光频率，ι·ω为布里渊线宽序 列的第J项；对上式进行傅里叶逆变换，得到经过布里渊放大后的信号光输出，计算输出的放大后 的信号光的增益；步骤六三四、判断步骤六三三获得的增益与目标增益Gaim是否相等，若不相等，则利用 二分法生成新的Gtey值，返回执行步聚六三三；若相等，则Gtey值为与该实验点数据相匹配 的增益参数；令下一实验点数据中的增益值为目标增益Gaim，并重新选择G的初值作为试探 解Gtey，返回执行步骤六三三，直到完成所有Q个实验点数据的匹配；然后执行步骤六三五； 步骤六三五、对每一个实验点数据，将相匹配的增益参数Gtey代入步聚六三三中公式， 并对其作傅里叶变换，计算信号光延时Tdi,并计算延时误SEi = (Ti-Tdi)2,其中Ti为实验 测量得到的信号光慢光延时，Tdi为理论计算得到的慢光延时；步骤六三六、计算获得线宽值ι·ω对应的累计误差紀=^E1 =^(T1-Td1)2。
全文摘要
光纤本征布里渊线宽测量装置及测量方法，涉及一种光纤本征布里渊线宽的测量装置及测量方法，解决了现有技术中存在的需要频率扫描设备、对光纤激光偏振态敏感以及需要考虑增益的偏振相关性问题。光纤本征布里渊线宽的测量装置，它由超窄线宽激光器、第一耦合器、EDFA、布里渊环形腔、第一可调衰减器、第一偏振控制器、强度调制器、第二可调衰减器、第二耦合器、单向隔离器、第二偏振控制器、第一环形器及示波器组成。本征布里渊线宽的测量方法基于上述测量装置实现，通过获取信号光及放大光的波形，提取信号光增益与慢光延时信息，利用最小二乘拟合，最终获得待测光纤的本征布里渊线宽。本发明可用于测量光纤中的本征布里渊线宽。
文档编号G01B11/02GK101995222SQ20101053001
公开日2011年3月30日 申请日期2010年11月3日 优先权日2010年11月3日
发明者吕志伟, 巴德欣 申请人:哈尔滨工业大学