[发明专利]一种快速测量光纤长度的方法和设备

摘要

本发明涉及一种快速测量光纤长度的方法和设备。本发明中使用普通连续半导体激光器作为光源，电光调制器和待测光纤都接入萨尼亚克环中，其中电光调制器在萨尼亚克环中是不对称放置的，靠近光纤耦合器的一个口；电光调制器由频率可线性扫描的射频信号驱动；射频信号频率改变时，萨尼亚克干涉计的透射率改变，透射率变化频率与待测光纤长度有关；由光电二极管检测透射率变化；光电二极管的输出端与数据采集卡连接；采集卡采集到的数据通过快速傅立叶变换以及相关运算，得到光纤长度。本发明克服了不能同时满足大范围高精度测量的要求，并且相对成本较低。由于待测光纤连入萨尼亚克环中，设备抗外界温度波动以及机械扰动性能强。

主权项

1、一种快速测量光纤长度的方法，其特征在于该方法的具体步骤是：a.中心波长在通讯波段的连续半导体激光器发出的激光通过光纤隔离器和四端口3-dB光纤耦合器后，进入萨尼亚克环中；b.激光进入萨尼亚克环后分为两路，其中一路进入长度已知的过渡段单模光纤，再经过待测段单模光纤，然后进入长度已知的连接段单模光纤；激光通过插入到连接段单模光纤中的电光调制器后产生变频，所述的电光调制器由频率受调制的正弦信号发生器驱动；变频后的激光回到四端口3-dB光纤耦合器，回到四端口3-dB光纤耦合器时激光的电场强度E1(t)为：$E_1\left(t\right)=-J_1\left(\alpha \frac{\pi }{2}\right)\frac{E\left(t\right)}{2}\left\{\begin{array}{c}\exp (i(\omega -\Omega )t+\mathrm{ni}[\frac{L_1+L_3}{C}\omega +\frac{L_2}{C}(\omega -\Omega )\left]\right)\\ +\exp (i(\omega +\Omega )t+\mathrm{ni}[\frac{L_1+L_3}{C}\omega +\frac{L_2}{C}(\omega +\Omega )\left]\right)\end{array}\right\}---\left(1\right)其中\alpha 为电光调制器驱动信号的归一化振幅，J1是一阶贝塞尔函数E(t)为光源的电场强度，\omega 为激光角频率，\Omega 为电光调制器驱动信号的角频率，n为单模光纤的折射率，C为真空中的光速，L3为待测段单模光纤的长度，L1为过渡段单模光纤的长度，L2为连接段单模光纤的长度；另一路激光首先进入长度已知的连接段单模光纤，通过电光调制器产生变频，变频后的激光顺序经过待测段单模光纤和已知长度的过渡段单模光纤后，回到3-dB光纤耦合器，回到四端口3-dB光纤耦合器时激光的电场强度E2(t)为：$ E_2\left(t\right)=J_1\left(\alpha \frac{\pi }{2}\right)\frac{E\left(t\right)}{2}\left\{\begin{array}{c}\exp (i(\omega -\Omega )t+\mathrm{ni}[\frac{L_2}{C}\omega +\frac{L_1+L_3}{C}(\omega -\Omega )\left]\right)\\ +\exp (i(\omega +\Omega )t+\mathrm{ni}[\frac{L_2}{C}\omega +\frac{L_1+L_3}{C}(\omega +\Omega )\left]\right)\end{array}\right\}---\left(2\right)回到四端口3-dB光纤耦合器的两路激光在四端口3-dB光纤耦合器中发生干涉，透射光的强度IT为：$ I_T={J_1}^2\left(\alpha \frac{\pi }{2}\right)\frac{{\left|E\left(t\right)\right|}^2}{4}\left\{\begin{array}{c}4+2\cos \left[2(\mathrm{\Omega t}+\frac{\mathrm{n\Omega }}{C}{L}_2)\right]+2\cos \left[2(\mathrm{\Omega t}+\frac{\mathrm{n\Omega }}{C}(L_1+L_3))\right]\\ +4\cos \left[(2\mathrm{\Omega t}+\frac{\mathrm{n\Omega }}{C}(L_1+L_2+L_3))\right]+4\cos \left[\frac{\mathrm{n\Omega }}{C}(L_1+L_3-L_2)\right]\end{array}\right\}---\left(3\right)c.光电二极管探测透射光的强度，同时光强信号转化为电信号，光电二极管的截至频率为fb，fb＜＜\Omega ，由光电二极管接收到的光强IT：$ I_T={J_1}^2\left(\alpha \frac{\pi }{2}\right)\frac{{\left|E\left(t\right)\right|}^2}{4}\{4+4\cos [\frac{\mathrm{n\Omega }}{C}(L_1+{2L}_3+L_2)\}---\left(4\right)电光调制器的驱动频率\Omega 按照2\pi wt作线性变化，通过线性扫描，透射光强按cos(ft)变化$ \mathrm{ft}=2\mathrm{\pi n}\frac{L_1+L_3-L_2}{C}\mathrm{wt}---\left(5\right)其中f为光强变化的频率；数据采集卡采集电信号，进行快速傅立叶变换，在频谱上得到式(5)对应的峰，通过测量峰值的频率f得到待测段单模光纤的长度L3。$ L_3=\frac{\mathrm{Cf}}{2\mathrm{\pi n\omega }}-L_1+L_2---\left(6\right)$$$$$$