光纤传感课件ch4_光纤色散测量

1、光纤测量与传感技术光纤测量与传感技术光纤测量与传感技术第四章 光纤色散测量光纤色散光纤色散使传播的光脉冲随传输距离的增加使传播的光脉冲随传输距离的增加而展宽。而展宽。脉冲展宽脉冲展宽将限制传输容量或最大中继将限制传输容量或最大中继距离。因此，光纤色散是表征光纤传输特性的距离。因此，光纤色散是表征光纤传输特性的又一重要参数，色散测量是光纤传输特性测量又一重要参数，色散测量是光纤传输特性测量的又一重要内容。的又一重要内容。4.1 引引 言言光纤测量与传感技术色散的测量方法可分为两类：色散的测量方法可分为两类： 1时域法。这种方法是以确定沿光纤长度方向时域法。这种方法是以确定沿光纤长度方向传输的光脉

2、冲展宽量为根底测量光纤色散系数。传输的光脉冲展宽量为根底测量光纤色散系数。通常用窄脉冲调制光源做为光纤的测试信号源，通常用窄脉冲调制光源做为光纤的测试信号源，故又称为脉冲法。故又称为脉冲法。 2频域法。这种方法是根据被测光纤基带频响频域法。这种方法是根据被测光纤基带频响的幅频特性确定其基带响应带宽，然后确定色散的幅频特性确定其基带响应带宽，然后确定色散系数。此方法采用频率连续可调的正弦波调制光系数。此方法采用频率连续可调的正弦波调制光源做为测试信号源，故也称为正弦波法或相移法。源做为测试信号源，故也称为正弦波法或相移法。光纤测量与传感技术4.2 时域法时域法 模内色散模内色散是对给定的模式，是

3、对给定的模式，由于波长不同群由于波长不同群速度不同速度不同而引起的光脉冲展宽而引起的光脉冲展宽。 通常是单模光纤脉冲展宽的主要原因。模内色散包通常是单模光纤脉冲展宽的主要原因。模内色散包括材料色散和波导色散。但实际测量中，两者是密切相括材料色散和波导色散。但实际测量中，两者是密切相关的。只能观测其总效应。关的。只能观测其总效应。光纤测量与传感技术光纤系统的光源谱宽度一般都远远超过调制脉冲的频谱光纤系统的光源谱宽度一般都远远超过调制脉冲的频谱宽度宽度，因此可用下式描写模内色散式中，L 是光纤的长度, dd 是脉冲延迟时间对波长的导数。M()可解释为单位长度的光纤，由于光源单位谱宽度所引起的脉冲展

4、宽。它的单位是 ps/nmkm。 1 dML d 原那么上讲，只要观察脉冲到达光纤的时间和波长的关系 。即可利用上式计算出M()。 使用延迟线可以测量/光纤测量与传感技术光纤测量与传感技术进行进行时域测量时域测量需要的条件：需要的条件：u一系列可以使用的单色光源或一个波长连续一系列可以使用的单色光源或一个波长连续可调的光源，可调的光源，u还需要一个能测量时间延迟的装置。还需要一个能测量时间延迟的装置。光纤测量与传感技术时域脉冲延迟测量方法： 测量光源用可调谐的氪离子激光器4762埃、5208埃、5682埃、6471埃进行测量， 并使用了锁模技术，使激光器工作在规那么的脉冲模式。对腔长1.5米的

5、激光器，布喇格声光偏转器的频率为50 MHz。系统用硅二极管探测器，其上升时间为100ps，取样示波器的上升时间为25 ps。用具有不同铝含量的砷铝镓激光二极管做光源，激光器宽谱宽为2.5nm ，由脉冲发生器驱动， 产生半功率点为350ps的光脉冲。用四个不同波长的激光器，再利用温度调谐方法，覆盖的波长范围为180900nm。用铟镓磷激光器可以测量1.3 m 或1.5 m 的波长范围。为了测量1. 0 1. 6m 的波长，最好使用喇曼激光器作为可调谐光源。光纤测量与传感技术喇曼散射和反斯托克斯谱线喇曼散射和反斯托克斯谱线 当高强度的光通过液体或固体时，在射出的波束中，除当高强度的光通过液体或固

6、体时，在射出的波束中，除了原来人射波束外，还有新产生的波长成分。其中波长了原来人射波束外，还有新产生的波长成分。其中波长较长的局部称为斯托克斯线，强度较强；而波长较短的较长的局部称为斯托克斯线，强度较强；而波长较短的局部那么称为反斯托克斯线。局部那么称为反斯托克斯线。喇曼激光器物理根底喇曼激光器物理根底光纤测量与传感技术喇曼谱中的反斯托克斯谱线喇曼谱中的反斯托克斯谱线 思考：拉曼光谱中为什么反斯托克斯线强度比斯托克斯线强度弱？ 光纤测量与传感技术色散测量用色散测量用喇曼喇曼激光器激光器 苯具有特别强的喇曼效应，但光纤产生的喇曼光对光纤测试更为有用。尽管玻璃中的喇曼效应并不强，但光纤芯子中光的强

7、度大，作用距离又长，所以可以产生相当明显的非线性现象。如下页图。喇曼激光是由锁模工作的、并有Q调制的铷钇铝石榴石激光器鼓励单模光纤后产生的。实验中采用176 m 长的低损耗单模光纤，光纤芯径为6 m ，芯和包层间折射率差n =0.004 。光纤测量与传感技术当铷钇铝石榴石激光器峰值功率到达70 W 时， 可观察到在1.12 m波长时的第一条喇曼谱线。当到达满功率(1 kW ) 时，可以看到五条以上喇曼波长，每一条以波长更短的邻近喇曼线为泵源。光纤测量与传感技术光纤测量与传感技术()，对于L为176m低损耗单模光纤 1LdMd光纤测量与传感技术对多模光纤，下面的两个式子近似成立假设光纤的冲激响应

8、为h()，那么冲激响应的均方根宽度为 模间色散是指在多模光纤中，由于不同模式具有不同模间色散是指在多模光纤中，由于不同模式具有不同的群速度而引起的脉冲展宽。的群速度而引起的脉冲展宽。 oioiP tP thdPPH 22hhdhd光纤测量与传感技术考虑到实际情况，输入脉冲是有一定宽度的,可得到222(4 13)hoi2222()( )()( )ooiitP t dttP t dt其中：光纤的频率传递函数H()下降到峰值一半的基带频率。光纤的带宽光纤的带宽光纤测量与传感技术图4-6 (a)使用砷化镓激光器(0.908um)做往复脉冲法的实验装置；(b)终端反射器简图光纤测量与传感技术然后，利用公

9、式 计算脉冲响应的均方根宽度。或者取输入脉冲和输出脉冲的反卷积，得到光纤冲击响应函数的形状、傅立叶频谱傅立叶频谱和带宽带宽光纤测量与传感技术循环脉冲测量装置循环脉冲测量装置光纤测量与传感技术4.3 频域法 频域法频域法是用正弦波调制光波来测量光纤色散是用正弦波调制光波来测量光纤色散的方法。的方法。 模内色散测量常采用模内色散测量常采用相移法相移法。相移法是。相移法是通过测量不通过测量不同波长下同一正弦调制信号的同波长下同一正弦调制信号的相移相移得出群延时与波长的得出群延时与波长的关系，进而算出色散系数的一种方法。关系，进而算出色散系数的一种方法。 由于它要求的测试设备较简单，且正弦信号可采用由

10、于它要求的测试设备较简单，且正弦信号可采用窄带滤波放大。有利于提高信噪比，测量准确度高，因窄带滤波放大。有利于提高信噪比，测量准确度高，因此已被广泛应用。此已被广泛应用。光纤测量与传感技术相移法光纤色散测量系统框图相移法光纤色散测量系统框图 波长选择器包层模消除器被测光纤相位计计算机振荡器滤波器光源光检测器光纤测量与传感技术 假设光源的调制频率为f (它应小于光纤的基带带宽)，经长度为L的光纤后，波长为的光相对于波长为0的光传播延时差为t，那么从光纤出射端接收到的两种光的调制波形相位差()满足下式( )2( )2( ),( )(/)2( ),( )fttftsops kmLfLdandd 光纤

11、测量与传感技术 对于给定光源调制频率f，只要测出不同波长下的i(i)，计算出i(i)。再利用下式4224( )ABCDE 拟合这些数据点得出()曲线方程。其中A、B、C、D、E为待定常数，由拟合计算确定。再由再由 可导出可导出色散系数曲线。色散系数曲线。( )( )dd 533( )4224/BCDEps km nm 光纤测量与传感技术矢量电压表的分辨率一般是0.10，由它测出不同波长下正弦信号的相对相位差相位差。光纤测量与传感技术零色散点零色散点光纤测量与传感技术激光器型相移法测试系统激光器型相移法测试系统光纤测量与传感技术光纤测量与传感技术 利用频谱分析仪频谱分析仪分别测出光纤输入和输出光

12、波包络信号的频域函数Pi()和Po()。然后求得基带响应的幅频函数|H()|Po()Pi()。并确定被测光纤的带宽B。根据带宽B与基带响应脉冲的均方根宽度h 的关系，即可得到由光纤色散引起的脉冲展宽量。测量原理测量原理光纤测量与传感技术光纤测量与传感技术光纤测量与传感技术4.4 4.4 时域法和频域法的比较时域法和频域法的比较 时域法测光纤色散是观察经脉冲调制的光时域法测光纤色散是观察经脉冲调制的光信号通过光纤后的时间延迟或脉冲展宽。频域信号通过光纤后的时间延迟或脉冲展宽。频域法是使用不同频率的正弦波调制光信号，测得法是使用不同频率的正弦波调制光信号，测得光纤的基带响应。光纤的基带响应。 时域

13、法要求产生和探测极窄的脉冲，而频时域法要求产生和探测极窄的脉冲，而频域法需要一个从低频到高频域法需要一个从低频到高频(GHz)(GHz)的可调信号源的可调信号源用以驱动激光器或发光管，并要有相应的探测用以驱动激光器或发光管，并要有相应的探测装置：装置：光纤测量与传感技术在测量准确度方面，频域法优于时域法。在实际测在测量准确度方面，频域法优于时域法。在实际测量中，由于输入脉冲本身或光输出探测器等原因，量中，由于输入脉冲本身或光输出探测器等原因，检测到的脉冲不可能很窄。检测到的脉冲不可能很窄。用频域法来测量，只要根据用频域法来测量，只要根据 H()H()Po()/Pi()Po()/Pi()测量在光纤输入端和输出端的频率