高精度寬譜光源平均波長測量方法

高精度寬譜光源平均波長測量方法

1高精度寬譜光柵平均波長測量技術(shù)正確測量光譜的平均波長對提高高精度光纖蝸牛的開發(fā)具有重要意義。除了用光譜測量外，沒有專門的技術(shù)來測量寬光譜源的平均波長。在光纖陀螺中,光波長的變化直接影響陀螺標度因數(shù)。高精度光纖陀螺標度因數(shù)相對精度要達到1×10–6,因此需要光波長的測量相對精度也優(yōu)于1×10–6(約0.001nm)。目前測量光波長的儀器主要有波長計和光譜儀,波長計主要用來測量窄譜光的波長,所謂窄譜是指譜寬小于5nm。由于寬譜光空間相干性差,現(xiàn)有波長計無法精確測量寬譜光平均波長。寬譜光源平均波長的測量都是用光譜儀實現(xiàn)的,目前光譜儀測量寬譜光源平均波長精度最高達到0.01nm,光譜儀精度難以滿足高精度光纖陀螺的波長測量要求。而且光譜儀昂貴,笨重,難以進行系統(tǒng)集成,因此研制經(jīng)濟、便攜、多通道、可在線測量的高精度寬譜光源平均波長測量技術(shù)對解決光纖陀螺中光波長漂移問題意義重大。光纖陀螺是新一代光學陀螺,是當今國內(nèi)外研究的熱點。隨著精度的提高,標度因數(shù)逐漸取代零漂,成為光纖陀螺的主要誤差源。標度因數(shù)的主要影響因素是平均波長穩(wěn)定性。解決波長穩(wěn)定性的方案基本有三種,研制高波長穩(wěn)定性光源、直接對光源發(fā)出的光進行波長控制或者對由波長引起的標度因數(shù)變化進行補償。無論采用哪種解決方案都必須實現(xiàn)對寬譜光平均波長的精確測量。本文對高精度寬譜光源平均波長測量技術(shù)做了探索。2基本原則3測量方案3.1光學濾波器結(jié)構(gòu)設(shè)計與傳統(tǒng)波長計對干涉條紋進行計數(shù)測量光波長的方法不同,本文提出的是一種基于全保偏光纖Sagnac干涉儀的相位檢測的方案。在干涉條紋內(nèi)對微小的相位信號變化進行提取,從而得到波長信息。圖1所示是干涉儀的原理圖,待測光經(jīng)過耦合器進入Y型LiNbO3集成光學波導(dǎo)調(diào)制器,從Y波導(dǎo)進入光纖環(huán),光纖環(huán)由一個順時針繞制的CW環(huán)和逆時針繞制的CCW環(huán)連接組成,目的是為了消除由于地球自轉(zhuǎn)等其他因素引入的Sagnac效應(yīng)誤差。從光纖環(huán)出來的光再經(jīng)過Y波導(dǎo)和耦合器并發(fā)生干涉,由PIN-FET組件將干涉光強信號轉(zhuǎn)化為電信號輸出。其中,光纖環(huán)采用長度為200m的保偏光纖以四極對稱的方法繞制而成;耦合器采用低PDL(偏振相關(guān)損耗)的寬帶耦合器,保證不由耦合器引入平均波長變化;光電探測器采用PIN-FET組件,跨阻抗為800k?;Y波導(dǎo)輸入輸出尾纖為保偏光纖,輸入尾纖采用45°消偏。以上光路設(shè)計滿足互易性原理,可以抵消各種非互易效應(yīng)引入的相位誤差?；诰w線性電光效應(yīng),當其他因素不變,光源波長發(fā)生波動時,待測光波的相位會發(fā)生伸展或縮小,干涉信號通過相位檢測技術(shù)檢測該相位變化,從而可以檢測到平均波長的變化。3.2波動方程解碼算法是c3.2.1y導(dǎo)數(shù)的信號投資本文提出了采用四態(tài)方波偏置調(diào)制,單邊解調(diào)加閉環(huán)反饋的信號檢測算法。為了達到最佳的信號檢測靈敏度和最佳的信噪比,可以考慮不同的調(diào)制深度。本文主要介紹±π/2±3π/2四態(tài)方波偏置調(diào)制單邊解調(diào)加閉環(huán)反饋方案。通過電壓信號加在Y波導(dǎo)上的相位信號為:式中:T為一個調(diào)制信號周期,取周期T=4τ,τ為光在光纖中的渡越時間,如圖2(a)所示。調(diào)制后的光在光纖中傳輸后將會延遲時間τ,圖2(b)所示。在Y波導(dǎo)上加入調(diào)制信號后,Y波導(dǎo)中正反兩方向傳播短的光的相位差為下式,如圖2(c)所示。兩束光在Y波導(dǎo)處發(fā)生干涉后輸出,由光電探測器探測到的信號為:1)當光源的平均波長不發(fā)生改變時,P(t)=P0;2)當光源的平均波長變長?λ時,?φ減小φr,則探測器探測到的功率為:3)當光源的平均波長變短?λ時,?φ增大φr,則探測器探測到的功率為:由上述(3)(4)(5)三式可以看出,探測器響應(yīng)的是一個方波信號,如圖4所示。3.2.2旋轉(zhuǎn)效應(yīng)檢測誤差的解調(diào)方案解調(diào)方式要考慮盡可能的抑制由于功率波動、Sagnac效應(yīng)等引入檢測誤差,如圖3(b)所示對探測器響應(yīng)曲線分析可以看出,旋轉(zhuǎn)引起相位變化會導(dǎo)致1、2兩個位置產(chǎn)生電壓差,而1、3兩個位置不會由于旋轉(zhuǎn)效應(yīng)產(chǎn)生電壓差,因此本文提出依次解調(diào)1、3位置的電壓差的單邊解調(diào)方案可以很好的抑制旋轉(zhuǎn)效應(yīng)引入的檢測誤差。另外,當波長發(fā)生改變引起相位差不為零時,功率的變化會給探測器的響應(yīng)電壓引入一個誤差,這時,閉環(huán)反饋將相位差始終控制在零點會很好的抑制功率波動引起的檢測誤差,同時閉環(huán)反饋還可以獲得偏置點高檢測靈敏度和高信噪比的優(yōu)點,同時大大增加了檢測動態(tài)范圍。實行反饋后干涉輸出表達式成為:式中:?Φm(t)是方波偏置調(diào)制,Φfb為反饋相移。當波長變化時,會產(chǎn)生Φr的相位變化,此時通過給波導(dǎo)調(diào)制器施加一個反饋電壓Ufb產(chǎn)生一個反饋相位信號Φfb,抵消Φr,當閉環(huán)穩(wěn)定時,輸出波長值λ=K·(Um+Ufb),其中,Um為π/2調(diào)制電壓,Ufb為反饋電壓。3.3ad濾波器的ad轉(zhuǎn)換信號檢測電路的原理框圖如圖4所示。干涉信號通過光電探測器PIN-FET組件轉(zhuǎn)化成電壓信號,電壓信號經(jīng)過前置濾波放大電路的調(diào)理后,由AD轉(zhuǎn)換器量化成數(shù)字信號,信號處理器FPGA實現(xiàn)信號的調(diào)制解調(diào)、輸出濾波、閉環(huán)反饋、通信等功能,調(diào)制信號和反饋信號通過DA轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)化成模擬量施加到集成光學調(diào)制器Y波導(dǎo)上。其中AD轉(zhuǎn)換器選用12位的AD9235,FPGA選用XilinxV2xc250,DA轉(zhuǎn)換器選用16位的LTC1668。4傳統(tǒng)理論的確定由簡化式可以看出,光源平均波長λ的檢測精度由晶體電光效應(yīng)相位變化Φ的檢測精度和調(diào)制電壓U的精度決定。相位Φ精度由干涉儀光路的檢測精度決定,其理論極限是光子散粒噪聲,其表達式為:對于現(xiàn)在通用的波長λ=1310nm的光源,返回功率典型值P=10μw:傳統(tǒng)理論認為DA的量化精度決定加在波導(dǎo)調(diào)制器上的調(diào)制電壓精度?U。對于500m光纖環(huán),光在光纖環(huán)中傳播的渡越時間:取16位D/A,考慮時間積分平滑作用,平滑時間取1s,電壓檢測精度:取典型值K=1210,U=3V,Φ=π,由式(7)得:由此可見,該方案對波長有很高的檢測精度。5光電探測器響應(yīng)波長測試如圖5搭建測試系統(tǒng)對寬譜光平均波長進行測量。用LightwaveLDC3744B型高精度光源驅(qū)動儀驅(qū)動超輻射發(fā)光二極管SLD發(fā)出待測寬譜光信號;待測光信號經(jīng)過2×2單模耦合器進入搭建的寬譜光平均波長測試系統(tǒng),耦合器空頭輸出光信號接入Agilent86142B型光譜儀監(jiān)測光波長變化。檢測電路將解調(diào)后的波長信號送入計算機,由上位機軟件實現(xiàn)波長的計算和顯示。下圖6(a)是檢測電路給Y波導(dǎo)施加±π/2、±3π/2四態(tài)方波偏置調(diào)制時光電探測器響應(yīng)的電壓波形,當波長改變時,探測器響應(yīng)的方波電壓的幅值也隨之改變。圖6(b)是經(jīng)過單邊解調(diào)閉環(huán)反饋后光電探測器響應(yīng)信號,當波長改變時,探測器響應(yīng)電壓始終保持一條直線,閉環(huán)效果很好。下面的圖表是兩組實測數(shù)據(jù),λ為光譜儀測得平均波長,UD為公式λ=K·(Um+Ufb)中Um與Ufb加和的數(shù)字量,由波長測試系統(tǒng)輸出到計算機顯示。表1為調(diào)節(jié)光源驅(qū)動儀溫控點從24℃到25℃變化時測得波長數(shù)據(jù)。表2為驅(qū)動電流從60.0mA到60.9mA變化時測得波長數(shù)據(jù)。從測量數(shù)據(jù)可以看出該實驗系統(tǒng)輸出的電壓數(shù)字量與光譜儀測得的數(shù)據(jù)有一一對應(yīng)關(guān)系。光譜儀顯示的波長變化最小分辨到0.1nm,而檢測系統(tǒng)輸出的的數(shù)字量已經(jīng)能分辨出光譜儀不能分辨出的波長變化。下一步重要的工作是研究如何對公式λ=K·(Um+Ufb)中的比例系數(shù)K進行精確標定,從而最終實現(xiàn)高精度的波長輸出。6譜光平均波長測量系統(tǒng)設(shè)計提出了一種全新的基于光纖Sagnac干涉儀和微弱相位信號檢測技術(shù)的高精度寬譜光平均波長測量方法。通過對晶體線性電光效應(yīng)的分析,推導(dǎo)出了寬譜光平均波長測量的理論模型。設(shè)計了干涉儀光路和信號檢測方案。并對該方案