基于全光纤激光自混合干涉技术的石英玻璃热光系数测量北大核心CSCD

石英玻璃被广泛运用于航空航天、医学探测、光学成像等方面的光学仪器中,其光学性能是仪器设计时必须考虑的关键因素之一。热光系数作为重要的光学性能参数,其改变会影响光学元件成像的质量以及探测精度,因此石英玻璃热光系数的精确测量对仪器设计及校准十分必要。本文以单模无源石英光纤作为测量对象,提出一种基于全光纤激光自混合干涉技术的石英玻璃热光系数测量方法。实验将纯石英单模光纤作为干涉系统外腔,与光纤激光器熔接,构成全光纤封闭式激光自混合干涉热光系数测量系统。通过高温加热箱给定固定温度范围,利用干涉条纹计数法对石英玻璃热光系数进行解算。实验结果表明,系统对热光系数的分辨率可达到1.6329×10^(-7)/(0.1℃)。此研究结果为进一步开展石英玻璃热光系数的测量以及光纤激光器的自混合干涉应用研究奠定了基础。     

光纤延迟线应用研究动态

对目前正成为研究热点的光纤延迟线(FDL)进行了原理和结构特点的分析,总结了光纤延迟线的分类,对光纤延迟线的3个重要应用领域作了详细的跟踪研究.在光纤传感与光学测量领域,分析了激光器线宽测试系统、晶体双折射参数测量系统、光相干层析成像(OCT)测镀系统及光相关光谱术(OCS)测量系统,指出了光纤延迟线在这些系统中的丰要作用及参数设置;存光纤通信领域,从原理和系统结构上莺点分析了高速脉冲串发生器、光缓存器及光编/解码器,指出了目前存在的问题;在微波光子学领域,详细分析了多频光振荡器、微波光纤延迟线、光A/D转换器及光信号相关处理器.指出了关于光纤延迟线技术的最新研究方向主要足提高延时精度、实现连续可调、减小插入损耗和提高工程可靠性.解决这些问题是光纤延迟线实用化的关键所在.     

基于光纤双波干涉的台阶高度在线高精度测量研究

提出一种基于双波干涉的台阶高度光纤在线干涉测量系统。利用光纤光栅(FBG)只反射布拉格波长的特性,使两个波长同时并独立地工作于同一个光纤干涉测量系统中,每个波长的干涉信号分别并同时被探测,将测量量程扩大为半合成波波长。利用反馈电路补偿环境干扰对光纤干涉测量系统的影响,使光纤干涉测量系统适合于在线测量。本光纤干涉测量系统可测量的最大台阶高度达1mm,测量分辨率小于1nm。     

低相干光干涉法延时测量中的误差分析

低相干光干涉法通过测量宽谱光通过待测器件之后的相位变化得到其相对延时量。采集宽谱光时域干涉数据,利用傅里叶变换提取出频域相位信息后再进行相位展开、多项式拟合处理,所得相位曲线对频率求导可得待测延时曲线。延时测量误差来源于干涉信号强度误差和纯相位误差。理论分析和仿真计算表明,延时误差与相位误差成正比;强度噪声引起的相位误差与噪声强度成正比,且该类噪声可通过曲线拟合算法得到有效抑制。实验表明,温度等环境因素引起的纯相位误差是延时测量误差的主要因素。实验上,对约19 m光子晶体光纤于1540~1560 nm波段的相对延时进行了测量,达到了0.14 ps的精度。     

基于Sagnac光纤干涉的光缆识别技术研究

提出一种基于Sagnac光纤干涉的光缆快速准确无损伤识别方法,主要对干涉光路中激光器的类型、不同模式的输出光和延时光纤长度的选择进行了研究,通过数据采集卡采集振动信号,用LabView编写数据处理程序对输出信号进行处理,对各个参数进行实验确定。     

移频延时自外差法的DFB激光器线宽测量

为了测量分布反馈（DFB）单模半导体激光器线宽,采用一种新颖的基于马赫-曾德尔干涉结构的光纤自外差测量方案,设计了一套全光纤延时自外差法测量系统,并进行了理论分析。在此基础上搭建了延时光纤长度分别为900m,3000m和6000m的窄带线宽测量系统,对实验室一台中心波长为1550nm、标称线宽值为800kHz的DFB单模半导体激光器光源进行了测试,测得激光器线宽值分别为951.566kHz,832.471kHz和802.221kHz,并对所设计的方案进行了模拟仿真验证。结果表明,与模拟仿真结果作对比,延时光纤长度为6000m时的窄带线宽测量系统最优,其误差在3%之内,证明了所用自外差干涉原理的合理性和准确性。全光纤移频延时自外差法对测量DFB激光器线宽具有优越性和重要的实用价值。     

基于全光纤自混合干涉技术的微振动测量研究

为了解决自由空间自混合干涉测量系统工作距离短、易受环境干扰等不足,采用全光纤传光、光纤自聚焦透镜收集反馈光,设计了一套全光纤自混合干涉测量系统;建立了反射面为镜面时自聚焦透镜收集效率的理论模型,在理论上论证了全光纤自混合干涉测量系统的可行性;最后搭建了全光纤自混合干涉测量系统,并以铝膜作为反射面,进行了微振动实验研究.结果表明,该系统能获得较好的实验信号,可以解决自由空间自混合干涉测量系统工作距离短、易受环境干扰等问题.     

高稳定大量程复合光纤干涉位移测量系统研究

为了使位移测量系统达到大量程、高分辨率,采用复合光纤干涉的方法,进行了理论分析和实验验证。利用光纤光栅作为反射镜,构成两个干涉光路几乎共路的光纤迈克尔逊干涉仪。其中一个光纤迈克尔逊干涉仪通过反馈控制补偿环境干扰对测量系统的影响,使测量系统适合在线测量;另一个干涉仪用于完成测量工作。两个不同波长的光同时作用于完成测量的干涉仪中,测量量程由两个波长的合成波干涉信号确定,使测量量程大于1mm;测量分辨率由其中一个单波长干涉信号确定,测量分辨率小于1nm。结果表明,这种基于复合光纤干涉仪的位移测量系统可以实现大量程、高稳定的位移在线测量。     

高稳定的光纤3×3耦合器干涉位移测量系统

利用光纤3×3耦合器和光纤光栅(FBG),构成能有效补偿环境干扰的光纤干涉位移测量系统。测量系统含干涉臂几乎重合的两个光纤迈克尔逊干涉仪,其中一个通过反馈环节补偿环境干扰的影响,实现对测量系统的稳定,使系统适合于在线测量;另一个用于完成测量工作。利用零差干涉相位测量技术对位移进行测量,测量结果的线性相关系数达0.999。     

基于宽谱光源的光控微波延时技术

提出一种新型的基于宽谱光源和色散器件结合的光控波束形成网络(OCBFN)方案,与利用独立激光器的方案进行了比较,给出了该方案的工作原理和延时链路理论分析,并通过实验验证了该方案实现光控延时的可行性。实验中利用掺铒光纤放大器(EDFA)作为宽谱光源,10 km单模光纤(SMF)作为色散器件实现光路延时,可调谐光滤波器选择光路的工作波长,利用矢量网络分析仪产生微波信号并测量信号延时特性,在9.25~10.25 GHz微波频段中,实验测得的系统延时范围、延时精度及真延时特性(延时大小与微波信号频率无关)验证了基于宽谱光源的可调谐光控微波延时方案的可行性。     

Optical low coherence reflectometer with a 47-dB dynamic rangeachieved by using a fluoride-based erbium-doped fiber amplifier

We describe a jaggedness-free optical low coherence reflectometer (OLCR) with a high power tunable narrow-band light source which employs a fluoride-based erbium-doped fiber amplifier. The use of the amplifier simplifies the structure of the source and enables us to generate narrow-band light with a power of 18±0.2 dBm in the 1530-1560 nm wavelength range and with a reduced background level in each spectrum. The OLCR achieves a dynamic range of 47 dB and the signal fluctuations caused by residual speckle-like noise in the Rayleigh backscattering measurement are less than ±1 dB. This is the best data yet obtained with a diode-pumped fiber amplifier. The diagnosis of fiber-optic attenuators is successfully demonstrated using the OLCR     

Jaggedness-free millimeter-resolution low coherence reflectometry

We report a millimeter resolution optical low coherence reflectometer (OLCR) that exhibits reduced jaggedness in the Rayleigh backscatter signal. This OLCR was achieved by using an erbium-doped superfluorescent fiber source that can tune narrow-band superfluorescence (~0.2 nm full-width at half-maximum) over a 3-nm range with an output of -8 dBm, The signal averaging that resulted from wavelength tuning with this source efficiently reduced the jagged fluctuation to ±1.4 dB. The spatial resolution was 1.2 mm, and the hidden spaces defined by the full-widths at -20 dB and -60 dB maximum of a Fresnel response of the OLCR were 6 mm and 1.2 cm, respectively. These two hidden spaces are at least ten times narrower than those of a previously reported photon-counting OTDR, although their spatial resolutions are roughly the same. The OLCR enabled the weak Rayleigh backscattering near a connector joint to be measured with a dynamic range of 18 dB without any deconvolution. We confidently expect that this OLCR will be applied to short-haul optical fiber fault location     

Improvement in signal-to-noise ratio of Rayleigh backscatteringmeasurement using optical low coherence reflectometry

I have calculated the signal-to-noise ratio (S/N) of fluctuations remaining in Rayleigh backscattered signal distributions obtained after performing moving and frequency averaging with an optical low coherence reflectometer (OLCR). From the calculation, I obtained the number of measurements needed for each averaging that achieves the required S/N with the minimum sampling data. Specifically, I derived the numbers of measurements numerically for Gaussian and Lorentzian light spectra, respectively. The result was successfully applied to diagnosis on long silica-based waveguides by using an OLCR with a high-power narrow-band light source     

基于光克尔效应的时间分辨荧光光谱测试系统

基于光克尔效应的时间分辨光谱测试技术主要用来研究发荧光的物质在受到激光照射时所表现出的瞬态行为信息。其主要思想是以空间函数来代替光学的响应时间函数,而其响应时间是通过两束光脉冲的相对时间差体现的。我们通过控制光学延迟可以控制两束光脉冲的时间差,并最终得到荧光物质受到激发光照射时表现出的瞬态行为信息。本文设计了一套基于光克尔效应的时间分辨光谱测试系统,其中光学延迟的软件控制系统由c#语言开发而来,通过控制直线精密滑台来实现光学延迟的控制。同时,考虑到样品的不同区域可能具有不同的性质,本文同时设计了一套由易语言开发的、能控制样品移动的软件控制系统,主要通过控制二维滑台来实现。     

32通道光纤阵列式高灵敏飞秒激光光谱分析仪

针对飞秒激光光谱学研究中对微弱光信号的多通 道光谱分析的需求,提出了一种32通道光纤阵列- 锁相放大光谱分析仪(OSA)设计方案。32通道光纤阵列用于传输线型分布光谱信号,经光电 探测器(PD)转换的电信号 由32通道同步数字锁相放大器进行处理。基于现场可编程门阵列(FPGA)设计的32通道同步 数字锁相放 大器,实现了各路独立的微弱光谱信号同时检测功能。针对飞秒激光光谱测量中重复频率为 1kHz的强干 扰,设计1kHz陷波器,提高信号测量的动态范围。设计的OSA的测量光谱范围 为400～1100nm,通 道光谱间隔为4nm。实验结果表明:32通道光纤阵列OSA的通道隔离度大于80dB,输入光噪声密 度为37.9fW/Hz,各通道极限检测灵敏度可达 18.9fW,动态储备达到120dB。应用于飞秒时间分辨荧光 光谱测量,对超荧光干扰抑制效果明显,同时极大地提高了测量灵敏度并缩短动力学测量时 间至6min。 本文实现的OSA具有灵敏度高、体积小和性价比高等优点,适用于对微弱光谱 信号的高灵敏与快速检测分析。     

DS-OCDMA encoder/decoder performance analysis using optical low-coherence reflectometry

Direct-sequence optical code-division multiple-access (DS-OCDMA) encoder/decoder based on sampled fiber Bragg gratings (S-FBGs) is characterized using phase-sensitive optical low-coherence reflectometry (OLCR). The OLCR technique allows localized measurements of FBG wavelength and physical length inside one S-FBG. This paper shows how the discrepancies between specifications and measurements of the different FBGs have some impact on spectral and temporal pulse responses of the OCDMA encoder/decoder. The FBG physical lengths lower than the specified ones are shown to affect the mean optical power reflected by the OCDMA encoder/decoder. The FBG wavelengths that are detuned from each other induce some modulations of S-FBG reflectivity resulting in encoder/decoder sensitivity to laser wavelength drift of the OCDMA system. Finally, highlighted by this OLCR study, some solutions to overcome limitations in performance with the S-FBG technology are suggested.     

基于可调谐激光器的光纤光栅高速解调的时延误差补偿方法

基于可调谐激光器的光纤光栅(fiber Bragg grating, FBG)解调仪用于FBG传感器的远距离、高速测量时,光传输时延会导致显著的波长解调误差。本文设计了一种补偿光传输时延导致的FBG解调误差的方法,可调谐激光器在工作光频率范围内进行高线性度的正向、反向扫描,利用正向、反向扫描过程中的光电探测信号的FBG反射峰差异,对光传输时延导致的波长解调误差进行补偿。试验结果表明,在50 kHz解调频率和100 m连接光纤长度条件下,将光传输时延导致的波长解调误差由2 nm降低到小于10pm。     

2500 km-10 Gbps RZ transmission system based on dispersion compensation CFBGs without electric regenerator

The characteristics of chirped fiber Bragg gratings (CFBGs) are optimized so that the ripple coefficient of the power reflectivity spectrum and group time delay are less than 1 dB and |± 15| ps, group delay is about 2600 ps/nm, polarization module dispersion is very small, PMD<2 ps, -3 dB bandwidth is about 0.35 nm, and insertion loss is about 4-5 dBm. Using dispersion compensation CFBG, a 2500 km-10 Gbps RZ optical signal transmission system on G.652 fiber was successfully demonstrated without an electric regenerator by optimizing dispersion management and loss management. The RZ optical signal was generated through a two-stage modulation method. At 2081 km, the power penalty of transmission is about 3 dB (conditions: RZ signal, BER = 10-12, PRBS = 1023 - 1); At 2560 km, the power penalty is about 5 dB. It is superior to the system using NRZ under the same conditions.     

基于光栅偏振参数的磁场传感方法研究

给出了一种基于光纤光栅中法拉第效应与测量偏振相关参数的直接测量磁场的新方法.在外加磁场作用下,光纤光栅中的法拉第效应导致两个圆偏振光的传播常数发生改变,从而使色散与差分群时延发生改变.仿真结果表明,在外界弱磁场的情况下,磁致双折射与色散和差分群时延之间存在线性关系,利用这个关系可以通过测量光栅的色散和差分群时延来得到磁致双折射的大小,从而推测出外加磁场的大小.实验中得到该方案测量磁场的灵敏度为6.58522e~(-18)m/Gs,利用现有精度为10~(-17)的光矢量分析仪得到最小可测磁场为2Gs.实验与理论吻合较好.     

基于BOTDA传感技术的空间分辨率研究

空间分辨率是BOTDA传感系统的一个重要参数,其主要取决于泵浦脉冲光的宽度。为了提高BOTDA系统的空间分辨率,在不改变泵浦脉冲光宽度的情况下,采用螺旋式盘绕传感光纤的方法,分析了布里渊散射传感原理,理论上分析采用螺旋式盘绕光纤对提高实际测量空间分辨率的影响。实验中泵浦脉冲光宽度为10 ns,BOTDA系统采样间隔为0.4 m。采用1 m长螺旋式盘绕传感光纤监测0.5 m管线轴向温度分布,监测空间分辨率为0.5 m。分析结果表明,采用螺旋式盘绕光纤更有利于提高监测管线温度场的空间分辨率。