高精度寬譜光源平均波長測(cè)量方法

高精度寬譜光源平均波長測(cè)量方法

1高精度寬譜光柵平均波長測(cè)量技術(shù)正確測(cè)量光譜的平均波長對(duì)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(cè)量外，沒有專門的技術(shù)來測(cè)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(biāo)度因數(shù)。高精度光纖陀螺標(biāo)度因數(shù)相對(duì)精度要達(dá)到1×10–6,因此需要光波長的測(cè)量相對(duì)精度也優(yōu)于1×10–6(約0.001nm)。目前測(cè)量光波長的儀器主要有波長計(jì)和光譜儀,波長計(jì)主要用來測(cè)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(jì)無法精確測(cè)量寬譜光平均波長。寬譜光源平均波長的測(cè)量都是用光譜儀實(shí)現(xiàn)的,目前光譜儀測(cè)量寬譜光源平均波長精度最高達(dá)到0.01nm,光譜儀精度難以滿足高精度光纖陀螺的波長測(cè)量要求。而且光譜儀昂貴,笨重,難以進(jìn)行系統(tǒng)集成,因此研制經(jīng)濟(jì)、便攜、多通道、可在線測(cè)量的高精度寬譜光源平均波長測(cè)量技術(shù)對(duì)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(xué)陀螺,是當(dāng)今國內(nèi)外研究的熱點(diǎn)。隨著精度的提高,標(biāo)度因數(shù)逐漸取代零漂,成為光纖陀螺的主要誤差源。標(biāo)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(duì)光源發(fā)出的光進(jìn)行波長控制或者對(duì)由波長引起的標(biāo)度因數(shù)變化進(jìn)行補(bǔ)償。無論采用哪種解決方案都必須實(shí)現(xiàn)對(duì)寬譜光平均波長的精確測(cè)量。本文對(duì)高精度寬譜光源平均波長測(cè)量技術(shù)做了探索。2基本原則3測(cè)量方案3.1光學(xué)濾波器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與傳統(tǒng)波長計(jì)對(duì)干涉條紋進(jìn)行計(jì)數(shù)測(cè)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(cè)的方案。在干涉條紋內(nèi)對(duì)微小的相位信號(hào)變化進(jìn)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(cè)光經(jīng)過耦合器進(jìn)入Y型LiNbO3集成光學(xué)波導(dǎo)調(diào)制器,從Y波導(dǎo)進(jìn)入光纖環(huán),光纖環(huán)由一個(gè)順時(shí)針繞制的CW環(huán)和逆時(shí)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(qiáng)信號(hào)轉(zhuǎn)化為電信號(hào)輸出。其中,光纖環(huán)采用長度為200m的保偏光纖以四極對(duì)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(cè)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(jì)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(dāng)其他因素不變,光源波長發(fā)生波動(dòng)時(shí),待測(cè)光波的相位會(huì)發(fā)生伸展或縮小,干涉信號(hào)通過相位檢測(cè)技術(shù)檢測(cè)該相位變化,從而可以檢測(cè)到平均波長的變化。3.2波動(dòng)方程解碼算法是c3.2.1y導(dǎo)數(shù)的信號(hào)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(hào)檢測(cè)算法。為了達(dá)到最佳的信號(hào)檢測(cè)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(hào)加在Y波導(dǎo)上的相位信號(hào)為:式中:T為一個(gè)調(diào)制信號(hào)周期,取周期T=4τ,τ為光在光纖中的渡越時(shí)間,如圖2(a)所示。調(diào)制后的光在光纖中傳輸后將會(huì)延遲時(shí)間τ,圖2(b)所示。在Y波導(dǎo)上加入調(diào)制信號(hào)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(cè)器探測(cè)到的信號(hào)為:1)當(dāng)光源的平均波長不發(fā)生改變時(shí),P(t)=P0;2)當(dāng)光源的平均波長變長?λ時(shí),?φ減小φr,則探測(cè)器探測(cè)到的功率為:3)當(dāng)光源的平均波長變短?λ時(shí),?φ增大φr,則探測(cè)器探測(cè)到的功率為:由上述(3)(4)(5)三式可以看出,探測(cè)器響應(yīng)的是一個(gè)方波信號(hào),如圖4所示。3.2.2旋轉(zhuǎn)效應(yīng)檢測(cè)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(dòng)、Sagnac效應(yīng)等引入檢測(cè)誤差,如圖3(b)所示對(duì)探測(cè)器響應(yīng)曲線分析可以看出,旋轉(zhuǎn)引起相位變化會(huì)導(dǎo)致1、2兩個(gè)位置產(chǎn)生電壓差,而1、3兩個(gè)位置不會(huì)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(cè)誤差。另外,當(dāng)波長發(fā)生改變引起相位差不為零時(shí),功率的變化會(huì)給探測(cè)器的響應(yīng)電壓引入一個(gè)誤差,這時(shí),閉環(huán)反饋將相位差始終控制在零點(diǎn)會(huì)很好的抑制功率波動(dòng)引起的檢測(cè)誤差,同時(shí)閉環(huán)反饋還可以獲得偏置點(diǎn)高檢測(cè)靈敏度和高信噪比的優(yōu)點(diǎn),同時(shí)大大增加了檢測(cè)動(dòng)態(tài)范圍。實(shí)行反饋后干涉輸出表達(dá)式成為:式中:?Φm(t)是方波偏置調(diào)制,Φfb為反饋相移。當(dāng)波長變化時(shí),會(huì)產(chǎn)生Φr的相位變化,此時(shí)通過給波導(dǎo)調(diào)制器施加一個(gè)反饋電壓Ufb產(chǎn)生一個(gè)反饋相位信號(hào)Φfb,抵消Φr,當(dāng)閉環(huán)穩(wěn)定時(shí),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(hào)檢測(cè)電路的原理框圖如圖4所示。干涉信號(hào)通過光電探測(cè)器PIN-FET組件轉(zhuǎn)化成電壓信號(hào),電壓信號(hào)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(hào),信號(hào)處理器FPGA實(shí)現(xiàn)信號(hào)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(hào)和反饋信號(hào)通過DA轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)化成模擬量施加到集成光學(xué)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(cè)精度由晶體電光效應(yīng)相位變化Φ的檢測(cè)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(cè)精度決定,其理論極限是光子散粒噪聲,其表達(dá)式為:對(duì)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(rèn)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(duì)于500m光纖環(huán),光在光纖環(huán)中傳播的渡越時(shí)間:取16位D/A,考慮時(shí)間積分平滑作用,平滑時(shí)間取1s,電壓檢測(cè)精度:取典型值K=1210,U=3V,Φ=π,由式(7)得:由此可見,該方案對(duì)波長有很高的檢測(cè)精度。5光電探測(cè)器響應(yīng)波長測(cè)試如圖5搭建測(cè)試系統(tǒng)對(duì)寬譜光平均波長進(jìn)行測(cè)量。用LightwaveLDC3744B型高精度光源驅(qū)動(dòng)儀驅(qū)動(dòng)超輻射發(fā)光二極管SLD發(fā)出待測(cè)寬譜光信號(hào);待測(cè)光信號(hào)經(jīng)過2×2單模耦合器進(jìn)入搭建的寬譜光平均波長測(cè)試系統(tǒng),耦合器空頭輸出光信號(hào)接入Agilent86142B型光譜儀監(jiān)測(cè)光波長變化。檢測(cè)電路將解調(diào)后的波長信號(hào)送入計(jì)算機(jī),由上位機(jī)軟件實(shí)現(xiàn)波長的計(jì)算和顯示。下圖6(a)是檢測(cè)電路給Y波導(dǎo)施加±π/2、±3π/2四態(tài)方波偏置調(diào)制時(shí)光電探測(cè)器響應(yīng)的電壓波形,當(dāng)波長改變時(shí),探測(cè)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(cè)器響應(yīng)信號(hào),當(dāng)波長改變時(shí),探測(cè)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(shí)測(cè)數(shù)據(jù),λ為光譜儀測(cè)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(cè)試系統(tǒng)輸出到計(jì)算機(jī)顯示。表1為調(diào)節(jié)光源驅(qū)動(dòng)儀溫控點(diǎn)從24℃到25℃變化時(shí)測(cè)得波長數(shù)據(jù)。表2為驅(qū)動(dòng)電流從60.0mA到60.9mA變化時(shí)測(cè)得波長數(shù)據(jù)。從測(cè)量數(shù)據(jù)可以看出該實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)輸出的電壓數(shù)字量與光譜儀測(cè)得的數(shù)據(jù)有一一對(duì)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(cè)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(duì)公式λ=K·(Um+Ufb)中的比例系數(shù)K進(jìn)行精確標(biāo)定,從而最終實(shí)現(xiàn)高精度的波長輸出。6譜光平均波長測(cè)量系統(tǒng)設(shè)計(jì)提出了一種全新的基于光纖Sagnac干涉儀和微弱相位信號(hào)檢測(cè)技術(shù)的高精度寬譜光平均波長測(cè)量方法。通過對(duì)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(cè)量的理論模型。設(shè)計(jì)了干涉儀光路和信號(hào)檢測(cè)方案。并對(duì)該方案