一種測量光纖電致伸縮系數(shù)的方法與裝置

洪俊，馮文明，鄧元祥，彭志強(qiáng)，許睿韜

（1.湖南工學(xué)院，湖南 衡陽 421002；2.衡陽泰豪通信車輛有限公司，湖南 衡陽 421001）

0 引 言

光纖是一種由玻璃或塑料制成的纖維，可廣泛應(yīng)用于通信、測量、傳感等領(lǐng)域，在信息領(lǐng)域扮演著重要的角色。根據(jù)不同的應(yīng)用范疇，光纖的種類繁多，包括石英光纖、摻氟光纖、紅外光纖、復(fù)合光纖、塑包光纖、色散位移光纖等，對(duì)于不同種類的光纖而言，其電致伸縮能力往往不同，電致伸縮系數(shù)是表征電致伸縮能力的重要參數(shù)，體現(xiàn)材料沿外電場方向的長度變化能力的大小，是光纖應(yīng)用中的重要參數(shù)，能否對(duì)其進(jìn)行精確測量是光纖應(yīng)用的重要基礎(chǔ)[1-3]。

傳統(tǒng)的測量方法主要是通過對(duì)光纖施加電場使其長度發(fā)生變化，通過構(gòu)建馬赫-曾德爾干涉儀對(duì)通過光纖傳輸?shù)墓庑盘?hào)的干涉現(xiàn)象進(jìn)行分析來測量其電致伸縮系數(shù)。其一，傳統(tǒng)方法基于光的干涉原理，環(huán)境敏感性高且穩(wěn)定性還有待提高；其二，傳統(tǒng)測量方法在光域完成，光譜分辨率的局限使得其測量精度不高[4，5]。

為克服傳統(tǒng)測量方法的不足，我們基于受激布里淵散射效應(yīng)，采用微波光子技術(shù)來對(duì)光纖的電致伸縮系數(shù)進(jìn)行測量。在避免相干干涉產(chǎn)生的高環(huán)境敏感性、不穩(wěn)定性的同時(shí)，實(shí)現(xiàn)測量過程在電域進(jìn)行，可進(jìn)一步提高測量精度，具有較好的應(yīng)用價(jià)值。

1 設(shè)計(jì)原理與分析

圖1是本文所涉受激布里淵散射簡易結(jié)構(gòu)及原理分析圖。環(huán)形器為非互易器件，按照順時(shí)針方向，左端口輸入光信號(hào)只能在右端口輸出，右端口輸入信號(hào)只能在下端口輸出，下端口輸入信號(hào)只能從左端口輸出，其他傳輸途徑均為禁止。泵浦光（頻率為fp）左進(jìn)右出后進(jìn)入光纖圈，當(dāng)光功率足夠大、光纖足夠長則激發(fā)光纖的非線性，產(chǎn)生受激布里淵散射現(xiàn)象。從物理學(xué)角度講，布里淵散射是在介質(zhì)中傳輸?shù)墓庑盘?hào)被介質(zhì)材料晶格的聲學(xué)振動(dòng)引起的散射。聲學(xué)振動(dòng)使光信號(hào)發(fā)生了多普勒頻移，結(jié)果產(chǎn)生了新的光信號(hào)分量。散射過程是一個(gè)非彈性過程，有兩種可能的產(chǎn)生形式：在斯托克斯散射過程中，一個(gè)光子湮滅，并伴隨著一個(gè)更低頻率的光子和一個(gè)聲子的產(chǎn)生；在反斯托克斯散射過程中，一個(gè)光子和一個(gè)聲子的湮滅伴隨著一個(gè)更高頻率的光子的產(chǎn)生。斯托克斯過程發(fā)生的可能性更大，其散射光的方向與輸入光信號(hào)的方向相反，頻率要低于泵浦光頻率，即fp-fs=fb，其中fs與fb分別為斯托克斯光頻率與布里淵頻移。根據(jù)能量守恒定律，泵浦光轉(zhuǎn)換為斯托克斯光以后其功率降低，并且在斯托克斯光中心頻率處產(chǎn)生一放大通帶，即所謂的受激布里淵增益譜，其中心頻率一般為9～10 GHz，帶寬為MHz 數(shù)量級(jí)；而在泵浦光中心頻率處則產(chǎn)生一衰減通帶。根據(jù)非線性光學(xué)原理已知其放大通帶的增益峰值可表示為其中，γe即為待求的光致伸縮系數(shù)，n為光纖折射率，λp為泵浦光波長，ρ0為光纖密度，c為光速，Va為聲速，ΔνB為增益譜的本征線寬。求解上述公式，不難得出光致伸縮系數(shù)除了增益峰值gB與本征線寬ΔνB，其余參數(shù)均為常數(shù)，即通過求解增益峰值gB與本征線寬ΔνB可得出光纖的光致伸縮系數(shù)γe的值。

圖1 受激布里淵散射簡易結(jié)構(gòu)及原理分析圖

圖2是基于受激布里淵散射放大器簡易結(jié)構(gòu)及原理分析圖。基于圖1受激布里淵散射效應(yīng)分析，通過泵浦光輸入光纖圈后激發(fā)光纖的受激布里淵非線性，在泵浦光左頻移fb處產(chǎn)生一放大增益區(qū)，當(dāng)反向入射光（頻率為fin）從右至左通過光纖圈，該光纖圈等效為“窄帶帶通濾波器”與“窄帶放大器”組合，實(shí)現(xiàn)窄帶濾波的同時(shí)可對(duì)其通帶內(nèi)信號(hào)實(shí)現(xiàn)放大，最終通過環(huán)形器右端口輸入下端口輸出，其輸出信號(hào)頻率為fout，其中fin=fout，且fp-fin=fb。

圖2 基于受激布里淵散射放大器簡易結(jié)構(gòu)及原理分析圖

圖3是本發(fā)明所涉微波掃頻原理分析圖。如圖所示，上層鏈路“載波光信號(hào)”與中層鏈路的“泵浦光信號(hào)”同源于“電源供給模塊”，兩者同頻，即f0=fp，即圖中顯示的嚴(yán)格對(duì)準(zhǔn)。當(dāng)上層鏈路的調(diào)制微波信號(hào)（頻率fm）對(duì)載波進(jìn)行相位調(diào)制的時(shí)候，如果僅僅考慮一階邊帶（負(fù)一階邊帶與一階邊帶頻率分別為f-1與f1），根據(jù)調(diào)制原理可得負(fù)一階邊帶頻率與載波頻率關(guān)系fm=f0-f-1，如果調(diào)制微波頻率在布里淵頻移附近，則被放大，即通過連續(xù)調(diào)節(jié)微波調(diào)制信號(hào)頻率實(shí)現(xiàn)了負(fù)一階邊帶的光頻的連續(xù)變化，實(shí)現(xiàn)了從電域微波掃頻到光域邊帶掃頻的過渡，即完成了受激布里淵散射增益譜特征的成功提取。光域放大通帶的特征提取通過探測器的包絡(luò)檢波后實(shí)現(xiàn)解調(diào)，最終在電域得到體現(xiàn)，具體而言：上層鏈路的微波掃頻信號(hào)對(duì)光載波進(jìn)行相位調(diào)制，已調(diào)光信號(hào)通過待測光纖后其負(fù)一階邊帶位于布里淵放大通帶內(nèi)進(jìn)而被放大，而一階邊帶被抑制，故兩者“幅度相等相位相差π”的關(guān)系被打破（幅度不等），進(jìn)而使得該信號(hào)通過探測器進(jìn)行包絡(luò)檢波后可還原調(diào)制微波信號(hào)，即通過調(diào)諧微波信號(hào)頻率呈現(xiàn)了受激布里淵增益譜的放大通帶特征；同時(shí)，下層鏈路的“參考光信號(hào)”用于補(bǔ)償上層鏈路的載波損耗，可有效提高探測器輸出的微波功率值。通過微波掃頻，根據(jù)“光域3 dB 帶寬對(duì)應(yīng)電域6 dB 帶寬”的原則（平方律檢波原理），如最大增益對(duì)應(yīng)頻率為fmax，下降到四分之一最大增益處對(duì)應(yīng)的頻率為f-6dB，則求得受激布里淵增益譜的本征線寬ΔνB值為ΔνB=2|fmax-f-6dB|，即通過讀取信號(hào)分析器的fmax與f-6dB 的值求解得到ΔνB。

圖3 微波掃頻原理分析圖

圖4是本發(fā)文所涉測量裝置結(jié)構(gòu)圖?！肮庠垂┙o模塊”用于提供單頻點(diǎn)信號(hào)光源并將光信號(hào)分流為“載波光信號(hào)”“泵浦光信號(hào)”與“參考光信號(hào)”，并分別注入“測試主體模塊”的上、中、下三層鏈路。上層鏈路的功能在于實(shí)現(xiàn)相位調(diào)制，進(jìn)而完成從微波掃頻到光掃頻的轉(zhuǎn)換；中層鏈路在于實(shí)現(xiàn)受激布里淵散射效應(yīng)，激發(fā)增益譜，便于求解增益峰值gB與本征線寬ΔνB；下層鏈路主要承載“參考光信號(hào)”，為“信號(hào)處理模塊”提供參考光信號(hào)[6]。

圖4 測量裝置結(jié)構(gòu)圖

具體而言，本裝置在實(shí)施過程中分三步進(jìn)行：

第一步：斷開上層鏈路，中、下層鏈路聯(lián)合工作，旨在求解增益峰值gB的同時(shí)確定布里淵頻移fb；

第二步：聯(lián)通上層鏈路，實(shí)現(xiàn)上、中、下三層鏈路聯(lián)合工作，旨在求解本征線寬ΔνB值；

第三步：已知增益峰值gB與本征線寬ΔνB最終求解光纖的光致伸縮系數(shù)γe。

執(zhí)行第一步的具體過程與原理如下：

由“光源供給模塊”提供的“泵浦光信號(hào)”進(jìn)入中層鏈路后通過放大器被放大后進(jìn)入可調(diào)光衰減器進(jìn)行功率調(diào)諧，然后通過環(huán)形器進(jìn)入待測光纖中激發(fā)非線性，產(chǎn)生受激布里淵散射，斯托克斯光反向傳送至環(huán)形器右端口后經(jīng)下端口與下層的“參考光信號(hào)”同時(shí)進(jìn)入耦合器2，兩相干光信號(hào)通過探測器“拍頻”后還原成電信號(hào)，然后通過窄帶濾波器濾波后進(jìn)入信號(hào)分析器實(shí)現(xiàn)頻譜與功率分析，獲取增益峰值gB與布里淵頻移fb。具體而言：結(jié)合圖1標(biāo)記，令環(huán)形器左端標(biāo)記為A1，代表進(jìn)入環(huán)形器的泵浦光幅度；環(huán)形器下端標(biāo)記為A2，代表反向傳輸?shù)乃雇锌怂构馔ㄟ^光纖與環(huán)形器后的光幅度；待測光纖尾端為A3，代表反向傳輸?shù)乃雇锌怂构庠诠饫w末端（即反向傳輸起點(diǎn)）的幅度；下層光路為A4，代表“參考光信號(hào)”的幅度。為方便理論推導(dǎo)與建模，忽略環(huán)形器的插入損耗（工程應(yīng)用中可通過“校準(zhǔn)”來扣除），那么：A1即為進(jìn)入待測光纖的泵浦光幅值，A3即為反向傳輸?shù)乃雇锌怂构庑盘?hào)幅值，增益峰值A(chǔ)1與A4可直接通過光功率計(jì)測得，即為已知值；A2與A3不能直接測得，為未知值（需要補(bǔ)充說明的是，環(huán)形器下端的光譜較為復(fù)雜，而A2僅為斯托克斯光幅值，故不能直接測得）。

求解增益峰值gB的過程如下。設(shè)進(jìn)入耦合器2 的“參考光信號(hào)”為斯托克斯光信號(hào)為，ωp與ωs分別為“參考光信號(hào)”與斯托克斯光信號(hào)的角頻率，且ωp=2πfp，ωs=2πfs。兩光信號(hào)通過探測器拍頻后進(jìn)行“包絡(luò)檢波”，最終還原成電信號(hào)，其輸出信號(hào)的電流Ip=ρ|E2+E4|2，求解得其中ρ為探測器的響應(yīng)度，ωb為布里淵頻移角頻率，其值為ωb=2πfb=ωp-ωs。通過窄帶濾波器后輸出信號(hào)電流值為I=2ρA2A4cosωbt。通過信號(hào)分析器最終讀取其輸出信號(hào)頻率fb以及輸出信號(hào)功率pout。而根據(jù)I0為信號(hào)的有效電流，可求解得pout=2（ρA2A4）2R。設(shè)光纖長度為l，損耗系數(shù)為α，可得出最終可根據(jù)測量的功率值求得A3的值為而進(jìn)而可得出：最終得出增益峰值gB的值。

執(zhí)行第二步的具體過程與原理如下：聯(lián)通上層鏈路，讓三層鏈路同時(shí)工作。如上文所述，中層鏈路構(gòu)建受激布里淵散射架構(gòu)，激發(fā)待測光纖的布里淵增益譜，只要通信光信號(hào)的頻率位于增益譜的通帶內(nèi)，該信號(hào)即被放大，帶通外的信號(hào)被抑制。上層鏈路構(gòu)建了相位調(diào)制架構(gòu)，通過調(diào)諧調(diào)制微波頻率來改變調(diào)制后光信號(hào)邊帶的波長，實(shí)現(xiàn)從微波掃頻到光波掃頻的過渡。

在執(zhí)行第三步時(shí)，基于第一、二步獲取增益峰值gB與本征線寬ΔνB值，根據(jù)公式最終可求得光纖的光致伸縮系數(shù)γe。

2 結(jié) 論

本文基于光纖的受激布里淵散射效應(yīng)對(duì)電致伸縮系數(shù)進(jìn)行理論建模，得出其與受激布里淵增益譜的峰值增益與本征線寬之間的關(guān)系，然后基于包絡(luò)檢波技術(shù)來求解峰值增益并確定布里淵頻移值，再利用相位調(diào)制—直接解調(diào)鏈路，通過微波掃頻確定受激布里淵增益譜的本征線寬，最后根據(jù)峰值增益與本征線寬計(jì)算得出待測光纖的電致伸縮系數(shù)值。與傳統(tǒng)方法不同，本裝置是基于受激布里淵散射效應(yīng)，采用微波光子技術(shù)來對(duì)光纖的電致伸縮系數(shù)進(jìn)行測量，測量過程在電域進(jìn)行，在避免光學(xué)相干產(chǎn)生的高環(huán)境敏感性、不穩(wěn)定性的同時(shí)，利用了電域頻譜分析的高精度性，從而進(jìn)一步提高了測量精度，具有較好的應(yīng)用價(jià)值。