光纤纤芯与包层的相对折射率差的测量方法及装置

1.本技术涉及光纤测试技术领域，特别是涉及一种光纤纤芯与包层的相对折射率差的测量方法及装置。


背景技术：

2.光纤作为一类圆对称波导，决定其模式特性和传输性能的关键指标主要包括纤芯直径和纤芯-包层折射率差，若上述特征参数给定，光纤的归一化频率、横向模式数量、导模特性等信息也随之确定。其中，纤芯直径作为光纤的几何特征，通常可通过光学显微镜快速测量得到，纤芯-包层折射率差通常需要更为复杂的测试装置进行测量，目前主流的方法有近场估计法、扫描端面反射的方法、折射近场法、数字全息法和聚焦法等。
3.然而，传统方法一般只能对数厘米长度的片段光纤样品进行测试，这就意味着必须对待测光纤进行取样，测试结果可能存在局部特殊性。在光通信和光纤激光应用中，所用光纤的长度一般为数十米、数百米甚至上千米，若想对长链路光纤的δn(纤芯-包层折射率差)进行一体化、非侵入式的测量，需要开发全新的技术手段。考虑到光纤生产的工艺过程通常包含预制棒制备、光纤拉丝和复绕筛选等多个步骤，即便是基于同一根预制棒、同一批次拉制的光纤，其δn也可能存在波动。因此，如何对大批量、长链路的光纤δn进行分段、全局测试是一个亟待解决的问题。
4.进一步，在少模光纤应用过程中，尤其是面向光纤激光应用的大芯径、低na(numerical aperture,数值孔径)少模光纤，数十米的增益光纤通常紧凑地盘绕在热沉装置上。弯曲会在光纤的外侧和内测分别产生拉应力和压应力，进而引起折射率分布的变化，这种折射率调制是无法使用常规的折射率测试仪器中来测量的。虽然应力引起的折射率变化可以根据弹光效应和应力光学模型估算，基于保角变换模拟弯曲波导的虚拟折射率分布，对直波导中的折射率分布进行修正，但是该映射光纤能否与实际情形较好地对应仍有待进一步考究。
5.此外，近场估计法对于少模或多模光纤，通常很难实现纯基模激发的近场输出，高阶模成分将引入了另一个潜在的测量误差；扫描端面反射法的测量精度受端面反射光强空间采样间隔的限制，难以提供足够的空间分辨率；近场折射法的测量时间一般较长，对光纤样品的预处理流程要求较高，对测量环境洁净度和振动等因素敏感，难以实现快速高效的测量；数字全息法精度较高，适用范围较广，但是测量设备较为昂贵，在测试之前需要进行较为复杂的预先调校；聚焦法对光源的稳定性要求较高，测量精度一般较差。上述折射率测量方法因受限于测量效率、测量精度、空间分辨率、样品准备等多个制约因素，通常难以实现兼具高效率和较高精度的纤芯-包层折射率差测量。


技术实现要素：

6.基于此，有必要针对上述技术问题，提供一种光纤纤芯与包层的相对折射率差的测量方法及装置。
7.一种光纤纤芯与包层的相对折射率差的测量方法，所述方法包括：
8.利用可调谐激光光源将目标应用波段内不同波长的单横模激光光束以等波长间隔入射待测光纤输入端，在光纤输出端得到待测光纤在各个波长下的光斑图样；所述待测光纤为长光纤；所述待测光纤至少传输基模和第一高阶模两种纤芯模式，在此基础上高阶模数量可进一步增加；
9.提取所述各个波长下光斑图样的各个像素点强度数据，得到行列大小分别为光斑图样像素点数和采样波长数目的二维测量矩阵，对所述二维测量矩阵每一行数据进行傅里叶变换后相加，得到傅里叶变换结果；
10.根据所述傅里叶变换结果中所述第一高阶模的特征峰，得到所述第一高阶模相对基模的差分模式群时延测试值；
11.根据待测光纤传输的高阶模，建立所述高阶模对应的差分模式群时延理论值随纤芯-包层折射率差变化的查找表，根据所述查找表查找在所述待测光纤的纤芯直径下，与所述差分群时延测试值最接近的差分群时延理论值，得到待测光纤的纤芯-包层折射率差。
12.在其中一个实施例中，还包括：对所述二维测量矩阵的每一行向量对应的强度数据进行傅里叶变换，得到f组一维傅里叶变换结果，其中，f为光斑图样像素点数；所述强度数据为：
[0013][0014]
其中，i为干涉光场场强分布，i1为基模场强，i2为用于建立查找表的高阶模对应的场强，为恒定相位差，δτ为差分群时延，l为待测光纤长度，δω为干涉光场的两频率分类差频，为基模群折射率，为高阶模群折射率，c为光速，δn
eff
为模式有效折射率差；将f组一维傅里叶变换结果相加，得到傅里叶变换结果。
[0015]
在其中一个实施例中，还包括：根据预先设置的测量精度阈值和波长扫描间隔的对应关系，得到当前测量精度对应的波长扫描间隔；根据所述待测光纤的目标应用波段和所述波长扫描间隔，得到可调谐激光光源的扫描起始波长和扫描终止波长；所述可调谐激光光源用于输出波长调谐后的激光光束；利用可调谐激光光源将所述激光光束以等波长间隔入射待测光纤输入端，并激发所述待测光纤的纤芯模式，在光纤输出端对扫描起始波长和扫描终止波长内每一波长下的光纤输出光场进行帧采集，得到待测光纤在各个波长下的光斑图样。
[0016]
在其中一个实施例中，还包括：当测量精度阈值为0.001时，波长扫描间隔不小于5nm；当测量精度阈值为0.0008时，波长扫描间隔不小于18nm；当测量精度阈值为0.0005时，波长扫描间隔不小于25nm；当测量精度阈值为0.0001时，波长扫描间隔不小于30nm。
[0017]
在其中一个实施例中，还包括：在光纤输出端对扫描起始波长和扫描终止波长内每一波长下的光纤输出光场进行帧采集的采集帧率为：
[0018][0019]
其中，rc为采集帧率，rs为可调谐激光光源的波长调谐分辨率，a为可调谐激光光源的波长扫描速度。
[0020]
在其中一个实施例中，还包括：经过当前长度的传输后光纤中第一高阶模相对基模的模间群时延积累不小于5倍傅里叶变换分辨率；所述傅里叶变换分辨率为：
[0021][0022]
其中，rf为傅里叶变换分辨率，λ1为可调谐激光光源的起始扫描波长，λ2为可调谐激光光源的终止扫描波长，c为真空光速；经过当前长度的传输后光纤中第一高阶模相对基模的模间群时延积累不大于最大可测群时延；所述最大可测群时延为：
[0023][0024]
其中，dmgd
max
为最大可测群时延，rs为可调谐激光光源的波长调谐分辨率。
[0025]
在其中一个实施例中，还包括：所述待测光纤包括增益光纤、传能光纤或微结构光纤。
[0026]
在其中一个实施例中，还包括：所述待测光纤为平直状态或盘绕状态。
[0027]
在其中一个实施例中，还包括：所述各帧光斑图样的采集对象包括近场光强分布或远场光强分布。
[0028]
一种光纤纤芯与包层的相对折射率差的测量装置，所述装置包括：
[0029]
光斑图样获取模块，用于利用可调谐激光光源将目标应用波段内不同波长的单横模激光光束以等波长间隔入射待测光纤输入端，在光纤输出端得到待测光纤在各个波长下的光斑图样；所述待测光纤为长光纤；所述待测光纤至少传输基模和第一高阶模两种纤芯模式，在此基础上高阶模数量可进一步增加；
[0030]
强度数据处理模块，用于提取所述各个波长下光斑图样的各个像素点强度数据，得到行列大小分别为光斑图样像素点数和采样波长数目的二维测量矩阵，对所述二维测量矩阵每一行数据进行傅里叶变换后相加，得到傅里叶变换结果；
[0031]
差分群时延测试模块，用于根据所述傅里叶变换结果中所述第一高阶模的特征峰，得到所述第一高阶模相对基模的差分模式群时延测试值；
[0032]
结果输出模块，用于根据待测光纤传输的高阶模，建立所述高阶模对应的差分模式群时延理论值随纤芯-包层折射率差变化的查找表，根据所述查找表查找在所述待测光纤的纤芯直径下，与所述差分群时延测试值最接近的差分群时延理论值，得到待测光纤的纤芯-包层折射率差。
[0033]
一种计算机设备，包括存储器和处理器，所述存储器存储有计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现以下步骤：
[0034]
利用可调谐激光光源将目标应用波段内不同波长的单横模激光光束以等波长间隔入射待测光纤输入端，在光纤输出端得到待测光纤在各个波长下的光斑图样；所述待测光纤为长光纤；所述待测光纤至少传输基模和第一高阶模两种纤芯模式，在此基础上高阶
模数量可进一步增加；
[0035]
提取所述各个波长下光斑图样的各个像素点强度数据，得到行列大小分别为光斑图样像素点数和采样波长数目的二维测量矩阵，对所述二维测量矩阵每一行数据进行傅里叶变换后相加，得到傅里叶变换结果；
[0036]
根据所述傅里叶变换结果中所述第一高阶模的特征峰，得到所述第一高阶模相对基模的差分模式群时延测试值；
[0037]
根据待测光纤传输的高阶模，建立所述高阶模对应的差分模式群时延理论值随纤芯-包层折射率差变化的查找表，根据所述查找表查找在所述待测光纤的纤芯直径下，与所述差分群时延测试值最接近的差分群时延理论值，得到待测光纤的纤芯-包层折射率差。
[0038]
一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现以下步骤：
[0039]
利用可调谐激光光源将目标应用波段内不同波长的单横模激光光束以等波长间隔入射待测光纤输入端，在光纤输出端得到待测光纤在各个波长下的光斑图样；所述待测光纤为长光纤；所述待测光纤至少传输基模和第一高阶模两种纤芯模式，在此基础上高阶模数量可进一步增加；
[0040]
提取所述各个波长下光斑图样的各个像素点强度数据，得到行列大小分别为光斑图样像素点数和采样波长数目的二维测量矩阵，对所述二维测量矩阵每一行数据进行傅里叶变换后相加，得到傅里叶变换结果；
[0041]
根据所述傅里叶变换结果中所述第一高阶模的特征峰，得到所述第一高阶模相对基模的差分模式群时延测试值；
[0042]
根据待测光纤传输的高阶模，建立所述高阶模对应的差分模式群时延理论值随纤芯-包层折射率差变化的查找表，根据所述查找表查找在所述待测光纤的纤芯直径下，与所述差分群时延测试值最接近的差分群时延理论值，得到待测光纤的纤芯-包层折射率差。
[0043]
上述光纤纤芯与包层的相对折射率差的测量方法及装置，通过获取待测光纤在目标应用波段的各帧光斑图样，得到对应的干涉光光场强度信息，接着，对干涉光光场强度信息进行傅里叶变换，得到待测光纤中第一高阶模相对基模的差分群时延测试值，最后，通过高精度、高准确性的差分群时延测试值获取准确性高的纤芯-包层折射率差，在多种相关参数未确定的情况下无法直接由差分群时延测试值获取光纤纤芯-包层折射率差，本发明具体是通过纤芯-包层折射率差与高阶模对应的差分群时延理论值之间的关系，根据待测光纤支持传输的高阶模，建立高阶模对应的差分模式群时延理论值随纤芯-包层折射率差变化的查找表，在查找表中确认与差分群时延测试值最接近的差分群时延理论值，输出该理论值对应的纤芯-包层折射率差。本发明实施例，将模式干涉行为和光纤的重要光学参数建立联系，可以实现高效、精确、非侵入的长链路光纤纤芯-包层折射率差测量，测试更加简便，测量结果准确性更高。
附图说明
[0044]
图1为一个实施例中光纤纤芯与包层的相对折射率差的测量方法的流程示意图；
[0045]
图2为一个实施例中少模光纤纤芯与包层的相对折射率差的光斑图样获取装置的结构示意图；
[0046]
图3为一个实施例中na为0.12时，不同纤芯直径下lp
01
和lp
11
模式的有效折射率差变化趋势示意图；
[0047]
图4为另一个实施例中na为0.12时，不同纤芯直径下lp
11
模式的差分群时延变化趋势示意图；
[0048]
图5为一个实施例中na为0.115的待测光纤测试数据处理结果示意图；
[0049]
图6为一个实施例中纤芯直径为15μm、na为0.115时，第一高阶模和基模干涉场在1070～1080nm范围内的理论傅里叶变换结果示意图；
[0050]
图7为一个实施例中光纤纤芯与包层的相对折射率差的测量装置的结构框图；
[0051]
图8为一个实施例中计算机设备的内部结构图。
具体实施方式
[0052]
为了使本技术的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本技术进行进一步详细说明。应当理解，此处描述的具体实施例仅仅用以解释本技术，并不用于限定本技术。本发明中的纤芯-包层折射率差表示纤芯与包层的相对折射率差，用δn表示。
[0053]
在一个实施例中，如图1所示，提供了一种光纤纤芯与包层的相对折射率差的测量方法，包括以下步骤：
[0054]
步骤102，利用可调谐激光光源将目标应用波段内不同波长的单横模激光光束以等波长间隔入射待测光纤输入端，在光纤输出端得到待测光纤在各个波长下的光斑图样。
[0055]
待测光纤为长光纤，而非传统折射率测量中所采用的数厘米长度光纤试样，通过测量长光纤的纤芯-包层折射率差，可以为光纤系统的模式特性评估提供给一个更为准确的参考基准。待测光纤可以为任意光纤，只须选取适当波段的可调谐激光光源，使得待测光纤在相应注入波长范围内为非单模传输状态即可完成相对折射率差的测量，在测试波长区间内，待测光纤可工作在两模或者更高模态形式下。待测光纤至少传输基模和第一高阶模两种纤芯模式，待测光纤不限于支持两个模式，在此基础上高阶模数量可进一步增加，只需要选择合适的注入波长就可以实现纤芯-包层折射率差的测量。第一高阶模可以是lp
11
、lp
21
、lp
02
等任意高阶模式。
[0056]
步骤104，提取各个波长下光斑图样的各个像素点强度数据，得到行列大小分别为光斑图样像素点数和采样波长数目的二维测量矩阵，对二维测量矩阵每一行数据进行傅里叶变换后相加，得到傅里叶变换结果。
[0057]
强度数据指的是干涉光光场强度，每一帧图像数据为m
×
n二维强度矩阵，其中m为矩阵行数，n为矩阵列数，对各帧光斑图样的各个像素点强度数据进行逐一提取形成p
×
q二维测量矩阵，其中p＝f，表示每一个行向量包含光斑图中特定像素点处的各帧强度数据；q＝m
×
n，表示p
×
q二维测量矩阵的行数和各帧图像的像素点数相等。对p
×
q二维测量矩阵的每一行数据进行傅里叶变换，得到q组一维傅里叶变换结果，进一步将q组一维傅里叶变换结果相加，得到最终傅里叶变换结果。
[0058]
步骤106，根据傅里叶变换结果中第一高阶模的特征峰，得到第一高阶模相对基模的差分模式群时延测试值。
[0059]
傅里叶变换结果中一阶特征峰的对应位置(零频位置)为基模模式群时延，二阶特
征峰的对应位置为第一高阶模相对基模的差分群时延，通过测量差分群时延，可以进一步进行纤芯-包层折射率差的测量，相较于传统方法，本发明测试更加简便，测量结果更加准确。
[0060]
步骤108，根据待测光纤传输的高阶模，建立高阶模对应的差分模式群时延理论值随纤芯-包层折射率差变化的查找表，根据查找表查找在待测光纤的纤芯直径下，与差分群时延测试值最接近的差分群时延理论值，得到待测光纤的纤芯-包层折射率差。
[0061]
在建立高阶模式差分模式群时延理论值随纤芯-包层折射率差变化的查找表时，需计算在不同纤芯直径下，当光纤的纤芯-包层折射率差取不同值时，少模光纤各阶模式的差分群时延理论值。测量中不一定必须通过第一高阶模来作为等效折射率查找的依据，若待测光纤支持多个高阶模式，任意选择一个高阶模都可以作为纤芯-包层折射率差测量的依据，高阶模的计算对象可以是lp
11
、lp
21
、lp
02
等任意高阶模式。进一步根据待测光纤的纤芯直径和测试结果，将测试结果中相应高阶模的特征峰位置对应差分群时延与查找表中的理论值进行对应，确定光纤的纤芯-包层折射率差。
[0062]
上述光纤纤芯与包层的相对折射率差的测量方法中，通过获取待测光纤在目标应用波段的各帧光斑图样，得到对应的干涉光光场强度信息，接着，对干涉光光场强度信息进行傅里叶变换，得到待测光纤中第一高阶模相对基模的差分群时延测试值，最后，通过高精度、高准确性的差分群时延测试值获取准确性高的纤芯-包层折射率差，在多种相关参数未确定的情况下无法直接由差分群时延测试值获取光纤纤芯-包层折射率差，本发明具体是通过纤芯-包层折射率差与高阶模对应的差分群时延理论值之间的关系，根据待测光纤支持传输的高阶模，建立高阶模对应的差分模式群时延理论值随纤芯-包层折射率差变化的查找表，在查找表中确认与差分群时延测试值最接近的差分群时延理论值，输出该理论值对应的纤芯-包层折射率差。本发明实施例，将模式干涉行为和光纤的重要光学参数建立联系，可以实现高效、精确、非侵入的长链路光纤纤芯-包层折射率差测量，测试更加简便，测量结果准确性更高。
[0063]
在一个实施例中，对二维测量矩阵每一行数据进行傅里叶变换后相加，得到傅里叶变换结果的步骤，包括：对所述二维测量矩阵的每一行向量对应的强度数据进行傅里叶变换，得到f组一维傅里叶变换结果，其中，f为光斑图样像素点数；所述强度数据为：
[0064][0065]
其中，i为干涉光场场强分布，i1为基模场强，i2为用于建立查找表的高阶模对应的场强，为恒定相位差，δτ为差分群时延，l为待测光纤长度，δω为干涉光场的两频率分类差频，为基模群折射率，为高阶模群折射率，c为光速，δn
eff
为模式有效折射率差；将f组一维傅里叶变换结果相加，得到傅里叶变换结果。
[0066]
在一个实施例中，如图2所示，提供了一种少模光纤纤芯与包层的相对折射率差的光斑图样获取装置的结构示意图，利用可调谐激光光源将目标应用波段内不同波长的单横
模激光光束以等波长间隔入射待测光纤输入端，在光纤输出端得到待测光纤在各个波长下的光斑图样的步骤，包括：根据预先设置的测量精度阈值和波长扫描间隔的对应关系，得到当前测量精度对应的波长扫描间隔；根据待测光纤的目标应用波段和波长扫描间隔，得到可调谐激光光源的扫描起始波长和扫描终止波长；可调谐激光光源用于输出波长调谐后的激光光束；利用可调谐激光光源将激光光束以等波长间隔入射待测光纤输入端，并激发待测光纤的纤芯模式，在光纤输出端对扫描起始波长和扫描终止波长内每一波长下的光纤输出光场进行帧采集，得到待测光纤在各个波长下的光斑图样。
[0067]
具体地，如图2所示，可调谐激光光源100，模式激发组件200，待测光纤300，成像系统400和高帧率图像采集系统500依次连接，反馈控制采集系统600分别与可调谐激光光源100和高帧率图像采集系统500连接，测量过程中，首先选取长度为l的待测光纤，待测光纤以大于40cm的弯曲直径松散盘绕；根据待测光纤300的目标应用波段，在可调谐激光光源100端设置扫描起始波长λ1和终止波长λ2，设置波长调谐分辨率rs；模式激发组件200以一定的注入偏移激发待测光纤300的纤芯模式，成像系统400以采集帧率rc对不同波长下的光纤输出光场进行帧采集。
[0068]
其中，可调谐激光光源100具备快速、等间隔、稳波长、可重复波长扫描输出性能，波长扫描区间范围可调，波长调谐分辨率可达0.001nm，输出功率连续可调。
[0069]
模式激发组件200用于将可调谐激光光源的输出激光耦合至下一级系统，实现下一级系统中传输模式的可控激发；模式激发组件200具有对下一级系统模式激发状态可调的特点，可设置为空间光学系统、光纤跳线组件或空间-跳线复合系统。当模式激发组件200为空间光学系统时，其组件包含一个双透镜4f系统，双透镜之间设置衰减片或偏振光学元件，分别用于衰减输出功率和选择输出场偏振态；当模式激发组件200为光纤跳线组件时，所用跳线须为单模光纤，光纤的na值在可调谐激光光源输出波段内须小于0.1，在可选范围内，单模光纤的na值越小越好；当模式激发组件200为空间-跳线复合系统时，空间光学元件和单模光纤跳线之间须实现纯纤芯模式耦合，光纤的na值在可调谐激光光源输出波段内须小于0.1，在可选范围内，单模光纤的na值越小越好。当模式激发组件200的输出端口为空间光学输出时，对下一级系统中传输模式的可控激发通过机械调整方式实现；当模式激发组件200的输出端口为光纤输出时，对下一级系统中传输模式的可控激发通过对准熔接或偏芯熔接实现。
[0070]
待测光纤300为任意工作状态下的长度可控的光纤。
[0071]
成像系统400用于将待测光纤输出光场成像至下一级系统中，成像系统400的可选配置包括：(1)双透镜4f系统，双透镜之间设置衰减片或偏振光学元件，分别用于衰减输出功率和选择输出场偏振态；(2)单透镜2f系统，单透镜和下一级系统之间设置衰减片或偏振光学元件，分别用于衰减输出功率和选择输出场偏振态，成像系统400应选择增透光学元件，尽可能避免光学元件的端面反射。
[0072]
高帧率图像采集系统500用于采集上一级系统的输出光场，采集帧率rc应不小于可调谐激光光源的波长扫描速度，当波长扫描速度为a nm/s，满足。
[0073][0074]
反馈控制采集系统600实时记录、显示可调谐激光光源的当前输出波长，控制高帧
率图像采集系统记录光斑图样。反馈控制采集系统600的可选数据采集方式包括：(1)并行采集，可调谐激光光源某时刻t到达某输出波长λ
t
时，激光器锁定于稳频状态，高帧率图像采集系统采集一帧光斑图样i1，采集完成后，可调谐激光光源以调谐间隔rs扫描至下一特征波长，高帧率图像采集系统继续采集一帧光斑图样，重复该过程直至终止波长对应的一帧光斑图样采集完毕；(2)串行采集，可调谐激光光源的波长调谐过程和高帧率图像采集系统的光斑采集过程同步进行，实际扫描和采集过程中，采集帧率rc和可调谐激光光源的波长扫描速度a nm/s之间满足
[0075]
在一个实施例中，测量精度阈值和波长扫描间隔的对应关系包括：当测量精度阈值为0.001时，波长扫描间隔不小于5nm；当测量精度阈值为0.0008时，波长扫描间隔不小于18nm；当测量精度阈值为0.0005时，波长扫描间隔不小于25nm；当测量精度阈值为0.0001时，波长扫描间隔不小于30nm。在本实施例中，纤芯-包层折射率差的测量精度取决于可调谐激光光源的波长扫描间隔，即扫描起始波长和扫描终止波长的差值，波长扫描间隔越大，测量精度越高。
[0076]
在一个实施例中，在光纤输出端对扫描起始波长和扫描终止波长内每一波长下的光纤输出光场进行帧采集的采集帧率为：
[0077][0078]
其中，rc为采集帧率，rs为可调谐激光光源的波长调谐分辨率，a为可调谐激光光源的波长扫描速度。
[0079]
在一个实施例中，得到待测光纤的长度的步骤，包括：经过当前长度的传输后光纤中第一高阶模相对基模的模间群时延积累不小于5倍傅里叶变换分辨率；傅里叶变换分辨率为：
[0080][0081]
其中，rf为傅里叶变换分辨率，λ1为可调谐激光光源的起始扫描波长，λ2为可调谐激光光源的终止扫描波长，c为真空光速；经过当前长度的传输后光纤中第一高阶模相对基模的模间群时延积累不大于最大可测群时延；最大可测群时延为：
[0082][0083]
其中，dmgd
max
为最大可测群时延，rs为可调谐激光光源的波长调谐分辨率。dmgd(differential mode group delay)为差分模式群时延值。
[0084]
在一个实施例中，待测光纤为平直状态或盘绕状态。在本实施例中，对于长光纤链路，光纤的弯曲盘绕状态会施加折射率调制，不同的弯曲盘绕状态具有不同的纤芯-包层折射率差，基于本发明采用对长光纤链路进行的非侵入式、全局化的测量，本发明可以对任意工作状态下的光纤纤芯-包层折射率差进行测量，在不同工作状态下进行测量，可以为实际应用提供更加具有参考价值的参数，使测量结果更加准确，可以为系统的理论和实验评估提供一个准确的等效参数集，这对高功率光纤激光器设计和优化而言具有重要意义。
[0085]
在一个实施例中，待测光纤包括增益光纤、传能光纤或微结构光纤。在本实施例中，待测光纤可以为任意光纤，只须选取适当波段的可调谐激光光源，使得待测光纤在相应注入波长范围内为非单模传输状态，即可完成相对折射率差的测量。
[0086]
在一个具体实施例中，当待测光纤300为支持两个纤芯模式(lp
01
和lp
11
)的少模光纤时，输出端干涉光场场强分布可简化地表示为：
[0087][0088]
其中，a1、a2分别为lp
01
和lp
11
模式的场振幅，β1、β2分别为lp
01
和lp
11
模式的传播常数，i1、i2分别为lp
01
和lp
11
模式的场强，i为两模式干涉场的总强度分布；对传播常数β作关于频率ω的泰勒展开，记作：
[0089][0090]
其中，第一项为传播常数在频率ω0处的值，第二项与少模光纤的模式特性相关，引起模式色散，记作模间色散项，第三项与光纤的波导色散和材料色散项相关，记作色度色散项或高阶色散项；将模间色散项记作模式沿单位长度光纤传播后产生的延迟时间，即模式群时延τ，则
[0091][0092]
其中，vg为模场传输的群速度；对于长度为l的少模光纤，输出端干涉场强度分布进一步记作：
[0093][0094]
其中，为恒定相位差，δτ为两传播模式的模式群时延差值，称作差分群时延。由此可见，光纤输出端强度分布为调制频率为δτ
×
l的周期性干涉场；
[0095]
进一步，差分群时延δτ可改写为和模式群折射率相关的表达形式：
[0096][0097]
其中，ng为传输模式群折射率，n
eff
为传输模式有效折射率，λ0为自由空间波长；对
于长度为l的少模光纤，输出端干涉场强度分布进一步记作：
[0098][0099]
因此，光纤输出端周期性干涉场的特征频率与基模和高阶模之间的有效折射率差成正比。如图3所示，提供了一种na为0.12时，不同纤芯直径下lp
01
和lp
11
模式的有效折射率差变化趋势示意图，一般而言，当数值孔径na给定时，基模和高阶模之间的有效折射率差随纤芯直径的增大而减小。
[0100]
进一步，如图4所示，提供了一种na为0.12时，不同纤芯直径下lp
11
模式的差分群时延变化趋势示意图，差分模式群时延的值即代表干涉光场的频率。由此可见，当数值孔径na给定时，纤芯直径越大，光纤输出端各模式干涉光场的周期性频率越小，因此，光纤的数值孔径na与干涉光场的周期性频率存在线性对应关系，可以通过测量少模光纤的模式场干涉频率来实现na测量。当光纤的盘绕状态发生变化时，可进一步实现不同状态下光纤的纤芯-包层折射率差测量。
[0101]
在一个具体实施例中，本发明方法还可以用于等效数值孔径的测量，给出典型待测光纤的等效数值孔径测量结果。测试过程中，可调谐激光光源100的扫描波长范围设置为1070～1080nm，波长调谐分辨率为0.02nm，调谐速度为02.nm/s，共对应501个特征波长，总扫描时间约为50s。模式激发组件200采用截止波长为780nm的单模跳线，数值孔径约为0.1，确保在扫描波长范围内为绝对单模光纤，模式激发组件200采用偏芯熔接的方式实现对待测光纤300的纤芯模式激发。测试过程中，待测光纤300的长度取用为20m，纤芯直径为14.9μm，标称数值孔径为0.115，光纤以约40cm的弯曲直径松散盘绕。成像系统400双透镜4f系统对待测光纤300的输出近场光斑进行成像。高帧率图像采集系统500以10fps的帧率进行采集，反馈控制采集系统600控制相机进行串行采集，总采集时间约为50s，共采集501帧光斑图样，采集串口为128
×
128个像素点。一次波长扫描和光斑图样采集完成后，对各帧光斑图样的各个像素点强度数据进行逐一提取形成16384
×
501二维测量矩阵，其中矩阵行数16384＝128
×
128，表示每一个列向量包含光斑图中特定像素点处的各帧强度数据；矩阵列数为501，表示二维测量矩阵的列数和采集帧数相等。对16384
×
501二维测量矩阵的每一列数据进行傅里叶变换，得到501组一维傅里叶变换结果，进一步将501组一维傅里叶变换结果相加，得到最终傅里叶变换结果，傅里叶变换结果中一阶特征峰的对应位置为基模(lp
01
)模式群时延，二阶特征峰的对应位置为高阶模(lp
11
)相对lp
01
模的差分模式群时延，实验结果如图5所示的na为0.115的待测光纤测试数据处理结果示意图，第一高阶模特征峰对应的差分模式群时延值为2.07ps/m，根据所建立的不同纤芯直径、不同na情况下的第一高阶模差分模式群时延查找表，当纤芯直径为15μm时，找到2.07ps/m位置处对应的等效数值孔径e-na值，确定等效数值孔径e-na值的测量值为0.115，与标称数据完全吻合。进一步，如图6所示的纤芯直径为15μm、na为0.115时，第一高阶模和基模干涉场在1070～1080nm范围内的理论傅里叶变换结果示意图，理论计算了纤芯直径为15μm、数值孔径为0.115时，第一高阶
模和基模干涉场在1070～1080nm范围内的理论傅里叶变换结果。综上，本发明方法可以对长距离少模光纤链路关键参数进行测量，理论和实验结果具备较好一致性。
[0102]
应该理解的是，虽然图1的流程图中的各个步骤按照箭头的指示依次显示，但是这些步骤并不是必然按照箭头指示的顺序依次执行。除非本文中有明确的说明，这些步骤的执行并没有严格的顺序限制，这些步骤可以以其它的顺序执行。而且，图1中的至少一部分步骤可以包括多个子步骤或者多个阶段，这些子步骤或者阶段并不必然是在同一时刻执行完成，而是可以在不同的时刻执行，这些子步骤或者阶段的执行顺序也不必然是依次进行，而是可以与其它步骤或者其它步骤的子步骤或者阶段的至少一部分轮流或者交替地执行。
[0103]
在一个实施例中，如图7所示，提供了一种光纤纤芯与包层的相对折射率差的测量装置，包括：光斑图样获取模块702、强度数据处理模块704、差分群时延测试模块706和结果输出模块708，其中：
[0104]
光斑图样获取模块702，用于利用可调谐激光光源将目标应用波段内不同波长的单横模激光光束以等波长间隔入射待测光纤输入端，在光纤输出端得到待测光纤在各个波长下的光斑图样；待测光纤为长光纤；待测光纤至少传输基模和第一高阶模两种纤芯模式，在此基础上高阶模数量可进一步增加；
[0105]
强度数据处理模块704，用于提取各个波长下光斑图样的各个像素点强度数据，得到行列大小分别为光斑图样像素点数和采样波长数目的二维测量矩阵，对二维测量矩阵每一行数据进行傅里叶变换后相加，得到傅里叶变换结果；
[0106]
差分群时延测试模块706，用于根据傅里叶变换结果中第一高阶模的特征峰，得到第一高阶模相对基模的差分模式群时延测试值；
[0107]
结果输出模块708，用于根据待测光纤传输的高阶模，建立高阶模对应的差分模式群时延理论值随纤芯-包层折射率差变化的查找表，根据查找表查找在待测光纤的纤芯直径下，与差分群时延测试值最接近的差分群时延理论值，得到待测光纤的纤芯-包层折射率差。
[0108]
在其中一个实施例中，还用于对所述二维测量矩阵的每一行向量对应的强度数据进行傅里叶变换，得到f组一维傅里叶变换结果，其中，f为光斑图样像素点数；所述强度数据为：
[0109][0110]
其中，i为干涉光场场强分布，i1为基模场强，i2为用于建立查找表的高阶模对应的场强，为恒定相位差，δτ为差分群时延，l为待测光纤长度，δω为干涉光场的两频率分类差频，为基模群折射率，为高阶模群折射率，c为光速，δn
eff
为模式有效折射率差；将f组一维傅里叶变换结果相加，得到傅里叶变换结果。
[0111]
在其中一个实施例中，还用于根据预先设置的测量精度阈值和波长扫描间隔的对应关系，得到当前测量精度对应的波长扫描间隔；根据待测光纤的目标应用波段和波长扫
描间隔，得到可调谐激光光源的扫描起始波长和扫描终止波长；可调谐激光光源用于输出波长调谐后的激光光束；利用可调谐激光光源将激光光束以等波长间隔入射待测光纤输入端，并激发待测光纤的纤芯模式，在光纤输出端对扫描起始波长和扫描终止波长内每一波长下的光纤输出光场进行帧采集，得到待测光纤在各个波长下的光斑图样。
[0112]
在其中一个实施例中，还用于当测量精度阈值为0.001时，波长扫描间隔不小于5nm；当测量精度阈值为0.0008时，波长扫描间隔不小于18nm；当测量精度阈值为0.0005时，波长扫描间隔不小于25nm；当测量精度阈值为0.0001时，波长扫描间隔不小于30nm。
[0113]
在其中一个实施例中，还用于在光纤输出端对扫描起始波长和扫描终止波长内每一波长下的光纤输出光场进行帧采集的采集帧率为：
[0114][0115]
其中，rc为采集帧率，rs为可调谐激光光源的波长调谐分辨率，a为可调谐激光光源的波长扫描速度。
[0116]
在其中一个实施例中，还用于经过当前长度的传输后光纤中第一高阶模相对基模的模间群时延积累不小于5倍傅里叶变换分辨率；傅里叶变换分辨率为：
[0117][0118]
其中，rf为傅里叶变换分辨率，λ1为可调谐激光光源的起始扫描波长，λ2为可调谐激光光源的终止扫描波长，c为真空光速；经过当前长度的传输后光纤中第一高阶模相对基模的模间群时延积累不大于最大可测群时延；最大可测群时延为：
[0119][0120]
其中，dmgd
max
为最大可测群时延，rs为可调谐激光光源的波长调谐分辨率。
[0121]
在其中一个实施例中，还用于待测光纤包括增益光纤、传能光纤或微结构光纤。
[0122]
在其中一个实施例中，还用于待测光纤为平直状态或盘绕状态。
[0123]
在其中一个实施例中，还用于各帧光斑图样的采集对象包括近场光强分布或远场光强分布。
[0124]
关于光纤纤芯与包层的相对折射率差的测量装置的具体限定可以参见上文中对于光纤纤芯与包层的相对折射率差的测量方法的限定，在此不再赘述。上述光纤纤芯与包层的相对折射率差的测量装置中的各个模块可全部或部分通过软件、硬件及其组合来实现。上述各模块可以硬件形式内嵌于或独立于计算机设备中的处理器中，也可以以软件形式存储于计算机设备中的存储器中，以便于处理器调用执行以上各个模块对应的操作。
[0125]
在一个实施例中，提供了一种计算机设备，该计算机设备可以是终端，其内部结构图可以如图8所示。该计算机设备包括通过系统总线连接的处理器、存储器、网络接口、显示屏和输入装置。其中，该计算机设备的处理器用于提供计算和控制能力。该计算机设备的存储器包括非易失性存储介质、内存储器。该非易失性存储介质存储有操作系统和计算机程序。该内存储器为非易失性存储介质中的操作系统和计算机程序的运行提供环境。该计算机设备的网络接口用于与外部的终端通过网络连接通信。该计算机程序被处理器执行时以
实现一种光纤纤芯与包层的相对折射率差的测量方法。该计算机设备的显示屏可以是液晶显示屏或者电子墨水显示屏，该计算机设备的输入装置可以是显示屏上覆盖的触摸层，也可以是计算机设备外壳上设置的按键、轨迹球或触控板，还可以是外接的键盘、触控板或鼠标等。
[0126]
本领域技术人员可以理解，图8中示出的结构，仅仅是与本技术方案相关的部分结构的框图，并不构成对本技术方案所应用于其上的计算机设备的限定，具体的计算机设备可以包括比图中所示更多或更少的部件，或者组合某些部件，或者具有不同的部件布置。
[0127]
在一个实施例中，提供了一种计算机设备，包括存储器和处理器，该存储器存储有计算机程序，该处理器执行计算机程序时实现上述实施例中方法的步骤。
[0128]
在一个实施例中，提供了一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，计算机程序被处理器执行时实现上述实施例中方法的步骤。
[0129]
本领域普通技术人员可以理解实现上述实施例方法中的全部或部分流程，是可以通过计算机程序来指令相关的硬件来完成，所述的计算机程序可存储于一非易失性计算机可读取存储介质中，该计算机程序在执行时，可包括如上述各方法的实施例的流程。其中，本技术所提供的各实施例中所使用的对存储器、存储、数据库或其它介质的任何引用，均可包括非易失性和/或易失性存储器。非易失性存储器可包括只读存储器(rom)、可编程rom(prom)、电可编程rom(eprom)、电可擦除可编程rom(eeprom)或闪存。易失性存储器可包括随机存取存储器(ram)或者外部高速缓冲存储器。作为说明而非局限，ram以多种形式可得，诸如静态ram(sram)、动态ram(dram)、同步dram(sdram)、双数据率sdram(ddrsdram)、增强型sdram(esdram)、同步链路(synchlink)dram(sldram)、存储器总线(rambus)直接ram(rdram)、直接存储器总线动态ram(drdram)、以及存储器总线动态ram(rdram)等。
[0130]
以上实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。
[0131]
以上所述实施例仅表达了本技术的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本技术构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本技术的保护范围。因此，本技术专利的保护范围应以所附权利要求为准。

技术特征：
1.一种光纤纤芯与包层的相对折射率差的测量方法，其特征在于，所述方法包括：利用可调谐激光光源将目标应用波段内不同波长的单横模激光光束以等波长间隔入射待测光纤输入端，在光纤输出端得到待测光纤在各个波长下的光斑图样；所述待测光纤为长光纤；所述待测光纤至少传输基模和第一高阶模两种纤芯模式，在此基础上高阶模数量可进一步增加；提取所述各个波长下光斑图样的各个像素点强度数据，得到行列大小分别为光斑图样像素点数和采样波长数目的二维测量矩阵，对所述二维测量矩阵每一行数据进行傅里叶变换后相加，得到傅里叶变换结果；根据所述傅里叶变换结果中所述第一高阶模的特征峰，得到所述第一高阶模相对基模的差分模式群时延测试值；根据待测光纤传输的高阶模，建立所述高阶模对应的差分模式群时延理论值随纤芯-包层折射率差变化的查找表，根据所述查找表查找在所述待测光纤的纤芯直径下，与所述差分群时延测试值最接近的差分群时延理论值，得到待测光纤的纤芯-包层折射率差。2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，对所述二维测量矩阵每一行数据进行傅里叶变换后相加，得到傅里叶变换结果的步骤，包括：对所述二维测量矩阵的每一行向量对应的强度数据进行傅里叶变换，得到f组一维傅里叶变换结果，其中，f为光斑图样像素点数；所述强度数据为：其中，i为干涉光场场强分布，i1为基模场强，i2为用于建立查找表的高阶模对应的场强，为恒定相位差，δτ为差分群时延，l为待测光纤长度，δω为干涉光场的两频率分类差频，为基模群折射率，为高阶模群折射率，c为光速，δn
eff
为模式有效折射率差；将f组一维傅里叶变换结果相加，得到傅里叶变换结果。3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述利用可调谐激光光源将目标应用波段内不同波长的单横模激光光束以等波长间隔入射待测光纤输入端，在光纤输出端得到待测光纤在各个波长下的光斑图样的步骤，包括：根据预先设置的测量精度阈值和波长扫描间隔的对应关系，得到当前测量精度对应的波长扫描间隔；根据所述待测光纤的目标应用波段和所述波长扫描间隔，得到可调谐激光光源的扫描起始波长和扫描终止波长；所述可调谐激光光源用于输出波长调谐后的激光光束；利用可调谐激光光源将所述激光光束以等波长间隔入射待测光纤输入端，并激发所述待测光纤的纤芯模式，在光纤输出端对扫描起始波长和扫描终止波长内每一波长下的光纤输出光场进行帧采集，得到待测光纤在各个波长下的光斑图样。4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述测量精度阈值和波长扫描间隔的对应关系包括：
当测量精度阈值为0.001时，波长扫描间隔不小于5nm；当测量精度阈值为0.0008时，波长扫描间隔不小于18nm；当测量精度阈值为0.0005时，波长扫描间隔不小于25nm；当测量精度阈值为0.0001时，波长扫描间隔不小于30nm。5.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，在光纤输出端对扫描起始波长和扫描终止波长内每一波长下的光纤输出光场进行帧采集的采集帧率为：其中，r
c
为采集帧率，r
s
为可调谐激光光源的波长调谐分辨率，a为可调谐激光光源的波长扫描速度。6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，得到所述待测光纤的长度的步骤，包括：经过当前长度的传输后光纤中第一高阶模相对基模的模间群时延积累不小于5倍傅里叶变换分辨率；所述傅里叶变换分辨率为：其中，r
f
为傅里叶变换分辨率，λ1为可调谐激光光源的起始扫描波长，λ2为可调谐激光光源的终止扫描波长，c为真空光速；经过当前长度的传输后光纤中第一高阶模相对基模的模间群时延积累不大于最大可测群时延；所述最大可测群时延为：其中，dmgd
max
为最大可测群时延，r
s
为可调谐激光光源的波长调谐分辨率。7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述待测光纤为平直状态或盘绕状态。8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述待测光纤包括增益光纤、传能光纤或微结构光纤。9.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述各帧光斑图样的采集对象包括近场光强分布或远场光强分布。10.一种光纤纤芯与包层的相对折射率差的测量装置，其特征在于，所述装置包括：光斑图样获取模块，用于利用可调谐激光光源将目标应用波段内不同波长的单横模激光光束以等波长间隔入射待测光纤输入端，在光纤输出端得到待测光纤在各个波长下的光斑图样；所述待测光纤为长光纤；所述待测光纤至少传输基模和第一高阶模两种纤芯模式，在此基础上高阶模数量可进一步增加；强度数据处理模块，用于提取所述各个波长下光斑图样的各个像素点强度数据，得到行列大小分别为光斑图样像素点数和采样波长数目的二维测量矩阵，对所述二维测量矩阵每一行数据进行傅里叶变换后相加，得到傅里叶变换结果；差分群时延测试模块，用于根据所述傅里叶变换结果中所述第一高阶模的特征峰，得到所述第一高阶模相对基模的差分模式群时延测试值；结果输出模块，用于根据待测光纤传输的高阶模，建立所述高阶模对应的差分模式群
时延理论值随纤芯-包层折射率差变化的查找表，根据所述查找表查找在所述待测光纤的纤芯直径下，与所述差分群时延测试值最接近的差分群时延理论值，得到待测光纤的纤芯-包层折射率差。

技术总结
本申请涉及一种光纤纤芯与包层的相对折射率差的测量方法及装置。方法包括：将目标应用波段内不同波长的单横模激光光束以等波长间隔入射待测光纤，得到待测光纤在各个波长下的光斑图样，进而得到行列大小分别为光斑图样像素点数和采样波长数目的二维测量矩阵，对二维测量矩阵每一行数据进行傅里叶变换后相加，以得到第一高阶模相对基模的差分模式群时延测试值；根据待测光纤传输的高阶模对应的差分模式群时延理论值随纤芯-包层折射率差变化的查找表，查找在待测光纤的纤芯直径下，最接近差分群时延测试值的差分群时延理论值，得到待测光纤的纤芯-包层折射率差。采用本方法可实现高效、精确、非侵入的长链路光纤纤芯-包层折射率差测量。射率差测量。射率差测量。


技术研发人员：黄良金 陈潇 黄善旻 安毅 李浩博 唐仕晴 崔梦凡 吴函烁 杨欢 闫志平 潘志勇 杨轶 王泽锋 周朴 姜宗福 陈金宝
受保护的技术使用者：中国人民解放军国防科技大学
技术研发日：2023.06.08
技术公布日：2023/8/31