基于布里渊动态光栅的光谱分析装置及其分析方法

摘要

基于布里渊动态光栅的光谱分析装置及其分析方法，属于光谱分析技术领域。本发明为了解决现有光谱仪的分光元件无法保证在大测量范围情况下获得高分辨率的问题。装置包括激光器、光纤耦合器、第一光纤放大器、第一隔离器、第一偏振控制器、第二偏振控制器、单边带调制器、第二光纤放大器、第二隔离器、第三偏振控制器、单模光纤、偏振分束器、环形器、光电探测器、数据采集卡、第四偏振控制器和微波源；方法为利用单模光纤中的布里渊动态光栅作为分光元件，由于布里渊动态光栅可以做的很长，因此能够提供极窄的光栅反射带宽，从而基于装置最后得到待测光路的完整光谱图，实现对待测光路的光谱分析。本发明用于光谱分析。

说明书

技术领域

本发明涉及基于布里渊动态光栅的光谱分析装置及其分析方法，属于光谱分析技术领 域。

背景技术

光谱分析装置的关键是如何获取光的高波长分辨率，采用减小布里渊增益线宽的办法 能够获得0.064pm(8MHZ)的波长分辨率(Stefan Preuβler，Andrzej Wiatrek，Kambiz Jamshidi， and Thomas Schneider“Ultrahigh-resolution Spectroscopy Based on the Bandwidth Reduction  of Stimulated Brillouin，”IEEE Photonics Technology Letters，23，1118-1120，2011)。而目前 商用分辨率最高的光谱仪为法国APEX公司提供的AP204xB系列超高分辨率光谱分析 仪，它是基于信号与内置TLS干涉原理，其波长分辨率仅为0.04pm(5MHz)。

光谱仪的分光元件主要包括体光栅和法布里-珀罗干涉仪。体光栅由于受到工艺的限 制，光栅长度有限，限制了光谱仪的分辨率的进一步提高，另外，体光栅在制作过程中， 由于制作缺陷，同样限制了光谱仪分辨率和精度，其精度只能达到5pm-10pm量级。而采 用法布里-珀罗干涉仪作为分光元件的光谱仪，也受到实际制作工艺的限制，由于测量范 围和分辨率是一对矛盾的参数，也无法保证在大测量范围情况下获得高分辨率。

发明内容

本发明是为了解决现有光谱仪的分光元件无法保证在大测量范围情况下获得高分辨 率的问题，提供了一种基于布里渊动态光栅的光谱分析装置及其分析方法。

本发明所述基于布里渊动态光栅的光谱分析装置，它包括激光器、光纤耦合器、第一 光纤放大器、第一隔离器、第一偏振控制器、第二偏振控制器、单边带调制器、第二光纤 放大器、第二隔离器、第三偏振控制器、单模光纤、偏振分束器、环形器、光电探测器、 数据采集卡、第四偏振控制器和微波源，

激光器发射的激光束通过光纤耦合器分为两路泵浦光，第一路泵浦光通过第一光纤放 大器放大后，入射到第一隔离器，第一隔离器的出射光入射至第一偏振控制器，经第一偏 振控制器调节偏振态后的第一路泵浦光入射到偏振分束器的A端口；

第二路泵浦光经第二偏振控制器调节偏振态后入射至单边带调制器，该单边带调制器 由微波源提供频率为光纤布里渊频移的调制频率，单边带调制器出射的下频移光入射至第 二光纤放大器，经第二光纤放大器放大后的第二路泵浦光入射至第二隔离器，第二隔离器 的出射光入射至第三偏振控制器，经第三偏振控制器调节偏振态后的第二路泵浦光入射至 单模光纤，单模光纤的输出端连接偏振分束器的C端口；

待测光路经第四偏振控制器调节偏振态后入射至环形器的A端口，经环形器的B端 口入射到偏振分束器的B端口，再经偏振分束器的C端口入射至单模光纤，经单模光纤 反射后的待测光路再入射至偏振分束器的C端口，并经偏振分束器的B端口出射，该偏 振分束器的B端口出射的待测光路入射至环形器的B端口，经环形器的C端口后入射至 光电探测器的光信号接收端，光电探测器的电信号输出端连接数据采集卡的采集信号输入 端。

所述第一光纤放大器和第二光纤放大器均为掺饵光纤放大器。

所述激光器为可调谐激光器。

基于上述基于布里渊动态光栅的光谱分析装置的基于布里渊动态光栅的光谱分析方 法，

调整第一偏振控制器，使第一路泵浦光完全通过偏振分束器的A端口，并在偏振分 束器的C端口输出；调整第二偏振控制器和第三偏振控制器，使第二路泵浦光和第一路 泵浦光处于同一偏振态，进而使第一路泵浦光和第二路泵浦光在单模光纤中的受激布里渊 散射最强，形成最强布里渊动态光栅；

调整第四偏振控制器，使待测光路完全通过偏振分束器的B端口，并由偏振分束器 的C端口输出，此时，待测光路的偏振态与第一路泵浦光和第二路泵浦光的偏振态垂直， 调整第一路泵浦光的频率，使其与待测光路中的光频率相等，则入射至单模光纤中布里渊 动态光栅的待测光被反射，并依次经由偏振分束器的C端口、偏振分束器的B端口、环 形器的B端口及环形器的C端口后被光电探测器接收，并被数据采集卡采集；

扫频激光器，使第一路泵浦光的频率变化范围覆盖待测光路的频谱，得到待测光路的 完整光谱图，实现对待测光路的光谱分析。

本发明的优点：本发明利用单模光纤中的布里渊动态光栅作为分光元件，单模光纤中 的布里渊动态光栅是由光在单模光纤中传输时发生的受激布里渊散射形成的，布里渊动态 光栅分布在整根光纤上，可以做到几百米～几千米，它远远大于体光栅的长度，且形成的 布里渊动态光栅更加均匀；由于布里渊动态光栅可以做的很长，因此能够提供极窄的光栅 反射带宽，进而做成亚MHz量级分辨率的布里渊动态光栅光谱分析装置，使用宽波段的 可调谐激光器作为泵浦光，可以实现在C+L波段的宽测量范围，因而具有分辨率高，测 量范围宽，精度高，可靠性好的特点。光谱分析装置采用标准的单模通信光纤作为传光介 质，与现有的光纤通信系统兼容性好，插入损耗低。可以广泛应用于光纤通信系统中传输 光信号的检测和诊断，密集型波分复用系统中光谱的高分辨率，宽范围的测量，介质发射 和吸收谱的精细测量。

本发明所述装置及方法对待测光路光谱的分辨率极高，信噪比好，可靠性好，并且光 谱的后续处理简单。

附图说明

图1是本发明所述基于布里渊动态光栅的光谱分析装置的光路原理图。

具体实施方式

具体实施方式一：下面结合图1说明本实施方式，本实施方式所述基于布里渊动态光 栅的光谱分析装置，它包括激光器1、光纤耦合器2、第一光纤放大器3、第一隔离器4、 第一偏振控制器5、第二偏振控制器6、单边带调制器7、第二光纤放大器8、第二隔离器 9、第三偏振控制器10、单模光纤11、偏振分束器12、环形器13、光电探测器14、数据 采集卡15、第四偏振控制器16和微波源17，

激光器1发射的激光束通过光纤耦合器2分为两路泵浦光，第一路泵浦光通过第一光 纤放大器3放大后，入射到第一隔离器4，第一隔离器4的出射光入射至第一偏振控制器 5，经第一偏振控制器5调节偏振态后的第一路泵浦光入射到偏振分束器12的A端口；

第二路泵浦光经第二偏振控制器6调节偏振态后入射至单边带调制器7，该单边带调 制器7由微波源17提供频率为光纤布里渊频移的调制频率，单边带调制器7出射的下频 移光入射至第二光纤放大器8，经第二光纤放大器8放大后的第二路泵浦光入射至第二隔 离器9，第二隔离器9的出射光入射至第三偏振控制器10，经第三偏振控制器10调节偏 振态后的第二路泵浦光入射至单模光纤11，单模光纤11的输出端连接偏振分束器12的C 端口；

待测光路经第四偏振控制器16调节偏振态后入射至环形器13的A端口，经环形器 13的B端口入射到偏振分束器12的B端口，再经偏振分束器12的C端口入射至单模光 纤11，经单模光纤11反射后的待测光路再入射至偏振分束器12的C端口，并经偏振分 束器12的B端口出射，该偏振分束器12的B端口出射的待测光路入射至环形器13的B 端口，经环形器13的C端口后入射至光电探测器14的光信号接收端，光电探测器14的 电信号输出端连接数据采集卡15的采集信号输入端。

本实施方式中采用一台激光器1来输出激光，该激光通过光纤耦合器2分成两路泵浦 光，第一光纤放大器3把第一路泵浦光放大到所需要的功率，第一隔离器4用来防止反向 传输的光进入到第一光纤放大器3，损坏第一光纤放大器3。单边带调制器7由直流电源 提供工作电压。第二隔离器9用来防止反向传输的光进入到第二光纤放大器8，损坏第二 光纤放大器8。激光器1可以选择外腔式半导体激光器ECL。

根据需要，可以在待测光路与第四偏振控制器16之间再设置一个掺铒光纤放大器， 以将待测光路放大到所需要的功率。

本实施方式中，光纤耦合器2的分光比例可以为50∶50，也可以根据需要选择为90∶ 10，70∶30或95∶5。

具体实施方式二：本实施方式对实施方式一作进一步说明，本实施方式所述第一光纤 放大器3和第二光纤放大器8均为掺饵光纤放大器。

具体实施方式三：本实施方式对实施方式一或二作进一步说明，本实施方式所述激光 器1为可调谐激光器。

具体实施方式四：下面结合图1说明本实施方式，本实施方式为基于实施方式一、二 或三所述基于布里渊动态光栅的光谱分析装置的基于布里渊动态光栅的光谱分析方法，

调整第一偏振控制器5，使第一路泵浦光完全通过偏振分束器12的A端口，并在偏 振分束器12的C端口输出；调整第二偏振控制器6和第三偏振控制器10，使第二路泵浦 光和第一路泵浦光处于同一偏振态，进而使第一路泵浦光和第二路泵浦光在单模光纤11 中的受激布里渊散射最强，形成最强布里渊动态光栅；

调整第四偏振控制器16，使待测光路完全通过偏振分束器12的B端口，并由偏振分 束器12的C端口输出，此时，待测光路的偏振态与第一路泵浦光和第二路泵浦光的偏振 态垂直，调整第一路泵浦光的频率，使其与待测光路中的光频率相等，则入射至单模光纤 11中布里渊动态光栅的待测光被反射，并依次经由偏振分束器12的C端口、偏振分束器 12的B端口、环形器13的B端口及环形器13的C端口后被光电探测器14接收，并被 数据采集卡15采集；

扫频激光器1，使第一路泵浦光的频率变化范围覆盖待测光路的频谱，得到待测光路 的完整光谱图，实现对待测光路的光谱分析。

本实施方式中待测光路从偏振分束器12的C端口输出后，当其频率与第一路泵浦光 相等时，入射至单模光纤11中布里渊动态光栅上的待测光路被反射。

对激光器1输出光的频率进行扫频，当激光器输出光的频率与待测光信号频率相等 时，待测光路才被反射。所以，可以根据此时激光器的输出光频率确定待测光信号的频率。 从而实现光谱分析。

本实施方式利用两束泵浦光在光纤中的布里渊散射形成的布里渊动态光栅作为分光 元件，实现了亚MHz分辨率的布里渊动态光栅光谱分析。