第17卷 第12期
1997年12月光 学 学 报ACTAOPTICASINICA.17,No.12VolDecember,1997,150001)
(Michelson)光纤白光干涉系统,通过测量随着温度或应变改变而变化的光程,给出了单模光纤有效折射率的温度和应变相关特性。对于SMF228型单模光纤,测得折射率温度系数和应变温度系数在波长为1300nm处分别为0.762×10-5 ℃及-0.1332×10-6 ;ΛΕ在波长1550nm处则为0.811×10-5 ℃及-0.1649×10-6 。并与几种不同光纤相应的数据进ΛΕ
行了比较。
关键词 光纤, 折射率, 折射率温度系数, 折射率应变系数, 光纤干涉仪, 白光干涉。
1 引 言
光纤折射率不仅是波长的函数[1],而且与光纤的环境温度和应力状态密切相关[2,3]。光纤折射率是光纤设计与制做的重要参数之一,也是商用化光纤产品的特性参数。光纤折射率的温度相关特性和应力相关特性对于光纤光缆设计、光纤传感器设计、光纤探测仪器和光纤测试等具有重要意义。
Carr等人用光学时域反射计(OTDR),通过比较光脉冲在真空中和光纤中光速的方法,给出了光纤折射率的温度系数和拉应力相关系数[4]。本文则采用迈克尔逊光纤白光干涉系统,在1300nm和1550nm两个典型波长范围内,分别测量了SMF228型单模光纤折射率随温度和应变的变化情况。
2 测量方法
2.1 折射率状态函数及其相关系数
对于光纤折射率而言,通常视为一不变常数。然而事实上,光纤折射率n不仅是波长Κ的函数,而且还随环境温度T及所处的应变状态Ε而变化。因而,光纤折射率可一般地用一个状
)来描述
。若把零应力状态某一固定波长和恒定温度下的折射率记为n(Κ态函数n(Κ,T,Ε,
T0)。由于折射率变化通常很小,因而一般地可在该值附近展开为
((1)T-T0)+ΕT)分别为光纤折射率的温度系数和记CT=[1 n(Κ,T0)](5n 5T),CΕ=[1 n(Κ,T0)](5n 5Ε
应变系数。于是(1)式可写成)=n(Κn(Κ,T,Ε,T0)+
收稿日期:1997年1月11日
1714光 学 学 报17卷
)=n(Κn(Κ,T,Ε,T0)[1+CT(T-T0)+CΕΕ](2)
本文将用实验的方法来确定相关系数CT及CΕ。
2.2 光程比较测量法
为了对上述参数进行测量,采用图1所示的迈克尔逊光纤干涉仪,通过光程比较的方法来间接地测量折射率随相关状态的变化特性。
来自宽带光发射二极管的光被3dB,光纤臂后,,号,,就会产生如图2所。利用这一干,,将导致光程差发生变化。于是可移动参考比较,。通过测量反射扫描镜变化前后的位移即可测得相应光纤折射率的变化
。
Fig.1FiberopticMichelsonwhitelightinterfer2
ometermeasuring
systemFig.2OutputsignalpatternoffiberopticwhitelightinterferometerilluminatedbyaLEDsource
2.3 折射率温度系数的确定
设零应力状态下光纤长度为L的测量臂置于环境温度为T的测量室中,如图3所示。参考比较臂的长度为L0,其环境温度为T0保持恒定不变
。
在温度为T0时,测量光程与参考光程的平
衡方程为
L(T0)n(Κ,T0)=L0(T0)n(Κ,T0)+x(3)
式中L(T0)为T0温度下测量光纤臂的长度,
Fig.3TemperaturechamberusingforfiberopticL0(T0)
refractiveindex
testtemperaturecoefficient为参考比较光纤臂的长度。x为参考比较光纤臂端点到扫描反射镜之间的距离。当测量光纤温度上升为T时,由于光纤的线性热膨胀及折射率的改变将导致光纤光程发生变化。于是新的光程平衡方程为
L(T0)[1+ΑT0)]n(Κ,T0)[1+CT(T-T0)]=L0(T0)n(Κ,T0)+x+∃x(4)T(T-
式中Α.5×10-7 ℃为光纤的线性热膨胀系数。∃x为扫描反射镜的位移。略去高阶小项,T=5
有
(5)∃x=L(T0)n(Κ,T0)[ΑT0)T+CT](T-
故
CT=L(T0)n(Κ,T0)(T-T0)-ΑT(6)
12期苑立波: 温度和应变对光纤折射率的影响1715
2.4 折射率应变系数的确定
为了测量光纤折射率在不同应力状态下的变化情况,将长度为L的待测光纤剥去包层后,将其用环氧均匀地粘贴在如图4所示的板状金属拉伸
试件中部。在光纤附近粘贴一电阻应变片,以监测并记录
应变状态。在测量过程中,实验系统的环境温度保持不变。
在试件拉伸过程中,随着应力的变化,式给出
)+∃n(Ε)Ln(
∃x=n(Κ,T0)∃L(Ε0LFentoffiberopticstraincoefficienttestingspecimen
L)=Κ,0)Ε分别为光纤长度及折射率随应力变化而产生的增量。
CΕ=n(Κ,T0)LΕ-1(8)
3 测量结果
3.1 测试系统
光纤折射率温度和应变系数的测量系统如图5所示。分别采用了中心波长为1300nm和1550nm的光发射二极管作为宽带低相干光源,驱动电流分别为50mA和60mA。当进行温
度系数测量时,迈克尔逊光纤干涉仪的测
量臂被置于温度可调节的恒温室中,温度
控制精度为0.1℃。当进行应变系数测量
时,测量臂则被固定于应力加载系统的平
板拉伸试件上。应变仪指示精度为1ΛΕ。
该测量光纤臂端面镀以反射膜形成反射
端。光纤干涉仪的参考臂与棒状自聚焦准
直透镜(GRINlens)相连,在线性步进电机
驱动的平台上,置一反射镜,与棒状透镜
Fig.5Testingexperimentalsystem相互垂直。经测量臂的反射端面和参考臂
的反射镜反射回来的光信号通过3dB耦合器后,一同馈至光电探测器,经放大后由PC机通过GPIB数据总线进行数据采集。用示波器来监测扫描过程的波形情况。该系统的测试精度取决于反射扫描镜的位移精度以及白光干涉中心条纹的分辨精度。本系统的步进电机驱动平台步长为1Λm,精度高于0.5Λm。而白光干涉中心条纹的分辨精度一般被估计为中心波长的一半(Κ2)[5],对于1
.3Λ0 m的光发射二极管为0.65Λm,对于1.55Λm波长的光发射二极管则为0.77Λm。
3.2 实验测量结果
图6给出了在室温为25℃情况下,SMF228型单模通信光纤在1300nm和1550nm工作波长下扫描反射镜位移随温度的测量曲线。测试光纤长度为L=876mm,光纤芯径及包层直径为9Λ125Λm m,SMF228型单模通信光纤在25℃环境温度下其纤芯折射率对1300nm波长为1.4675,对于1550nm波长为1.4681。测试温度变化范围为38℃～80℃,在此温区
1716光 学 学 报17卷 内,测得折射率温度系数为CT=0.762×10-5 ℃(1300nm)及CT=0.811×10-5 ℃(1550nm)。图7为光纤折射率随温度变化情况
。
FigDispmr
2themfiberlength876mmFig.7Fiberopticrefractiveindexvs.temperature
T
8所示。测试环境温度为25℃,测量光纤长度为150mm,在0～1200ΛΕ范围内的折射率应变系数为CΕ=-0.1332×10-6
ΛΕ(1300nm波长)及CΕ=-0.1649×10-6 ΛΕ(1550nm波长)。图9给出了光纤折射率随应变状态变化的情况。
Fig.8Displacementofscanningmirrorvs.strainap2
pliedontheopticalfiberwithlength150mmFig.9Fiberopticrefractiveindexvs.strain
表1给出了本文的测试结果与文献[3,4,6]的对比情况。由此可以看出所测得的参数较文献[3,4,6]所给出的要小,这种不一致性可能与所用被测光纤纤芯的折射率分布结构及元素掺杂情况有关。文献[4]所用的光纤为∃型色散位移光纤。文献[3]所用光纤为P2O5 GeO2掺杂多模光纤,而文献[6]所用光纤则为B2O3掺杂单模光纤。Table1.Fiber2opticrefractiveindextemperatureandstraincoefficienttestingresults
℃)(1300nm)CT(1
℃)(1550nm)CT(1
)(1300)Ε(1 )(1550)Ε(1 0.762×10-0.811×10-5566..[
4]1,2×10-1.2×10-5566..[3]..[6]1.0×10-1.0×10-55661.0×10-1.0×10-55-0.133210--0.164910--0.2510--0.2510--0.3610--0.3610-
结 语 光学干涉方法是精密测量常用的方法之一。本文给出了一种利用白光干涉光纤迈克尔逊干涉仪测量光纤折射率的温度系数和应变系数的方法。并测量了SMF228型单模通信光纤在1300nm和1550nm处的光纤折射率相关系数。与Carr等人所采用的光学时域反射计方法相比,这种方法不需要较长的测试光纤(仅用1m长左右的光纤)。在光学时域反射计方
12期
苑立波: 温度和应变对光纤折射率的影响1717法中,测试光纤长度依赖于光学时域反射计的时间分辨率,因而如果测试光纤较短将带来较大的误差(Carr等人所用测试光纤长度为50m)。比较了几种不同的光纤在1300nm和1550nm两个波长下的测试结果,所获得的光纤折射率温度系数和应变系数差别较大。这表明光纤折射率温度系数和应变系数对光纤的折射率剖面结构和纤芯元素的掺杂情况有较强的依赖性。参[1]I.H.M,Inoffusedsilica.J.Opt.Soc.Am.,
)[2]H, ryoftoelasticity.J.Amer.Ceram.Soc.,1938,21(1)∶27～33
[3]A.H,A.J.Conduit,D.N.Payne, Variationofpulsedelaywithstressandtemperaturein
.Opt.andQuantumElect.,1979,11(3)∶265～273jacketedandunjacketedopticalfibers
[4]J.J.Carr,S.L.Saikkonen,D.H.Williams, Refractiveindexmeasurementsonsingle2modefiberas
functionsofproductparameters,tensilestress,andtemperature.FiberandIntergratedOptics,1990,9(4)∶393～396
[5]TianchunLi,AnboWang,K.Murphyetal., White2lightscanningfiberMichelsoninterferometerfor
～787absoluteposition2distancemeasurement.Opt.Lett.,1995,20(7)∶785
[6]L.G.Cohen,J.W.Fleming, Effectoftemperatureontransmissioninlightguides.BellSyst.Tech.,
1979,58(8)∶945～951
EffectofTemperatureandStrainonFiberOpticRefractiveIndex
YuanLibo
(DepartmentofPhysics,HarbinEngineeringUniversity,Harbin150001)
(Received11January1997)
Abstract ByusingwhitelightfiberopticMichelsoninterferometer,thetemper2atureandstraincoefficientsoffiberopticrefractiveindexweredeterminedviathemeasurementsofopticalpathchangingasafunctionoftemperatureorstrain.Theresultsshownthatthetemperatureandstraincoefficientsoffiber
-5℃and-0.1332×10-6 opticrefractiveindexwere0.762×10 ΛΕfor1300nm-5℃and-0.1649×10-6 wavelengthand0.811×10 ΛΕfor1550nmforthe
typeSMF228singlemodecommunicationopticalfiber,respectively.Themea2suredresultswerecomparedwithpublisheddata.
Keywords fiberoptic, refractiveindex, temperaturecoefficient, strain
coefficient, fiberopticinterferometer, whitelightinterferome2
ter.
第17卷 第12期
1997年12月光 学 学 报ACTAOPTICASINICA.17,No.12VolDecember,1997,150001)
(Michelson)光纤白光干涉系统,通过测量随着温度或应变改变而变化的光程,给出了单模光纤有效折射率的温度和应变相关特性。对于SMF228型单模光纤,测得折射率温度系数和应变温度系数在波长为1300nm处分别为0.762×10-5 ℃及-0.1332×10-6 ;ΛΕ在波长1550nm处则为0.811×10-5 ℃及-0.1649×10-6 。并与几种不同光纤相应的数据进ΛΕ
行了比较。
关键词 光纤, 折射率, 折射率温度系数, 折射率应变系数, 光纤干涉仪, 白光干涉。
1 引 言
光纤折射率不仅是波长的函数[1],而且与光纤的环境温度和应力状态密切相关[2,3]。光纤折射率是光纤设计与制做的重要参数之一,也是商用化光纤产品的特性参数。光纤折射率的温度相关特性和应力相关特性对于光纤光缆设计、光纤传感器设计、光纤探测仪器和光纤测试等具有重要意义。
Carr等人用光学时域反射计(OTDR),通过比较光脉冲在真空中和光纤中光速的方法,给出了光纤折射率的温度系数和拉应力相关系数[4]。本文则采用迈克尔逊光纤白光干涉系统,在1300nm和1550nm两个典型波长范围内,分别测量了SMF228型单模光纤折射率随温度和应变的变化情况。
2 测量方法
2.1 折射率状态函数及其相关系数
对于光纤折射率而言,通常视为一不变常数。然而事实上,光纤折射率n不仅是波长Κ的函数,而且还随环境温度T及所处的应变状态Ε而变化。因而,光纤折射率可一般地用一个状
)来描述
。若把零应力状态某一固定波长和恒定温度下的折射率记为n(Κ态函数n(Κ,T,Ε,
T0)。由于折射率变化通常很小,因而一般地可在该值附近展开为
((1)T-T0)+ΕT)分别为光纤折射率的温度系数和记CT=[1 n(Κ,T0)](5n 5T),CΕ=[1 n(Κ,T0)](5n 5Ε
应变系数。于是(1)式可写成)=n(Κn(Κ,T,Ε,T0)+
收稿日期:1997年1月11日
1714光 学 学 报17卷
)=n(Κn(Κ,T,Ε,T0)[1+CT(T-T0)+CΕΕ](2)
本文将用实验的方法来确定相关系数CT及CΕ。
2.2 光程比较测量法
为了对上述参数进行测量,采用图1所示的迈克尔逊光纤干涉仪,通过光程比较的方法来间接地测量折射率随相关状态的变化特性。
来自宽带光发射二极管的光被3dB,光纤臂后,,号,,就会产生如图2所。利用这一干,,将导致光程差发生变化。于是可移动参考比较,。通过测量反射扫描镜变化前后的位移即可测得相应光纤折射率的变化
。
Fig.1FiberopticMichelsonwhitelightinterfer2
ometermeasuring
systemFig.2OutputsignalpatternoffiberopticwhitelightinterferometerilluminatedbyaLEDsource
2.3 折射率温度系数的确定
设零应力状态下光纤长度为L的测量臂置于环境温度为T的测量室中,如图3所示。参考比较臂的长度为L0,其环境温度为T0保持恒定不变
。
在温度为T0时,测量光程与参考光程的平
衡方程为
L(T0)n(Κ,T0)=L0(T0)n(Κ,T0)+x(3)
式中L(T0)为T0温度下测量光纤臂的长度,
Fig.3TemperaturechamberusingforfiberopticL0(T0)
refractiveindex
testtemperaturecoefficient为参考比较光纤臂的长度。x为参考比较光纤臂端点到扫描反射镜之间的距离。当测量光纤温度上升为T时,由于光纤的线性热膨胀及折射率的改变将导致光纤光程发生变化。于是新的光程平衡方程为
L(T0)[1+ΑT0)]n(Κ,T0)[1+CT(T-T0)]=L0(T0)n(Κ,T0)+x+∃x(4)T(T-
式中Α.5×10-7 ℃为光纤的线性热膨胀系数。∃x为扫描反射镜的位移。略去高阶小项,T=5
有
(5)∃x=L(T0)n(Κ,T0)[ΑT0)T+CT](T-
故
CT=L(T0)n(Κ,T0)(T-T0)-ΑT(6)
12期苑立波: 温度和应变对光纤折射率的影响1715
2.4 折射率应变系数的确定
为了测量光纤折射率在不同应力状态下的变化情况,将长度为L的待测光纤剥去包层后,将其用环氧均匀地粘贴在如图4所示的板状金属拉伸
试件中部。在光纤附近粘贴一电阻应变片,以监测并记录
应变状态。在测量过程中,实验系统的环境温度保持不变。
在试件拉伸过程中,随着应力的变化,式给出
)+∃n(Ε)Ln(
∃x=n(Κ,T0)∃L(Ε0LFentoffiberopticstraincoefficienttestingspecimen
L)=Κ,0)Ε分别为光纤长度及折射率随应力变化而产生的增量。
CΕ=n(Κ,T0)LΕ-1(8)
3 测量结果
3.1 测试系统
光纤折射率温度和应变系数的测量系统如图5所示。分别采用了中心波长为1300nm和1550nm的光发射二极管作为宽带低相干光源,驱动电流分别为50mA和60mA。当进行温
度系数测量时,迈克尔逊光纤干涉仪的测
量臂被置于温度可调节的恒温室中,温度
控制精度为0.1℃。当进行应变系数测量
时,测量臂则被固定于应力加载系统的平
板拉伸试件上。应变仪指示精度为1ΛΕ。
该测量光纤臂端面镀以反射膜形成反射
端。光纤干涉仪的参考臂与棒状自聚焦准
直透镜(GRINlens)相连,在线性步进电机
驱动的平台上,置一反射镜,与棒状透镜
Fig.5Testingexperimentalsystem相互垂直。经测量臂的反射端面和参考臂
的反射镜反射回来的光信号通过3dB耦合器后,一同馈至光电探测器,经放大后由PC机通过GPIB数据总线进行数据采集。用示波器来监测扫描过程的波形情况。该系统的测试精度取决于反射扫描镜的位移精度以及白光干涉中心条纹的分辨精度。本系统的步进电机驱动平台步长为1Λm,精度高于0.5Λm。而白光干涉中心条纹的分辨精度一般被估计为中心波长的一半(Κ2)[5],对于1
.3Λ0 m的光发射二极管为0.65Λm,对于1.55Λm波长的光发射二极管则为0.77Λm。
3.2 实验测量结果
图6给出了在室温为25℃情况下,SMF228型单模通信光纤在1300nm和1550nm工作波长下扫描反射镜位移随温度的测量曲线。测试光纤长度为L=876mm,光纤芯径及包层直径为9Λ125Λm m,SMF228型单模通信光纤在25℃环境温度下其纤芯折射率对1300nm波长为1.4675,对于1550nm波长为1.4681。测试温度变化范围为38℃～80℃,在此温区
1716光 学 学 报17卷 内,测得折射率温度系数为CT=0.762×10-5 ℃(1300nm)及CT=0.811×10-5 ℃(1550nm)。图7为光纤折射率随温度变化情况
。
FigDispmr
2themfiberlength876mmFig.7Fiberopticrefractiveindexvs.temperature
T
8所示。测试环境温度为25℃,测量光纤长度为150mm,在0～1200ΛΕ范围内的折射率应变系数为CΕ=-0.1332×10-6
ΛΕ(1300nm波长)及CΕ=-0.1649×10-6 ΛΕ(1550nm波长)。图9给出了光纤折射率随应变状态变化的情况。
Fig.8Displacementofscanningmirrorvs.strainap2
pliedontheopticalfiberwithlength150mmFig.9Fiberopticrefractiveindexvs.strain
表1给出了本文的测试结果与文献[3,4,6]的对比情况。由此可以看出所测得的参数较文献[3,4,6]所给出的要小,这种不一致性可能与所用被测光纤纤芯的折射率分布结构及元素掺杂情况有关。文献[4]所用的光纤为∃型色散位移光纤。文献[3]所用光纤为P2O5 GeO2掺杂多模光纤,而文献[6]所用光纤则为B2O3掺杂单模光纤。Table1.Fiber2opticrefractiveindextemperatureandstraincoefficienttestingresults
℃)(1300nm)CT(1
℃)(1550nm)CT(1
)(1300)Ε(1 )(1550)Ε(1 0.762×10-0.811×10-5566..[
4]1,2×10-1.2×10-5566..[3]..[6]1.0×10-1.0×10-55661.0×10-1.0×10-55-0.133210--0.164910--0.2510--0.2510--0.3610--0.3610-
结 语 光学干涉方法是精密测量常用的方法之一。本文给出了一种利用白光干涉光纤迈克尔逊干涉仪测量光纤折射率的温度系数和应变系数的方法。并测量了SMF228型单模通信光纤在1300nm和1550nm处的光纤折射率相关系数。与Carr等人所采用的光学时域反射计方法相比,这种方法不需要较长的测试光纤(仅用1m长左右的光纤)。在光学时域反射计方
12期
苑立波: 温度和应变对光纤折射率的影响1717法中,测试光纤长度依赖于光学时域反射计的时间分辨率,因而如果测试光纤较短将带来较大的误差(Carr等人所用测试光纤长度为50m)。比较了几种不同的光纤在1300nm和1550nm两个波长下的测试结果,所获得的光纤折射率温度系数和应变系数差别较大。这表明光纤折射率温度系数和应变系数对光纤的折射率剖面结构和纤芯元素的掺杂情况有较强的依赖性。参[1]I.H.M,Inoffusedsilica.J.Opt.Soc.Am.,
)[2]H, ryoftoelasticity.J.Amer.Ceram.Soc.,1938,21(1)∶27～33
[3]A.H,A.J.Conduit,D.N.Payne, Variationofpulsedelaywithstressandtemperaturein
.Opt.andQuantumElect.,1979,11(3)∶265～273jacketedandunjacketedopticalfibers
[4]J.J.Carr,S.L.Saikkonen,D.H.Williams, Refractiveindexmeasurementsonsingle2modefiberas
functionsofproductparameters,tensilestress,andtemperature.FiberandIntergratedOptics,1990,9(4)∶393～396
[5]TianchunLi,AnboWang,K.Murphyetal., White2lightscanningfiberMichelsoninterferometerfor
～787absoluteposition2distancemeasurement.Opt.Lett.,1995,20(7)∶785
[6]L.G.Cohen,J.W.Fleming, Effectoftemperatureontransmissioninlightguides.BellSyst.Tech.,
1979,58(8)∶945～951
EffectofTemperatureandStrainonFiberOpticRefractiveIndex
YuanLibo
(DepartmentofPhysics,HarbinEngineeringUniversity,Harbin150001)
(Received11January1997)
Abstract ByusingwhitelightfiberopticMichelsoninterferometer,thetemper2atureandstraincoefficientsoffiberopticrefractiveindexweredeterminedviathemeasurementsofopticalpathchangingasafunctionoftemperatureorstrain.Theresultsshownthatthetemperatureandstraincoefficientsoffiber
-5℃and-0.1332×10-6 opticrefractiveindexwere0.762×10 ΛΕfor1300nm-5℃and-0.1649×10-6 wavelengthand0.811×10 ΛΕfor1550nmforthe
typeSMF228singlemodecommunicationopticalfiber,respectively.Themea2suredresultswerecomparedwithpublisheddata.
Keywords fiberoptic, refractiveindex, temperaturecoefficient, strain
coefficient, fiberopticinterferometer, whitelightinterferome2
ter.