摘要：為準確測量光纖布拉格光柵的中心波長，基于Agilent VEE開發(fā)環(huán)境研制一套自動測試系統(tǒng)，利用可調(diào)諧激光器輸出光波長精度和信噪比高的特點，通過在光功率計的不同量程檔上分別進行波長掃描，并對掃描數(shù)據(jù)進行融合，系統(tǒng)的測量準確度達到了皮米量級，動態(tài)范圍達到70dB以上。在得到光纖布拉格光柵反射光譜曲線的基礎(chǔ)上，應(yīng)用三次樣條插值和四次多項式擬合的方法來計算中心波長。測試結(jié)果表明：系統(tǒng)的測量重復(fù)性優(yōu)于0.5pm，測量不確定度為6pm（k=2），能夠滿足傳感用光纖布拉格光柵的測試需求。

關(guān)鍵詞：測試系統(tǒng)；波長掃描；光纖布拉格光柵；多項式擬合

文獻標志碼：A

文章編號：1674-5124（ 2015） 02-0069-03

引 言

光纖布拉格光柵（FBG）是通過一定的方法在光纖纖芯形成永久性折射率周期變化的光纖器件，一般是利用某些光纖的光致折射率變化特性，通過采用紫外激光曝光的方法使纖芯的折射率發(fā)生改變，其基本作用是使某些波長的光在傳輸中受到反射或損耗。在光纖光柵中，折射率的分布規(guī)律反映了光纖光柵的周期、折射率調(diào)制深度等結(jié)構(gòu)參量，這些參量決定了光纖光柵的反射光或透射光波長、帶寬和反射率等特性，它們可用于改善光纖光柵的特性，形成種類繁多、用途廣泛的光纖光柵器件，在光纖傳感[1-2]領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。

利用FBG作為敏感元件的傳感器，其工作原理是基于FBG反射光譜的中心波長與作用于FBG上的應(yīng)變或溫度變化的關(guān)系，因此準確測量FBG反射光譜的中心波長至關(guān)重要。目前，在光纖光柵波長解調(diào)方面的研究已成為傳感領(lǐng)域的熱點，解調(diào)方法種類很多，各有不同的優(yōu)缺點及適用范圍。為了實現(xiàn)光纖光柵中心波長的高精度測試，基于波長掃描法研制一套測試系統(tǒng)，利用Agilent VEE開發(fā)環(huán)境編寫測試軟件，可以對中心波長進行自動測試。

1.系統(tǒng)組成及工作原理

測試系統(tǒng)采用波長掃描法測試光纖布拉格光柵的反射光譜曲線，進而計算其中心波長。系統(tǒng)主要由可調(diào)諧激光器、隔離器、環(huán)形器和功率計組成。為減小光路中反射光對測試結(jié)果的影響，器件之間的連接采用兩端均為FC/APC接頭的光纖跳線。

其中可調(diào)諧激光器為測試系統(tǒng)提供波長掃描信號，根據(jù)目前傳感用光纖光柵的波長范圍，選擇了輸出波長范圍為I450～1590nm的調(diào)諧激光器，其波長分辨率為0.1pm，絕對波長精度+3.6pm，保證了輸入光信號具有較高的波長精度。隔離器用于阻止光路中后向反射光產(chǎn)生的不利影響，保證調(diào)諧激光器輸出光的穩(wěn)定性，要求隔離度>60dB。環(huán)形器完成正反向傳輸光的分離，輸入光信號從環(huán)形器的端口1進入，反射光信號由端口2到端口3單向傳輸，實現(xiàn)輸入光與反射光的分離。功率計用于接收光纖光柵的反射光信號，工作波長為800～1700nm，量程范圍-90～10dBm，測量準確度+0.1dB，在測量微弱光功率時也有較高的精度，同時保證測試系統(tǒng)具有較大的動態(tài)范圍。

測試系統(tǒng)中的可調(diào)諧激光器和功率計均采用Agilent公司的模塊化產(chǎn)品，配合8164B主機平臺使用。在運行波長掃描之前，首先需要對可調(diào)諧激光器的波長掃描范圍、波長步距和輸出功率進行設(shè)置。設(shè)置完成后，測試軟件通過GPIB接口向8164B主機發(fā)送指令，調(diào)諧激光器運行波長掃描，同步記錄每一個波長值和對應(yīng)的功率值，從而得到光纖光柵的反射光譜曲線。波長掃描完成后，根據(jù)測試軟件的數(shù)據(jù)處理算法，首先截取反射光譜曲線上的一段數(shù)據(jù)，然后進行三次樣條捅值和四次多項式擬合，對擬合后的光譜曲線進行求導，其過零點便是光纖光柵的中心波長值。

2.基于Agilent VEE的軟件設(shè)計

Agilent VEE是一種用于儀表優(yōu)化控制的圖形語言，有效地利用了圖形用戶接口的特性，只需要選擇儀器函數(shù)作為對象，描述測試步驟和對象之間的關(guān)系，建立初始條件就可創(chuàng)建直觀形象的程序。VEE在儀器控制方面比較靈活，支持多種接口形式的儀器I/O控制，圖形化編程方式能夠節(jié)省80%以上的程序開發(fā)時間，其運行速度卻幾乎不受影響，體現(xiàn)出極高的效率。

測試軟件采用Agilent 816x即插即用驅(qū)動程序，它內(nèi)置了很多函數(shù)用于816x主機平臺上不同模塊的控制，每一個內(nèi)置函數(shù)都集成了相應(yīng)的GPIB指令，可以大大降低程序開發(fā)的復(fù)雜度。該驅(qū)動程序提供設(shè)置儀器和讀取測量結(jié)果的基本功能，并提供完整的“l(fā)amhdascan”測量程序，使可調(diào)諧激光器和功率計同步，已進行光譜測量；而且提供內(nèi)置誤差處理和參數(shù)檢測以及全面的在線幫助，幫助用戶盡快完成測試并避免出現(xiàn)錯誤。根據(jù)測試系統(tǒng)的工作原理，測試軟件主要包括下述5個功能模塊。

2.1 初始化

在運行波長掃描之前，首先應(yīng)對儀器進行初始化，建立測試軟件與儀器之間的通信連接。由于測試系統(tǒng)中的可調(diào)諧激光器和光功率計均為單獨的模塊插件，需要配合8164B主機平臺才能使用；因此，初始化只需針對8164B主機平臺，而不同模塊捅件的初始化由8164B來完成。初始化工作通過調(diào)用Agilent816x即插即用驅(qū)動程序中的Register Mainframe函數(shù)來完成。

2.2 波長掃描

儀器初始化完成后，處于程控狀態(tài)，等待接受測試軟件發(fā)出的指令運行波長掃描。在掃描過程中，每一個波長點及其對應(yīng)的功率值都應(yīng)同步記錄，這就要求可調(diào)諧激光器和光功率計要能同步觸發(fā)，軟件實現(xiàn)過程較為復(fù)雜。而Agilent、公司的816x即插即用驅(qū)動程序提供了prepareLambdaScan和execuceLambdaScan這兩個函數(shù)，可以十分方便快速地實現(xiàn)這個功能。其中，prepareLambdaScan困數(shù)完成波長掃描前測試系統(tǒng)各項參數(shù)的設(shè)置，包括起始波長、終止波長、波長步進、輸出功率、輸出模式、采樣點數(shù)等。設(shè)置完成后，由executeLambdaScan函數(shù)執(zhí)行波長掃描，該函數(shù)集成了可調(diào)諧激光器的內(nèi)置波長記錄功能和功率計的觸發(fā)采樣功能，從而在掃描過程中，每一個采樣點的波長值及其對應(yīng)的功率值均以數(shù)組的形式同步進行記錄，用戶無需關(guān)心其具體的實現(xiàn)過程。同時它還具備數(shù)據(jù)融合功能，在光功率計的mW、μW和nW3個不同的量程檔上分別進行波長掃描，然后對掃描數(shù)據(jù)進行融合，大大提高了光譜測量的動態(tài)范圍，可以達到70dB以上，使得該方法也可用于DWDM器件的測試。經(jīng)過實驗驗證，與傳統(tǒng)的掃描方式相比，采用該方法后光纖光柵反射光譜的動態(tài)范圍提高了約20dB。

2.3 數(shù)據(jù)截取

由于光纖光柵只對某一特定波長的入射光產(chǎn)生反射，而且?guī)捄苷?，通常?.3nm左右，這樣在一定的波長范圍內(nèi)進行掃描時，反射光譜的測試數(shù)據(jù)中會包含有其他波長點的無用信息，因此進行數(shù)據(jù)處理前，需要截取測試數(shù)據(jù)中的有用部分。

首先對以二維數(shù)組形式存儲的、包含每一點波長和功率值的測試數(shù)據(jù)進行拆分，得到波長和功率兩個一維數(shù)組，然后搜索功率的最大值點，以功率最大值下降3.5dB后對應(yīng)在光譜曲線上的兩點，分別作為起始點和終止點，對這兩點之間的數(shù)據(jù)進行截取。

2.4 三次樣條插值

由于可調(diào)諧激光器的波長分辨率有限，為了進一步提高測量精度，需要對測試數(shù)據(jù)進行插值處理。首先通過一個循環(huán)程序，輸入截取數(shù)據(jù)段的起始波長、終止波長和捅值步距，來構(gòu)建出-個新的波長數(shù)組；然后調(diào)用VEE內(nèi)置的madab節(jié)點中的inlerpl函數(shù)進行一維插值，捅值方式選取了3次樣條函數(shù)，相比拉格朗日插值和分段線性捅值，具有連續(xù)的二階導數(shù)，可以保證相鄰?fù)敝迭c之間的曲線光滑連續(xù)。

2.5 四次多項式擬合

原始的測試數(shù)據(jù)由于系統(tǒng)噪聲的影響，光譜曲線并不光滑，而是有一定的波動起伏，峰值處的變化尤其明顯，這對中心波長的計算會產(chǎn)生很大影響；因此，需要對其進行曲線擬合。擬合方法有多種：功率加權(quán)、高斯擬合、半峰檢測和多項式擬合等，相比之下，多項式擬合具有較好的精度和穩(wěn)定性，而且計算量較小。

擬合時首先需要對原始數(shù)據(jù)進行歸一化處理，然后使用四次多項式進行曲線擬合，擬合完成后進行歸一化反運算還原得到光譜曲線。根據(jù)實驗測試結(jié)果，四次多項式的擬合精度已經(jīng)達到99.5%以上，再增加擬合階次對測試結(jié)果沒有影響。在此基礎(chǔ)上，對光譜曲線進行一階求導運算，其過零點便是中心波長對應(yīng)的位置。

3.實驗結(jié)果與分析

為了驗證測試系統(tǒng)的性能，在l520～1590nm波長范圍內(nèi)，選取不同中心波長的光纖布拉格光柵進行測試，結(jié)果如表1所示。由表可知，測試系統(tǒng)的波長分辨率高，測量重復(fù)性優(yōu)于0.5pm。

根據(jù)測試系統(tǒng)的工作原理，一個最主要的不確定度來源是可調(diào)諧激光器的輸出波長精度，其技術(shù)指標為+3.6pm，由不確定度分析理論可知，該項引入的不確定度分量為2pm。此外，測量不確定度的來源還包括環(huán)境溫度變化、曲線擬合誤差和偏振依賴波長漂移等，測試系統(tǒng)最終的不確定度評定結(jié)果為6pm（k=2）。

4.結(jié)束語

測試系統(tǒng)采用可調(diào)諧激光器作為波長掃描源，充分利用其輸出光波長精度和信噪比高的特點，配合高精度的光功率計分量程進行掃描，得到了高精度、大動態(tài)范圍的光纖布拉格光柵反射光譜曲線。整個掃描過程由基于Agilent VEE環(huán)境開發(fā)的測試軟件控制，采用816x即插即用驅(qū)動程序提供的內(nèi)置函數(shù)實現(xiàn)了對儀器的同步控制和數(shù)據(jù)采集，軟件的開發(fā)使用方便快捷。在得到反射光譜曲線的基礎(chǔ)上，結(jié)合三次樣條插值和四次多項式擬合的優(yōu)點對光譜曲線進行處理，實現(xiàn)了光纖布拉格光柵中心波長的高精度測試。結(jié)果表明：測試系統(tǒng)的波長范圍為l 520～1590nm，測量重復(fù)性優(yōu)于0.5pm，不確定度為6pm（k=2），可以滿足目前傳感領(lǐng)域廣泛應(yīng)用的光纖布拉格光柵的測試需求。