光波导纵向折射率分布的重构方法技术

本发明专利技术公开了光波导纵向折射率分布的重构方法，首先从光波导的反射光获取光波导响应的幅值谱和相位谱，用幅值谱和相位谱计算中间量；对该中间量按空间频率等间隔采样并离散化，对离散化的中间量进行傅里叶反变换，由傅里叶反变换的结果计算出光波导的纵向折射率分布。本发明专利技术根据光波导响应谱的数学关系，用光波导响应的幅值谱、相位谱及傅里叶变换，重构出了光波导的纵向折射率分布。该方法具有重构精度高、速度快等优点，适用于具有任意复杂折射率分布的光波导的重构。

【技术实现步骤摘要】
光波导纵向折射率分布的重构方法
本专利技术涉及光波导
，尤其是光波导折射率的重构方法。
技术介绍
光波导器件可广泛用于光纤通信、光学传感、集成光学、生化物理传感及医学诊断等领域，响应谱性能优良的、特别是用于微分布传感的光波导器件一般是非均匀的、结构复杂的光波导。分析、设计和重构光波导结构是光波导研究和应用的重要内容。通过光波导纵向折射率重构可以获取光波导器件的内部结构与特性信息，可用于光波导器件的结构设计、分布式微传感及监测。因此，光波导纵向折射率分布的重构方法具有很重要的作用和良好的应用前景。在现有技术中，积分层剥法(IntegralLayer-peeling,ILP)、离散层剥法(DiscreteLayer-peeling,DLP)、遗传算法等利用光波导的幅值响应谱重构光波导的折射率分布。这些方法缺乏波导结构重构的唯一性(即在无相位要求时可重构出多种结构)，可用于光波导的设计而非重构(重构须具有唯一性)，难用于微分布式传感。目前，具有唯一性的光波导重构方法主要是数字全息断层成像法。该方法类似于计算层析成像(CT)，它将被测器件旋转180°并用二维CCD记录各角度时的干涉全息图，基于滤波反投影法重建光波导折射率的三维分布(含纵向折射率分布)，精度可达10-4。其不足是需要机械旋转被测器件和基于CCD干涉成像的二维数据，其测量和计算过程都较为复杂，累积误差较大，分辨率不够高。
技术实现思路
针对上述现有技术的不足，本专利技术提供一种将幅值谱与相位谱结合起来重构光波导纵向折射率分布的方法。该方法不需要旋转被测器件和二维CCD干涉成像，降低测量和计算过程的复杂度，提高分辨率，克服现有方法的不足，适用于任意复杂折射率分布的光波导重构。为实现上述目的和解决相关技术问题，本专利技术采用了如下的技术方案：光波导纵向折射率分布的重构方法，包括以下步骤：步骤1：用光波导的反射光获取光波导响应的幅值谱和相位谱；步骤2：用所述光波导响应的幅值谱和相位谱计算中间量η(υ)，按如下公式：其中，κ为波导耦合系数，arth是反双曲正切函数，e为自然常数，自变量υ＝2n0/λ是由光波长λ和光波导有效折射率n0决定的空间频率，γ和分别为幅值谱和相位谱；步骤3：按空间频率等间隔采样并离散化中间量η(υ)而得到频率域序列A(i)，再对频率域序列A(i)进行离散傅里叶反变换而得到空间域序列δn(i)，然后用空间域序列δn(i)计算光波导的纵向折射率分布n(z)，按如下公式：A(i)＝η(iΔυ)，n(z)＝n0+δn(int(zNΔυ))；式中，序号i＝{0,1,2,3......N-1}，N为序列长度，Δυ是空间频率间隔，z是光波导纵向或光传播方向的空间位置量，int是取整数运算。进一步的，步骤1中所述光波导响应的幅值谱和相位谱是随空间频率υ变化的幅值谱γ(υ)和相位谱或是随光波长λ变化的幅值谱γ(λ)和相位谱进一步的，步骤1中先获取随光波长λ变化的光波导响应幅值谱γ(λ)和相位谱再按λ＝2n0/υ的关系将随光波长λ变化的幅值谱和相位谱分别转换为随空间频率υ变化的幅值谱γ(υ)和相位谱进一步的，步骤1中用光谱测量仪获取包含了幅值谱γ和相位谱的、随空间频率υ或光波长λ变化的复合响应谱或作为光波导响应的幅值谱及相位谱。进一步的，步骤1中先用光谱测量仪获取光波导响应的功率谱和时延谱；再对所述功率谱进行开平方运算而得到幅值谱，对所述时延谱进行积分运算而得到相位谱。进一步的，步骤2：用随光波长λ变化的光波导响应幅值谱γ(λ)和相位谱计算中间量η(υ)，按如下公式：优选的，NΔυ的值不小于5/μm。优选的，所述光谱测量仪为傅里叶变换光谱仪或射频调制法光谱测量仪。优选的，所述光波导为平面光波导、条形光波导或圆柱形光波导。综上所述，本专利技术具有的优点包括：1、本专利技术的光波导纵向折射率分布的重构方法同时利用了光波导响应中的幅值谱与相位谱，可基于快速傅里叶变换算法实现傅里叶反变换，不依赖图像信息，不会产生累积误差，因此具有重构精度高、速度快的优点，适用于具有任意复杂折射率分布的光波导重构。2、本专利技术的光波导纵向折射率分布的重构方法不需要旋转被测器件和基于二维CCD干涉成像，具有测量和计算过程简单、分辨率高的特点。3、本专利技术的光波导纵向折射率分布的重构方法可用于光波导结构的设计、重构以及精密微分布传感等方面。附图说明图1是本专利技术光波导纵向折射率分布的重构方法的流程图；图2是实施例7中获取光波导响应幅值谱与相位谱的原理图。图3是实施例8中射频调制法光谱测量仪的原理图(图中虚线箭头代表光及其传输方向，实线箭头代表电信号连接及其流向)。具体实施方式为更清楚的说明本专利技术，下面结合本专利技术所述光波导纵向折射率分布的重构方法，优选实施例和附图对本专利技术做进一步说明。本领域技术人员应当理解，下面具体描述的内容是说明性的而非限制性的，不应以此限制本专利技术的保护范围。实施例1在本具体实施方式中，光波导为单模圆柱形光波导(即单模光纤)内的Bragg光栅结构，重构Bragg光栅沿光纤轴向的折射率分布。设Bragg光栅反射光的中心波长为1550nm，3dB带宽为10nm，反射率大于0.9，波导耦合系数κ＝2655πN/s，基模的有效折射率n0＝1.55，以总功率10mw、光谱范围为1450～1650nm的超辐射发光二极管组合光源作为入射光源，以N＝106、NΔυ＝10/μm的傅里叶变换光谱仪作为光谱测量仪。光波导纵向折射率分布的重构方法，如图1所示，包括以下步骤：步骤1：光源发出的光入射到光纤内的Bragg光栅，并被Bragg光栅反射；用光谱测量仪测量反射光的幅值谱和相位谱，以获取随空间频率υ变化的光波导响应的幅值谱γ(υ)和相位谱步骤2：用所述光波导响应的幅值谱γ(υ)和相位谱计算中间量η(υ)，按如下公式：其中，arth是反双曲正切函数，e为自然常数，自变量υ＝3.1/λ是由光波长变量λ和n0决定的空间频率；步骤3：按空间频率等间隔采样并离散化中间量η(υ)而得到频率域序列A(i)，再对频率域序列A(i)进行离散傅里叶反变换而得到空间域序列δn(i)，然后用空间域序列δn(i)计算光波导的纵向折射率分布n(z)，按如下公式：A(i)＝η(iΔυ)，n(z)＝n0+δn(int(zNΔυ))；式中，序号i＝{0,1,2,3......N-1}，序列长度N＝106，空间频率间隔Δυ＝10-5/μm，z是在光波导纵向或光传播方向的空间位置变量，int是取整数运算。计算得到的n(z)就是所重构的光波导纵向折射率分布。实施例2本实施例与实施例1的区别在于：步骤1中用光谱测量仪获取包含了幅值谱γ及相位谱的、随空间频率υ变化的复合响应谱作为光波导响应的幅值谱及相位谱。其他的步骤与实施例1相同。实施例3本实施例与实施例1或实施例2的区别在于：步骤1中先获取随光波长λ变化的波导响应幅值谱γ(λ)和相位谱再按λ＝2n0/υ的关系将随光波长λ变化的幅值谱和相位谱分别转换为随空间频率υ变化的幅值谱和相位谱；然后在光源带宽外对幅值谱与相位谱进行补零，使幅值谱与相位谱的数据长度为2的整数次方，如N＝222；其他的步骤与实施例1相同。实施例4本实施例与实施例3的区别在于：步骤1中，用随光波长λ变化的复合响应谱作本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.光波导纵向折射率分布的重构方法，其特征在于：包括以下步骤：步骤1：用光波导的反射光获取光波导响应的幅值谱和相位谱；步骤2：用所述光波导响应的幅值谱和相位谱计算中间量η(υ)，按如下公式：

【技术特征摘要】
1.光波导纵向折射率分布的重构方法，其特征在于：包括以下步骤：步骤1：用光波导的反射光获取光波导响应的幅值谱和相位谱；步骤2：用所述光波导响应的幅值谱和相位谱计算中间量η(υ)，按如下公式：其中，κ为波导耦合系数，arth是反双曲正切函数，e为自然常数，自变量υ＝2n0/λ是由光波长λ和光波导有效折射率n0决定的空间频率，γ和分别为幅值谱和相位谱；步骤3：按空间频率等间隔采样并离散化中间量η(υ)而得到频率域序列A(i)，再对频率域序列A(i)进行离散傅里叶反变换而得到空间域序列δn(i)，然后用空间域序列δn(i)计算光波导的纵向折射率分布n(z)，按如下公式：A(i)＝η(iΔυ)，n(z)＝n0+δn(int(zNΔυ))；式中，序号i＝{0,1,2,3......N-1}，N为序列长度，Δυ是空间频率间隔，z是光波导纵向或光传播方向的空间位置量，int是取整数运算。2.根据权利要求1所述的光波导纵向折射率分布的重构方法，其特征在于：步骤1中所述光波导响应的幅值谱和相位谱是随空间频率υ变化的幅值谱γ(υ)和相位谱或是随光波长λ变化的幅值谱γ(λ)和相位谱3.根据权利要求1所述的光波导纵向折射率分布的重构方法，其特征在于：步骤1中...

【专利技术属性】
技术研发人员：曾祥楷，李顺祺，南帅军，尹强，
申请(专利权)人：重庆理工大学，
类型：发明
国别省市：重庆,50