光纤作为光波导，因其廉价高效，已成为通信和生物医学领域中光信息传输的普遍应用方式。然而，与其他电缆一样，光纤也会磨损，并可能在光学系统中引入相位延迟、失真和反射。光纤必须进行校准，通常通过测量长度来实现，以便了解其精确的传输特性。尽管对光纤进行精确校准的需求十分迫切，但传统的校准过程往往需要在成本或精度方面做出重大牺牲。为了解决这个问题，教授团队的研究人员提出了一种新的方法。 泽维尔·阿坦杜 at 阿姆斯特丹联电 荷兰的研究人员开发出了一种高效、低成本的方法来表征光纤的长度；他们的研究结果可以在 光学字母[1]。为了实现这一目标，他们整合了 Moku:Lab 在他们的其他电子产品中部署了 Moku 相位表 仪器创建即插即用的光纤测量系统，与其他商业系统相比，可降低成本和复杂性。 Moku:Lab 是一个可重构硬件平台，将 FPGA 的数字信号处理能力与多功能、低噪声模拟输入和输出相结合。软件定义的功能使 Moku:Lab 能够提供全套测试和测量仪器。通过 多仪器并行模式，用户可以组合成对仪器同时运行，无损互连。
面临挑战
目前有两种常用的光纤长度测量方法，各有优势。一种方法是光时域反射法 (OTDR)，它通过向待测光纤 (FUT) 发射一系列光脉冲，并测量反射强度随时间的变化。商用 OTDR 仪器经济高效，适用于长距离测量，但其精度仅限于厘米级。另一种技术是光频域反射法 (OFDR)，它使用扫频光源和干涉仪来显著提高采集数据的时间分辨率。商用 OFDR 设备搭建成本高昂且耗时，但对于光子芯片等短距离光网络而言非常有用。然而，尽管 OFDR 和 OTDR 都有其强大的应用前景，但对于典型的光学实验室而言，这两种方案都不是理想之选，因为光纤的长度通常在几厘米到几十米之间。在这个范围内，OTDR 无法提供所需的亚毫米级精度，而 OFDR 设备对于所需的测量类型来说又可能过于复杂。因此，阿姆斯特丹大学医学中心的研究小组希望开发一种精确、简单的方法来表征他们感兴趣的范围内的光纤。
解决方案
该团队的光纤测量系统在概念上类似于 OFDR 设置。 任意波形发生器 任意波形发生器 (AWG) 使用射频频率调制载波，在两分钟内扫描频率范围从 10 MHz 到 110 MHz。接下来，一个 50/50 光纤耦合器将功率分配到干涉仪的两个臂之间，如图 1 所示。下臂用作参考，而被测光纤 (FUT) 占据另一个臂。两个臂均由光电二极管 (PD) 监控，并直接向 Moku 提供反馈。 相位表与OFDR和OTDR技术不同，该装置测量的是经过被测光纤（FUT）的传输，这会在其光束路径中引入时间延迟。该时间延迟表现为光电探测器（PD）采集的周期性信号之间的相位差。Moku相位计监测入射信号的频率和相位，并计算它们之间的相位差。利用自校正功能， 锁相环 Moku 的相位计输入端采用锁相环 (PLL)，能够跟踪整个调制频率范围内的变化，并以微弧度的精度监测相位差。Moku 的这一独特功能使得整个测量序列能够在两分钟内完成，而无需持续调整本地振荡器。该团队控制系统并采集数据。 Moku Python API 实现完全自动化，记录的相位差直接报告给测量电脑。研究生 罗宾·范祖特芬该研究小组论文的主要作者将研究成果归功于 Moku 平台能够与其余设置无缝集成：“Moku 操作简便，价格相对低廉，而且性能优异，”他说。
图 1：实验装置。任意波形发生器 (AWG) 为激光提供 RF 强度调制，激光穿过干涉仪。然后，FUT 引入相位延迟，该延迟由 Moku:Lab 相位计记录。该装置由主机 PC 监控和同步。
结果
数据收集后，需要进行一些后处理，以消除实验中经常引入的非线性和其他频率相关行为。校正后，光纤的相位差被绘制为调制频率的函数。延迟时间 tFUT从该曲线的斜率中提取出光纤长度，然后将其转换为光纤长度。为了测试系统的稳定性和重复性，研究小组对一根光纤进行了长达 20 小时的测量。温度变化会影响激光系统的稳定性，改变光纤的折射率，并引起热膨胀。即使存在昼夜温度波动，测量的标准偏差也很低（约几百微米）。此外，如图 2 所示，在他们感兴趣的 0.2 米至 1.8 米范围内，长度表征仍然保持准确。该系统具有较低的均方根误差，能够精确测量这些短光纤的长度（<1 毫米），为其他方法提供了一种经济且精确的替代方案。在展示了一种简单且经济高效的精确表征光纤长度的方法后，研究小组还整合了其他 Moku 硬件。他们发现…… Moku:Go 在较小的频率范围内工作良好，在 750 米光纤上的误差约为 2 𝜇m。由于 FPGA 的速度提高，Moku:Pro 的测量速度更快（5 秒），因为锁相环带宽更高。该小组表示，速度的提高有助于减轻在较长的 2 分钟测量期间可能引入实验的环境影响。
图 2：实测长度与标称长度，显示距离测量的误差较低。插图显示了给定长度的重复测量的分布。
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案例
[1] Robin van Zutphen、Paul R. Bloemen、Ton G. van Leeuwen 和 Xavier Attendu，“测量光纤长度的简单且经济有效的方法”，Opt. Lett. 50，329-332 (2025)。