相移法測(cè)定單模光纖的色散

陳武軍, 宗　妍, 楊璐娜, 馮曉強(qiáng), 鄭新亮

(西北大學(xué) 物理學(xué)院， 陜西 西安 710069)

相移法測(cè)定單模光纖的色散

陳武軍, 宗妍, 楊璐娜, 馮曉強(qiáng), 鄭新亮

(西北大學(xué) 物理學(xué)院， 陜西 西安 710069)

摘要:設(shè)計(jì)一種采用相移法測(cè)定單模光纖色散的實(shí)驗(yàn)裝置。該裝置由激光光源、激光調(diào)制器、光探測(cè)器、鑒相器以及計(jì)算機(jī)信號(hào)處理部分組成。通過(guò)鑒相器測(cè)定不同波長(zhǎng)激光脈沖經(jīng)過(guò)相同長(zhǎng)度光纖后產(chǎn)生的相移，計(jì)算出光纖的色散。該裝置光路簡(jiǎn)單，可以在比較大的動(dòng)態(tài)范圍內(nèi)測(cè)量光纖的色散。經(jīng)測(cè)量長(zhǎng)度為6 km的G652D單模光纖在1 550 nm處色散為17.13 ps nm-1km-1，與產(chǎn)品手冊(cè)給出的參考值接近。

關(guān)鍵詞:色散；相移；單模光纖；鑒相器

為了獲得高速度和高容量信息的穩(wěn)定傳輸，需將光纖的色散和損耗盡可能降低。常用的單模光纖在1.30 μm處接近零色散，但損耗較大，而在1.55 μm處雖然損耗較低，但色散卻很大。色散和損耗不會(huì)同時(shí)接近于零，在實(shí)際使用的時(shí)候，需要根據(jù)實(shí)際情況選擇最佳結(jié)合點(diǎn)。

通過(guò)摻餌光纖放大器對(duì)光信號(hào)進(jìn)行放大和中繼，可有效補(bǔ)償光信號(hào)在傳輸過(guò)程中的損耗。在覆蓋C和L波段的通信系統(tǒng)中，為減小光纖色散對(duì)通信質(zhì)量的影響，需要對(duì)色散進(jìn)行補(bǔ)償，其前提是對(duì)光纖色散能夠進(jìn)行準(zhǔn)確測(cè)量。

準(zhǔn)確測(cè)量色散是提高光纖通信系統(tǒng)性能的一個(gè)重要前提。除了通信用單模光纖色散需要得到精確測(cè)量和控制，其他類型光纖也可能需要類似測(cè)量來(lái)避免色散影響[7]，比如雙包層大模場(chǎng)摻雜光纖，其色散特性對(duì)高功率超連續(xù)譜的產(chǎn)生具有重要影響[8]。

1色散測(cè)量

光纖的色散主要有模式色散、材料色散和波導(dǎo)色散[9]。模式色散只出現(xiàn)于多模光纖，是由各模式光的波長(zhǎng)差別所導(dǎo)致，與激光波長(zhǎng)、光纖材料折射率及其分布有關(guān)。材料色散主要出現(xiàn)于單模光纖，是由各波長(zhǎng)光在傳輸過(guò)程中的時(shí)間延遲差異所引起，主要影響因素是光纖材料折射率、波長(zhǎng)特性及光源光譜特性。波導(dǎo)色散來(lái)源于光纖波導(dǎo)結(jié)構(gòu)參數(shù)，取決于光纖波導(dǎo)尺寸和纖芯與包層的相對(duì)折射率差，光子晶體光纖的結(jié)構(gòu)也會(huì)影響其色散[10]。

由于光纖色散的存在，激光脈沖在傳輸過(guò)程中會(huì)導(dǎo)致脈沖展寬

其中σn、σm和σw分別為模式色散、材料色散和波導(dǎo)色散。單模光纖所傳輸?shù)墓庵挥幸粋€(gè)基模，可認(rèn)為光脈沖傳輸過(guò)程中的展寬完全由波導(dǎo)色散和材料色散決定，模式色散為零。

理想的單模光纖只能傳輸一種基模光，而基模實(shí)際由兩個(gè)偏振方向相互正交的模場(chǎng)簡(jiǎn)并組成，模場(chǎng)的偏振方向?qū)⒀毓饫w的傳播方向隨機(jī)變化，還會(huì)在光纖的輸出端產(chǎn)生偏振模色散。實(shí)際的單模光纖難免存在一定缺陷，也會(huì)導(dǎo)致不同方向的折射率差異。

理想單模光纖色散系數(shù)可表示為

因?yàn)橄嚓P(guān)理論已證明l0范數(shù)上的最優(yōu)化問(wèn)題為NP-hard問(wèn)題，進(jìn)而該問(wèn)題可轉(zhuǎn)化為l1范數(shù)上的最優(yōu)化問(wèn)題進(jìn)行求解。求解稀疏表示系數(shù)存在一定誤差，如果θ≥0，使得不等式|Bα-φ(y)||2≤θ成立，則可以找到δ≥0，使得不等式|BTBα-BTφ(y)||2≤δ成立（已知定理）。最終式⑵可轉(zhuǎn)化為：

其中L是所用單模光纖長(zhǎng)度，dτ是兩種波長(zhǎng)激光在光纖內(nèi)傳輸?shù)南鄬?duì)延遲量，色散系數(shù)D是單位光源光譜寬度、單位長(zhǎng)度光纖所對(duì)應(yīng)光脈沖的展寬。

測(cè)定各波長(zhǎng)光在一定長(zhǎng)度光纖中傳輸后形成的相對(duì)延時(shí),可確定單模光纖的色散系數(shù)。用于測(cè)定色散的這種時(shí)延法并不復(fù)雜，且裝置成本低，實(shí)際應(yīng)用中的時(shí)間分辨率可達(dá)50 ps，但是，對(duì)于ps級(jí)的時(shí)延量測(cè)量誤差較大，測(cè)量精度不高。

將不同波長(zhǎng)的光以一定的頻率調(diào)制，測(cè)量其通過(guò)光纖后光脈沖的相位差，可計(jì)算出較準(zhǔn)確的時(shí)延量，從而得到準(zhǔn)確的色散系數(shù)。這種相移法可選擇任意波長(zhǎng)進(jìn)行測(cè)量, 從而得到相鄰波長(zhǎng)間隔之間的時(shí)延差，能克服時(shí)延法測(cè)量時(shí)延精度不夠的問(wèn)題。

設(shè)不同波長(zhǎng)的激光都被調(diào)制成頻率為f的信號(hào)，λ是兩個(gè)波長(zhǎng)間隔內(nèi)的中心波長(zhǎng)，φλ1-φλ2是兩種波長(zhǎng)光在光纖中產(chǎn)生的相位差,則這兩種波長(zhǎng)光的相對(duì)時(shí)延量為

通過(guò)精確測(cè)量相位差即可實(shí)現(xiàn)對(duì)光纖色散的準(zhǔn)確測(cè)量。如果選擇更高調(diào)制頻率，還可進(jìn)一步提高時(shí)間分辨率，得到更高測(cè)量精度。使用單模激光器作為光源可達(dá)到優(yōu)于1 ps的時(shí)間分辨率。在常用的通信單模光纖中，可以選擇零色散的1 310 nm為參考波長(zhǎng)，再選擇其他波長(zhǎng)為待測(cè)波長(zhǎng)。將這兩種激光調(diào)制后通過(guò)光纖，測(cè)量其相位差，即可計(jì)算出色散系數(shù)。在選擇波長(zhǎng)和調(diào)制頻率時(shí)需要注意，波長(zhǎng)差別不可太大，以免相位差大于2π，給數(shù)據(jù)處理帶來(lái)困難。

測(cè)量光纖色散的方法還有基于邁克爾遜干涉儀的干涉測(cè)量法、基于相位-強(qiáng)度調(diào)制轉(zhuǎn)換的測(cè)量方法[11-12]、四波混頻法[13]等，它們都存在設(shè)備相對(duì)復(fù)雜，不易于實(shí)現(xiàn)全光纖化的問(wèn)題。

2相移法測(cè)量光纖色散原理

相移法測(cè)量光纖色散的測(cè)量裝置設(shè)計(jì)原理如圖1所示。

圖1　相移法測(cè)量光纖色散原理

待測(cè)光纖是數(shù)千米長(zhǎng)的通信單模光纖，在1 310 nm處具有零色散特性。激光器可采用具有尾纖輸出、內(nèi)置布拉格光柵以選波長(zhǎng)的分布式反饋激光器(Distributed Feedback Laser, DFB)，確保波長(zhǎng)精準(zhǔn)。激光1、激光2、激光3具有不同波長(zhǎng)，通過(guò)波分復(fù)用器WDM1注入光纖。激光輸出均可被高頻信號(hào)調(diào)制。信號(hào)發(fā)生器所產(chǎn)生的調(diào)制信號(hào)頻率可以由計(jì)算機(jī)精確控制。激光經(jīng)過(guò)待測(cè)光纖后再通過(guò)波分復(fù)用器WDM2把不同波長(zhǎng)的光分開(kāi)，分別送入對(duì)應(yīng)光電探測(cè)器PIN管中，將激光脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)。不同路的電信號(hào)再被送入鑒相器，檢測(cè)出輸入信號(hào)的相位差，并轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的模擬電壓信號(hào)。計(jì)算機(jī)通過(guò)模數(shù)轉(zhuǎn)換器A/D即可獲得輸入信號(hào)的相位差。

雖然由信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生的高頻信號(hào)被同步加到激光調(diào)制器，但不同激光器電源對(duì)高頻信號(hào)的響應(yīng)會(huì)有差異，且光電探測(cè)器及其放大電路對(duì)信號(hào)的響應(yīng)也會(huì)有差異，所以，即使沒(méi)有使用待測(cè)光纖，而是使用較短的光纖跳線，兩路不同波長(zhǎng)的光在送到鑒相器時(shí)就已經(jīng)產(chǎn)生了一個(gè)固有的系統(tǒng)相位差。這個(gè)相位差并非因光纖的色散而產(chǎn)生，在處理數(shù)據(jù)的時(shí)候需要把此系統(tǒng)相位差減掉。此外，必須選擇合適的調(diào)制頻率，使所有波長(zhǎng)的相位延時(shí)φi滿足

2Nπ<φi<2(N+1)π，

即所有波長(zhǎng)光引起的相位差都在2π以內(nèi)。

3測(cè)量裝置

為了測(cè)定光纖在1 550 nm處的色散，激光器可采用1 310 nm、1 545 nm、1 555 nm這3個(gè)波長(zhǎng)的DFB激光器。用于產(chǎn)生精確調(diào)制信號(hào)的信號(hào)發(fā)生器采用直接數(shù)字頻率合成(Digital Direct Synthesis, DDS)芯片，可在數(shù)百兆范圍內(nèi)產(chǎn)生精準(zhǔn)波形信號(hào)。DDS芯片依賴于高速數(shù)字電路，具有超寬的相對(duì)寬帶，超高的變化速率，超細(xì)的頻率分辨率，相位可以精準(zhǔn)調(diào)整，全數(shù)字化可編程輸出。鑒相器可以使輸出電壓與兩個(gè)輸入信號(hào)之間的相位差有確定關(guān)系，用來(lái)測(cè)定不同光經(jīng)過(guò)光纖的相位差。采用AD8302實(shí)現(xiàn)鑒相器功能[14]。AD8302一種幅度和相位測(cè)量的單片集成電路，內(nèi)部包含兩個(gè)寬帶對(duì)數(shù)檢波器、一個(gè)相位檢波器、輸出放大器、一個(gè)偏置單元和一個(gè)輸出參考電壓緩沖器等部分，能測(cè)量2.7 GHz頻率范圍內(nèi)兩個(gè)輸入信號(hào)間的幅度比和相位差,相位測(cè)量范圍在π以內(nèi)，常用于高精度幅度相位檢測(cè)[15]，其典型測(cè)量電路原理如圖2所示。

圖2　AD8302及其典型測(cè)量應(yīng)用電路

只使用圖2所示的相位測(cè)量部分，其中VINA和VINB為兩路輸入脈沖信號(hào)，VPHS為輸出電壓信號(hào)，其變化范圍為0～1.8 V。AD8302對(duì)于50 Ω的測(cè)量系統(tǒng)，精確相位測(cè)量比例系數(shù)為10 mV/(°)，其輸入信號(hào)相位差與輸出電壓之間保持線性關(guān)系[14]。實(shí)際應(yīng)用中，0°或180°位置的相位差會(huì)有較大誤差，應(yīng)留意避免。

將1 545 nm/1 310 nm光和1 555 nm/1 310 nm光經(jīng)過(guò)待測(cè)光纖后的相位差分別表示為2Nπ+φ1和2Nπ+φ2，則1 545 nm/1 555 nm的兩個(gè)信號(hào)光經(jīng)過(guò)待測(cè)光纖后的相位差可表示為φ1-φ2，色散即為

4測(cè)量結(jié)果

將激光輸出調(diào)制在10 MHz的頻率，實(shí)現(xiàn)對(duì)6 km長(zhǎng)的G652D單模光纖[16]在1 550 nm處的色散測(cè)量。首先通過(guò)激光調(diào)制器使1 310 nm和1 545 nm激光器工作在10 MHz頻率，用短光纖跳線連接兩個(gè)波分復(fù)用器，鑒相器輸入也選擇對(duì)應(yīng)的這兩個(gè)PIN管給出的信號(hào)，記錄此時(shí)鑒相器的輸出，換算出對(duì)應(yīng)的初始相位差φ10，再換用1 310 nm和1 555 nm激光器，并記錄此時(shí)初始相位差φ20。然后去掉兩個(gè)波分復(fù)用器之間的光纖跳線，換用待測(cè)的G652D光纖，重復(fù)以上兩個(gè)過(guò)程，并記錄加上待測(cè)光纖之后鑒相器的輸出，換算成對(duì)應(yīng)的兩個(gè)相位差φ11和φ21，得色散表達(dá)式中的

φ1=φ11-φ10,φ2=φ21-φ20，

由此可計(jì)算出該光纖在1 550 nm處的色散。

對(duì)1 310 nm和1 545 nm波長(zhǎng)激光信號(hào)進(jìn)行實(shí)測(cè)，用短光纖跳線連接兩個(gè)波分復(fù)用器時(shí)，對(duì)應(yīng)的鑒相器輸出電壓V1 310/1 545為1.562 V。換用待測(cè)光纖后，鑒相器輸出電壓V1 310/1 545為0.699 V。兩者對(duì)應(yīng)的相位差為86.3°。采用類似方法對(duì)1 310 nm和1 555 nm波長(zhǎng)激光信號(hào)進(jìn)行測(cè)量，短光纖跳線連接兩個(gè)波分復(fù)用器時(shí)，鑒相器輸出電壓V1 310/1 555為1.645 V。換用待測(cè)光纖后，鑒相器輸出電壓V1 310/1 555為0.745 V。對(duì)應(yīng)的相位差為90.0°。據(jù)此得到該光纖在1 550 nm附近的色散

17.13 (ps nm-1km-1)。

這與產(chǎn)品手冊(cè)所給參考值17 ps nm-1km-1接近。

5結(jié)語(yǔ)

設(shè)計(jì)了一種采用相移法測(cè)定單模光纖色散的實(shí)驗(yàn)裝置，采用LD半導(dǎo)體激光器光源，光路部分比較簡(jiǎn)單，調(diào)制信號(hào)源來(lái)自DDS集成電路，鑒相器采用AD8302集成電路，可以在比較大的動(dòng)態(tài)范圍內(nèi)準(zhǔn)確測(cè)量光纖的色散。由于鑒相器測(cè)量相差范圍為0～2π，使用中需要選擇合適的激光調(diào)制頻率，并通過(guò)在光路里增加可調(diào)延遲器以改變兩束光之間的相位關(guān)系，以滿足這一使用條件。

參考文獻(xiàn)

[1]張榮君,鄭玉祥,李晶,等. 單模光纖的色散和損耗特性測(cè)量系統(tǒng)[J].實(shí)驗(yàn)室研究與探索,2009, 28(10):29-31.DOI:10.3969/j.issn.1006-7167.2009.10.010.

[2]魏福利,王培偉. 光纖色散法測(cè)量閃爍體脈沖光譜[J].光學(xué)精密工程,2012,20(2):264-268.DOI: 10.3788/OPE.20122002.0264.

[3]許新科,劉國(guó)棟, 劉炳國(guó),等. 基于光纖色散相位補(bǔ)償?shù)母叻直媛始す忸l率掃描干涉測(cè)量研究[J].物理學(xué)報(bào),2015,64(21):1-13.DOI: 10.7498/aps.64.219501.

[4]譚中偉,秦鳳杰,任文華,等. 光纖色散在光信息處理中的應(yīng)用[J].激光與光電子學(xué)進(jìn)展,2013(8):1-10.DOI: 10.3788/LOP50.080023.

[5]葛文萍,陳娟. 八邊形光子晶體光纖色散及非線性的研究[J].光通信技術(shù),2014(9):52-55.DOI:10.13921/j.cnki.issn1002-5561.2014.09.018.

[6]陳中師,王河林,隋成華. 量子點(diǎn)薄膜結(jié)構(gòu)光子晶體光纖色散及損耗特性分析[J].光子學(xué)報(bào),2014(7):1-7.DOI:10.3788gzxb201443s1.0106006.

[7]GUO L, WANG Z F, JIN A J, et al. Dispersion Measurement of large mode area Yb-doped double-clad fiber[J]. Infrared and Laser Engineering, 2014,43(8):2673-2677.

[8]郭良,王澤鋒,靳愛(ài)軍,等. 大模場(chǎng)面積摻鐿雙包層光纖的色散測(cè)量[J].紅外與激光工程,2014,43(8):2673-2677.

[9]方偉,馬秀榮,郭宏雷,等. 光纖色散測(cè)量概述[J]. 光通信技術(shù),2006(9):4-6.

[10] 張娟,周桂耀,王偉. 微結(jié)構(gòu)芯光子晶體光纖色散特性的研究[J].光通信技術(shù),2012(1):56-58.DOI:10.13921/j.cnki.issn1002-5561.2012.01.003.

[11] 鄒新海,張尚劍,王恒,等. 基于相位-強(qiáng)度調(diào)制轉(zhuǎn)換的光纖色散精確測(cè)量方法[J]. 光電子·激光,2014,25(5)：932-936.

[12] NEUMANN N, HERSCHEL R,SCHUSTER T, et al. Dispersion Estimation via Vestigial Sideband Filtering Using an Iotical Delay Line Filter[J]. Journal of Optical Communications and Networking, 2011, 3(2):155-161.

[13] 崔亮,李小英,趙寧波. 利用自發(fā)四波混頻測(cè)量光子晶體光纖色散[J].光學(xué)學(xué)報(bào),2012,32(1):1-5.DOI:10.3788/AOS201232.0119002.

[14] 劉丹,鄭賓,郭華玲,等. 基于AD8302的激光外差干涉信號(hào)解調(diào)技術(shù)[J].激光技術(shù),2015, 39(3)：333-336.DOI:10. 7510/jgjs.issn.1001-3806.2015.03.011.

[15] 劉靜,馬彥恒. 基于AD8302的高精度幅相檢測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[J].計(jì)算機(jī)測(cè)量與控制,2011,19(2)：253-255.

[16] 秦鈺,吳椿烽,陶偉,等. G652.D光纖在長(zhǎng)波段的傳輸損耗研究[J].現(xiàn)代傳輸,2014(3):60-62.DOI:10.3969/j.issn.1673-5137.2014.06.004.

[責(zé)任編輯:陳文學(xué)]

Dispersion measurement of single mode fiber by phase-shift method

CHEN Wujun, ZONG Yan, YANG Luna, FENG Xiaoqiang, ZHENG Xinliang

(School of Physics, Northwest University, Xi’an 710069, China)

Abstract:An experimental device is designed to realize the accurate measurement of the dispersion of single mode fiber using phase-shift method. The device is composed of laser sources, a laser modulator, laser detectors, a phase detector and a computer signal processing unit. The phase-shift generated by the laser pulses of different wavelength after transmitting the same distance in the fiber is determined by the phase detector, and the dispersion of the fiber can be calculated accurately. This is a simple device to measure the dispersion of fiber in a large dynamic range. The dispersion of G652D single mode fiber with the length of 6 km is measured by this device, and the result of 17.13 ps nm-1km-1near the 1 550 nm is obtained, which is very close to the dispersion in product manual.

Keywords:dispersion, phase-shift, single mode fiber, phase detector

doi:10.13682/j.issn.2095-6533.2016.01.019

收稿日期：2015-11-01

基金項(xiàng)目：國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51572218)

作者簡(jiǎn)介：陳武軍(1961-)，男，工程師，從事光電實(shí)驗(yàn)技術(shù)研究。E-mail: wujunchen2000@163.com 宗妍(1980-)，女，工程師，從事光電功能材料研究。E-mail: zong-yan@126.com

中圖分類號(hào)：TN929.12

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：2095-6533(2016)01-0093-04